多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在家庭安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳曦

（美智光電科技股份有限公司 廣東省佛山市 528311）

現(xiàn)代人財產(chǎn)安全意識不斷提升，家庭智能安防系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在家庭環(huán)境及防盜監(jiān)測中，保護(hù)了人們財產(chǎn)安全，降低損失。由于單一的傳感器家庭智能安防系統(tǒng)容易出現(xiàn)誤報情況，因此，提出多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實現(xiàn)對盜竊入侵行為的檢測，旨在提高家庭安防系統(tǒng)實用性，降低誤報率。為此，有必要深入探究多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在家庭安防系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

1 研究（問題）背景

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，智能設(shè)備的智能化和自動化程度不斷提升，智能家居理念也應(yīng)運(yùn)而生，在信息化技術(shù)推動下，智能化家居生活成為必然發(fā)展趨勢。借助智能終端，可實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制，大大改變了人們的生活。人們享受智能家居體驗智能家居同時，安防意識也不斷提升。近年來，頻繁發(fā)生家庭煤氣爆炸、家庭火災(zāi)安全事故，說明家庭中存在諸多的安全隱患，因此，設(shè)計一套智能化家庭安防系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義，家庭安防系統(tǒng)增設(shè)視頻監(jiān)控、火災(zāi)檢測、煤氣檢測等功能，切實保障家庭財產(chǎn)與生命安全。

基于現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，在家庭智能安防系統(tǒng)建設(shè)中，引入了多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)等新一代信息技術(shù)。在環(huán)境監(jiān)測和防盜預(yù)警方面，需要應(yīng)用到多種傳感器，為此，引入多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)顯得尤為重要。在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)支持下，促使家庭安防系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，并借助云平臺制定網(wǎng)絡(luò)通信控制方案，結(jié)合用戶不同需求，增設(shè)系統(tǒng)功能，開發(fā)出個性化的家庭安防系統(tǒng)方案[1]。由于家庭安防研究仍停留在實驗階段，有關(guān)家庭安防的案例也較少，基于此，有必要開發(fā)一套可反映家庭環(huán)境和意外情況的智能家庭安防系統(tǒng)，進(jìn)而及時有效的處理家中突發(fā)問題，保障用戶家庭安全。為此，研究本課題具有重要的理論意義。

2 技術(shù)原理和特點(diǎn)

2.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)概念提出較早，最早應(yīng)用在C31系統(tǒng)中，證實了此項技術(shù)可提升系統(tǒng)性能，保證傳感數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；能夠精準(zhǔn)獲取到被檢測對象的相關(guān)信息，較比單一傳感器處理優(yōu)勢更顯著。就多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)原理看，主要是運(yùn)用分布式D-S 證據(jù)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合的，進(jìn)而獲取到被監(jiān)測對象當(dāng)前狀態(tài)情況；同時，基于信息熵視角，證實了D-S 證據(jù)理論算法的有效性，保證信息準(zhǔn)確、真實，有效降低了家庭安防系統(tǒng)的誤報率，提高了安防系統(tǒng)報警準(zhǔn)確性和可靠性，對家庭安防異常進(jìn)行預(yù)警。系統(tǒng)在智能家居應(yīng)用中，不易受到干擾，減少了不確定性，應(yīng)用前景是廣闊的[2]。因此，將多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用在家庭智能安防系統(tǒng)中，有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，傳感器數(shù)據(jù)更完整和準(zhǔn)確。

數(shù)據(jù)融合的信息源經(jīng)過信息檢測、信息評估及優(yōu)化組合過程，在家庭安防系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用多種傳感器，實現(xiàn)對不同來源信息的融合，并在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)原理支持下，對傳感器采集到的信息進(jìn)行支配，充分利用檢測信息，最終保證系統(tǒng)決策準(zhǔn)確。其融合算法主要是根據(jù)人工智能，對決策信息進(jìn)行感知的，最終實現(xiàn)系統(tǒng)決策。

2.2 無線傳輸技術(shù)

2.2.1 ZigBee 技術(shù)

家庭安防系統(tǒng)開發(fā)過程中，主要依托無線傳感網(wǎng)作為實現(xiàn)載體，將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)開發(fā)中，減少了開發(fā)工程量，簡化了線路布局，降低了經(jīng)濟(jì)成本和功耗。本文研究的家庭安防系統(tǒng)，主要應(yīng)用的是ZigBee、Wi-Fi 無線通信方傳輸方式，利用ZigBee 技術(shù)搭建了傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在ZigBee 組網(wǎng)內(nèi)，實現(xiàn)各個ZigBee 模塊之間的數(shù)據(jù)交互，其通信頻率在2.4GHz，傳輸距離達(dá)到了10～75m，傳輸速度在10～250kbit/s，傳輸安全性程度高。就ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)看，技術(shù)成本低廉、功耗低、網(wǎng)絡(luò)自組織、延時小，可簡化安裝過程，解決了智能家庭安防系統(tǒng)布線問題，滿足智能家居應(yīng)用場景。

