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物聯(lián)網(wǎng)家庭安全模型開源分享

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資料介紹

描述

*該項(xiàng)目在 DFRobot 的博客中出現(xiàn)。請(qǐng)在此處參考他們的博客。

*該項(xiàng)目在Postscapes IoT Awards中被提名為最佳 IoT DIY 項(xiàng)目類別。

物聯(lián)網(wǎng)家庭安全模型可以使用任何智能設(shè)備和PC遠(yuǎn)程訪問，通過互聯(lián)網(wǎng)從傳感器收集的數(shù)據(jù)監(jiān)控房屋內(nèi)的安全狀態(tài)。

宣傳影片

開啟安全模式后，房屋內(nèi)發(fā)生的任何可識(shí)別的有害活動(dòng)都將通過安裝的傳感器檢測(cè)到，并通過互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)將警報(bào)消息轉(zhuǎn)發(fā)給房主。來自傳感器的數(shù)據(jù)將不斷存儲(chǔ)在云存儲(chǔ)中，并與基于 Web 的自定義應(yīng)用程序進(jìn)行交互，使其能夠在網(wǎng)站上顯示數(shù)據(jù)，這使房主能夠監(jiān)控任何可能發(fā)生的潛在有害活動(dòng)在房子內(nèi)實(shí)時(shí)。該項(xiàng)目的另一個(gè)安全特性是?訪問控制技術(shù)，該系統(tǒng)使用（NFC）“近場(chǎng)通信”方法為已識(shí)別的有權(quán)進(jìn)入房屋的個(gè)人（客人或家庭成員）提供訪問權(quán)限。

起源

這個(gè)項(xiàng)目最初的標(biāo)題是“ Android WiFi 和基于 Web 的家庭安全系統(tǒng)應(yīng)用程序”，是我在大學(xué)工程的最后一年提交的最后一年項(xiàng)目。那個(gè)時(shí)候，這個(gè)項(xiàng)目仍然充滿了 bug，而且還沒有達(dá)到應(yīng)有的實(shí)時(shí)性（數(shù)據(jù)延遲可能超過 2 秒！）。

現(xiàn)在我花了一些空閑時(shí)間來翻新這個(gè)項(xiàng)目，讓它更接近實(shí)時(shí)，結(jié)果非常令人滿意。

本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)

該模型的結(jié)構(gòu)是根據(jù)示意圖部分所示的平面圖布局構(gòu)建的。使用的材料是尺寸為 64.5cm (L) x 61.5cm (W) x 0.8cm (H) 的膠合板作為地面，用于建造墻壁的工藝膠合板和主要電子元件包括 6 個(gè)傳感器、1 個(gè) NFC 讀取器和 2 個(gè)微控制器，其他小組件可以參考我的組件列表。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模型

因此，膠合板材料幾乎覆蓋了飾面產(chǎn)品的 85%。就像用混凝土建造真正的房子一樣，建造這座房子的概念完全取決于被稱為聚環(huán)氧化物或環(huán)氧樹脂的反應(yīng)性預(yù)聚物和聚合物的強(qiáng)粘合劑類。

該模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，它以雙向流程工作。第一個(gè)流程從傳感器通過微控制器提供的數(shù)據(jù)開始，然后通過互聯(lián)網(wǎng)到云端，并由任何智能設(shè)備檢索。第二個(gè)流程是用戶通過互聯(lián)網(wǎng)連接到安裝在家里的微控制器的響應(yīng)流程，以及響應(yīng)機(jī)制（LED 開/關(guān)、伺服電機(jī)、水泵等...）做出反應(yīng)。就像物聯(lián)網(wǎng)層模型一樣，我為這個(gè)家庭模型設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的層次結(jié)構(gòu)層。

1 / 2 ?該項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自定義實(shí)時(shí)監(jiān)控 IoT Web 服務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是我自己定制的。該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能包括獲取和監(jiān)控傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)能力、家庭狀態(tài)儀表板、系統(tǒng)警告消息、傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、完整數(shù)據(jù)記錄和安全基準(zhǔn)配置。我還沒有完全開源代碼，但在未來會(huì)這樣做，標(biāo)記我的話。? （在撰寫本文時(shí)，我編寫的 Web 服務(wù)仍有很多缺陷）。但不要失望，因?yàn)槲掖_實(shí)發(fā)現(xiàn)還有一些其他的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，比如三星的 SAMI?和Freeboard.io ?（可能更多，但目前，我只知道這些）。我想用圖片分享更多關(guān)于我寫的服務(wù)的細(xì)節(jié)：

