基于物联网的智能家居安保系统的设计与实现

穆罕穆德 阿萨杜尔 霍克 东田纳西州立大学计算系，美国田纳西州约翰逊市37614

查德 戴维森 田纳西大学电气工程与计算机科学系，美国田纳西州诺克斯维尔

摘要

智能手机和可定制的开源硬件平台的最新发展，使得基于物联网的低成本家庭自动化和安保系统体系结构成为可能。这些系统通常由探测层和驱动层组成。其中探测层由无源红外传感器（也称为运动传感器）、温度传感器、烟雾传感器和用于安全监视得网络摄像头等传感器组成。这些传感器、智能电器和其他物联网设备通过家庭网关连接到互联网。本文提出了一种具有低成本效益的智能门传感器系统，该系统将通过Android应用程序通知用户房屋或者办公室环境的开门事件。上述系统利用兼容Arduino的Elegoo Mega 2560微控制器和Raspberry Pi2板与用于实现RESTfui API的Web服务器进行通信。在实现这套系统中使用了几种编程语言，并讨论了门传感器的进一步应用以及它的一些优缺点，例如可能受到其他射频设备的干扰。

1绪论

物联网（IoT）是实现智能通信对象互联网络的愿景，例如家用电器，车辆，工厂机器，可穿戴设备和各种类型的传感器。 诸如无处不在的无线通信，机器学习，实时分析和嵌入式系统之类的技术的融合，使得在许多领域中新颖的物联网应用成为可能。 商业利益和政府举措的结合使智能家居，智能医疗保健，智能城市和智能交通成为物联网应用程序开发的主要重点领域。

支持物联网的个人医疗保健应用将需要传感器来收集智能空间（例如智能家居或医疗保健环境）中的数据，并从可穿戴或植入式RFID标签中收集数据。来自RFID设备的数据将学习分析人们的日常活动，帮助发现异常事件，并警告护理人员可能出现的问题。使用物联网创建智能城市的想法可能起源于1990年代的全国性联盟，即Smart Growth America（SGA）。 SGA致力于解决与城市环境有关的问题，包括资源管理，运输和公共管理。最近政府对信息和通信技术系统的支持可能最终使SGA的愿景得以实现。物联网的潜在应用包括对建筑物健康，能耗，噪声和空气质量的监控；改善垃圾和交通管理以及智能照明。车联网（IoV）是物联网的一个子领域，它使用无线技术使车辆能够与其周围环境进行通信。车联网为在智能交通控制和管理，道路安全和车辆安全中开发新颖的应用创造了机会，例如在线诊断，防盗系统和跟踪[1-16]。IoV使车辆能够利用多种通信模式进行通信，包括车辆到车辆，车辆到网络再到车辆以及车辆到基础设施的通信。

智能家居是物联网范式的一部分，旨在集成家庭自动化和安全性。使典型家庭中的对象能够连接到互联网，可使房主远程监视和控制它们。 从在一天的特定时间关闭定时器的灯到可以自动调节房屋温度并生成详细电量报告的智能恒温器，智能家居已在消费市场上占有一席之地。负担得起的智能手机，微控制器和其他开源硬件的可用性，以及越来越多的云服务使用，使得开发低成本的智能家居安全系统成为可能。随着家庭生活比以往更加繁忙，智能家居自动化和安全系统还可以满足行动不便的家庭成员的需求，例如残疾人和老年人。

本文旨在提出一种低成本架构，在家庭中使用基于射频的通信来创建一个物联网智能家居安保系统。通常耗电量低的智能家居设备，如智能灯泡和门窗传感器，使用射频收发器相互通信。本文提出了一种廉价的智能门传感器架构，该架构将利用Elegoo Mega 2560微控制器板、树莓派2、web服务器和Android应用程序。

2具体实例

在物联网家庭安全系统方面的早前应用中已经有一些系统结构，重点是使用低成本的开源硬件组件，如Arduino和树莓派 MCU板以及各类传感器组合。无源红外传感器用于检测运动，可以与捕捉图像的网络摄像头同步工作，以提醒用户非法侵入事件。

