摘" 要：在物联网融入人们生活的时代下，对自家物品的保护成了人民越来越关心的话题。而目前使用较为广泛的专业监控，已不能满足当前人们的需求。因此设计一种基于ESP32的家庭智能监控系统，采用低功耗MQTT协议无线通信，通过上位机控制智能监控组网和执行拍照，将监控工作智能化，能为人民生活带来便利，具有良好的发展前景。
关键词：家庭监控；MQTT协议；HTTP协议
中图分类号：TP277" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）11-0182-05
Home Intelligent Monitoring System Based on ESP32
TANG Shaoxun， LIU Erjian
（School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）
Abstract： In the era of integrating the Internet of Things into peoples lives， the protection of ones own belongings has become a topic of increasing concern for the people. However， the widely used professional monitoring currently cannot meet peoples needs. Therefore， a home intelligent monitoring system based on ESP32 is designed， which adopts low-power MQTT protocol wireless communication. By controlling the intelligent monitoring networking and taking photos through the upper computer， the monitoring work can be intelligentized， which can bring convenience to peoples lives and has a good development prospect.
Keywords： home monitoring; MQTT protocol; HTTP protocol
0" 引" 言
近年来，随着人们生活水平的逐渐提高，对自家物品的保护成了人民越来越关心的话题。长期以来，专业监控花费贵、耗电多、用途单一、难以维护阻碍人们为自家安全搭上防线的最后一步。而随着物联网技术快速发展，主流协议的进步，以及专用物联网芯片的普及，家用智能监控成为可能。
物联网技术加持下的家庭监控是一种智能化、易于维护的监控设备，相较于传统的家居设备，它不仅具有传统家居功能，还具有节约费用、易于部署、能源利用率高等优势[1]。目前监控的产品方案（X-10、EIB系统、8X系统等）主要需要专门的通信线路（需房屋内部施工及布线），费用较高[2]。而家庭智能监控具有便宜的价格和不用改造房屋就可部署的优点更适合市场。在过去几年，已经有利用可靠和通用的模组芯片对家庭智能监控的尝试[2]，也有利用ESP32模组做的便携式智能监控系统[3]。智能监控的研究重点在于实时网上控制后拍照监控，智能监控主要使用摄像头进行拍摄采集，采用Wi-Fi连接方案进行通信连接。利用MQTT推送机制对监控进行操作，借助专用的监控网站以及手机APP就可以对整个监控系统进行监控。基于物联网节能与互联的理念，该系统有效为家庭安全防盗提供了便利与支持。
1" 系统设计
家庭智能监控由监控像头、照片存储云服务器和客户端Web/APP组成。为保证监控主机与客户端的通信可靠，系统采用常采用的MQTT协议实现两者的消息推送。照片传输至服务器采取HTTP协议传输。
1.1" 整体设计
家庭智能监控整体如图1所示，系统符合物联网三层架构（感知层、网络层和业务层）。监控摄像头是整个系统的中心，对使用者而言，可以通过业务层实时操控摄像头，拍摄想要查看的地方；对于MQTT指令服务器而言，通过连接后摄像头的报文采集与分析，可对摄像头所处状态进行实时监控，以及意外断连时对使用者通过网页后台进行报警提示。客户端可通过订阅智能监控系统的主题查看实时在线摄像头信息，达到对家庭所有摄像头的状态的实时掌控，本次设计中感知层与业务层之间通过家庭常用的Wi-Fi/WLAN通信连接方式进行通信。
1.2" MQTT协议与HTTP协议