2.2.2 Wi-Fi 技術(shù)

Wi-Fi 技術(shù)覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸時效快，就Wi-Fi 技術(shù)特點(diǎn)看，簡單易操作、網(wǎng)絡(luò)自動配置、兼容性好、拓展性好、安全程度高等。通過Wi-Fi，將傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)接入到廣域網(wǎng)中，充分展現(xiàn)了Wi-Fi 技術(shù)優(yōu)勢；將Wi-Fi 通訊傳輸技術(shù)應(yīng)用在家庭安防系統(tǒng)中，提高了網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻數(shù)據(jù)傳輸效率，解決了數(shù)據(jù)傳輸慢、傳輸安全低等問題。

實踐研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用ZigBee+Wi-Fi 無線通信模式，可實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，利用ZigBee 進(jìn)行進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)間的信息交流，利用Wi-Fi 實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和云平臺、設(shè)備云APP 的通信，進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)傳輸速度，提升數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和安全性，實現(xiàn)低能耗數(shù)據(jù)傳輸目的[3]。因此，ZigBee+Wi-Fi 結(jié)合通信模式下，開發(fā)出了可供用戶操作的可視化網(wǎng)關(guān)界面，即“嵌入式網(wǎng)關(guān)”；為家庭安防系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)提供了保障，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測家庭環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測家庭防盜情況的目標(biāo)。

2.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)

基于智能化技術(shù)推動下，嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)快速發(fā)展，技術(shù)特點(diǎn)主要是功能強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、成本低、體積小等，將嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)應(yīng)用在家庭安防系統(tǒng)中，具有應(yīng)用可行性，為智能網(wǎng)關(guān)模塊硬軟件設(shè)備提供了技術(shù)保障。智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1：智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計圖

3 應(yīng)用研究

就基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防系統(tǒng)功能需求看，系統(tǒng)功能設(shè)計上要滿足火災(zāi)檢測、煤氣檢測、防盜檢測及視頻監(jiān)控需要?；馂?zāi)檢測，主要是將檢測裝置安裝在廚房、電路老化等位置，當(dāng)家庭中有火災(zāi)發(fā)生時，安防系統(tǒng)可第一時間向用戶手機(jī)端發(fā)送預(yù)警信息。煤氣檢測，是系統(tǒng)裝置放置在燃?xì)庖仔孤┪恢?，?dāng)泄漏的氣體達(dá)到一定的濃度值時，系統(tǒng)可及時將預(yù)警信息發(fā)送給用戶；防盜檢測，主要是利用人體紅外線傳感器感知入侵到家中的可疑人員，攝像頭將抓拍到的入侵者的圖片，上傳到云端，并將預(yù)警信息同時發(fā)送給用戶。視頻監(jiān)控則滿足用戶實時查看家中人員情況需要。如圖2 所示。

圖2：安防系統(tǒng)功能圖

就家庭安防系統(tǒng)整體設(shè)計目標(biāo)看，在無線通信技術(shù)應(yīng)用支持下，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)中，并在數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)技術(shù)支持下，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，將家中異常信息上傳到云端并傳輸給用戶。以下就家庭安防系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計進(jìn)行具體分析：

3.1 硬件設(shè)計

基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的家庭安防系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，包含了網(wǎng)關(guān)設(shè)計、ZigBee 節(jié)點(diǎn)及外周電路硬件設(shè)計等。具體設(shè)計如下：

3.1.1 網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計主要是由STM32F103RCT6 構(gòu)成，集成在主板上，并在終端板塊中將ZigBee 重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、多種傳感器、電路模塊集成在一塊。STM32F103RCT6 外周有GPIO 設(shè)備接口，各個接口輸入和輸出模式不同，具體根據(jù)場景需要進(jìn)行調(diào)試；考慮到工作電壓和供電方式，使用的是USB 供電接口。

3.1.2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)計

采用CC2530 無線射頻芯片構(gòu)建ZigBee 協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)接收多傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)由串口通信，將采集到信息數(shù)據(jù)上傳到顯示屏中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的分析和閾值比較，根據(jù)數(shù)據(jù)對比結(jié)果，實現(xiàn)對ZigBee 節(jié)點(diǎn)及外周電路的控制。CC2530芯片中的退耦電路可有效避免設(shè)備電路的干擾，保證設(shè)備電路電路穩(wěn)定[4]。

