基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

朱 震 夏云忠

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字校園建設(shè)中心，浙江 衢州324000；2.衢州學(xué)院創(chuàng)業(yè)學(xué)院，浙江 衢州324000）

0 引言

傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)不能讓用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控居家環(huán)境情況，存在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不高、用戶無(wú)法隨時(shí)監(jiān)控，能耗高等特點(diǎn)，很難滿足人們對(duì)家居安全的需求[1]。人們需要更加智能、可靠、穩(wěn)定和準(zhǔn)確的安防系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防檢測(cè)技術(shù)，突破了單一傳感器檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、單一傳感器損壞后影響整體性能的限制，大幅度提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[2]。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

智能家居安防系統(tǒng)是集傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)與智能技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等信息技術(shù)在內(nèi)的綜合應(yīng)用。通過(guò)將安防檢測(cè)裝置部署在高合適的地方采集居家環(huán)境情況，利用信息傳輸技術(shù)將采集到的信息傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，利用部署在智能網(wǎng)關(guān)上的多傳感器融合算法對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，智能網(wǎng)關(guān)將安全事件的報(bào)警信息推送給用戶和執(zhí)行指令推送給傳感器節(jié)點(diǎn)，供安防系統(tǒng)自動(dòng)控制或用戶手動(dòng)控制。

2 面臨的問(wèn)題

一是安防信號(hào)檢測(cè)測(cè)裝的靈敏度及可靠性不夠，可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤告警。

二是現(xiàn)有的無(wú)線傳輸技術(shù)在可靠性、實(shí)時(shí)性等性能指標(biāo)上有欠缺，通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性事關(guān)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

三是單一傳感器檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，多傳感器融合算法的質(zhì)量事關(guān)安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、路由器、云服務(wù)器、監(jiān)控管理平臺(tái)組成，圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)圖。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在最底層，負(fù)責(zé)執(zhí)行解決各種安防問(wèn)題。例如，當(dāng)天燃?xì)庑孤r(shí)，智能排風(fēng)扇、智能窗戶作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)受智能網(wǎng)關(guān)控制而自動(dòng)開(kāi)啟并向用戶推送安全事件信息；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到情況正常后，智能排風(fēng)扇、智能窗戶作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)受智能網(wǎng)關(guān)控制而關(guān)閉并向用戶推送事件信息。傳感器節(jié)點(diǎn)采用高靈敏度、高可靠性的CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器、瓦斯傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器等安防檢測(cè)裝置采集家居環(huán)境信息，并利用信息傳輸技術(shù)將傳感器采集到的信息傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理[3]。智能網(wǎng)關(guān)是智能家居安防系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)多源數(shù)據(jù)的融合分析并將家居安全事件的報(bào)警信息推送給用戶和對(duì)家居安全事件處置的執(zhí)行指令推送給傳感器節(jié)點(diǎn)，供安防系統(tǒng)自動(dòng)控制或用戶手動(dòng)控制。智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)向家居用戶實(shí)時(shí)推送報(bào)警信息，家居用戶可以通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控整個(gè)智能家居安防系統(tǒng)的運(yùn)行情況并可以遠(yuǎn)程控制家居的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所有的監(jiān)控信息和報(bào)警事件都通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)存儲(chǔ)到云端保障數(shù)據(jù)安全[4]。智能家居監(jiān)控管理平臺(tái)由工控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，擁有可視化、圖形化的人機(jī)交互界面，用戶只需操作圖像便可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能家居安防系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行響應(yīng)情況[5]。