Kodali等人发表了一个基于TI-CC3200启动板的经济高效的无线家庭安全和自动化系统：系统中一个内置Wi-Fi连接的电池供电微控制器单元（MCU）。无源红外运动传感器被放置在建筑物的入口处，并连接到MCU的数字输入输出引脚。MCU使用Energia集成开发环境（IDE）和启用Wi-Fi进行编程。Kodali等人的配置允许没有互联网连接的手机接收安全警报并控制连接到微控制器的物联网设备。Tanwar等人发表了一个廉价的家庭安全系统，实现一个实时电子邮件警报系统。系统采用红外传感器模块和树莓派单片机。安全摄像头和红外传感器分别通过USB端口和通用输入/输出引脚连接到树莓派上。该系统需要家庭有互联网接入；它使用互联网实时向住户发送电子邮件。系统的入侵检测逻辑会通过比较来自红外传感器的输入信号与其默认值比较并识别运动。当两者信号不同时，安全摄像头捕获一个暂时存储在树莓派上的图像，然后自动通过电子邮件发送给住户。

Gupta和Chhabra提出了一种基于以太网的经济高效的智能家居系统，用于监测能耗、烟雾和温度水平以及检测入侵。该系统采用Arduino认证的Intel Galileo第二代微控制器板。温度、烟雾和红外传感器直接连接到微控制器，而四个220V设备通过继电器模块连接。基于android的移动应用程序通过互联网连接到基于Intel Galileo的服务器，用户可以通过Google API语音识别工具点击触摸或语音命令来切换设备。

Piyare等人提出了一个基于蓝牙的家庭自动化系统，其中运行Python脚本的Android手机通过连接传感器和设备的数字和模拟输入/输出端口与Arduino BT板通信。智能手机应用程序对每个设备都有一个开关功能。然而，智能手机和Arduino BT板之间的蓝牙连接在混凝土建筑内需要50米或以下的范围，并且Symbian以外的移动平台不支持Pyhton应用程序。

Behera等人设计并实现了一个使用Arduino Uno板、Arduino Wi-Fi屏蔽板和PC家庭服务器的实时智能家庭自动化系统。采用PIR或运动传感器、光敏电阻和LM35温度传感器来采集PC服务器上的有效数据，PC服务器还组建了一个MATLAB-GUI平台来控制温度、灯光和风扇。PIR传感器还可作为一个安全组件，检测可能的非法入侵，启动蜂鸣器报警提醒住户。

Howedi等人提出了一种基于Arduino Uno板、PIR传感器、DHT11温度传感器、INA219高压侧直流电流传感器和控制门窗的伺服电机的低成本智能家庭系统。ArduinoIDE用于实现系统的控制和监控模块，而麻省理工学院的应用程序发明者提供一个简单的Android应用程序。

Panwar等人以树莓派3单片机为中心，实现了Eyrie智能家居自动化系统。他们提出的架构将位于房子周围的几个Arduino纳米板连接到各种类型的传感器和NRF24L传输接收器，从而解除了以太网或Wi-Fi连接的需要。Mosquito代理是一个开源免费的消息代理，用于将消息转发到树莓派3，它利用Debian操作系统进行操作。而EclipseSmartHome框架则被用来为终端用户实现一个web界面和一个智能手机应用程序。

Baraka等人利用无线通信网络ZigBee连接设备和有线X10技术将灯和开关模块连接到Arduino微控制器，开发了一个具有智能调度模式的家庭自动化系统。安装在Arduino MCU上的以太网屏蔽板允许Arduino和基于web的Android应用程序之间的通信，然后用于远程添加和管理设备以及查看任务的调度。

ShariqSuhail等人提出了一个智能家居安全系统的原型，该系统使用红外传感器进行非法入侵检测，使用MQ2传感器检测烟雾和气体泄漏，使用LM35温度传感器作为Arduino Mega 2560的输入。蜂鸣器、LCD、LED灯带和全球移动通信系统（GSM）模块与MCU连接，同时使用树莓派连接一个摄像头，在运动检测时捕捉图像。GSM，一种与Arduino Mega接口相关的无线技术，当检测到潜在的入侵、烟雾或气体泄漏时，向用户的手机发送短信通知和电话。

在Gunputh等人类似的体系结构中利用Arduino Mega 2560板和Wi-Fi模块来实现语音控制的智能家居系统。Elechouse V3语音识别模块允许用户发送语音命令来调节照明、打开或关闭窗口以及控制折叠床。

维尼思等人的语音控制安全eHome也使用V3语音识别模块，但使用射频模块而不是Wi-Fi在Arduino UNO和Raspberry Pi MCU之间进行无线通信。树莓派支持传感器连接到互联网，因此所有的感官数据可以记录到谷歌电子表格。没有移动或web应用程序的实现，因此将此系统的控制限制在mic的位置。