3.2 軟件設(shè)計

通過搭建基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的家庭安防監(jiān)測平臺，實現(xiàn)對家中火災(zāi)、煤氣、環(huán)境的遠(yuǎn)程檢測，并將檢測到的數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)融合中心，并通過嵌入式網(wǎng)關(guān)，將異常信息反饋到用戶手機(jī)端，供用戶查看。在家庭安防軟件設(shè)計中，涉及到串口配置、板號配置及多種融合數(shù)據(jù)顯示界面，包括數(shù)據(jù)顯示界面、用戶控制界面等界面模塊設(shè)計。在家庭安防系統(tǒng)軟件設(shè)計上，搭建了IAR Embedded Work-bench IDE 的安防系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，采用C 語言進(jìn)行程序編寫。在系統(tǒng)主控板中，將各個顯示數(shù)據(jù)界面進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試，保證各個程序有效調(diào)用，系統(tǒng)整體的開發(fā)難度小。為保證家庭安防系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)中運(yùn)用了多傳感器芯片，包括溫度芯片、時鐘芯片等，為保證系統(tǒng)準(zhǔn)確記錄預(yù)警時間，優(yōu)化了時鐘系統(tǒng)設(shè)計，使用的是DS1302 時鐘芯片，保證時鐘系統(tǒng)工作穩(wěn)定。系統(tǒng)軟件設(shè)計具體分析如下：

3.2.1 串口配置設(shè)計

串口配置設(shè)計主要通過串口通信協(xié)議，建立與嵌入式網(wǎng)關(guān)及ZigBee 協(xié)調(diào)器之間的通信路徑，對每個傳感器節(jié)點(diǎn)板的板號進(jìn)行配置，確保板號和串口通信協(xié)議正確，并通過嵌入式網(wǎng)關(guān)采集和控制多傳感器信息，進(jìn)而達(dá)到交互操作目的，更全面地采集和記錄家庭中的環(huán)境數(shù)據(jù)和傳感器當(dāng)前的工作狀態(tài)情況。

3.2.2 用戶操作界面設(shè)計

在設(shè)計用戶端操作和顯示界面方面，建立了基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的嵌入式微型數(shù)據(jù)庫SQLite，用于存儲用戶信息；并實時統(tǒng)計多傳感器數(shù)據(jù)信息，將符合數(shù)據(jù)級融合條件的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息融合，為用戶提供信息參考，最后將融合后的數(shù)據(jù)信息上傳到數(shù)據(jù)庫中，并在決策依據(jù)下，正確判斷出傳感器的狀態(tài)。

3.2.3 界面設(shè)計

家庭安防系統(tǒng)智能化程度較高，為用戶提供了智能化設(shè)備和嵌入式網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計的針對性較強(qiáng)，對用戶登錄身份信息進(jìn)行驗證，有效阻止了非法用戶登錄系統(tǒng)。

4 仿真實驗

多傳感器數(shù)據(jù)融合，衍生了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊邏輯法等諸多的算法，在多種算法聯(lián)合應(yīng)用下，提高了檢測算法精準(zhǔn)性，為提高家庭安防系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性，采用的是BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯推理法進(jìn)行檢測。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法自適應(yīng)能力強(qiáng)，具有自組學(xué)習(xí)、并行計算、容錯能力強(qiáng)等特點(diǎn)。模糊邏輯算法由模糊化、模糊推理及反模糊化三要點(diǎn)組成，主要依賴的是專家經(jīng)驗及多領(lǐng)域的專業(yè)知識，算法容易實現(xiàn)，思維模式類似于人腦思維，可用自然語言進(jìn)行描述，省略了數(shù)學(xué)建模過程。兩種算法各具優(yōu)劣勢，因此，將兩種算法進(jìn)行融合，實現(xiàn)了算法優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步完善了家庭安防系統(tǒng)功能，保證系統(tǒng)性能使用。實踐研究發(fā)現(xiàn)，在家庭安防系統(tǒng)中選擇并聯(lián)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯推理法結(jié)構(gòu)是可行的，滿足系統(tǒng)多傳感采集數(shù)據(jù)的融合處理需求，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法下，進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，利用模糊邏輯推理算法進(jìn)行輔助判斷，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[5]。

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真檢測

仿真檢測主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練基礎(chǔ)上開展的，主要是針對家庭中有無明火、陰燃火、火災(zāi)等情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真檢測的。如表1 所示。

表1：BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)

