基于IPv6技术的物联网在智能家居中的应用

金鹏?张鹏

摘要：在IPv4地址逐渐耗尽的背景下，IPv6技术进入到现代互联网世界中。IP技术的创新和嵌入式传感器的发展，使人们越来越重视智能家居的安全问题。由于传感节点存储器容量限制和传感网络低功耗特性，要求将IPv6协议栈应用到传感网络中，进而实现智能家居的设计，同时以室内分布情况作为全部传感器使用的唯一标准，全面分析室内所有参数，依照设定策略适当调整，在出现紧急情况时，根据事件紧急程度采取相应措施。

关键词：IPv6技术；物联网；智能家居

在通信技术和计算机技术不断发展的过程中，IPv4协议已经无法满足人们对现代网络的使用需求。IPv4技术的主要问题就是缺乏IP地址，人们对于家居需求并不只是传统需求，更倾向于多元化、智能化。在设计智能家居系统的过程中，要调查家庭和家庭成员的实际需求，在能够满足客户基本需求的前提下，根据已有科技条件深入拓展，使智能家居技术得以发展[1]。

一、智能家居的设计需求

为了提高生活质量，降低能源消耗，增强安全性和便利性，为人们创造更加智能、安全、便利的家居生活，智能家居的设计应当做到以下几点：

其一，环境监测。对家居环境进行监测，使用户得到居住环境详细信息。

其二，家居设备控制。家居中的智能设备，包括灯具、电器、门锁、窗帘等，能够通过中央控制系统进行控制。

其三，节能检测。用户能够对家居设备耗电情况进行监测，为家居节能提供措施和建议。

其四，安全保障。智能家居应当有一套完善的安全保障系统，包括设备安全、数据安全、网络安全等，以保障用户的隐私和安全。

系统设计采集节点终端软件能够采集家庭环境数据，并发送协调节点，接收通过监测网络中心发送的控制指令，并对指令进行处理，实现智能化目的。操控信息要对终端节点精准发送，在设备操作功能和ZigBee网络通信功能过程中，创建命令，传输连接，在网络通信功能和应用程序之间创建接口[2]。

二、智能家居的硬件设计

（一）网关硬件设计

网关硬件设计是指设计一种硬件设备，用于连接不同网络之间的设备，实现数据转发和协议转换的功能。在网关硬件设计中，需要充分考虑网络协议、接口类型、处理器性能、存储器容量、安全性等方面，再根据实际需求和应用场景进行选择和优化，以实现高效、稳定和安全地网络连接，然后通过仿真技术进行设计和验证，确保网关硬件设计的可靠性和稳定性，为软件提供通信接口。

（二）ARM处理器设计

ARM架构的代码密度和性价比较高，在实时中断响应和功耗方面效果良好。本文平台使用天嵌公司的2440开发板，此开发板嵌入三星公司S3C2440处理器芯片，最高主频为0.533GHz，能够支持Linux、Win CE和Symbian等主流操作系统。

（三）ZigBee处理器设计

这是一种专门用于支持ZigBee通信协议的芯片，能够实现低功耗、低数据速率、短距离的无线通信。ZigBee处理器通常采用SoC（System-on-Chip）架构，集成了微控制器、射频收发器、存储器等多个模块，具备较高的集成度和灵活性，同时，为了提高设计的效率和可靠性，还采用先进的EDA工具和仿真技术进行设计和验证。

ZigBee通信电路在家居内部网络硬件设计中比较复杂，包括传感器节点和协调器，内部主芯片为cc2530芯片，能够实现数据无线传输，其中协调器和家居网关通信为有线[3]。

（四）以太网硬件设计

本文在设计过程中通过无线和无线联网技术增加远程监控功能，有线联网利用有线带宽接入，从而实现远程监控。本文设计中使用以太网接口模块接入有线网络，图1为以太网芯片的内部结构。

