基于物联网方式的家庭智能防盗系统.doc

基于物联网方式的家庭智能防盗系统-应用端程序设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：信息学院信息工程高强强学 号：职 称：160507107185李华颂副教授中国·珠海二二年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计基于物联网方式的家庭智能防盗系统-应用端程序设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 高强强 日期： 2020 年 4月 12 日20应用端程序设计摘 要物联网（The Internet Of Things ）是指将所有是物体相互关联起来的互联网，是以网络为基础的互联网的扩展和延伸，是一种由互联网和各类采集信号的传感器设备共同构成的庞大网络，其功能强大，能够把用户、设备和物体紧密相连且相通，不管是在什么时间、在什么地方。智能防盗已成为当今家庭网络化的体现，已成为网络信息社会发展的重要组成部分物联网是各种信息的枢纽，是智能防盗行业发展的最终方向，对于智能防盗行业具有重要意义，本设计构造容易实现操作简单，本设计采用STM32单片机为核心，结合物联网技术来实现远程智能防盗。关键词：物联网；智能防盗；WEB技术Application programmingAbstractThe Internet of things ，It refers to the Internet connecting all objects, the expansion and extension of the Internet based on the network. It is a huge network composed of the Internet and all kinds of sensor devices that collect signals. It has powerful functions and can tightly connect users, devices and objects, no matter when and where. Intelligent anti-theft has become the embodiment of home networking, has become an important part of the development of network information society. The Internet of things is the hub of various information, is the final direction of the development of intelligent anti-theft industry, and is of great significance to the intelligent anti-theft industry. This design is easy to realize and simple to operate. This design adopts STM32 single-chip microcomputer as the core, and combines the Internet of things technology to achieve Remote intelligent anti-theft.Keywords: Internet of things; Intelligent anti-theft; ; WEB technology目 录1绪论11.1 本设计的目的与意义11.2 国内外研究现状及其发展概况11.3 本设计应解决的主要问题32本设计42.1设计原理42.1.1STM3242.1.2人体红外传感器HC-SR50142.1.3Wi-Fi模块ESP826652.1.4应用端设计52.2方案选择62.2.1分析问题72.2.2设计过程73结论8参考文献9致谢101 绪论本毕业设计是以物联网为基础，研究和设计一种基于物联网的家庭智能防盗系统，该系统构架具有结构简单、实用性强、数据存储方便、用户使用方便等特点，适用于住宅区域范围内监测安全的情况。