4.2 模糊邏輯推理仿真測試

主要是借助MATLB 工具實現(xiàn)模糊邏輯推理模型的建立和仿真，主要應(yīng)用到MATLB 工具中的模糊邏輯推理編輯器；可編輯火災(zāi)檢測中的溫度值、煙霧濃度值及一氧化碳濃度值，并通過編輯器的界面實時顯示火災(zāi)概率，并在模糊邏輯推理編輯器相關(guān)規(guī)則下，生成模糊邏輯規(guī)則圖，最終可得出精準(zhǔn)的數(shù)值。如表2 所示。

表2：模糊邏輯推理仿真測試數(shù)據(jù)

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真檢測和模糊邏輯推理仿真測試結(jié)果均會出現(xiàn)不同程度的偏差，因此，在家庭安防系統(tǒng)檢測中，有必要結(jié)合兩種算法進(jìn)行聯(lián)合檢測，進(jìn)而保證家庭安防系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，及時為用戶提供家庭環(huán)境監(jiān)測情況和安防監(jiān)測情況，最大程度上降低誤報率。

4.3 仿真實驗

（1）例如，對家庭安防火災(zāi)進(jìn)行檢測時，可利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合處理，并對明火（P1）、陰燃火（P2）、無火（P3）、火災(zāi)概率（P4）進(jìn)行明確的標(biāo)識。依據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行決策，借助模糊邏輯推理算法輔助判斷，按照融合規(guī)則得出：

當(dāng)P1 ≤0.4 且P4 ≤0.4 時，視為無火災(zāi)發(fā)生；

當(dāng)P1 ≤0.4 而0.4＜P4 ≤0.8 時，需要再次借助模糊邏輯推理算法判斷是否為陰燃火；

當(dāng)0.4＜P1 ≤0.8 時且P4 ≤0.4 時，需要再次借助模糊邏輯推理算法判斷是否為陰燃火；當(dāng)0.4＜P1 ≤0.8 時且0.4＜P4 ≤0.8 時，視為發(fā)生陰燃火；當(dāng)0.4＜P1 ≤0.8 而P4＞0.8 時，需要再次借助模糊邏輯推理算法判斷是否為陰燃火；

當(dāng)P1＞0.8 時，而0.4＜P4 ≤0.8 時，需要再次借助模糊邏輯推理算法判斷是否為明火；

當(dāng)P1＞0.8 時，而P4＞0.8 時，視為有明火發(fā)生。

基于此，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯推理法聯(lián)合判斷和分析下，可保證家庭安防系統(tǒng)檢測更精準(zhǔn)，提高決策結(jié)果準(zhǔn)確性。

（2）例如，在防盜報警實驗中，在實驗室中安裝攝像頭、主機(jī)、多種傳感器、門磁開關(guān)傳感器等。將紅外線傳感器和微波傳感器安裝在天花板中，將門磁開關(guān)傳感器一部分安裝在門頁上，將門磁傳感器另一部分安裝在門框上。布設(shè)完成后，當(dāng)有人侵入到室內(nèi)時，門和門框會出現(xiàn)位移現(xiàn)象，此時，門磁傳感器會發(fā)出電信號，并第一時間將電信號傳輸給主機(jī)；與此同時，微波傳感器也會檢測到正在移動的目標(biāo)對象，由紅外線傳感器將目標(biāo)對象信號傳輸給主機(jī)，主機(jī)實時接收信號信息。在整個安防狀態(tài)下，攝像頭對整個入侵過程中進(jìn)行監(jiān)控和記錄，詳細(xì)記錄了關(guān)鍵點(diǎn)信息。借助D-S 證據(jù)理論，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，在多傳感器數(shù)據(jù)融合支持下，獲得了準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，并通過多傳感器分布式布局進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，避免盜情報警的不確定性，提高了安防系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確性，值得廣泛的應(yīng)用在智能家居生活中。

5 結(jié)論

綜上上述，現(xiàn)代人對安全、舒適、智能化家具生活需求強(qiáng)烈，在無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)等技術(shù)支持下，實現(xiàn)家庭安防系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，精準(zhǔn)檢測到家中有無異常情況，滿足了智能家居生活需求。將多傳感器技術(shù)融合在家庭安防系統(tǒng)中，實時檢測家庭中的異常情況，提供的檢測信息準(zhǔn)確，對異常判斷結(jié)果真實，用戶通過手機(jī)端可隨時查看家庭安全情況，充分發(fā)揮了多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)優(yōu)勢，發(fā)揮了家庭安防系統(tǒng)的檢測作用，使安全、舒適的智能家居成為可能。