面向智能家居應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭煜 胡鋼

摘? 要：由于當(dāng)前社會人口流動(dòng)性增加、人口老齡化加快，獨(dú)居老人的安全已經(jīng)成為社會性問題。同時(shí)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居已經(jīng)開始步入尋常百姓家。本文以物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為依托，結(jié)合視頻監(jiān)控、室內(nèi)定位、傳感器等技術(shù)，建立安全防護(hù)系統(tǒng)，保障獨(dú)居老人的安全。

關(guān)鍵詞：智能家居;智能網(wǎng)關(guān);傳感器技術(shù)

中圖分類號：TP391.44;TN92? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0191-03

Abstract：Because of the increasing mobility of the population in the society and the speed of the aging of the population is faster. The safety of elderly people living alone has become a social problem. At the same time，with the rapid development of internet of things，smart home has begun to enter ordinary people’s family. In this paper，we designed a safety protection system based on the internet of things system. This system combined with video surveillance，indoor positioning，sensors and other technologies to ensure the safety of the elderly.

Keywords：smart home;intelligent gateway;sensor technology

0? 引? 言

隨著生活節(jié)奏的加快和交通運(yùn)輸?shù)挠l(fā)便捷，我國人口的流動(dòng)性大大增加。在當(dāng)今社會，子女外地求學(xué)、工作已經(jīng)成為常態(tài)，而且由于獨(dú)生子女的增加，越來越多的老人已經(jīng)提前進(jìn)入了獨(dú)居生活[1]。部分獨(dú)居老人的生活習(xí)慣不規(guī)律、記憶力衰退、行動(dòng)不方便等特點(diǎn)，在安全性上存在極大的隱患。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居已經(jīng)開始進(jìn)入人們的日常生活[2]。智能家居融合了各種智能化技術(shù)，正在不斷改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣和工作方式，使家居生活更加便利、舒適和安全。對于獨(dú)居老人而言，智能家居系統(tǒng)不僅可以使老人生活便利化，減少一些危險(xiǎn)性動(dòng)作，更可以實(shí)現(xiàn)對老人的實(shí)時(shí)監(jiān)控和防護(hù)，降低老人發(fā)生危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，并對意外事故進(jìn)行即時(shí)報(bào)警，確保老人在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)可以得到快速防護(hù)[3]。

1? 智能家居

智能家居系統(tǒng)依托人體工程學(xué)，結(jié)合了智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、綜合布線技術(shù)以及視頻監(jiān)控等技術(shù)，以家庭住宅為實(shí)現(xiàn)平臺，將各種智能化技術(shù)嵌入到人們的日常家居生活中，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的智能化轉(zhuǎn)變，使家居生活更加便利、更加舒適、更加安全[4]。

智能家居系統(tǒng)主要由內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)和外部以太網(wǎng)組成。在室內(nèi)，采用Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、RFID等無線通信方式實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部各智能節(jié)點(diǎn)的組合和通信，搭建內(nèi)部家居網(wǎng)絡(luò)。在室外，通過FTTH等接入方式實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接，完成客戶端對家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作[5]。智能家居室內(nèi)無線拓?fù)淙鐖D1所示，主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、家居設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)、傳感器系統(tǒng)和其他設(shè)備。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在無線通信中得到了極為廣泛的應(yīng)用，在室內(nèi)已經(jīng)廣泛存在。Wi-Fi具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、兼容以太網(wǎng)、無需布線、成本低等特點(diǎn)，因此各種智能家居設(shè)備都內(nèi)置了Wi-Fi接入功能。特別是Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)兼容以太網(wǎng)的特性，使得智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制成為了現(xiàn)實(shí)[6]。因此，在本智能家居系統(tǒng)中采用Wi-Fi接入的方式。

傳感器系統(tǒng)負(fù)責(zé)室內(nèi)各種信息的采集，使各種家居設(shè)備具備感覺器官，將采集到的各種信息集中傳輸給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。智能家居系統(tǒng)中傳感器系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)涉及到敏感信息，一般的網(wǎng)關(guān)設(shè)備難以滿足智能家居的需求。智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備是安全防護(hù)系統(tǒng)的核心模塊，需要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、事件觸發(fā)以及外部通信等功能[7]。采用智能網(wǎng)關(guān)對智能家居系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，既可以保證用戶隱私，又可以確保信息的及時(shí)處理，做到邊緣的智能化。