MQTT是一种轻量级的消息协议，由IBM开发。它的设计目标是为物联网设备之间的通信提供一种简洁、可靠且高效的解决方案。MQTT采用了发布/订阅模式，通过一个中心代理服务器来管理消息的传输和分发。
MQTT的使用场景非常广泛。在传感器网络中，许多传感器设备需要定期将采集的数据发送给后台服务器进行处理和分析。由于物联网设备通常具有资源受限的特点，如计算能力和电池寿命限制，因此需要一种轻量级的通信协议来满足其需求，MQTT协议框架如图2所示。
MQTT提供了可靠的消息传输机制，确保数据的准确性和及时性。此外，在智能家居领域，MQTT可以用于设备之间的通信，实现各种功能，如远程控制和状态监测。在物流和供应链管理中，MQTT可以用于跟踪和监控货物的位置和状态，提供更准确、实时的信息[4]。
HTTP是一种用于传输超媒体文件的应用层协议，HTTP协议框架如图3所示。它是互联网上最常用的协议，具有简单、无连接、无状态的特点。HTTP使用请求/响应模型，通过请求方法和URI标识资源。它可以在任何传输协议上使用，并支持缓存、身份验证等功能。HTTP是一种易于实现、扩展和理解的协议，适用于各种应用场景。它能够提供快速而可靠的数据传输，为互联网通信提供了基础。
HTTP的使用场景十分广泛。在互联网上浏览网页时，浏览器会向服务器发送HTTP请求，并接收服务器返回的HTML文档。在Web应用开发中，HTTP常用于前后端数据交互，通过RESTful API来获取和更新资源。此外，HTTP还支持缓存机制，可以提高数据传输效率，并减轻服务器的负载。
2" "感知层设计
感知层是整个智能监控拍照系统的执行终端，负责实时拍摄当前所处环境的照片、控制拍摄所处的方向与服务器的通信，也是总体所需要的硬件方案设计，感知层结构框图如图4所示。
2.1" 主控部分设计
该层硬件主控采用国产高性能嵌入式处理器模组ESP32-S作为主控芯片，ESP32-S模组内芯片为ESP32-DOWD，该芯片采用乐鑫自研架构Xtensa，时钟频率达240 MHz，512 KB的RAM，工作温度在-40～125 ℃，工作电压位于2.7～3.6 V，所以芯片部分供电部分采用了一片LDO对5 V进行降压，如图5所示。并集成了Wi-Fi，满足了此次设计要求。此芯片模组适用于各种应用场景和不同功耗需求使用[5]，所以本次低功耗设计采用本芯片模组。
2.2" 摄像部分设计
本设计采用了OV2640摄像头模组，该模组是豪威公司生产的1/4寸CMOS图像传感器。它具有200万像素的UXGA（1 632×1 232）分辨率，能够输出1 600×1 200分辨率及以下的8/10位影像数据。该摄像模组采用标准SCCB接口，支持RGB（RGB565、RGB555）输出格式，并支持图像压缩，即支持JPEG图像数据输出。在硬件设计上，采用了0.5 mm的24PIN FPC座子作为接口[6]。由于模拟电路、接口电路和数字电路的电压要求不同，因此选用了两片XC6206芯片分别为接口电压和数字电压供应1.2 V和2.8 V。该传感器适合于低电压工作，非常适用于嵌入式设备。此外，它可以在0～50 ℃的环境下稳定工作，因此选择采用本图像传感器完全符合本次设计的要求。连接所使用的OV2640模组三视图如图6所示（单位/毫米）。
2.3" 终端转向设计
摄像头转向方面采用两个五线舵机进行转向。舵机是伺服电机，伺服电机就是带有反馈环节的电机，有了反馈便可获取所旋转的角度，便可精确控制摄像头的转向。为了满足减少控制所需要的引脚，采用一片74HC595来减少控制所需引脚。并且，舵机瞬时工作电流比较大，此单片机引脚在电气性能上无法提供所需电流，所以采用一个常见的达林顿管ULN2803A对瞬时电流进行续流[7]，具体设计如图7所示。
2.4" 空中下载设计
除了基本的拍照功能，感知层还具备空中下载功能，通过控制台发出指令使摄像头通过HTTP协议连接服务器上固定地址的固件对机器进行更新。空中下载（OTA）系统升级方案有两种：片外Flash升级和片内Flash升级[7]。考虑ESP32-S模组片上较大的存储，容量为4 MB可分配较大的OTA分区及降低功耗考虑，本次OTA更新设计采用片上Flash更新设计。对于OTA客户端，也就是ESP32-S模组，按照一般分区表设置中，要有与升级相关的4个分区，OTA data、Factory App、OTA_0、OTA_1。这里官方给出的分区表设置如图8所示。可以看到一般启动BL代码位于0x1000-0x8000地址区域，Factory App为出厂时的固件，在收到升级的指令后，OTA升级程序会向OTA_0烧录新的固件，烧录完成后更新OTA data分区数据并重启，重启时采集OTA data分区数据进行分配，再加载OTA_0分区固件并运行。下一次进行OTA升级就向OTA_1分区烧录新固件且像原先处理顺序在OTA_1分区运行固件。之后每次更新固件，烧录程序都会在OTA_0、OTA_1分区之间交替进行，并不会影响到出厂时的Factory App分区里的固件。