S3C2440 的ADDR2和CMD引脚连接，实现芯片复位和中断请求；SD15-SD0引脚为数据总线接口，实现数据的传输；CMD指的是访问类型，对访问数据端口或者地址端口进行确定；TX+、TX-引脚连接以太网接头，对数据进行收发；主控制器和芯片相互连接，对信号进行收发；主控制器和芯片相互连接，能够使用户对家居内部环境进行远程监控，图2为DM9000和S3C2440的连接结构。

S3C2440能够将传感器节点收集数据打包成为IP包或者UDP在DM9000中发送，之后利用网络接口在远程PC机中传输数据，或者通过远程PC机接收命令，对远程PC机的请求进行响应，实现监控操作和参数设定等功能[4]。

三、系统软件的设计

（一）监控终端的设计

在监控终端设计中，要求收集传感器数据和执行网关控制指令。监控终端节点包括照明监控、火灾监测、环境监测等，利用相应传感器与控制器连接，实现家居内部火灾、环境和非法入侵的监测。

1.照明监控节点

系统智能照明功能是针对家庭整体空间的台灯设计，通过人体红外感应、光纤传感器等模块实现光线智能化控制，利用LED灯对室内日常照明进行模拟，根据光纤传感器实时收集光照强度，通过PWN波控制LED亮度，设置人体红外感应模块以判断室内是否有人并控制灯的亮灭。

2.家用电器控制节点

系统使用红外控制模块，在客厅、卧室等场景，利用客户端控制电视机、空调等家电。红外控制模块利用串口和单片机连接，红外控制信号包括16个字节和2字节校验，在终端节点接收协调器发送的控制指令后，以红外信号控制指令固有格式处理数据，数据准备后利用串口将控制指令发送给红外模块，进而控制无线视频、空调。此系统能够控制空调开关机、升降温以及电视开关机。

3.入侵监控节点

在住宅窗户或者门外设置入侵监控节点，再与摄像头结合实现非法入侵监控。在对节点进行初始化之后，人体感应传感器读取数据判断所在区域是否有人，有人的話输出人数变量1，没人则输出人物变量0，通过协调器对上位机发送人物变量并结合摄像头图像，实现系统的非法入侵监控[6]。

4.环境检测节点

系统环境检测节点的设计简单，流程与火灾监测节点基本相同，利用温湿度传感器收集室内温湿度信息，在超过设置的温湿度阈值之后发出报警，后续还能够与加湿器等设备结合，为用户创建舒适、健康的家居环境。其中，系统设置温度为5-50℃，湿度设置为30%-80%RH。

（二）门禁识别模块

OpenCV是一个开源的计算机视觉库，支持多种编程语言，提供了大量的图像处理技术和计算机视觉算法，如图像处理、物体检测、人脸识别、运动跟踪等。本文基于OpenCV设计人脸识别模块，要求将采集人脸图像数据，包括正脸、侧脸、不同表情等多种情况下的图像，使用OpenCV提供的人脸检测算法，如Haar、LBP等，对预处理后的图像进行特征提取，得到人脸的特征向量作为正样本。在实际应用中，还需要考虑多种情况下的人脸识别问题，如光照条件、角度、遮挡等因素对识别准确性的影响。

1.训练模块

训练模块通过OpenCV中HaarTraining程序实现，在训练前收集大量正负样本，在选择过程中对样本进行多样性考虑，对全部正样本行标注，标注信息可以是人脸位置、人脸关键点等，对采集到的人脸图像数据进行特征提取，得到特征向量，并将图片存储到正样本文件夹中；负样本要具备代表性，样本数量大，收集到的非人脸图像转换为灰度图像，将图片存储在负样本文件夹中，再使用AdaBoost算法对灰度图像进行特征提取，对提取到的Haar特征进行训练，得到一个分类器。该分类器可以对人脸和非人脸图像进行分类，通过调整Haar特征的大小、位置、数量等参数，以及调整AdaBoost算法的参数，不断优化分类器的性能。