2? 安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)是依托智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)功能，主要包括視頻監(jiān)控平臺、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)和傳感器系統(tǒng)四部分。安全防護(hù)系統(tǒng)在室內(nèi)完成對老人的防護(hù)性監(jiān)控，然后將相關(guān)事件通過智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行判斷并實(shí)時(shí)發(fā)送至用戶的客戶端，由使用客戶端的老人子女進(jìn)行二次判斷，確保老人安全。對于獨(dú)居老人而言，摔傷是一種比較頻發(fā)的意外。對于很多老人來說，一旦摔傷，身體素質(zhì)會直線下降，可能會引發(fā)各種不可預(yù)見的后果。因此，本系統(tǒng)結(jié)合智能地毯、室內(nèi)定位系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對老人的摔傷意外進(jìn)行即時(shí)預(yù)警。

在地毯中集成壓力傳感器，對來自地面的壓力信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、分析和整理，并將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)進(jìn)行分析，監(jiān)控過程如圖2所示，智能網(wǎng)關(guān)中確定合理的受力面積和壓強(qiáng)閾值。當(dāng)受力面積高于閾值且壓強(qiáng)大于閾值范圍時(shí)，智能地毯將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過目標(biāo)提取、邊緣檢測、重心計(jì)算和目標(biāo)跟蹤四個(gè)步驟進(jìn)行二重檢測，完成人體識別并記錄相關(guān)信息。

目標(biāo)提?。核さ古c一般正?；顒?dòng)行為的特征不同，擁有較多的類似行為特征，隨著年齡的增加和所處環(huán)境的不同，摔倒行為的姿態(tài)特征也有明顯的不同。利用幀間差分算法從視頻圖像中提取目標(biāo)圖像，幀間差分算法是通過視頻序列中相鄰兩幀作差分運(yùn)算來獲取目標(biāo)圖像，當(dāng)視頻圖像中出現(xiàn)異常物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，幀與幀之間會出現(xiàn)明顯的差別，同時(shí)對得到的差分圖像進(jìn)行二值化處理。

邊緣檢測：利用視覺圖像分析技術(shù)，計(jì)算老年人行為特征相似度，從而對行為特征進(jìn)行提取，通過基于Canny算子的邊緣檢測算法[8]提取出視頻人物的外部輪廓。

重心分析：提取出視頻人物的外部輪廓后，利用外部輪廓的像素點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算行為重心。通過讀取大量的任務(wù)行動(dòng)照片，將人物在彎腰、坐下、行走以及躺下時(shí)的重心作為統(tǒng)計(jì)樣本，利用重心位置和加速度變化判斷人物跌倒行為。

目標(biāo)跟蹤：最后，智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的識別結(jié)果分別發(fā)送不同的信息到用戶客戶端，完成此次事件。當(dāng)客戶端接收到警報(bào)信息后，發(fā)起視頻請求流程，具體視頻請求流程如圖3所示。智能網(wǎng)關(guān)確認(rèn)連接請求，并建立視頻連接，發(fā)送相關(guān)事件的緩存視頻，用戶在客戶端遠(yuǎn)程觀看視頻，判斷事件性質(zhì)，判定老人安全情況，并決定是否撥打120請求醫(yī)務(wù)人員的救助。查看完相關(guān)事件的視頻后，還可以調(diào)取實(shí)時(shí)視頻，觀察老人的實(shí)時(shí)情況。

3? 室內(nèi)Wi-Fi定位

在室內(nèi)，在廚房、衛(wèi)生間等區(qū)域并不適合鋪設(shè)智能地毯設(shè)備，為了保證老人安全，可以選擇在室內(nèi)進(jìn)行區(qū)域劃分，設(shè)定特殊區(qū)域，當(dāng)老人進(jìn)入特定區(qū)域?qū)先说奈恢眠M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)老人在特殊區(qū)域的時(shí)間超過所設(shè)定的閾值時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)發(fā)出警報(bào)，并將相關(guān)信息發(fā)送至用戶客戶端。目前GPS難以解決室內(nèi)環(huán)境下的一些定位問題，大部分室內(nèi)環(huán)境下都有Wi-Fi信號，可以利用Wi-Fi進(jìn)行定位，基于Wi-Fi的室內(nèi)定位系統(tǒng)已經(jīng)成為一種實(shí)用且有效的方法，不需要投入額外的設(shè)備成本。