全篇分为绪论、系统分析、概要设计、详细设计、系统测试、结论、参考文献、致谢、附录等。1.1本设计的目的与意义在这些年以来，随着社会经济的不断发展和进步、现代人们生活条件的不断提高，在互联网通信的技术、计算机设备、电子设备技术等丰富的资源条件下，人们也在不断地渴求更优越的住宅环境，不仅仅体现在对住宅周围舒适温馨的环境的条件的希望，更体现在其能够更加地智能化和住宅区域的安全问题上。与此同时，快速发展与增长的经济条件也给如今这个社会带来了一定的负面影响。随着经济发展不平衡、城镇和农村的收入差距也在不断地拉开。导致了流动的人口数量也逐渐上升。闯入居民室内进行偷盗的刑事案件等也在持续发生。对此，我们越来越追求更高质量的住宅环境的安全防范等措施。然而，这些不法分子的作案水平也在逐步上升，他们的作案手法甚至借助于一些高科技，使得像过去那样仅仅依靠安装防盗的门窗的简单方式去预防犯罪的发生已经远远不能够满足人们对于日常安全的需求了。然而目前，社会上有许许多多的双职工家庭，其家中白天往往无人看守，最主要是靠着传统的防盗方式：安装防盗门窗等。而这些像以往防盗网和防盗窗一样的机械式防盗措施，也充分的暴露了很多安全隐患在其实际使用的过程中。国务院所出台的关于禁止在住宅小区安装防盗网的意见里明确指出，防盗网在实际使用的过程中所带来的安全隐患包括：严重影响了建筑物的美观和城镇环境的整洁；在发生险情时阻碍了消防人员救治的通道；同时也会为不法分子进行入室偷盗等行为提供良好的攀爬条件；且长此以往，也会增加高空坠落的隐患；而且此类防盗装置在较长时间无人看守的情况下的防盗效果并不明显。因此，目前已经有数十个城市立法废除传统的机械式安防装置，强行将金属防盗网拆除。所以人们迫切需要采用一种新的系统、新的方法来提供一个更加可靠的、安全的住宅环境。一种能够及时发现危险并通知业主，最大限度地保护人民生命财产安全的智能家居报警系统。本设计的主要目的是通过研究现有的物联网技术，设计和开发一种以物联网为基础的家庭版的智能防盗系统构架的云服务端平台。该平台针对家庭防盗系统，提供云服务端接入服务，包括与物联网智能防盗系统的智能网关的接入服务，也包括软件应用端的接口服务。结构简单、数据存储可靠，能够很好的分析处理所采集到的数据并反馈决策控制。这对于物联网技术和云服务端平台的结合来说有着非常大的参考价值，以及其研究意义重大、使用价值颇高。1.2国内外研究现状及其发展概况随着时代的变迁，基于物联网的智能防盗技术有了较大的进步。物联网（The Internet Of Things）的概念最早于 1999 年由美国麻省理工学院首次提出。而IBM于2009年初抛出了“智慧地球”的概念，使得物联网成为时下的热门话题。继温总理2009年8月所提出的启动“感知中国”建设后，物联网在中国进一步升温，所涉及的技术得到政府、科研院校、电信运营商及设备提供商等的高度重视。物联网（Internet of Things），是一种利用各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、无 线传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等对现有物品信息进行感知、采集，通 过网络支撑下的可靠传输技术，将各种物品的信息汇入互联网，并进行基于海量信息资源的 智能决策、安全保障及管理技术与服务的全球公共的信息综合服务平台。物联网有两层意思：第一：物联网的基础和核心仍是互联网，其是在互联网基础上进行延伸和扩展的网络；第二：其用户端延伸和扩展到了任何物品，以及物品之间进行信息交换和通信。因此，物联网是指运用传感器、射频识别（RFID）、智能嵌入式等技术，使信息传感设备感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过网络（如基于 Wi-Fi 的无线局域网、3G/4G 等） 接入方式，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换通信，在进行物与物、物与人的泛在连接的基础上，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、控制和管理。