面向智能家居应用的物联网安全防护系统设计

郭煜 胡钢

摘  要：由于当前社会人口流动性增加、人口老龄化加快，独居老人的安全已经成为社会性问题。同时，伴随着物联网技术的快速发展，智能家居已经开始步入寻常百姓家。本文以物联网系统为依托，结合视频监控、室内定位、传感器等技术，建立安全防护系统，保障独居老人的安全。

关键词：智能家居;智能网关;传感器技术

中图分类号：TP391.44;TN92       文献标识码：A 文章编号：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

随着生活节奏的加快和交通运输的愈发便捷，我国人口的流动性大大增加。在当今社会，子女外地求学、工作已经成为常态，而且由于独生子女的增加，越来越多的老人已经提前进入了独居生活[1]。部分独居老人的生活习惯不规律、记忆力衰退、行动不方便等特点，在安全性上存在极大的隐患。随着物联网技术的快速发展，智能家居已经开始进入人们的日常生活[2]。智能家居融合了各种智能化技术，正在不断改变人们的生活习惯和工作方式，使家居生活更加便利、舒适和安全。对于独居老人而言，智能家居系统不仅可以使老人生活便利化，减少一些危险性动作，更可以实现对老人的实时监控和防护，降低老人发生危险的风险，并对意外事故进行即时报警，确保老人在发生危险时可以得到快速防护[3]。

1  智能家居

智能家居系统依托人体工程学，结合了智能控制技术、网络通信技术、传感器技术、综合布线技术以及视频监控等技术，以家庭住宅为实现平台，将各种智能化技术嵌入到人们的日常家居生活中，实现家居设备的智能化转变，使家居生活更加便利、更加舒适、更加安全[4]。

智能家居系统主要由内部家庭网络和外部以太网组成。在室内，采用Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、RFID等无线通信方式实现家庭内部各智能节点的组合和通信，搭建内部家居网络。在室外，通过FTTH等接入方式实现以太网连接，完成客户端对家居系统的远程操作[5]。智能家居室内无线拓扑如图1所示，主要包括监控系统、家居设备、智能网关、传感器系统和其他设备。

Wi-Fi网络在无线通信中得到了极为广泛的应用，在室内已经广泛存在。Wi-Fi具有覆盖范围广、传输速度快、兼容以太网、无需布线、成本低等特点，因此各种智能家居设备都内置了Wi-Fi接入功能。特别是Wi-Fi网络兼容以太网的特性，使得智能家居系统的远程控制成为了现实[6]。因此，在本智能家居系统中采用Wi-Fi接入的方式。

传感器系统负责室内各种信息的采集，使各种家居设备具备感觉器官，将采集到的各种信息集中传输给网关设备。智能家居系统中传感器系统采集到的数据涉及到敏感信息，一般的网关设备难以满足智能家居的需求。智能网关设备是安全防护系统的核心模块，需要负责系统的数据收集、数据分析、数据存储、事件触发以及外部通信等功能[7]。采用智能网关对智能家居系统中的数据进行初步处理，既可以保證用户隐私，又可以确保信息的及时处理，做到边缘的智能化。

2  安全防护系统

安全防护系统是依托智能家居系统实现的一个功能，主要包括视频监控平台、Wi-Fi网络、智能网关和传感器系统四部分。安全防护系统在室内完成对老人的防护性监控，然后将相关事件通过智能网关进行判断并实时发送至用户的客户端，由使用客户端的老人子女进行二次判断，确保老人安全。对于独居老人而言，摔伤是一种比较频发的意外。对于很多老人来说，一旦摔伤，身体素质会直线下降，可能会引发各种不可预见的后果。因此，本系统结合智能地毯、室内定位系统和视频监控系统，对老人的摔伤意外进行即时预警。

在地毯中集成压力传感器，对来自地面的压力信息进行数据的收集、分析和整理，并将采集到的数据信息传输到智能网关进行分析，监控过程如图2所示，智能网关中确定合理的受力面积和压强阈值。当受力面积高于阈值且压强大于阈值范围时，智能地毯将检测到的数据发送给智能网关，智能网关启动视频监控系统，视频监控系统通过目标提取、边缘检测、重心计算和目标跟踪四个步骤进行二重检测，完成人体识别并记录相关信息。

目标提取：摔倒与一般正常活动行为的特征不同，拥有较多的类似行为特征，随着年龄的增加和所处环境的不同，摔倒行为的姿态特征也有明显的不同。利用帧间差分算法从视频图像中提取目标图像，帧间差分算法是通过视频序列中相邻两帧作差分运算来获取目标图像，当视频图像中出现异常物体运动时，帧与帧之间会出现明显的差别，同时对得到的差分图像进行二值化处理。

边缘检测：利用视觉图像分析技术，计算老年人行为特征相似度，从而对行为特征进行提取，通过基于Canny算子的边缘检测算法[8]提取出视频人物的外部轮廓。

重心分析：提取出视频人物的外部轮廓后，利用外部轮廓的像素点坐标值计算行为重心。通过读取大量的任务行动照片，将人物在弯腰、坐下、行走以及躺下时的重心作为统计样本，利用重心位置和加速度变化判断人物跌倒行为。

目标跟踪：最后，智能网关根据视频监控系统的识别结果分别发送不同的信息到用户客户端，完成此次事件。当客户端接收到警报信息后，发起视频请求流程，具体视频请求流程如图3所示。智能网关确认连接请求，并建立视频连接，发送相关事件的缓存视频，用户在客户端远程观看视频，判断事件性质，判定老人安全情况，并决定是否拨打120请求医务人员的救助。查看完相关事件的视频后，还可以调取实时视频，观察老人的实时情况。