由于室內(nèi)環(huán)境采用Wi-Fi接入的方式組網(wǎng)，因此，我們可以通過采用Wi-Fi定位的方式完成對老人位置的實(shí)時(shí)追蹤[9]。在室內(nèi)環(huán)境中，由于Wi-Fi接入點(diǎn)（Access Point，AP）位置固定，室內(nèi)環(huán)境固定，室內(nèi)面積較小，且室內(nèi)特殊區(qū)域存在墻體阻攔，使信號有一定的衰減，可以采用基于位置指紋的室內(nèi)定位算法[10]進(jìn)行定位，位置指紋把實(shí)際環(huán)境中的位置和某種“指紋”聯(lián)系起來，一個(gè)位置對應(yīng)一個(gè)獨(dú)特的指紋。這個(gè)指紋可以是單維或多維的，比如待定位設(shè)備在接收或者發(fā)送信息，那么指紋可以是這個(gè)信息或信號的一個(gè)特征或多個(gè)特征（最常見的是信號強(qiáng)度）。如果待定位設(shè)備是在發(fā)送信號，由一些固定的接收設(shè)備感知待定位設(shè)備的信號或信息并給它定位，這種方式叫作遠(yuǎn)程定位或者網(wǎng)絡(luò)定位。如果是待定位設(shè)備接收一些固定的發(fā)送設(shè)備的信號或信息，然后根據(jù)這些檢測到的特征來估計(jì)自身的位置，這種方式可稱為自身定位。待定位移動(dòng)設(shè)備也許會把它檢測到的特征傳達(dá)給網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器可以利用它所能獲得的所有信息來估計(jì)移動(dòng)設(shè)備的位置。

4? 傳感器系統(tǒng)

獨(dú)居老人在生活中除了會發(fā)生跌倒這種意外情況，也會遭遇環(huán)境不適、煤燃?xì)庑孤┑炔焕蛩?，同時(shí)也不排除外部入侵的情況。因此，可以采用傳感器系統(tǒng)，對這些不利情況進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)控以及預(yù)警。

4.1? 空氣質(zhì)量傳感器和溫濕度傳感器

部分老人身體虛弱，可能會具備各種呼吸道疾病，對空氣質(zhì)量和環(huán)境的溫濕度比較敏感，采用空氣質(zhì)量傳感器和溫濕度傳感器，每間隔固定的時(shí)間監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境中的空氣質(zhì)量及溫濕度情況，然后將采集到的結(jié)果通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)對空氣質(zhì)量及溫濕度進(jìn)行判斷，并智能調(diào)控室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并上傳至服務(wù)器[11]。

4.2? 無線紅外傳感器

在門窗處設(shè)置無線紅外傳感器，在老人夜間休息時(shí)啟動(dòng)，防止外來人員闖入。當(dāng)無線紅外傳感器檢測到入侵時(shí)，室內(nèi)安全防護(hù)系統(tǒng)會發(fā)出警報(bào)，同時(shí)智能網(wǎng)關(guān)也會發(fā)送警報(bào)信息到客戶端。采用熱紅外傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對室內(nèi)獨(dú)居老人的活動(dòng)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，利用采集數(shù)據(jù)對獨(dú)居老人在其所處室內(nèi)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用摔倒監(jiān)測算法對所定位的空間位置進(jìn)行判斷，判定所監(jiān)測人物狀態(tài)是否為摔倒。

4.3? 燃?xì)鈧鞲衅?/p>

獨(dú)居老人可能會忘關(guān)燃?xì)饣蛘叱霈F(xiàn)燃?xì)庑孤┑韧话l(fā)事件，采用燃?xì)鈧鞲衅?，對室?nèi)煤氣、燃?xì)獾葰怏w的泄漏進(jìn)行檢測，當(dāng)出現(xiàn)煤燃?xì)庑孤┑那闆r時(shí)，燃?xì)鈧鞲衅鲿詣?dòng)發(fā)出警報(bào)聲，并將相關(guān)情況傳輸給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)將警報(bào)信息發(fā)送給預(yù)警客戶端，進(jìn)行即時(shí)預(yù)警。

5? 結(jié)? 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速推廣應(yīng)用推進(jìn)了智能家居的發(fā)展進(jìn)程，對人們的日常生活習(xí)慣造成了顛覆性的影響。在智能家居的基礎(chǔ)上，打造適用于獨(dú)居老人的安全防護(hù)系統(tǒng)，可以保障老人在室內(nèi)的安全?，F(xiàn)在，邊緣計(jì)算已經(jīng)成為科研及應(yīng)用的熱點(diǎn)，當(dāng)邊緣計(jì)算真正應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)中時(shí)，智能家居系統(tǒng)會更加成熟和完善，安全防護(hù)系統(tǒng)也可以提供更好的安全服務(wù)。

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作者簡介：郭煜（1984.09-），女，漢族，廣東深圳人，工程師，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。