物联网架构，分为感知识别层、网络传输层、综合应用层。在国内，物联网防盗设备主要是通过通信模块将一些探测器接口检测到的异常信号传送给客户端的通讯设备上，由此告知相关人员发生危险，使得危险能够得到及时的处理，更大程度地保护了人民的生命以及财产安全。物联网防盗设备主要是在探测器技术和远程报警系统这两方面的发展比较快。探测器的发展主要是：表现在被动红外、微波和超声波三种不同的探测技术的出现上。远程报警系统的发展则主要表现在有线式报警系统、报警联防网络及式报警系统等的出现上。目前，有关报警系统我果主要采用式系统，其具有一次性投资小、安装简单、方便等特点，但其存在误报率高及覆盖面积小等问题，且其使用场合收到一定的限制。在国外，最早关于防盗系统的研究是基于防火控制的研究发展而来的，逐渐变得更加智能，并且在传统的原理中加入了许多新的技术，如微机技术和电子技术等，在其传统的结构上做了很大改善，功能上也提高了很多。从如今国内外对于智能防盗系统的发展历程来看，现在的发展方向逐渐趋于不直接接触物体的方式，比如说现在的很多传感器设备像红外线传感器、超声波传感器等等。智能防盗系统目前的发展状况主要趋向于：信息化、智能化、多元化、设备小型化、住宅社区化以及高灵敏化等等方面。信息化：采用互联网计算机技术通过一定的网络通信协议将其相关的各个部分相互之间联系起来，包括各个系统之间、控制设备之间、探测设备之间、以及报警设备之间，以达到调用远程数据的目的。系统之间采用网络监控管理，使得相互之间形成一个大的网络系统，其内部之间实现信息和资源的共享，如此一来相关人员能够准确及时地了解并处理有关信息，很大程度上弥补了传统机械式防盗系统的缺点。智能化：是指系统能模仿人的思维，对比和判断采集到的各类环境数据，从而准确地预测盗窃的发生。当盗窃发生时，能够根据采集到的各类信息对盗窃案件向相关人员发出提醒并就出动的力量和解决方法等给予合理的建议。多元化：探测技术和设备连接方式的多样化。国内目前按其工作原理和响应方式可将探测器分为声波、物体扫描、红外线探测器以及他们的各种组合等。设备的连接方式随着通信技术的成熟和不断完善，在各个设备和系统相互之间能够在特定的环境和特殊场所下来选择更为适合的、可靠的、简单的通信技术和方式。设备小型化：指的是探测设备等的小型化。在智能系统逐渐网络化后，这些系统中的控制和探测设备等都将逐渐趋向小型化，这样人们就能够更加轻松的安装和使用这些智能防盗系统，而且也能够很好地节约成本。住宅社区化：在以往，只有在相对重要的场合下，人们才会使用和安装智能防盗系统，而在一些发达的国家，如美国、日本等，却有许多的普通家庭也将智能防盗系统安装在了自家房屋范围内，以保障他们自身的安全问题。随着现在经济和科技的不断发展、人们越来越重视其安全隐患、智能防盗系统的也在逐步地完善和提高，在住宅社区区域特别是高级住宅区域积极推广应用智能防盗报警系统，对预防入室盗窃是很有必要且非常有效的措施。高灵敏化：为了能够更好地去保障人们的生命安全和维护财产利益，智能防盗系统将发展为具有更高灵敏度的系统，具有可靠程度高、误报率小、智能化程度强、网络共享发达等优势。以上就是现代智能防盗系统技术的发展走向。1.3本设计应解决的主要问题针对目前家庭智能防盗系统的研究，拟从以下几个方面对整个设计进行设计解决：a、 传感器：选择和设计传感器设备；相应地分析和处理传感器检测到的信号，以及对其分析处理后的信号执行相应的操作，包括转换、运算、存储、发送等等。b、 通信：通信模块的选择和应用；针对本设计应完成的功能和特点选择出合适的通信模块，借助其功能完成通信的任务。c、 本系统的硬件设计：对本系统所需要的元器件和他们的工作原理以及单片机的外围接口电路进行研究和设计。这里所涉及到的主要是WiFi通信模块电路，门窗、阳台等遭遇非法入侵时的报警电路。d、 软件设计：通过软件程序的设计编写来控制硬件实现系统应有的功能。e、 云服务端程序设计：运用WEB技术编写设计一个云服务平台，该平台针对家庭防盗系统，提供云服务端接入服务，包括与物联网智能防盗系统的智能网关的接入服务，也包括软件应用端的接口服务。