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[项目] 树莓派安全监控系统

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本帖最后由 fibx 于 2020-10-29 15:28 编辑

树莓派安全监控系统

自动启用/停用。运动检测。手机图文信息通知。

此项目用到的零件和工具

硬件组件

一个树莓派1代Model A+
- 任何支持摄像头模块的树莓派都可以
一个树莓派摄像头模块
USB WLAN/WiFi 适配器
- 必须支持监控模式。推荐使用RT5370
成型铝框
- 用于制作外框（可选）

软件APP和在线服务

树莓派Raspbian系统
Telegram机器人

树莓派安全监控系统

一个运行在树莓派上的简单安全监控系统。

主要功能：

使用摄像头进行运动检测和拍照
移动电话图文信息通知
检测您何时在家，自动启用/停用监控服务
可使用Telegram远程控制

类似产品：

必备材料和工具

您将需要这些硬件：

带摄像头接口的树莓派。
树莓派摄像头模块
支持监控模式的USB Wi-Fi。我用了一个基于RT5370的适配器，很便宜，大约6欧元，而且很容易买到

软件环境需求:

一个Telegram机器人。完全免费而且容易设置
已安装Raspbian系统。我使用Stretch Lite。你可以用不同的操作系统，但我有没试过
Python 3

工作原理

自动在场检测

我的主要目标之一是使系统完全自动化。我不想在离开或回到家的时候，不得不手动去启用或停用。我想实现这一点最简单的方法是尝试检测家中住户的手机。从概念上讲，这很简单，但实际上却是最具挑战性的部分，因为：

在Wi-Fi接口上捕获所有数据包太耗费资源。
移动电话并不总是在线并且通过Wi-Fi发送数据包。有时他们保持15分钟或更长时间的离线状态。
即使有99%的准确率，假警报也很烦人。

经过大量测试后，我使用了一种基于已知手机MAC地址通过Wi-Fi适配器混合主动（ARP扫描）和被动（包捕获）检测的方法。移动电话MAC地址在配置中设置，并且RPI安全监控系统应用以下过滤器在监控模式接口上捕获数据包：

来自任何已知MAC的Wi-Fi探测请求。
从已知MAC发送到运行RPI安全监控系统的主机的任何数据包。

当检测到数据包时，应用程序重置计数器，如果计数器的时间超过10分钟，则系统将启用。为了消除许多假警报，当系统在启用状态和停用状态之间切换时，应用程序将对每个已知的MAC地址执行ARP扫描，以确保它们确实在线或离线。iOS和Android在ICMP ping不可靠的情况下99%都会响应ARP扫描。通过结合捕捉Wi-Fi探测请求和使用ARP扫描，Wi-Fi频率无关紧要，因为移动电话在两个频率上发送探测请求，而ARP扫描也可以跨两个频率进行。

运动检测

运动检测是通过OpenCV来实现的。每个运动检测将在/tmp目录中保存4张图片：

frame.jpg: 用矩形标示运动的图片
gray.jpg: 带有灰度和模糊的图片（用于检测当前帧和上一帧之间的运动）
abs_diff.jpg: 灰度图像之间的绝对差异（当前帧和上一帧）
thresh.jpg: 已经应用了一个阈值，以确保运动足够重要而可以被检测到。

信息通知

Telegram机器人用于发送带有捕获图像的通知。有很好的移动应用和很好的API。您还可以在浏览器中查看消息，并在设备之间同步消息。

如果系统处于启用状态并且检测到运动，则会从Telegram机器人向您发送一条包含捕获图像的消息。

警报状态发生变化时也会发送通知。

远程控制

您可以给Telegram机器人发送触发某些操作的命令。

/disable：禁用该服务知到重新启用。
/enable：禁用服务后启用该服务。
/status：发送状态报告。
/photo：捕获并发送照片。
/gif：捕获并发送gif。

Python

应用程序是用python 3编写的。大部分功能由以下pip模块提供：

应用程序使用多线程来异步处理事件。有4个线程：

telegram_bot: 响应命令。
monitor_alarm_state: 启用和停用系统。
capture_packets: 从移动设备捕获数据包。
process_photos: 通过Telegram发送捕获的图像。

安装、配置和运行

首先确保您的WiFi设置正确.

确保你的GPU/内存分割给GPU 128MB。您可以使用raspi config查看或设置这个值。

安装Python所需的软件包：

sudo apt update
sudo apt install -y tcpdump iw python3-dev python3-pip python3-numpy

安装OpenCV所需的软件包：

sudo apt install -y libhdf5-103 libharfbuzz0b libwebp6 libjasper1 libopenexr23 libgstreamer1.0-0 libatlas-base-dev libgtk-3-0 libqtgui4 libqt4-test libilmbase23 libavcodec-extra58 libavformat58 libswscale5  libjpeg8-dev zlib1g-dev libffi-dev libopenjp2-7-dev libtiff5

安装OpenCV和rpi-security：

sudo pip3 install opencv-contrib-python==3.4.6.27 opencv-contrib-python-headless==3.4.6.27
sudo pip3 install --no-binary :all: https://github.com/FutureSharks/rpi-security/archive/1.5.zip

重新加载系统配置并启用rpi-security服务：

sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable rpi-security.service

添加您的MAC地址、Telegram bot API密钥以及对/etc/rpi-security.conf的必要修改.