2.5" 配网逻辑设计
ESP32-S连接目标Wi-Fi时需要获取Wi-Fi的名称和密码，因此我们可以使用摄像头模块进行拍照并且识别二维码。扫描时，二维码平面要与摄像头镜头平面正对并且保持适当的距离（十厘米左右），此时ESP32-S可以准确地识别出二维码的原始信息。当用户成功扫描二维码一次之后，ESP32-S将会记录二维码解码之后原始信息，等待第二次扫描二维码并解析原始信息之后，ESP32-S会将两次扫码的结果进行对比，也就是对比两次获取的二维码原始信息[8]。只有在对比成功之后才会继续进行信息的解析以此获取二维码上的Wi-Fi账号和密码信息然后调用ESP32-S进行Wi-Fi连接。在此过程中如果出现用户连接时间过长的情况或者出现解码错误的情况，ESP32-S将会开启定时器计时并在3分钟后启动UDP通信模式并停止扫码。UDP通信技术是一种无连接的传输层协议，开启UDP通信模式下ESP32-S会开启一个Wi-Fi，用户需要使用上位机进行连接，在连接上之后用户只需要连接上ESP32-S的Wi-Fi与它建立通信再用特定的APP即可将信息传入ESP32-S。这两种方式都可使得ESP32-S连接上目标Wi-Fi，为后续的功能奠定基础。
3" 网络层设计
网络层像个纽带一样连接着感知层和应用层，它相当于中枢神经，负责将感知层获得的信息，安全可靠地传输到业务层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。物联网常用的无线接入技术有许多，包括Wi-Fi、蓝牙、GSM等中短距离无线通信技术。由于家庭安防摄像头位置稳定，并且近几年来Wi-Fi无线接入技术的广泛普及，所以本次设计在网络层上选用是Wi-Fi无线接入技术，监控通过Wi-Fi连接接到指定的局域网与云服务器进行实时的数据交换。
4" 应用层设计
家庭智能监控设计了一个应用层中间件，中间件主要负责传感器收集的数据收集和访问的控制，为用户提供数据传送。这个中间件利用PHP搭建服务，利用域名直接就可以访问。搭建好的中间件存储如图9所示。家庭智能监控设计了一个控制台，控制台主要有MQTT控制服务和Web接口服务功能，控制台功能框图实际如图10所示。
MQTT控制台中的MQTT指令控制服务是最主要的功能，本次设计中通过了本地搭建服务器并在其中构建MQTT控制台。本次使用Node-RED面板来搭建控制台，Node-RED是一个开源项目，满足简单并快速地连接硬件和设备到Web服务[9]。通过简单Node的连接，便可构建出复杂的任务。MQTT服务开始后，监控摄像头与用户一起连接到本地服务器所分配的MQTT监听端口，此时用户可在此进行主题下的信息的发布与订阅。同时，摄像头会发出包含运行状态及舵机所在角度的报文，以及上报自己的编号到服务器上，在面板的信息流中便可查看。在网络层中，用户可单击Node-RED面板上的按钮即可对所想用的摄像头发出设定好的命令。用户还可通过Node-RED面板上自定义设定主题、订阅等信息，以实现不同摄像头分组控制[10]。
5" 实际运行测试
实际功耗采集如图11所示。可以看到该智能监控拍照系统在单个摄像头运行之下功耗在1～2 瓦之间，组成多个拍摄阵列才可达到市场上专业家庭监控的功耗。在长时间测试中，有五台摄像头终端的情况下，一天仅有0.23度电的能源消耗。平常拍摄处于OV2640的UXGA格式下，实际拍摄出来的1 600×1 200分辨率照片状况良好，无不良的撕裂状况。实际拍摄照片如图12所示。
6" 结 论
智能家庭监控的需求与专业监控资源短缺之间存在矛盾。在当前人们安全意识不断增强的情况下，家庭智能监控可以帮助缓解这种矛盾。实用且具有经济性的家庭智能监控系统对于现代物联网时代的发展将提供良好的支持。本文使用ESP32-S设计了一款家庭智能监控系统，对硬件终端和网络连接层进行了设计。通过家庭的Wi-Fi网络部署摄像头终端，并使用网页后端进行实时操作，实现了对监控活动的控制。通过与专业监控系统的对比实验，该家庭智能监控系统在单个摄像头状态下平均1～2瓦的功率，相较于传统的专业监控摄像头的20瓦功耗，具有广泛实用的意义。而在价格方面，相对于传统的监控设备，这种家庭智能监控系统价格更低，适应了物联网时代现代家庭的需求。
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作者简介：唐少勋（2003—），男，瑶族，广西贺州人，本科在读，研究方向：物联网；刘尔健（2003—），男，汉族，广东河源人，本科在读，研究方向：智能控制。
收稿日期：2023-10-23