2本设计通过人体红外传感器对行人进行监测，在没有监测到行人时，通过Wi-Fi模块向云服务端发送信号，在云端分析存储并发送给Android移动客户端，在Android移动客户端显示无人；监测到行人时，通过Wi-Fi模块向云服务端发送信号，在云端分析存储并发送给Android移动客户端，在Android移动客户端显示有人并控制启动报警。2.1设计原理本设计所使用的设备及仪器有：STM32、人体红外传感器HC-SR501、Wi-Fi模块ESP8266、Node.js等，以下是它们的工作原理和特点。2.1.1 STM32STM32单片机系列产品是一种微型处理器，它基于Cortex-M内核工作，且由意法半导体较早推向市场。该系列产品有很多优点，如价格低廉、功耗优越、性能好、功能多等，其种类多样，且推出方式往往是一连串相关的推出，这样就让用户在选型的问题上更加清晰方便。在所有STM32产品中的“1”系列指的是当下比较常用的系列：STM32F103107，而“4”系列则指是高端系列：STM32F4xx，这一系列是在最近才推出的产品。“1”系列是基于Cortex-M3内核，而“4系列”基于Cortex-M4内核。且“4”系列之所以更高端是因为其：在运算方式上加入了浮点运算；优化了数字信号处理技术；拥有超过一兆字节的存储空间；处理能力更强；外接设备更加的高级等。STM32跟其他单片机一样，是一个单片计算机或单片微控制器，所谓单片就是在一个芯片上集成了计算机或微控制器该有的基本功能部件。总线把这些所有的功能部分相互之间连接起来。STM32单片机拥有非常多的功能部件，有：内核Cortex-M、连接功能部件的总线、用于复位的电路、用来产生时钟信号的系统时钟发生器、用来存储程序和数据的存储器、用来控制中断的部件、调试的接口等，还有各种接口、定时器、串行总线等外接设备。2.1.2 人体红外传感器HC-SR501我们都知道我们人体发射的红外线波长一般为10微米，用特定的传感器，可以对我们人体发出的这种红外线进行检测，在特定的传感器中，当人体的红外线照射时，达到一定的升温速度加热高聚物驻极体，则原来“冻结”的极化电荷就要释放出来，在后续电路的检查处理之下，便会产生控制信号。在智能家居中会经常使用到自动感应电器设备，这种设备需要的技术基础那便是红外线技术。我们在这次任务需要用到的HC-SR501传感器，就是利用到这种技术的自动控制模块。其中，它的核心控制模块是LH1788探头的自动控制模块。之所以采用这种模块，是因为它各方面的性能都很优良，用它来生产出来的器件，尤其是在耗能方面，更是突出它的低耗优势。典型的代表器件便是利用红外线技术生产出的LH1788。当我们周围有这种传感器时，我们进行活动，它便我们进行检测，在这个过程当中，它的IO值的输出会发生变化。如果我们是忽然间闯入，这个传感器的模块会是会返回一个高电平的信号，反之（没有人入侵），它返回的是低电平信号，我们可以读取IO口状态来判断我们人的活动。2.1.3 Wi-Fi模块ESP8266如果想要实现智能无线家居和M2等物联网应用，我们需要利用Wi-Fi模块，将它嵌入在传统的硬件设备中，这种方式在物联网应用中具有极其重要的作用。Wi-Fi模块即是我们常说的串口Wi-Fi模块，这种模块的内部安置有2种协议栈，分别是无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议栈以及TCP/IP协议栈。它属于物联网传输层，主要的功能是将串口或TTL电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准。对于Wi-Fi模块ESP8266，它的工作方式一般有两种，第一种工作方式是主动型串口设备联网，第二种工作方式是被动型串口设备联网。第一种工作方式是由设备主动发起连接，设备能与后台服务器进行数据的相互交换。举一个简单的例子，我们日常交易中很有可能会用到的无线POS机，我们进行了一次交易，在这次交易完成后，设备就会开始连接后台服务器，上传我们刚刚交易的信息数据。PUSH型串口设备联网的拓扑结构如右图所示。其中，后台服务器作为TCP Server端，我们的设备的利用无线AP或路由器与网络进行连接，然后作为TCP Client端。