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摘要：运用物联网技术，能够提高家庭安防系统的智能水平和工作效率，保障智能家庭的安全。本文基于物联网，设计了一种智能家庭物联网安防系统，对其硬件及软件的设计与实现进行了详细的介绍，旨在为类似系统设计提供借鉴。
关键词：智能家庭；物联网；安防系统
随着科学技术的快速发展以及社会经济水平的不断提高，人们的安全防范意识日益提高，对家庭安防系统也提出了更高的要求。而物联网技术能够建立起物物相连的应用系统，将其应用于家庭智能安防系统中，能够提高系统的工作效率和可靠性。对此，本文展开了相关介绍。
1.报警系统的总体结构
该系统结构图如图1所示。最底层由多种类型的传感器构成，实现家庭中各种环境信息及安全状况信息的收集，分别有红外传感器、超声波传感器、瓦斯传感器、有害气体传感器、激光传感器、火焰传感器、视频探头等。然后通过串口通信将信息传送给上一层，即家庭终端。家庭终端我们采用基于Arduino的开发板。家庭终端负责初步处理传感器接收到的信息，然后将加工处理过的信息再传送给上一层，即家庭服务器。家庭终端与家庭服务器之间通信我们采用LoRa技术来完成。家庭服务器我们使用的是树莓派，它负责将信息进一步处理整合并备份然后将整合解析出来的结果发送给云端服务器，而且视频设备就通过usb接口与树莓派直接连通。家庭服务器所做的信息备份也方便了日后查询。可以说家庭服务器不仅是整个物联网系统的内核心，也是整个家庭内部物联网系统与外部物联网系统的信息纽带。本物联网安防系统的最高层，就是云端服务器和使用者手中的手机移动终端两个部分。云服务器上运作着基于MVC架构的控制整个系统的物联网管理系统。这个系统把底层收集的数据先进行智能化分析然后再可视化呈现，最终使用者可直观的了解家庭安全信息，直接便捷的控制家庭物联网系统。而使用者手中的手机终端的功能就是进入云端系统的移动版进行整体管理，做到管理便捷化，云端系统也会实时地将家庭报警信息推送至手机终端，做到可交互。
2.系统硬件设计
2.1家庭服务器设备
为降低该系统的能耗，减小体型，服务器采用树莓派3B+开发板而并非服务器级计算机。而且树莓派作为基于ARM的微型开发板，具有很强的运算处理能力，且支持USB、串口、HDMI、无线Wi-Fi、LAN等多种输入输出方式。能满足视频录像的图形处理要求，又能满足高速接入互联网的要求。同时它的多接口可以使其具有丰富的拓展性，甚至可以集群化，达到更高的处理能力。我们通过Wi-Fi的方式使其接入互联网，以使其能将信息提交至云端服务器。LoRa模块接入树莓派的串口，实现串口通信。
2.2家庭终端设备
终端设备选用Arduino开发板，该开发板具有便捷灵活、编程简单等优点，深受人们的青睐。，它具有以下几个特点。
2.2.1跨平台
ArduinoIDE可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系统上运行，而其他的大多数控制器只能在Windows上开发。
2.2.2编程简单
ArduinoIDE基于processingIDE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后就可以快速的进行开发。
2.2.3开放
Arduino秉承开源精神，其硬件原理图、电路图、IDE开发环境及核心库文件都是开源的，这样既保证了Arduino的稳定安全、更使其具有极大的拓展性，满足未来更加开放开发的需要。以上几个特性使其可以很好地满足本物联网系统的开发需要。Arduino有一系列的开发板，我们使用的是ArduinoUno。通过ArduinoUno来控制诸多传感器，收集信息，感知环境，并将得到的信息处理为家庭安全状况实时信息后发送至家庭服务器。
2.3LoRa通信模块
本系统使用的LoRa通信模块，嵌入了高速、低功耗单片机和高性能LoRa扩频芯片SX1278，采用了高效的FEC前向纠错算法，其编码效率较高，纠错能力强，在突发干扰的情冴下，能主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输距离。而其使用的LoRa直序扩频技术，也具有以下几个优点。
（1）更远的通讯距离；
（2）发射功率密度低，不易对其他设备造成干扰；
（3）保密性高，被截获的可能性极低；
（4）抗干扰能力强，对同频干扰及各种噪声具有极强的抑制能力；
（5）具有极好的抗多径衰落性能。
当然还有一个重要原因是因为其超低的功耗，可以通过电池供电的方式来长期运行。当模块工作时，可以通过延长响应时间的方式来降低功耗，经测试，当响应时间为2s时，其模块平均电流可降低至30uA。
借助升特的LoRa专利调制技术，SX1278采用低成本的晶体和物料即可获得超过-148dBm的高灵敏度与+20dBm功率放大器的集成，使器件的链路预算达到了行业领先水平，成为远距离传输和对可靠性要求极高的应用的最佳选择。相比传统调制及时，LoRa调制技术在抗阻塞和选择性方面也具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗干扰和功耗的问题。
以上这些特性使其满足了家庭物联网的需要，更符合智慧城市建设的需要。将其使用在家庭物联网之中，能为未来接轨智慧城市建设做好铺垫。我们在系统中将LoRa作为核心通信方式，在家庭终端和家庭服务器上均通过串口安装了LoRa通信模块，使前者能安全、稳定地将家庭安防信息传送至后者。
2.4入侵检测报警模块