圖 1：與 Home 模型連接的儀表板

圖 2：安全基準(zhǔn)配置

圖 3：數(shù)據(jù)記錄圖

圖 4：10分鐘數(shù)據(jù)圖示例

圖 5：完整數(shù)據(jù)記錄示例

圖 6：系統(tǒng)警告信息示例

圖 7：使用 NFC 關(guān)閉安全性示例

圖 8：電流尖峰條件示例

圖 9：實(shí)時(shí)振動(dòng)傳感器

圖 10：實(shí)時(shí)水傳感器

圖 11：實(shí)時(shí)氣體傳感器

圖 12：實(shí)時(shí)溫度傳感器

圖 13：實(shí)時(shí)濕度傳感器

圖 14：NFC 讀取器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

1 / 14 ?連接儀表板與 Home 模型

*對(duì)于這些圖片的更高分辨率，您可以在我的 Dropbox 中查看，請(qǐng)點(diǎn)擊此處。

建造過程：

a - 規(guī)劃和設(shè)計(jì)房屋計(jì)劃

在繪制房屋平面圖之前，房屋平面圖的原始草案是基于首先設(shè)置的傳感器和家具的布置。該倡議涉及對(duì)正在記錄的家具布置的測(cè)量和縮放，并考慮到設(shè)計(jì)房屋計(jì)劃的下一步。家具布置的實(shí)際展示如下圖所示。圖的左側(cè)是帶有微控制器配置和配電的面包板。

b - 準(zhǔn)備建筑材料

這里涉及的材料是為房屋模型定制的。材料準(zhǔn)備包括膠合板門制作、窗戶制作和墻壁框架。這些準(zhǔn)備的任務(wù)如下所示。

1 / 3 ?為墻框架設(shè)計(jì)窗戶

另一個(gè)準(zhǔn)備工作是系統(tǒng)的電路板。我使用正向預(yù)敏印刷電路板制作了自己的電路板。該方法非常簡(jiǎn)單，您可以按照此處的完整教程進(jìn)行操作。我的印刷電路板可以在下面看到。

1 / 2 ? 此系統(tǒng)的印刷電路板?

c - 準(zhǔn)備場(chǎng)地和地基

這個(gè)階段，這里的“場(chǎng)地”一詞是指位于基礎(chǔ)之前的場(chǎng)地或地面。此處所指的地面由尺寸為 64.5 厘米（長(zhǎng)）x 61.5 厘米（寬）x 0.8 厘米（高）的膠合板制成。

房子的地基是由 4 塊面積為 52 厘米（長(zhǎng)）x 40 厘米（寬）的工藝膠合板組合而成。有了這個(gè)基礎(chǔ)，墻框架將在下一階段建立。場(chǎng)地和地基的準(zhǔn)備工作如下圖所示。

在地面膠合板上鋪設(shè)基礎(chǔ)膠合板

d - 完成粗構(gòu)圖

這一階段對(duì)于房屋的整體結(jié)構(gòu)非常重要，因?yàn)樗婕胺课莸慕y(tǒng)稱為外殼或骨架，即地板系統(tǒng)和墻壁系統(tǒng)。因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)都將在這個(gè)階段完成。與建造真實(shí)房屋的概念類似，地板和墻壁都經(jīng)過適當(dāng)?shù)哪z合，以牢固地固定在房屋之間并防止施加在其上的外力。在這個(gè)項(xiàng)目房屋模型中，地板和墻壁使用稱為環(huán)氧樹脂的強(qiáng)粘合劑溶液完成。完成的地板系統(tǒng)和墻壁系統(tǒng)如下圖所示。

完成的地板系統(tǒng)和墻壁系統(tǒng)?

