根據物聯網技術實作智慧家居安全鎖系統設計

現今智慧家庭應用日益普及，安全鎖系統也逐漸走向智慧化。本文介紹如何利用 ESP32 Wi-Fi 模組、感測器和雲端服務，打造一個具備遠端控制、密碼驗證、入侵偵測和警報通知功能的智慧家居安全鎖系統。系統設計包含硬體架構、軟體程式碼和通訊協定等面向，並整合 MQTT 和 Twilio 雲端平臺，實作即時監控和警報功能，有效提升家居安全。

透過 PIR 感測器偵測人體移動，觸發系統進入密碼驗證流程。使用者可透過實體鍵盤或手機 App 輸入密碼，系統驗證密碼後，控制鎖的開關。同時，系統將鎖的狀態資訊透過 MQTT 協定傳送到雲端伺服器，並利用 Twilio 平臺傳送警報訊息給屋主，實作遠端監控和警報功能。

智慧家居安全鎖的設計與實作

隨著物聯網（IoT）的發展，家居安全鎖的需求越來越高。傳統的鎖具只能提供基本的安全功能，然而智慧家居安全鎖可以透過物聯網技術實作遠端監控、身份驗證和入侵偵測等功能。

智慧家居安全鎖的設計

智慧家居安全鎖的設計主要包括以下幾個部分：

鎖體: 使用電磁鎖或其他型別的鎖體，實作鎖定和解鎖功能。
IoT節點: 配置IoT節點，例如ESP32 Wi-Fi模組，實作與雲端伺服器的通訊。
身份驗證: 使用生物特徵識別技術，例如指紋或面部識別，實作身份驗證。
入侵偵測: 使用感應器和演算法，實作入侵偵測和報警功能。

智慧家居安全鎖的實作

智慧家居安全鎖的實作主要包括以下幾個步驟：

鎖體和IoT節點的安裝: 安裝鎖體和IoT節點，實作鎖定和解鎖功能。
身份驗證和入侵偵測的實作: 實作身份驗證和入侵偵測功能，使用生物特徵識別技術和感應器。
雲端伺服器的配置: 配置雲端伺服器，實作遠端監控和報警功能。
應用程式的開發: 開發應用程式，實作使用者遠端控制和監控鎖的功能。

智慧家居安全鎖的優點

智慧家居安全鎖具有以下幾個優點：

提高安全性: 智慧家居安全鎖可以實作遠端監控和入侵偵測，提高家居安全性。
方便使用: 智慧家居安全鎖可以實作遠端控制和監控鎖的功能，方便使用者使用。
節能: 智慧家居安全鎖可以實作節能功能，降低使用者的能耗。

智慧家居安全鎖系統

系統介紹

本系統使用ESP32 Wi-Fi模組、按鍵盤和電平轉換器，實作了一個智慧的家居安全鎖系統。該系統可以透過Wi-Fi連線，實作遠端控制和監控。

硬體連線

以下是硬體連線的詳細資訊：

ESP32 Wi-Fi模組：
- VCC連線到電源的正極
- GND連線到電源的負極
- 3V3連線到電平轉換器的LV輸入
- GND連線到電平轉換器的GND輸入
按鍵盤：
- D15連線到電平轉換器的LV1輸出
- D13連線到按鍵盤的ROW 1
- D12連線到按鍵盤的ROW 2
- D14連線到按鍵盤的ROW 3
- D27連線到按鍵盤的ROW 4
- D26連線到按鍵盤的COL 1
- D23連線到按鍵盤的COL 2
- D33連線到按鍵盤的COL 3
- D32連線到按鍵盤的COL 4
電平轉換器：
- LV輸入連線到ESP32的3V3
- GND輸入連線到ESP32的GND
- LV1輸出連線到按鍵盤的D15
中繼模組：
- 連線到電平轉換器的輸出

系統工作原理

ESP32 Wi-Fi模組連線到按鍵盤和電平轉換器，實作按鍵盤的讀取和控制。
按鍵盤的按鍵訊號透過電平轉換器傳輸到ESP32，實作按鍵盤的讀取。
ESP32透過Wi-Fi連線到遠端伺服器，實作遠端控制和監控。
中繼模組連線到電平轉換器的輸出，實作鎖的控制。

實作程式碼

#include <WiFi.h>

const char* ssid = "your_ssid";
const char* password = "your_password";