第二种工作方式如其名一般，系统中所有设备都处于一种等待连接的状态（类似于一种处于需要被激活的状态），需要我们的后台务器对我们的设备进行连接，然后向设备发出请求，或者向设备下传出据。这种工作方式在无线传感器网络中应用的很广泛，传感器终端，它是一直处于工作状态的，但是他的收集的数据却只是储存在自己的设备当中，并没有立即上传给后台服务器。只有当后台服务器发出请求，才会进行数据的传输（一边情况下，后台服务器都是有规律的、周期性的向设备发出请求，然后连接到设备，进而进行获取数据）。2.1.4 手机app设计本系统的接收端是在手机端开发的 APP 软件，该 APP 要实现的功能为，能通过 WiFi 与硬件系统进行数据传输，接收 WiFi 模块传输来的各种数据，通过函数调用手机自带的解码软件进行视频解码处理，将解码后的数据在 APP 上进行播放，APP 可对家庭情况进行控制。2.2方案选择目前主流的两款 Android 开发 IDE 是 Android Studio 和 Eclipse，随着 google正式推出了官方的 Android 开发 IDE 开始，开发者都纷纷转投 Android Studio。本文手机 APP 的开发选择了 Android Studio，它与 Eclipse 相比主要有以下几方面优点：1.Android Studio 是 Google 推出，专门为 Android“量身定做”的一款基于IntelliJ IDEA 改造的 IDE；2.开发界面 UI 更美观；3.更加智能，代码自动提示补全等，极大的方便开发者；4.使用 Gradle 构建，配置、编译、打包等都非常方便；5.强大的 UI 编辑器。UI 布局可以做到实时预览，并且自带了多设备的实时预览；6.更完善的插件系统。想要什么插件，都可以在 android studio 上搜索下载；7.版本控制。Android studio 自带了 GitHub,Git,SVN 等流行的版本控制系统，非常方便开发者在开发中做版本控制操作。2.2.1分析问题本设计利用人体红外传感器监控通道、仓库等场合，如果有外人入侵监控范围时，通过Wi-Fi模块向云服务端发送信号，在云服务端上分析存储并发送给Android移动客户端，在Android移动客户端显示有外人入侵并控制启动报警系统；当未监测到行人时，定时通过Wi-Fi模块向云服务端发送信号，在云端分析存储并发送给Android移动客户端，在Android移动客户端显示无外人入侵。2.2.2设计过程（1）手机app开发流程本系统的手机 APP 开发设计，主要分为两部分：一、手机与 WiFi 设备连接设计；二、APP 界面设计；1.手机与 WiFi 设备连接的设计手机端与设备端是通过 WiFi 进行通信，设备端是 Server 端，监听客户端；手机端是 Client 端，需要 TCP 连接到 Server 端，进行通信。首先，打开设备 WiFi，并使设备处于监听状态。接下来，手机端连接到设备的 WiFi 上，并获取到设备（Server）的 IP 地址。在加上双方约定的端口，手机端（Client）端去连接设备端（TCP 连接）。连接成功后，手机端下发指令到设备端，设备端响应指令2.APP 界面设计本系的 APP 要能达到实时视频播放与控制门禁，因此设计的手机 APP 界面上要有视频播放与门禁控制等功能3.手机app工作流程手机与系统硬件设备通过 WiFi 进行通信，用 Socket 来进行 TCP 连接，连接后进行数据传输，将接收到的数据存于缓存中等待解压播放（2）系统的总体构成与功能系统的总体构成：系统是基于单片机STM32和Wi-Fi通信的智能防盗系统。由以下的几个模块设计组成。微控制器：微控制器STM32，是用来对整个系统的输入、输出信号进行处理、控制各个子模块的核心部件。电源模块：电源模块为实现和满足系统的功能要求提供基本的工作电压，+5.0V、+3.3V的电源，以此确保供电的稳定性。Wi-Fi模块：本设计主要是对Wi-Fi模块ESP8266数据的传输进行研究和设计，通过连接家庭的无线路由，进行数据的传输。传感器模块：本设计所采用的传感器模块是人体红外传感器，型号为HC-SR501，主要是对家庭住宅区域范围内进行信号的采集。系统的功能：家庭智能防盗系统是由STM32单片机、终端设备、云端服务器、用户手机客户端等设备来组成的。