2.识别模块

使用摄像机等设备采集门禁区域的图像，对采集到的图像进行人脸檢测，首先对待检测图像加载，找到图像中的人脸位置并进行预处理，包括直方图均衡化、高斯滤波；之后对检测到的人脸图像进行特征提取，得到特征向量；将待识别的人脸特征向量与预先存储的人脸特征向量进行匹配，找到最相似的人脸特征向量，最后根据匹配结果，判断待识别人脸是否为已注册用户。

因为本文使用正脸分类器，利用以上检测得到的人脸为正脸，对正脸开展人脸特征检测，譬如双眼检测，能够排除误检错误。针对双眼的检测过程和对人脸的检测是一样的，只是调用的加载分类器不同；加载分类器使用眼睛检测算法，对眼睛进行检测，找到眼睛的位置，并输出检测结果，结果包括双眼中心点的坐标、双眼距离、双眼比例等，可以根据返回结果中不同属性的值来判断；函数在执行完成后，返回检测双眼集合，根据检测到的两个眼睛的位置，计算双眼的距离，来判断人脸质量，实现人脸识别；在整个检测过程完成后，程序返回并加载视频图像实现人脸检测[7]。

四、系统的功能测试

在实验过程中，利用软硬件平台实现系统整体性能设计，使协调器节点与监控终端节点在室内分布，并进行系统PC客户端和手机端功能测试。

PC客户端功能测试界面，能够看到室内温湿度、有无火灾、光线强度、有无人靠近等信息，还能利用界面的空调按钮控制室内空调温湿度，利用台灯按钮能够控制台灯亮度，用户可以根据自己的生活习惯设置参数，使系统能够自主为用户服务。在手机客户端中，利用设置按钮将网关服务器端口号、IP号输入网关服务器连接平台服务器后实现功能控制。通过手机APP的功能控制界面可以查看温湿度、光线强度、烟雾报警器等数据信息，利用界面按钮能够控制台灯的工作方式以及空调开关，还能够得到摄像头监控区域中的图像，这些测试都验证了手机客户端的功能[8]。

五、结束语

IPv6安全性高，并且维护成本比较低，具备广阔应用前景，在此基础上设计智能家居系统，要充分考虑硬件、软件、人机交互等多方面问题，在设计过程中充分了解用户需求，并且结合技术的发展趋势和市场的需求，选择合适的硬件设备和软件平台，设计具有良好用户体验、高度智能化、可靠性高的智能家居系统，使人们的生活更加网络化、智能化，能够及时感知安全参数，降低损失，备受人们的喜欢。

参  考  文  献

[1]李清平，吴薇薇，章新斌.基于IPv6的物联网智能家居仿真部署与实现[J].河北软件职业技术学院学报，2021，23（1）：1-7.

[2]郭赵飞，陈继坤，薛兵，等.基于电力载波通信技术的智能家居设计与实现[J].电脑知识与技术，2021，17（34）：121-124.

[3]李亚慧，刘娜，刘国权等.基于物联网技术的智能家居系统设计与实现[J].电脑编程技巧与维护，2021（4）：125-126，139.

[4]赵彦，孙俊，时凯欣.N-pod多品牌智能家居语音控制设备的设计与实现[J].电气传动，2021，51（7）：59-66.

[5]陈晔，杨华.基于IPv6通信协议的高校智慧教室物联网技术研究[J]，网络安全和信息化，2022（3）：57-60.

[6]黄欢.基于云平台支持多通信协议的智能家居平台设计与实现[J]，电脑知识与技术：学术版，2021，17（33）：74-77.

[7]张子卿，张华.基于物联网技术的智能家居语言输入形式自主控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2021，44（24）：6-10.

金鹏（1982.04-），男，汉族，山东济南，本科，工程师，研究方向：信息工程。