WiFiServer server(80);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.println("Connecting to WiFi...");
  }
  Serial.println("Connected to WiFi");
  server.begin();
}

void loop() {
  WiFiClient client = server.available();
  if (client) {
    String request = client.readStringUntil('\r');
    client.flush();
    if (request.indexOf("/lock") != -1) {
      //鎖控制程式碼
      digitalWrite(D15, HIGH);
    } else if (request.indexOf("/unlock") != -1) {
      //解鎖控制程式碼
      digitalWrite(D15, LOW);
    }
    client.stop();
  }
}

家居安全鎖系統設計

家居安全鎖系統是一種結合物聯網（IoT）技術和雲端計算的智慧鎖系統。該系統使用ESP32 Wi-Fi模組、PIR感應器和鎖模組等元件，實作了安全、便捷的家居出入管理。

系統架構

家居安全鎖系統的架構如圖5.21所示。系統由ESP32 Wi-Fi模組、PIR感應器、鎖模組和Jetson Nano SBC（FoG節點）組成。當PIR感應器檢測到運動時，IoT節點會提示使用者輸入密碼。如果密碼有效，鎖會開啟，允許使用者進入房屋。鎖的狀態（有效或無效）會透過MQTT協議通知FoG節點，FoG節點會透過Twilio雲平臺向房屋所有者傳送警報訊息。

硬體連線

表5.3顯示了家居安全鎖的硬體連線。鎖模組的紅色PIN連線到12V電源，黑色PIN連線到GND。ESP32 Wi-Fi模組連線到鎖模組和PIR感應器。

MQTT配置

要配置MQTT，請按照5.6.2.1節中的步驟進行。這包括連線到由玄貓主持的熱點。ESP32是客戶端，釋出感應器資料到一個名為“password_verify”的主題。FoG節點（Jetson Nano SBC）是代理和客戶端。FoG節點上的Python MQTT客戶端會訂閱“password_verify”主題並收集結果。

程式碼實作

建立一個名為“main.py”的檔案，在Thonny IDE中輸入Python程式碼。然後，點選“執行”按鈕執行程式碼。

from machine import Pin
from time import sleep
from umqtt.simple import MQTTClient
import time
import machine

# 確保Wi-Fi熱點已啟用在Jetson Nano SBC（FoG節點）上
import network

station = network.WLAN(network.STA_IF)
station.active(True)

KEY_UP = const(0)
KEY_DOWN = const(1)
keys = [['1', '2', '3', 'A'], ['4', '5', '6', 'B'], ['7', '8', '9', 'C'], ['*', '0', '#', 'D']]

流程圖

圖5.22顯示了配置ESP32的流程圖。圖5.23顯示了使用Jetson Nano配置家居安全鎖的流程圖。

圖表翻譯：

以上兩個流程圖分別展示了配置ESP32和家居安全鎖的步驟。這些步驟包括連線到Wi-Fi熱點、配置MQTT、釋出感應器資料和收集結果等。透過這些步驟，可以實作家居安全鎖的智慧化和網路化。

鍵盤掃描技術

在嵌入式系統中，鍵盤掃描是一項基本技術，讓我們能夠讀取按鍵的狀態。這個過程涉及設定行和列的引腳模式，然後掃描鍵盤以檢測按鍵事件。

行和列引腳設定

首先，我們需要定義行和列的引腳名稱。假設我們有一個 4x4 的鍵盤矩陣，行引腳分別為 13、12、14 和 27，列引腳分別為 26、25、33 和 32。我們可以使用以下程式碼設定這些引腳：

rows = [13, 12, 14, 27]
cols = [26, 25, 33, 32]

# 設定行引腳為輸出模式
row_pins = [Pin(pin_name, mode=Pin.OUT) for pin_name in rows]

# 設定列引腳為輸入模式，啟用下拉電阻
col_pins = [Pin(pin_name, mode=Pin.IN, pull=Pin.PULL_DOWN) for pin_name in cols]

掃描鍵盤

掃描鍵盤的過程涉及設定目前的行和列，然後檢查按鍵事件。以下是掃描鍵盤的程式碼：

def scan(row, col):
    """掃描鍵盤"""
    
    # 設定目前的行為高電位
    row_pins[row].value(1)
    
    # 檢查按鍵事件
    if col_pins[col].value() == KEY_DOWN:
        key = KEY_DOWN
    elif col_pins[col].value() == KEY_UP:
        key = KEY_UP
    
    # 重置行電位
    row_pins[row].value(0)
    
    return key

初始化

在開始掃描鍵盤之前，我們需要初始化行和列的引腳。以下是初始化的程式碼：

def init():
    for row in range(0, 4):
        for col in range(0, 4):
            row_pins[row].value(0)

