基于IPv6技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應用

金鵬?張鵬

摘要：在IPv4地址逐漸耗盡的背景下，IPv6技術(shù)進入到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)世界中。IP技術(shù)的創(chuàng)新和嵌入式傳感器的發(fā)展，使人們越來越重視智能家居的安全問題。由于傳感節(jié)點存儲器容量限制和傳感網(wǎng)絡低功耗特性，要求將IPv6協(xié)議棧應用到傳感網(wǎng)絡中，進而實現(xiàn)智能家居的設計，同時以室內(nèi)分布情況作為全部傳感器使用的唯一標準，全面分析室內(nèi)所有參數(shù)，依照設定策略適當調(diào)整，在出現(xiàn)緊急情況時，根據(jù)事件緊急程度采取相應措施。

關(guān)鍵詞：IPv6技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居

在通信技術(shù)和計算機技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，IPv4協(xié)議已經(jīng)無法滿足人們對現(xiàn)代網(wǎng)絡的使用需求。IPv4技術(shù)的主要問題就是缺乏IP地址，人們對于家居需求并不只是傳統(tǒng)需求，更傾向于多元化、智能化。在設計智能家居系統(tǒng)的過程中，要調(diào)查家庭和家庭成員的實際需求，在能夠滿足客戶基本需求的前提下，根據(jù)已有科技條件深入拓展，使智能家居技術(shù)得以發(fā)展[1]。

一、智能家居的設計需求

為了提高生活質(zhì)量，降低能源消耗，增強安全性和便利性，為人們創(chuàng)造更加智能、安全、便利的家居生活，智能家居的設計應當做到以下幾點：

其一，環(huán)境監(jiān)測。對家居環(huán)境進行監(jiān)測，使用戶得到居住環(huán)境詳細信息。

其二，家居設備控制。家居中的智能設備，包括燈具、電器、門鎖、窗簾等，能夠通過中央控制系統(tǒng)進行控制。

其三，節(jié)能檢測。用戶能夠?qū)揖釉O備耗電情況進行監(jiān)測，為家居節(jié)能提供措施和建議。

其四，安全保障。智能家居應當有一套完善的安全保障系統(tǒng)，包括設備安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡安全等，以保障用戶的隱私和安全。

系統(tǒng)設計采集節(jié)點終端軟件能夠采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送協(xié)調(diào)節(jié)點，接收通過監(jiān)測網(wǎng)絡中心發(fā)送的控制指令，并對指令進行處理，實現(xiàn)智能化目的。操控信息要對終端節(jié)點精準發(fā)送，在設備操作功能和ZigBee網(wǎng)絡通信功能過程中，創(chuàng)建命令，傳輸連接，在網(wǎng)絡通信功能和應用程序之間創(chuàng)建接口[2]。

二、智能家居的硬件設計

（一）網(wǎng)關(guān)硬件設計

網(wǎng)關(guān)硬件設計是指設計一種硬件設備，用于連接不同網(wǎng)絡之間的設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。在網(wǎng)關(guān)硬件設計中，需要充分考慮網(wǎng)絡協(xié)議、接口類型、處理器性能、存儲器容量、安全性等方面，再根據(jù)實際需求和應用場景進行選擇和優(yōu)化，以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和安全地網(wǎng)絡連接，然后通過仿真技術(shù)進行設計和驗證，確保網(wǎng)關(guān)硬件設計的可靠性和穩(wěn)定性，為軟件提供通信接口。

（二）ARM處理器設計

ARM架構(gòu)的代碼密度和性價比較高，在實時中斷響應和功耗方面效果良好。本文平臺使用天嵌公司的2440開發(fā)板，此開發(fā)板嵌入三星公司S3C2440處理器芯片，最高主頻為0.533GHz，能夠支持Linux、Win CE和Symbian等主流操作系統(tǒng)。

（三）ZigBee處理器設計

這是一種專門用于支持ZigBee通信協(xié)議的芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗、低數(shù)據(jù)速率、短距離的無線通信。ZigBee處理器通常采用SoC（System-on-Chip）架構(gòu)，集成了微控制器、射頻收發(fā)器、存儲器等多個模塊，具備較高的集成度和靈活性，同時，為了提高設計的效率和可靠性，還采用先進的EDA工具和仿真技術(shù)進行設計和驗證。

ZigBee通信電路在家居內(nèi)部網(wǎng)絡硬件設計中比較復雜，包括傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器，內(nèi)部主芯片為cc2530芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，其中協(xié)調(diào)器和家居網(wǎng)關(guān)通信為有線[3]。

（四）以太網(wǎng)硬件設計

本文在設計過程中通過無線和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)增加遠程監(jiān)控功能，有線聯(lián)網(wǎng)利用有線帶寬接入，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。本文設計中使用以太網(wǎng)接口模塊接入有線網(wǎng)絡，圖1為以太網(wǎng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

