基于物联网技术的智能家居安全预警系统设计研究

李 明,王朝阳

(1.安徽汽车职业技术学院,安徽 合肥 230000;2.江苏科技大学,江苏 镇江 212100)

0 引言

信息化与智能化技术的快速发展很大程度上改变了国民的工作生活习惯,以信息技术与智能技术为基础产生的物联网技术彻底改变了国民的观念,智能家居在国民生活中得到了广泛的应用。智能家居便利了居民生活,提升了居民生活质量,但是在实际使用过程中出现的安全问题愈发突出,引起了学术界的高度关注[1]。胡向东等对智能家居门禁系统的安全控制方法进行研究,提出了持卡人、门禁卡、读卡器三者相结合的认证机制,并通过实际测试验证了所提出的方法能够有效增强智能家居门禁系统控制的安全[2]。杨丽等针对家居安全监控系统存在的能耗分布不均、网络时延长、误警率高问题,设计了基于物联网的智能家居安全监控系统,该系统可以完成防盗监控、火灾监控,具有一定的可行性[3]。仲小英对智能家居安全监控系统的智能门禁误报率过高问题,基于物联网技术设计了智能家居安全监控系统,使得门禁误报率降低5%左右[4]。物联网是依托信息技术来解决人与人、人与物、物与物之间联系的系统,将其应用于智能家居安全预警系统设计中,提高安全预警系统的智能化程度。

1 智能家居安全预警系统架构

随着生活水平的提升,国民对智能家居的安全性更加重视。特别是随着物联网技术的快速发展及在智能家居中的应用,智能家居的智能化与网络化水平也在不断地提升。基于物联网技术构建智能家居安全预警系统架构,如图1所示[5]。

图1 智能家居安全预警系统整体架构

由图1可知,智能家居安全预警系统包括设备监控终端模块、设备感知模块、安全处理模块等,有效实现对家居的安全保障。设备监控终端模块主要是对智能家居中的空调、洗衣机、电冰箱、微波炉等实施监控,通过传感器、摄像头等获取相关图像信息。设备感知模块主要包括温度感知、湿度感知、烟雾感知、气体感知等,对家居中的水电煤气实施安全预警、温度感知、湿度感知、烟雾感知、气体感知形成后台数据库,通过网络传输给中央控制器,实现对家居的智能控制。

2 智能家居安全预警系统设计

2.1 系统硬件设计

为实现不同电器之间的统一控制,采用多接口终端。每一住户设定唯一的ID,对所有的设备进行集中控制,实现家居预警的智能化。智能家居安全预警系统硬件包括网关处理器、图像识别模块、语音识别模块、各种传感器、单片机等。智能家居安全预警系统有多个UART接口、A/D转换器、以太网接口。随着国民生活水平的提升,居民家中家电的数量也在不断地增多[6]。为确保对家电实施有效控制,在中央处理器的内部设置6个UART,4组I2C,6个SPI/SSP串行接口,具体结构如图2。

图2 中央处理器内部结构

图像识别主要是用于门禁安全预警,其由摄像头、传感器、识别器、网络接口、处理芯片所组成,对发现的可疑人员进行安全预警,确保居家安全。采用摄像头和传感器采集人脸图像和指纹图像,通过图像处理芯片对采集的人脸与指纹图像进行识别,做出相应处理,最终在显示器上显示识别结果。

语音识别是智能家居安全预警系统的重要组成部分,通过声音采集器获取语音信号,将获取的语音信号通过A/D转换为数字信号,再借助编码器对数字信号进行编解码处理,将编解码的结果输入到缓冲区进行数据的存储。如果在进行语言识别的过程中出现了中断或者需要播放语音,那么系统就会自动开启中断服务器,并且智能地做出是放音还是重新识别的选择。

人机交互是智能家居安全预警系统的重要组成部分,基于物联网技术的智能家居安全预警系统设计要考虑人机交互平台的用户最佳使用体验。人机交互平台硬件主要包括液晶显示屏、信息控制按钮、时钟控制器、信息存储器、预警指示灯等,该硬件实现了智能家居安全预警系统和用户的沟通交流[7]。图3为智能家居安全预警系统主界面。