e - 接線過程和連接檢查

在這個(gè)階段，所有的傳感器和 NFC 模塊都安裝在計(jì)劃的位置。然后，可以進(jìn)行布線過程。同時(shí)，在布線過程中，會(huì)不時(shí)測(cè)試電路的連通性，以防止任何布線錯(cuò)位導(dǎo)致連接不當(dāng)。

1 / 2 ?我的嘗試：用于連接檢查的雜亂連接以確保傳感器正常工作

在接線過程中，總共有多達(dá) 38 個(gè)引腳點(diǎn)需要在此任務(wù)中完成。對(duì)于所有連接電纜都根據(jù)墻壁系統(tǒng)正確分類，該系統(tǒng)包含 4 段，稱為墻壁 1 電纜、墻壁 2 電纜、墻壁 3 電纜和墻壁 4 電纜（總共四個(gè)主墻壁）。最后，這些電纜用強(qiáng)粘性環(huán)氧樹脂固定在房屋內(nèi)的墻壁上。接線工程示例如下所示。

1 / 3 ? LED 接線示例?

f - 完成內(nèi)墻框架

只有在前面的所有階段都完成后，才能建造框架的內(nèi)墻。這所房子的內(nèi)墻是根據(jù)步驟（a）中設(shè)計(jì)的房子平面圖，完成的工作如下所示。

1 / 2 ? 建造內(nèi)墻框架?

g - 搬進(jìn)所有家具！

最后，墻框架完成，然后可以將家具搬進(jìn)來。為了使其穩(wěn)定且不可移動(dòng)，我使用強(qiáng)力粘合劑溶液，環(huán)氧樹脂將這些家具粘在地基上。

1 / 2 ?完成物聯(lián)網(wǎng)家庭安全模型

項(xiàng)目使用 AWS IoT

我決定使用這個(gè)項(xiàng)目來使用 AWS IoT。我沒有使用“HTTP”作為原始協(xié)議，而是使用 MQTT 和 AWS IoT 的安全連接修改了數(shù)據(jù)通信協(xié)議。結(jié)果效果很好，讓我展示下面的視頻演示：

AWS IoT 模型的優(yōu)點(diǎn)在于它強(qiáng)調(diào)云中的安全性并涵蓋強(qiáng)大的身份驗(yàn)證，因?yàn)橐B接的每個(gè) IoT 設(shè)備都需要憑證（X.509 證書和AWS 憑證）才能訪問消息代理。?TLS用于加密設(shè)備和代理之間的連接，從而創(chuàng)建端到端的安全通信。

[更新]：源代碼可在我的 GitHub 存儲(chǔ)庫中找到，這里

雖然與“HTTP”相比使用這種通信協(xié)議很棒，但是在這個(gè)項(xiàng)目中使用這種方法時(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)。我的 Arduino Yun 原始源代碼似乎無法與AWS IoT 的Yun-Sdk 配合使用，“HTTP” LED 控制已過時(shí)。我想我會(huì)很快打開這個(gè)問題，并需要一些時(shí)間來解決這個(gè)問題。總體而言，所有傳感器數(shù)據(jù)工作正常。

但總體而言，數(shù)據(jù)消息運(yùn)行良好，與我最初的“HTTP”方法相比，我肯定會(huì)選擇 AWS IoT 的“MQTT”。不僅因?yàn)榘踩?，?MQTT ”還提供了諸如?低功耗、最小化數(shù)據(jù)包和高效信息分發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

源代碼中的重要說明：

/*
       Example of Publishing a Topic in AWS IoT Home Security Model
               (Code can be found in IoTHome-Yun.ino)
*/
   char userid[] = "your-user-id-here";     // line 57
   setTopic("IoTHome/nfc/");                // line 377
   aws_iot.data(arrayTopic, value0);        // line 378
   void setTopic(char* topic){              // line 383
     *arrayTopic = 0;                       // line 384
     strcat(arrayTopic, topic);             // line 385
     strcat(arrayTopic, userid);            // line 386
   }                                        // line 387
/*
       Example of Output Topic (Code can be found in iot_config.cpp)
*/
   Serial.print(topic);    // line 106
                           // will output "IoTHome/nfc/your-user-id-here"
                           // userid is used for authentication in Web App