本设计主要是为了设计一种简单可靠，针对性强的家庭版智能防盗系统，主要是在有外人进入监测范围时发出提醒的报警系统。本系统的核心是STM32单片机，一旦有窃贼闯入，人体红外传感器HC-SR501就能够在第一时间快速而又准确的检测到其信号，然后将采集到的信号交由云端服务器进行分析处理并存储起来方便用户查看调用，在将分析处理好的信号发送给用户手机客户端提醒用户险情并控制启动报警系统。系统功能的实现家庭智能防盗系统的研究设计的流程图如下：开始系统初始化扫描传感器有窃贼闯入？ NY云服务端应用端结束图2.1 智能防盗系统流程图。3结论通过以上的研究与分析，本设计主要是有STM32、人体红外传感器HC-SR501、Wi-Fi模块ESP8266三大模块，再结合云端服务器、客户端软件共同组成了一种可靠、简单、实用、方便的家庭住宅区域范围内的防盗报警系统。在大学的四年时光里，我的学习模式普遍都是对理论知识的简单理解和记忆，并没有进行过很多系统的实践，这次家庭防盗系统的设计让我对所学知识有了系统的认识，将所学理论知识与实践进行了有效结合。所以说，通过这段时间对这个家庭防盗系统的设计，我收获了许多宝贵的财富，包括对我能够熟练地运用以往所学的基础知识到实际操作问题的解决上的能力的培养；在遇到不懂的知识点时对很多有关的文献资料的查阅能力的提升；与此同时整个设计的过程中，全局的把握，局部的甄选，每一次细节的深入研究等，无一不锻炼了我的意志力和耐力，且在很大程度上丰富了我的实战经验。尽管此次智能防盗系统的设计所要学习的内容非常多，过程也不乏枯燥繁琐，但是我此次收获的知识与能力却更加丰富。物联网、STM32单片机、人体红外传感器HC-SR501、Wi-Fi模块ESP8266、Node.js、云端服务器、客户端软件等。一步步的从硬件到软件再到云端，一个完整的系统搭建完成。在设计的过程中用以前没有接触过的编程语言设计app让我有些头疼，原因是之前并未接触过这个知识点，对其概念、设计规范及工作原理等都不熟悉，通过查阅大量的文献资料、观看很多关于这方面的视频教学以及向导师和同学请教才得以解决此困惑。参考文献1廖建尚. 物联网&云平台高级应用开发M. 北京：电子工业出版社，2017：1-3.2沈红卫等. STM32单片机应用与全案例实践M. 北京：电子工业出版社，2017：1-5.3李金祥， 方立刚. 物联网应用开发M. 北京：电子工业出版社，2014：29-31.4廖建尚. 物联网平台开发及应用 : 基于 CC2530 和 ZigBeeM. 北京：电子工业出版社，2016：85-88.5天津滨海迅腾科技集团有限公司. Node.js 项目实战M. 天津：南开大学出版社，2018：2-299.6张泽娜. JavaScript 实战M. 北京：清华大学出版社，2014：389-415.7杨正洪，周发武. 云计算和物联网M. 北京：清华大学出版社，2011：17-21.8尹辉，赵新娟. Web程序设计-ASP.NET上机实验指导M. 北京：清华大学出版社，2012：149-153.9黄丹华等. Node.js开发实战详解M. 北京：清华大学出版社，2014：14-16.10杨少春. 传感器原理及应用M. 北京：电子工业出版社，2015：110-114.谢 辞时光荏苒，大学四年转瞬即逝，为时一个学期的毕业设计即将结束了，这也意味者我在北京理工大学珠海学院的大学生涯也即将结束。回想起这求学的四年时光，我的心中充满了无限的留恋和感激之情。北京理工大学珠海学院为从四面八方赶来求知的我们创造了非常良好的学习条件和环境，使得我们能够在此不断成长和进步，感谢母校为我们提供的一切！本设计是在我的导师李华颂的密切地关注与认真、细心、耐心地指导下完成的，从最初的选题，资料的收集、开题报告的撰写、工作的开展到最终论文的完成，每一步每一个细节都倾注了李老师大量的心血，都凝聚着他的辛劳。另外，我还必须深深地感谢呵护我成长的父母，养育之恩，无以为报。在父母的养育之下，我得以健康地成长和发展，拥有正确的价值观和人生观。他们用自己勤劳的双手，日夜劳作，为我撑起一片蔚蓝的天空，让我能够顺利地完成大学学业，从而取得良好的发展机会。最后，在这论文即将完成之际，我谨向关心爱护我、支持鼓励我的所有师长、朋友、和亲人表示最衷心的感谢！14