本模块由人体红外传感器和超声波测距传感器组成。前者基本原理是检测人或者动物发出的特定波长10UM左右红外线并用经过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上，而红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。所以，红外探测是感应移动物体温度与背景物体温度的差异。后者基本原理则是模块向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340m/s×t/2。我们通过两种传感器，感知环境，实现家庭未知人员入侵警报的功能，并使其互相印证，这样便能提高报警的准确率，降低误报率。此模块接入家庭终端的连接图，如图3所示。
2.6家庭环境异常报警模块
本模块由有害气体探测传感器和火焰探测传感器两部分组成。我们将此模块布置在家中的厨房位置，这样基本能实时了解家庭厨房的安全状况，同上面的入侵报警模块一样，以两个传感器感知的方式，提高了报警的准确。此模块接入家庭终端的的线路图。
3.系统软件设计与实现
3.1家庭服务器程序设计
家庭服务器采用的是Linux操作系统，并配置python运行环境。python语言脚本语言具有高级语言的抽象特性，可以很容易的实现控制视频监控的流媒体传输这样的高级功能。而且其具有丰富的模块库，通过引用库函数serial的方式，我们很快速的完成本系统的串口通信功能的开发。而且python也是开源的，这样能很方便的进行以后的系统功能拓展开发。而服务器所使用的Linux操作系统，相比微软平台的windowsserver，具有成熟、稳定、高效的特性，更适合作为家庭安防物联网系统的核心服务器。
我们开发的python脚本通过Flask框架实现视频监控的流媒体传输，通过serial模块控制串口UART的TxD、RxD两个引脚。家庭终端Arduino通过LoRa模块传输至家庭服务器树莓派RxD引脚，服务器接收到数据便进行逻辑判断处理，然后用python的urllib2模块构造post请求数据包发送至云端。具体流程图如图4所示。
3.2家庭终端程序设计
家庭终端程序是通过ArduinoIDE烧入Arduino，程序通过监测传感器所连接的输入引脚的输入值及状态实现功能。例如在超声波传感器监测模块程序中，首先通过Serial.begin函数设置波特率，通过pinMode设置SR04传感器对应的引脚，然后进入正式监测阶段，首先产生一个10us的高脉冲去触发TringPin，然后检测脉冲宽度，并通过声速公式计算出了距离。其中入侵检测报警功能和家庭环境异常检测功能均以模块化的方式实现，方便未来的拓展升级。
3.3云端物联网管理系统设计
云端采用的是Linux操作系统，版本为CentOS7.2，配置有PHP+MySQL运行环境。管理系统为经典的MVC架构，前端采用bootstrap开发框架，后端使用PHP开发语言。bootstrape框架的使用使管理系统得到扁平化的视觉呈现，不仅美观，而且重点鲜明突出。PHP语言是一门稳定高效的语言，被广泛运用于网站开发，具有很高的市场占有率。我们利用现有的php网站模板框架，实现了系统网站的用户注册、登录、注销、数据库管理、视频流传输等基本功能，而且实现了对家庭服务器提交的警情数据的智能分析。同时借助阿里云提供的服务其具有了防注入攻击、跨站脚本攻击、密码爆破攻击、拒绝服务攻击等安全特性。在满足系统管理、智能分析的同时，也方便了用户的便捷管理，了解家庭警情。
3.4手机终端（Ardroid）程序设计
手机终端采用Android平台，Ardroid作为一个开放成熟的平台，非常适合作为研究开发。在编写app控制程序的过程中，我们着重针对整个物联网系统的运作方式进行了进行了app安全加固。首先是对app代码进行混淆加密，防止app被恶意反编译破解，从而危及使用者的隐私安全。之后再改进传输机制，采用先加密再传输的方式，防止截断攻击。在通过对用户弱口令的提示，来防止app使用中的人为漏洞。
4.系统测试
采用一加3T作为手机终端，并安装终端App软件。采用两块ArduinoUno开发板，一块串口接红外、超声波传感器，另一块串口接火焰、有害气体探测传感器。而两块开发板都接LoRa通信模块，即SX1278芯片，芯片接天线。在家庭服务器树莓派3B+上接LoRa通信模块，并把树莓派通过Wi-Fi的方式接入互联网。云端采用阿里云的ECS，并在其上建立php+MySQL的物联网管理系统的运行环境。然后将物联网管理系统架设在云端。测试结果如图-。结果表明所设计的报警系统是可以稳定运行的，当有外人入侵或火灾、有害气体发生时，实现了现场蜂鸣器报警，并对警情现场进行视频录像，把警情发生的状况和时间等信息进行备份，并发送至云端管理系统，同时手机app实时从云端得到信息进行警情推送。使用者通过app了解警情，观看现场警情画面。
5.结论
综上所述，物联网技术在当前智能家庭安防系统中逐渐得到推广应用，运用物联网协助完成防火防盗、报警等安防活动，能够有效提高家庭安防系统的可靠性。本文设计了一种智能家庭物联网安防系统，提高了系统报警的准确度，实现家庭安防系统的智能化，对类似系统设计具有良好的借鉴意义。
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[2]李彦芳.浅谈家庭安防系统[J].电子世界，2016（13）：133.
[3]高芹.基于物联网的智能家居安防系统设计[J].电子制作，2014（03）：63.
论文作者:苏浩华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/6
标签：家庭论文; 系统论文; 终端论文; 模块论文; 安防论文; 服务器论文; 传感器论文; 《电力设备》2018年第10期论文;