S3C2440 的ADDR2和CMD引腳連接，實現(xiàn)芯片復位和中斷請求；SD15-SD0引腳為數(shù)據(jù)總線接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；CMD指的是訪問類型，對訪問數(shù)據(jù)端口或者地址端口進行確定；TX+、TX-引腳連接以太網(wǎng)接頭，對數(shù)據(jù)進行收發(fā)；主控制器和芯片相互連接，對信號進行收發(fā)；主控制器和芯片相互連接，能夠使用戶對家居內(nèi)部環(huán)境進行遠程監(jiān)控，圖2為DM9000和S3C2440的連接結(jié)構(gòu)。

S3C2440能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點收集數(shù)據(jù)打包成為IP包或者UDP在DM9000中發(fā)送，之后利用網(wǎng)絡接口在遠程PC機中傳輸數(shù)據(jù)，或者通過遠程PC機接收命令，對遠程PC機的請求進行響應，實現(xiàn)監(jiān)控操作和參數(shù)設定等功能[4]。

三、系統(tǒng)軟件的設計

（一）監(jiān)控終端的設計

在監(jiān)控終端設計中，要求收集傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行網(wǎng)關(guān)控制指令。監(jiān)控終端節(jié)點包括照明監(jiān)控、火災監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等，利用相應傳感器與控制器連接，實現(xiàn)家居內(nèi)部火災、環(huán)境和非法入侵的監(jiān)測。

1.照明監(jiān)控節(jié)點

系統(tǒng)智能照明功能是針對家庭整體空間的臺燈設計，通過人體紅外感應、光纖傳感器等模塊實現(xiàn)光線智能化控制，利用LED燈對室內(nèi)日常照明進行模擬，根據(jù)光纖傳感器實時收集光照強度，通過PWN波控制LED亮度，設置人體紅外感應模塊以判斷室內(nèi)是否有人并控制燈的亮滅。

2.家用電器控制節(jié)點

系統(tǒng)使用紅外控制模塊，在客廳、臥室等場景，利用客戶端控制電視機、空調(diào)等家電。紅外控制模塊利用串口和單片機連接，紅外控制信號包括16個字節(jié)和2字節(jié)校驗，在終端節(jié)點接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制指令后，以紅外信號控制指令固有格式處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準備后利用串口將控制指令發(fā)送給紅外模塊，進而控制無線視頻、空調(diào)。此系統(tǒng)能夠控制空調(diào)開關(guān)機、升降溫以及電視開關(guān)機。

3.入侵監(jiān)控節(jié)點

在住宅窗戶或者門外設置入侵監(jiān)控節(jié)點，再與攝像頭結(jié)合實現(xiàn)非法入侵監(jiān)控。在對節(jié)點進行初始化之后，人體感應傳感器讀取數(shù)據(jù)判斷所在區(qū)域是否有人，有人的話輸出人數(shù)變量1，沒人則輸出人物變量0，通過協(xié)調(diào)器對上位機發(fā)送人物變量并結(jié)合攝像頭圖像，實現(xiàn)系統(tǒng)的非法入侵監(jiān)控[6]。

4.環(huán)境檢測節(jié)點

系統(tǒng)環(huán)境檢測節(jié)點的設計簡單，流程與火災監(jiān)測節(jié)點基本相同，利用溫濕度傳感器收集室內(nèi)溫濕度信息，在超過設置的溫濕度閾值之后發(fā)出報警，后續(xù)還能夠與加濕器等設備結(jié)合，為用戶創(chuàng)建舒適、健康的家居環(huán)境。其中，系統(tǒng)設置溫度為5-50℃，濕度設置為30%-80%RH。

（二）門禁識別模塊

OpenCV是一個開源的計算機視覺庫，支持多種編程語言，提供了大量的圖像處理技術(shù)和計算機視覺算法，如圖像處理、物體檢測、人臉識別、運動跟蹤等。本文基于OpenCV設計人臉識別模塊，要求將采集人臉圖像數(shù)據(jù)，包括正臉、側(cè)臉、不同表情等多種情況下的圖像，使用OpenCV提供的人臉檢測算法，如Haar、LBP等，對預處理后的圖像進行特征提取，得到人臉的特征向量作為正樣本。在實際應用中，還需要考慮多種情況下的人臉識別問題，如光照條件、角度、遮擋等因素對識別準確性的影響。

1.訓練模塊

訓練模塊通過OpenCV中HaarTraining程序?qū)崿F(xiàn)，在訓練前收集大量正負樣本，在選擇過程中對樣本進行多樣性考慮，對全部正樣本行標注，標注信息可以是人臉位置、人臉關(guān)鍵點等，對采集到的人臉圖像數(shù)據(jù)進行特征提取，得到特征向量，并將圖片存儲到正樣本文件夾中；負樣本要具備代表性，樣本數(shù)量大，收集到的非人臉圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，將圖片存儲在負樣本文件夾中，再使用AdaBoost算法對灰度圖像進行特征提取，對提取到的Haar特征進行訓練，得到一個分類器。該分類器可以對人臉和非人臉圖像進行分類，通過調(diào)整Haar特征的大小、位置、數(shù)量等參數(shù)，以及調(diào)整AdaBoost算法的參數(shù)，不斷優(yōu)化分類器的性能。