确保已使用raspi-config启用摄像头模块。

启动服务：

sudo systemctl start rpi-security.service

你至少需要向Telegram机器人发送一条消息，否则它将无法向你发送消息。这样服务就可以保存Telegram的chat_id。只需发送/status命令。

它作为服务运行并记录到syslog。请在/var/log/syslog查看日志。

调试与故障排除

你可以手动启用rpi-security.py的调试输出。

首先添加监控模式网络接口：

root@raspberrypi:~# iw phy phy1 interface add mon0 type monitor
root@raspberrypi:~# ifconfig mon0 up

然后用调试选项启动服务

root@raspberrypi:~# rpi-security.py -d
2016-05-28 14:43:30 DEBUG   rpi-security.py:73  MainThread          State file read: /var/lib/rpi-security/state.yaml
2016-05-28 14:43:30 DEBUG   rpi-security.py:44  MainThread          Calculated network: 192.168.178.0/24
2016-05-28 14:43:41 INFO    rpi-security.py:214 monitor_alarm_state thread running
2016-05-28 14:43:41 INFO    rpi-security.py:196 capture_packets     thread running
2016-05-28 14:43:41 INFO    rpi-security.py:259 telegram_bot        thread running
2016-05-28 14:43:41 INFO    rpi-security.py:154 process_photos      thread running
2016-05-28 14:43:43 INFO    rpi-security.py:392 MainThread          rpi-security running
2016-05-28 14:43:43 INFO    rpi-security.py:112 MainThread          Telegram message Sent: "rpi-security running"
2016-05-28 14:44:29 DEBUG   rpi-security.py:191 capture_packets     Packet detected from aa:aa:aa:bb:bb:bb
2016-05-28 14:44:29 DEBUG   rpi-security.py:191 capture_packets     Packet detected from aa:aa:aa:bb:bb:bb
2016-05-28 14:44:48 DEBUG   rpi-security.py:280 Dummy-1             Motion detected but current_state is: disarmed

调试完成后记得移除监控模式网络接口：

iw dev mon0 del

WiFi适配器配置

您的WiFi适配器必须支持监控模式。默认情况下，树莓派内置无线LAN适配器当前不支持监控模式。目前，使内置WiFi适配器的监控模式工作的唯一方法是使用nexmon，而且并不简单。

获得监控模式WiFi适配器的最简单方法是购买支持监控模式的USB适配器。目前最好的选择是：

RT5370: 很便宜而且容易买到。但是只支持2.4Ghz
RT3572: 比较贵而且较难买到。但同时支持2.4Ghz和5Ghz

现在大多数现代手机和路由器都使用5Ghz，所以如果您的适配器只支持2.4Ghz，结果可能不太可靠。

用于连接到WiFi网络的接口必须与支持监控模式的接口相同。这必须是手机连接的同一个WiFi网络。因为有一个运行着的抓包程序在监听移动电话的ARP回复以及WI-FI探测请求。

这个应用程序的默认配置假定您使用的USB适配器为phy#1/mon0/wlan1。

如果您不使用板载WiFi适配器，则可以通过运行以下命令停止它与WiFi网络的连接：

echo -e "interface wlan0\nnohook wpa_supplicant" >> /etc/dhcpcd.conf

这显示了一个有效的WiFi适配器配置：

root@raspberrypi:~ # iw dev
phy#1
        Interface mon0
                ifindex 4
                wdev 0x100000002
                addr 00:0e:8e:58:d6:af
                type monitor
                txpower 26.00 dBm
        Interface wlan1
                ifindex 3
                wdev 0x100000001
                addr 00:0e:8e:58:d6:af
                ssid Connecting...
                type managed
                channel 124 (5620 MHz), width: 40 MHz, center1: 5630 MHz
                txpower 26.00 dBm
phy#0
        Interface wlan0
                ifindex 2
                wdev 0x1
                addr b8:27:eb:cb:b6:5d
                type managed
                channel 34 (5170 MHz), width: 20 MHz, center1: 5170 MHz
                txpower 31.00 dBm

您可以使用不同名称的接口，只需确保更改`/etc/rpi security environment中的参数即可。

基于PIR传感器运动检测的旧版本

目前运动检测是基于摄像头实现。如果要使用基于PIR传感器的旧版本，请查看0.7版：

连接丢失时重新启动

大约每一两个月我的树莓派就会断开WLAN连接。我创建了一个cron作业来检查连接，如果检查失败，就重新启动。

wget https://raw.githubusercontent.com/FutureSharks/rpi-security/master/bin/check-telegram-connectivity.sh -O /usr/local/bin/check-telegram-connectivity.sh
chmod 0755 /usr/local/bin/check-telegram-connectivity.sh
echo '*/20 * * * * root /usr/local/bin/check-telegram-connectivity.sh' > /etc/cron.d/reboot-on-connection-failure

定制零件和外壳：下载附件 cad-files.zip