Sunehra等人提出了两种基于语音的家庭自动化系统方案。第一种方案使用HC-05蓝牙模块和Arduino蓝牙控制器移动应用程序控制室内设备。GSM/GPRS技术用于远程控制设备和接收潜在的入侵检测的短信警报。基于ARM11的树莓派作为中央集线器，通过HC-05蓝牙模块接收语音命令，并连接到PIR传感器、继电器、Wi-Fi路由器和网络摄像头。

3系统结构与设计

3.1设备及传感器

Elegoo Mega 2560开发板（或Arduino）

红外接收-发射器（433Hz）

磁簧开关

树莓派2

母对母-母对公跨接电缆

Android智能手机或模拟器

3.2原理图

图1给出了连接到红外接收器的树莓派的引脚排列图。红外接收器使用了地线，5 V电源以及树莓派上的引脚13（用于存储库中的OpenDoor.cpp）引脚。需要注意的是，在该项目中还有一个第二数据引脚将不使用，并且天线（未显示）由轧制的铝箔制成。

图 1树莓派引脚与射频接收器连线图

图2描述了Elegoo Mega板的接线示意图。在图2中，电磁开关和433Hz红外发送器连接到Mega2560开发板上。连接线的顺序与弹簧开关无关。对于存储库中的代码传输线，一根导线接地，而Mega 2560板上的引脚2则是另一根导线的接地位置。 射频发射器具有接地线，5 V电源，和连接开发板上的引脚10的引脚。该项目使用的天线是一块简单的铝箔卷代替。

图 2 Mega2560开发板与磁簧开关及射频发射器连线图

3.3系统结构

图3描述了该智能家居安全系统的总体架构。图4则显示了各个设备间数据通信的流程图。下面的每个小节都详细解释了设备之间的通信方式。对系统架构的简单概述将有助于理解为什么这些部分是按顺序排列的。最初，弹簧开关打开，使得Elegoo开发板将射频信号从其发射器发送到位于树莓派上的射频接收器。然后，树莓派向在云端设置的RESTful web服务器发送HTTP POST请求。然后，这个web服务器要么推送信息，要么接收来自Android应用程序的GET请求，以允许终端用户按日期和时间查看开门事件。以下各节中提到的所有库都是开源的。

图 3基于物联网的智能家居安保系统架构

图 4系统内部数据流程图

3.4 Elegoo开发板与树莓派2间通信

Elegoo开发板和树莓派之间的通信连接是最重要的部分，因为它是物联网架构中传感器与其他电气设备通信的地方。一旦住户房门打开导致弹簧开关启动，使用Arduino的RC开关库便从发射器发送433 Hz的射频信号。二进制代码随之被发送到与树莓派相连的接收器，并在随后的每次开门事件中递增。这使树莓派持续跟踪每次房门打开情况。射频信号传输范围在1200平方英尺的公寓中进行了测试。当reed开关被触发时，二进制的数据流能稳定传输到连接到树莓派的接收器。用一块简单的铝箔做天线就可以让接收器和发射器作用范围覆盖整个1200平方英尺的房子。树莓派使用wiringPi库和433Utils库来接收二进制代码。然后，这些代码作为文本文件输出发送，由Python脚本读取，该脚本将执行通信过程的下一步。

3.5树莓派2与NodeJS网络服务器间的通信

接收到二进制代码并将其作为输出发送到文本文件后，利用Requests库的Python脚本每秒检查一次文本文件是否有新更新。当文本文件中代码更新时，POST请求将发送到基于NodeJS和MongoDB数据库设置的HTTP Web服务器。该服务器实现了RESTful API，该API会按日期和时间存储开门事件。然后Android应用程序可以通过GET请求访问此数据库中的数据。

3.6 Web服务器与Android间的通信

通信过程的最后一是Web服务器和用Java编写的Android应用程序之间的通信。 每当Web服务器检测到新的开门事件时，都可以发送推送通知，但是，对于本项目而言，是Android应用程序向服务器发出GET请求获取信息。Android应用程序可以使用Android Studio提供的各种库，本项目中用于发出请求的库是Volley库。

4程序代码

在本节中，我们讨论与在系统的不同部分中运行的不同部分相对应的程序代码。树莓派需要一个Python脚本来更新NodeJS服务器（表格1），并需要一个C 程序来接收Arduino通过433MHz红外射频信号传送的代码（表格2）。Arduino中用于感应房门打开并将代码传输到树莓派的程序是用C （表格3）编写的。Android应用程序是使用Jav

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