2.識別模塊

使用攝像機等設備采集門禁區(qū)域的圖像，對采集到的圖像進行人臉檢測，首先對待檢測圖像加載，找到圖像中的人臉位置并進行預處理，包括直方圖均衡化、高斯濾波；之后對檢測到的人臉圖像進行特征提取，得到特征向量；將待識別的人臉特征向量與預先存儲的人臉特征向量進行匹配，找到最相似的人臉特征向量，最后根據(jù)匹配結(jié)果，判斷待識別人臉是否為已注冊用戶。

因為本文使用正臉分類器，利用以上檢測得到的人臉為正臉，對正臉開展人臉特征檢測，譬如雙眼檢測，能夠排除誤檢錯誤。針對雙眼的檢測過程和對人臉的檢測是一樣的，只是調(diào)用的加載分類器不同；加載分類器使用眼睛檢測算法，對眼睛進行檢測，找到眼睛的位置，并輸出檢測結(jié)果，結(jié)果包括雙眼中心點的坐標、雙眼距離、雙眼比例等，可以根據(jù)返回結(jié)果中不同屬性的值來判斷；函數(shù)在執(zhí)行完成后，返回檢測雙眼集合，根據(jù)檢測到的兩個眼睛的位置，計算雙眼的距離，來判斷人臉質(zhì)量，實現(xiàn)人臉識別；在整個檢測過程完成后，程序返回并加載視頻圖像實現(xiàn)人臉檢測[7]。

四、系統(tǒng)的功能測試

在實驗過程中，利用軟硬件平臺實現(xiàn)系統(tǒng)整體性能設計，使協(xié)調(diào)器節(jié)點與監(jiān)控終端節(jié)點在室內(nèi)分布，并進行系統(tǒng)PC客戶端和手機端功能測試。

PC客戶端功能測試界面，能夠看到室內(nèi)溫濕度、有無火災、光線強度、有無人靠近等信息，還能利用界面的空調(diào)按鈕控制室內(nèi)空調(diào)溫濕度，利用臺燈按鈕能夠控制臺燈亮度，用戶可以根據(jù)自己的生活習慣設置參數(shù)，使系統(tǒng)能夠自主為用戶服務。在手機客戶端中，利用設置按鈕將網(wǎng)關(guān)服務器端口號、IP號輸入網(wǎng)關(guān)服務器連接平臺服務器后實現(xiàn)功能控制。通過手機APP的功能控制界面可以查看溫濕度、光線強度、煙霧報警器等數(shù)據(jù)信息，利用界面按鈕能夠控制臺燈的工作方式以及空調(diào)開關(guān)，還能夠得到攝像頭監(jiān)控區(qū)域中的圖像，這些測試都驗證了手機客戶端的功能[8]。

五、結(jié)束語

IPv6安全性高，并且維護成本比較低，具備廣闊應用前景，在此基礎上設計智能家居系統(tǒng)，要充分考慮硬件、軟件、人機交互等多方面問題，在設計過程中充分了解用戶需求，并且結(jié)合技術(shù)的發(fā)展趨勢和市場的需求，選擇合適的硬件設備和軟件平臺，設計具有良好用戶體驗、高度智能化、可靠性高的智能家居系統(tǒng)，使人們的生活更加網(wǎng)絡化、智能化，能夠及時感知安全參數(shù)，降低損失，備受人們的喜歡。

參? 考? 文? 獻

[1]李清平，吳薇薇，章新斌.基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)智能家居仿真部署與實現(xiàn)[J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學院學報，2021，23（1）：1-7.

[2]郭趙飛，陳繼坤，薛兵，等.基于電力載波通信技術(shù)的智能家居設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2021，17（34）：121-124.

[3]李亞慧，劉娜，劉國權(quán)等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護，2021（4）：125-126，139.

[4]趙彥，孫俊，時凱欣.N-pod多品牌智能家居語音控制設備的設計與實現(xiàn)[J].電氣傳動，2021，51（7）：59-66.

[5]陳曄，楊華.基于IPv6通信協(xié)議的高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J]，網(wǎng)絡安全和信息化，2022（3）：57-60.

[6]黃歡.基于云平臺支持多通信協(xié)議的智能家居平臺設計與實現(xiàn)[J]，電腦知識與技術(shù)：學術(shù)版，2021，17（33）：74-77.

[7]張子卿，張華.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居語言輸入形式自主控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（24）：6-10.

金鵬（1982.04-），男，漢族，山東濟南，本科，工程師，研究方向：信息工程。