图3 智能家居安全预警系统主界面

2.2 系统软件设计

智能家居安全预警系统能够对存在的生命与财产安全进行预警,避免用户生命与财产遭受损失。实施安全预警要在用户家中的不同位置安装传感器,由传感器来获取各种信息,并通过物联网技术和现代通信技术将获取的信息发送到用户的人机交互平台上,以实现智能家居的安全预警[8]。为了确保智能家居安全预警系统信息采集过程可控,需对各类信息采集流程进行设定,如图4所示。

图4 各类信息采集流程设定

由图4可知,采用设定的各类信息采集流程能够有效提升人脸图像、指纹图像等各类图像的采集性能,同时将红外线所获取的红外图像和摄像头图像有机结合,极大提升了采集图像的质量。

借助传感器完成对各类信息的采集工作后,将采集的图像信息进行预处理,对信息进行分类。智能家居的智能化体现在对用户生活习惯地把控,将各类信息中的时间参数进行单独处理,对各类家居信息实时编号处理并进行线性归一化处理,归一化处理公式为

(1)

设A={a1,a2,…,an}为传感器采集到的信息集合,B为需要安装监控的信息元素,进行信息的筛选,即

(2)

由于所采集的部分信息具有模糊的特征,需要采用神经运算来估算,即

(3)

式中:f为隐含层神经元个数,e为输入层神经元个数,d为输出层神经元个数,δ为常数。

通过神经运算对具有模糊特征的信息进行判断,如果其属于预警信息,那么将其推送给用户,从而实现对智能家居的安全预警。

3 智能家居安全预警实例

3.1 智能家居门禁系统安全预警

门禁是家居安全的第一道屏障,门禁安全预警在智能家居安全预警中具有极为突出的作用。图5为智能家居门禁系统组成[9]。

图5 智能家居门禁系统组成

采用刷卡的方式进入房屋,需要持卡人、门禁卡、读卡器三者的有机结合。当通过认证之后,门禁控制器才会打开门锁,同时门禁服务器也会将开门记录反馈给用户。如果没有通过认证,系统就会将开门不成功的指令反馈给用户,同时发出安全预警。智能家居门禁系统安全预警的关键是对人员身份的识别,准确识别人员身份,有效实现门禁安全预警。仿真试验所采用的硬件环境为MATLAB,处理器为E9-2609,硬盘为2 000 G;软件操作平台为Windows XP,服务器为Intel Xeon ES-2620 2.0 GHz,数据库为SQL Server 2013,软件控制平台为Win 7。在开始试验之前设定相关的环境参数,随机选择6个时间段进行测试,将20人作为测试对象,每人测试10次,其中10人为门禁系统中包含的人脸,10人为门禁系统中不包含的人脸,即异常人脸。

通过试验设定完成门禁系统性能测试,结果如表1所示。

表1 门禁系统性能测试结果

由表1可知,在不同的时间段门禁安全预警效果存在一定的差异性,但从整体上看表现良好。相较而言,18:00和19:00的时点准确识别率相对较低。导致出现这种情况的原因主要是该时段光照环境相对较差,造成识别采集的人脸图像清晰度较低,从而影响到门禁预警的效果。

3.2 智能家居天然气泄漏预警

天然气泄漏是非常危险的,尽管许多的家庭已经安装了天然气泄漏报警装置,但是往往无法实现远程控制。通过传感器获取家居中的天然气浓度信息,一旦其超过了设定的阈值,系统就会将报警信息发送到用户手机终端,用户可以通过人机交互界面实现对天然气阀门的远程控制,从而消除天然气泄漏可能造成的爆炸安全事故[10]。智能家居天然气泄漏安全预警流程如图6所示。

图6 智能家居天然气泄漏安全预警流程

设计智能家居天然气泄漏安全预警性能测试,结果如表2所示。

表2 天然气泄漏安全预警测试结果

由表2可知,任何时间段,天然气泄漏安全预警均具有良好的性能。借助天然气浓度传感器来获取家居环境内的天然气浓度信息,将预警反馈给用户手机终端,最终用户通过远程实施控制,有效避免了由于天然气泄漏而导致恶性事故的发生。

4 结论

采用互联网技术设计了智能家居安全预警系统,并完成了系统硬件与软件的设计及实现。将设计的智能家居安全预警系统应用于门禁系统与天然气泄漏安全预警中,所设计的安全预警系统对各种危险的识别准确率接近100%。另外,所设计的智能家居安全预警系统实现了人机交互与远程智能化控制,安全预警系统的智能化程度更高,使用也更加便捷,为用户创造了良好的使用体验。