圖表翻譯：

以下是鍵盤掃描的流程圖：

  flowchart TD
    A[初始化] --> B[設定行和列引腳]
    B --> C[掃描鍵盤]
    C --> D[檢查按鍵事件]
    D --> E[重置行電位]
    E --> F[傳回按鍵值]

圖表解釋：

這個流程圖描述了鍵盤掃描的過程。首先，我們需要初始化行和列的引腳。然後，我們設定行和列的引腳模式，然後掃描鍵盤以檢測按鍵事件。如果檢測到按鍵事件，我們會重置行電位並傳回按鍵值。

密碼驗證系統的實作

在這個系統中，我們使用了MQTT協議來進行密碼驗證。首先，讓我們瞭解一下系統的組成部分。

系統組成

MQTT Server：我們使用的MQTT伺服器位址是 10.42.0.1，這需要根據您的實際環境進行修改。
Client ID：使用者端的ID為 ESP32，這是用來識別客戶端的唯一標識。
Topic：我們使用的主題是 b'password_verify'，這是用來區分不同的訊息主題的。

實作細節

import machine
import time

# 定義MQTT伺服器位址和客戶端ID
SERVER = '10.42.0.1'
CLIENT_ID = 'ESP32'

# 定義主題
TOPIC = b'password_verify'

# 初始化MQTT客戶端
client = MQTTClient(CLIENT_ID, SERVER)

# 定義全域性變數來儲存運動感應器的狀態
Motion_status = False

# 定義中斷處理函式
def handle_interrupt(Pin):
    global Motion_status
    Motion_status = True

# 設定GPIO14為輸出，GPIO13為輸入
lock = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
PIR_Interrupt = machine.Pin(34, machine.Pin.IN)

# 將外部中斷附加到GPIO13，並設定為上升沿觸發
PIR_Interrupt.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=handle_interrupt)

# 定義密碼和輸入密碼
password = ['1', '0', '0', '0']
input_pass = ['0', '0', '0', '0']

# 定義密碼驗證函式
def password_verify():
    print('請輸入密碼')
    break_loop = 0
    i = 0
    while i < 4:
        while break_loop == 0:
            for row in range(4):
                # 進行密碼輸入和驗證的邏輯
                pass

內容解密：

在這個系統中，我們使用了MQTT協議來進行密碼驗證。MQTT是一種輕量級的訊息佇列遞送協議，廣泛應用於物聯網領域。透過設定MQTT伺服器和客戶端，我們可以實作密碼驗證的功能。

在密碼驗證函式中，我們首先打印出提示使用者輸入密碼的訊息。然後，我們使用一個迴圈來接收使用者的輸入，並進行密碼驗證。若使用者輸入的密碼正確，則系統會進行相應的處理。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[開始] --> B[輸入密碼]
    B --> C[驗證密碼]
    C --> D[密碼正確]
    D --> E[進行相應處理]
    C --> F[密碼錯誤]
    F --> G[提示使用者重新輸入]

這個流程圖展示了密碼驗證的過程。從開始到輸入密碼，然後進行密碼驗證。如果密碼正確，則進行相應的處理；如果密碼錯誤，則提示使用者重新輸入。

鍵盤掃描和動作檢測系統

系統概述

本系統設計用於掃描鍵盤按鍵並偵測動作，當動作被偵測到時，系統會呼叫密碼驗證函式。

鍵盤掃描

for col in range(4):
    key = scan(row, col)
    if key == KEY_DOWN:
        print("Key Pressed", keys[row][col])
        time.sleep(0.5)
        last_key_press = keys[row][col]
        break_loop = 1
        break_loop = 0
        input_pass[i] = last_key_press
        i = i + 1

內容解密：

上述程式碼片段展示瞭如何掃描鍵盤按鍵。系統會迭代掃描每一列，當按鍵被按下時，會記錄按鍵的值並暫停0.5秒。接著，系統會更新last_key_press變數並將按鍵值存入input_pass列表中。

動作檢測

while True:
    if Motion_status:
        print('Motion is detected!')
        password_verify()

內容解密：

此程式碼片段展示瞭如何偵測動作。系統會不斷迴圈檢查Motion_status變數，當動作被偵測到時，會呼叫password_verify()函式進行密碼驗證。

初始化和鎖定

init()
lock.value(1)  # initially locked

內容解密：

這些行程式碼用於初始化系統和設定鎖定狀態。init()函式會初始化系統，然後lock.value(1)會設定鎖定狀態為鎖定。

流程圖

  flowchart TD
    A[開始] --> B[掃描鍵盤]
    B --> C[偵測動作]
    C --> D[呼叫密碼驗證]
    D --> E[鎖定系統]
    E --> F[初始化系統]
    F --> B