圖1 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

4.1 硬件設(shè)計(jì)要求

（1）實(shí)時(shí)性：傳感器節(jié)點(diǎn)必須實(shí)時(shí)地將采集到的安防數(shù)據(jù)通過(guò)信息傳輸技術(shù)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)須及時(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理分析，智能網(wǎng)關(guān)須實(shí)時(shí)地將安全事件的報(bào)警信息推送給用戶和執(zhí)行指令推送給傳感器節(jié)點(diǎn)。（2）可靠性：所用安防檢測(cè)裝置能長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行并實(shí)時(shí)有效地感知外部環(huán)境的變化，智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)多傳感器融合算法分析安防事件，防止發(fā)生誤告警。（3）準(zhǔn)確性：智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)安全事件，并開(kāi)啟執(zhí)行機(jī)構(gòu)處置安全事件。（4）易擴(kuò)展性：信息技術(shù)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層出不窮，當(dāng)出現(xiàn)新的監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)，應(yīng)能夠兼容新設(shè)備的加入。（5）低功耗：要求設(shè)備7×24小時(shí)在線，安防系統(tǒng)應(yīng)滿足綠色節(jié)能設(shè)計(jì)要求。（6）高性價(jià)比：硬件設(shè)備的性價(jià)比要高，達(dá)到人們購(gòu)買(mǎi)力的要求。

4.2 軟件的設(shè)計(jì)要求

（1）信息傳輸實(shí)時(shí)有效：安防檢測(cè)裝置采集到的信息能夠?qū)崟r(shí)的傳輸至智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)的執(zhí)行指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的收到；安全事件信息能夠及時(shí)地推送到用戶。（2）模塊化設(shè)計(jì)：采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)易維護(hù)和易移植。（3）建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一各通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑阌跀?shù)據(jù)交互和傳輸。

5 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)和監(jiān)控管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

5.1 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)分析與選擇

為了保證智能家居安防系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性與可靠性，針對(duì)家庭環(huán)境的條件選取適合智能家居安防系統(tǒng)的信息傳輸技術(shù)就顯得非常重要。通過(guò)對(duì)ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、IrDA、射頻通信等信息傳輸技術(shù)的比較研究（詳見(jiàn)表1），射頻通信具有穿透力強(qiáng)、成本低、功耗低和傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)而且在我國(guó)433 MHz頻段無(wú)須申請(qǐng)?jiān)S可便可免費(fèi)使用[6]。而家居環(huán)境中內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)具有低復(fù)雜度、低傳輸速率和成本敏感的特性。國(guó)內(nèi)外也有不少研究者采用ZigBee技術(shù)、5G技術(shù)等信息傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。基于以上的分析，本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線射頻的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

表1 無(wú)線通信技術(shù)的比較

5.2 智能家居安防網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居安防系統(tǒng)的控制中心，集成了數(shù)據(jù)融合分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)化、安全事件決策指揮中心等功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居內(nèi)設(shè)備終端的集中控制和將家居內(nèi)433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成為Wi-Fi、以太網(wǎng)等上層的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。智能網(wǎng)關(guān)的軟硬件框架采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，它由硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、應(yīng)用層組成，如圖2所示為智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊框架圖[7]。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊框架圖

5.3 可視化上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)

從性價(jià)比、后期技術(shù)支持等綜合因素考慮，較好的選擇是利用組態(tài)王作為可視化上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)工具，達(dá)到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控家居環(huán)境的目的，圖3為類(lèi)似的人機(jī)交互界面[8]。

圖3 基于工控組態(tài)軟件的可視化上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)

6 結(jié)語(yǔ)

智能家居安防系統(tǒng)是當(dāng)前保障家居環(huán)境安全的有效技術(shù)手段，能為家庭提供非法入侵報(bào)警、有害氣體泄露處置、惡劣天氣自動(dòng)關(guān)閉窗戶等功能，智能家居安防系統(tǒng)必將逐漸進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ?，為人們提供更舒適的家居環(huán)境[9]。本系統(tǒng)采用智能網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)的控制中心，以傳感技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等信息技術(shù)為手段，將各種設(shè)備設(shè)施有機(jī)的組合在一起，形成一個(gè)具有對(duì)家居安全事件監(jiān)控、報(bào)警、處置等功能的智能家居安防系統(tǒng)[10]。