3  室内Wi-Fi定位

在室内，在厨房、卫生间等区域并不适合铺设智能地毯设备，为了保证老人安全，可以选择在室内进行区域划分，设定特殊区域，当老人进入特定区域对老人的位置进行实时监控。当老人在特殊区域的时间超过所设定的阈值时，智能网关发出警报，并将相关信息发送至用户客户端。目前GPS难以解决室内环境下的一些定位问题，大部分室内环境下都有Wi-Fi信号，可以利用Wi-Fi进行定位，基于Wi-Fi的室内定位系统已经成为一种实用且有效的方法，不需要投入额外的设备成本。

由于室内环境采用Wi-Fi接入的方式组网，因此，我们可以通过采用Wi-Fi定位的方式完成对老人位置的实时追踪[9]。在室内环境中，由于Wi-Fi接入点（Access Point，AP）位置固定，室内环境固定，室内面积较小，且室内特殊区域存在墙体阻拦，使信号有一定的衰减，可以采用基于位置指纹的室内定位算法[10]进行定位，位置指纹把实际环境中的位置和某种“指纹”联系起来，一个位置对应一个独特的指纹。这个指纹可以是单维或多维的，比如待定位设备在接收或者发送信息，那么指纹可以是这个信息或信号的一个特征或多个特征（最常见的是信号强度）。如果待定位设备是在发送信号，由一些固定的接收设备感知待定位设备的信号或信息并给它定位，这种方式叫作远程定位或者网络定位。如果是待定位设备接收一些固定的发送设备的信号或信息，然后根据这些检测到的特征来估计自身的位置，这种方式可称为自身定位。待定位移动设备也许会把它检测到的特征传达给网络中的服务器节点，服务器可以利用它所能获得的所有信息来估计移动设备的位置。

4  传感器系统

独居老人在生活中除了会发生跌倒这种意外情况，也会遭遇环境不适、煤燃气泄漏等不利因素，同时也不排除外部入侵的情况。因此，可以采用传感器系统，对这些不利情况进行监测、调控以及预警。

4.1  空气质量传感器和温湿度传感器

部分老人身体虚弱，可能会具备各种呼吸道疾病，对空气质量和环境的温湿度比较敏感，采用空气质量传感器和温湿度传感器，每间隔固定的时间监测室内环境中的空气质量及温湿度情况，然后将采集到的结果通过Wi-Fi网络传输到智能网关，智能网关对空气质量及温湿度进行判断，并智能调控室内设备进行室内环境调节，然后将相关数据进行缓存并上传至服务器[11]。

4.2  无线红外传感器

在门窗处设置无线红外传感器，在老人夜间休息时启动，防止外来人员闯入。当无线红外传感器检测到入侵时，室内安全防护系统会发出警报，同时智能网关也会发送警报信息到客户端。采用热红外传感器数据采集系统对室内独居老人的活动行为进行实时数据采集，利用采集数据对独居老人在其所处室内的实时位置进行数学建模，利用摔倒监测算法对所定位的空间位置进行判断，判定所监测人物状态是否为摔倒。

4.3  燃气传感器

独居老人可能会忘关燃气或者出现燃气泄漏等突发事件，采用燃气传感器，对室内煤气、燃气等气体的泄漏進行检测，当出现煤燃气泄漏的情况时，燃气传感器会自动发出警报声，并将相关情况传输给智能网关，智能网关将警报信息发送给预警客户端，进行即时预警。

5  结  论

物联网技术的快速推广应用推进了智能家居的发展进程，对人们的日常生活习惯造成了颠覆性的影响。在智能家居的基础上，打造适用于独居老人的安全防护系统，可以保障老人在室内的安全。现在，边缘计算已经成为科研及应用的热点，当边缘计算真正应用到智能家居系统中时，智能家居系统会更加成熟和完善，安全防护系统也可以提供更好的安全服务。

参考文献：

[1] 王怡，鄂旭.基于物联网无线传感的智能家居研究 [J].计算机技术与发展，2015，25（2）：234-237.

[2] 申斌，张桂青，汪明，等.基于物联网的智能家居设计与实现 [J].自动化与仪表，2013，28（2）：6-10.

[3] 李琪，秦会斌，杨永舒，等.基于Android平台的智能家居系统设计 [J].电子设计工程，2014，22（24）：52-54+57.

[4] 李涛.基于Android的智能家居APP的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2014.

[5] 叶高扬，毕冉.基于物联网的智能家居系统设计与实现 [J].计算机应用，2014，34（S1）：318-319+351.

[6] 李宇，王卫星，陈润泽.基于ZigBee的物联网智能家居系统 [J].电子测试，2016（5）：71-75.

[7] 贾阳静，邹念育，雷冬鸣，等.基于Android和WIFI通信的智能家居系统设计 [J].大连工业大学学报，2016，35（1）：67-71.

[8] 万航，陈立潮，潘理虎，等.基于智能视频监控的老人跌倒识别算法研究 [J].太原科技大学学报，2013，34（4）：245-249.

[9] 岑荣滢，姜琴，扈健玮，等.面向智能家居应用的ZigBee-WiFi网关 [J].计算机系统应用，2017，26（1）：232-235.

[10] 王旭强，万亚平，李洪飞，等.基于WiFi指纹的室内定位系统 [J].电脑编程技巧与维护，2019（5）：133-135.

[11] SIVANATHAN A，SHERRATTD，GHARAKHEILI H H，et al. Low-cost flow-based security solutions for smart-home IoT devices [C]//IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommunications Systems，2016.

作者简介：郭煜（1984.09-），女，汉族，广东深圳人，工程师，本科，研究方向：物联网。