圖表翻譯：

此流程圖展示了系統的工作流程。系統會從開始掃描鍵盤，當按鍵被按下時，會記錄按鍵值。接著，系統會偵測動作，當動作被偵測到時，會呼叫密碼驗證函式。密碼驗證完成後，系統會鎖定並初始化系統，然後再次掃描鍵盤。

實作安全鎖控系統

在這個範例中，我們將探討如何使用Python實作一個簡單的鎖控系統，結合了密碼驗證和MQTT通訊協定。

密碼驗證

首先，我們需要定義一個密碼驗證機制。這個機制將根據使用者輸入的密碼來決定是否開啟鎖。

input_pass = input("請輸入密碼：")
password = "your_password"  # 設定密碼

if input_pass == password:
    print("yes")
    lock.value(0)  # 開啟鎖
else:
    print("No")
    lock.value(1)  # 關閉鎖

MQTT通訊

接下來，我們需要使用MQTT通訊協定來發布鎖的狀態。

import paho.mqtt.client as mqtt

# 設定MQTT伺服器和主題
MQTT_SERVER = "your_mqtt_server"
TOPIC = "your_topic"

# 建立MQTT客戶端
client = mqtt.Client()

# 連線MQTT伺服器
client.connect(MQTT_SERVER)

# 發布鎖的狀態
t = 1.0  # 1.0表示驗證完成，鎖已開啟
if isinstance(t, float):  # 確認感測結果是數值
    msg = (b'{0:3.1f}'.format(t))
    client.publish(TOPIC, msg)  # 發布資料到MQTT
    print(msg)
else:
    print("Invalid sensor readings.")

鎖控系統

現在，我們可以將密碼驗證和MQTT通訊整合到鎖控系統中。

import time

# 設定鎖的初始狀態
lock.value(1)  # 關閉鎖

while True:
    input_pass = input("請輸入密碼：")
    password = "your_password"  # 設定密碼

    if input_pass == password:
        print("yes")
        lock.value(0)  # 開啟鎖
        t = 1.0  # 1.0表示驗證完成，鎖已開啟
        if isinstance(t, float):  # 確認感測結果是數值
            msg = (b'{0:3.1f}'.format(t))
            client.publish(TOPIC, msg)  # 發布資料到MQTT
            print(msg)
    else:
        print("No")
        lock.value(1)  # 關閉鎖
        t = 0.0  # 0.0表示驗證未完成，鎖未開啟
        if isinstance(t, float):  # 確認感測結果是數值
            msg = (b'{0:3.1f}'.format(t))
            client.publish(TOPIC, msg)  # 發布資料到MQTT
            print(msg)

    time.sleep(10)

實作IoT安全鎖的MQTT和Twilio整合

在這個例子中，我們將實作一個IoT安全鎖，當使用者輸入正確的密碼時，鎖將解鎖，並透過MQTT傳送訊息給Jetson Nano（FoG Node），然後Jetson Nano會透過Twilio傳送WhatsApp通知給房主。

MQTT客戶端配置

首先，我們需要配置MQTT客戶端，以便它可以連線到MQTT代理並傳送訊息。

import paho.mqtt.client as mqtt

# MQTT代理的地址和埠
MQTT_BROKER = 'your_mqtt_broker_address'
MQTT_PORT = 1883

# MQTT主題
TOPIC = 'password_verify'

# 建立MQTT客戶端
client = mqtt.Client()

# 設定MQTT客戶端的連接回調函式
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print('Connected with result code {0}'.format(rc))
    client.subscribe(TOPIC)

# 設定MQTT客戶端的訊息回撥函式
def on_message(client, userdata, msg):
    # 處理收到的訊息
    print('Received message: {0}'.format(msg.payload))

# 連線到MQTT代理
client.connect(MQTT_BROKER, MQTT_PORT)

# 啟動MQTT客戶端的迴圈
client.loop_start()

Twilio配置

接下來，我們需要配置Twilio，以便它可以傳送WhatsApp通知。

import os
from twilio.rest import Client

# Twilio帳戶的SID和Token
TWILIO_SID = 'your_twilio_sid'
TWILIO_TOKEN = 'your_twilio_token'

# Twilio的客戶端
twilio_client = Client(TWILIO_SID, TWILIO_TOKEN)

# WhatsApp的傳送號碼
from_whatsapp_number = 'whatsapp:+14155238886'

# WhatsApp的接收號碼
to_whatsapp_number = 'whatsapp:+91705750xxxx'

密碼驗證和鎖控制

當使用者輸入密碼時，我們需要驗證密碼是否正確，如果正確，則解鎖並傳送MQTT訊息給Jetson Nano。

# 密碼驗證函式
def verify_password(password):
    # 實作密碼驗證邏輯
    if password == 'correct_password':
        return True
    else:
        return False

# 鎖控制函式
def control_lock(verified):
    if verified:
        # 解鎖
        print('Lock unlocked')
        # 傳送MQTT訊息給Jetson Nano
        client.publish(TOPIC, '1')
    else:
        # 鎖未解鎖
        print('Lock not unlocked')
        # 傳送MQTT訊息給Jetson Nano
        client.publish(TOPIC, '0')

Jetson Nano的MQTT和Twilio整合

在Jetson Nano上，我們需要配置MQTT客戶端，以便它可以連線到MQTT代理並接收訊息。

# Jetson Nano的MQTT客戶端
jetson_client = mqtt.Client()

# 設定Jetson Nano的MQTT客戶端的連接回調函式
def on_connect_jeston(client, userdata, flags, rc):
    print('Connected with result code {0}'.format(rc))
    client.subscribe(TOPIC)

# 設定Jetson Nano的MQTT客戶端的訊息回撥函式
def on_message_jeston(client, userdata, msg):
    # 處理收到的訊息
    print('Received message: {0}'.format(msg.payload))
    # 如果收到的訊息是'1'，則傳送WhatsApp通知給房主
    if msg.payload == b'1':
        # 傳送WhatsApp通知
        message = twilio_client.messages.create(
            from_=from_whatsapp_number,
            to=to_whatsapp_number,
            body='Lock unlocked'
        )
        print('WhatsApp notification sent')

執行程式

最後，我們可以執行程式，當使用者輸入正確的密碼時，鎖將解鎖，並透過MQTT傳送訊息給Jetson Nano，然後Jetson Nano會透過Twilio傳送WhatsApp通知給房主。

python3 main.py

內容解密：

在這個例子中，我們實作了一個IoT安全鎖，當使用者輸入正確的密碼時，鎖將解鎖，並透過MQTT傳送訊息給Jetson Nano，然後Jetson Nano會透過Twilio傳送WhatsApp通知給房主。這個例子展示瞭如何使用MQTT和Twilio進行IoT裝置之間的通訊和通知。

圖表翻譯：

  flowchart TD
    A[使用者輸入密碼] --> B[密碼驗證]
    B --> C{密碼正確}
    C -->|是| D[鎖解鎖]
    C -->|否| E[鎖未解鎖]
    D --> F[傳送MQTT訊息給Jetson Nano]
    F --> G[Jetson Nano接收MQTT訊息]
    G --> H[傳送WhatsApp通知給房主]

火災警報系統的設計與實作

火災是家庭和商業主人需要考慮的最危險的威脅之一。在不幸的火災事件中，存在著失去大部分財產的風險。缺乏安全預防措施可能導致物質和財務損失，以及人員傷亡。因此，安裝火災警報系統是保持場地安全的有效方法。這種方法提供了早期的危險警告，允許足夠的時間撤離場地並在火勢失控之前聯絡當局。

智慧家居安全鎖的發展融合了物聯網、生物識別、雲端計算等多項技術。本文深入探討了根據 ESP32 的智慧家居安全鎖系統的設計與實作，涵蓋了硬體連線、MQTT 配置、密碼驗證、鍵盤掃描、動作偵測以及與 Twilio 的整合，展現了從底層硬體到上層應用程式開發的完整流程。分析了程式碼的關鍵部分，例如密碼驗證機制、MQTT 通訊協定應用、以及如何透過 Twilio 傳送警報訊息，並以流程圖和圖表清晰地闡述了系統的工作原理。然而，系統的安全性仍面臨挑戰，例如密碼儲存的安全性、Wi-Fi 網路的穩定性以及防止中間人攻擊等問題。未來，智慧家居安全鎖將更注重安全性、隱私性和使用者體驗，例如採用更安全的加密演算法、整合更多智慧家居裝置，以及發展更便捷的生物識別技術。玄貓認為，隨著技術的成熟和成本的降低，智慧家居安全鎖將成為未來家居安全的重要組成部分，並在保障使用者居家安全方面扮演關鍵角色。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。