面向智能家居應用的物聯網安全防護系統設計

郭煜 胡鋼

摘? 要：由于當前社會人口流動性增加、人口老齡化加快，獨居老人的安全已經成為社會性問題。同時，伴隨著物聯網技術的快速發展，智能家居已經開始步入尋常百姓家。本文以物聯網系統為依托，結合視頻監控、室內定位、傳感器等技術，建立安全防護系統，保障獨居老人的安全。

關鍵詞：智能家居;智能網關;傳感器技術

中圖分類號：TP391.44;TN92? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著生活節奏的加快和交通運輸的愈發便捷，我國人口的流動性大大增加。在當今社會，子女外地求學、工作已經成為常態，而且由于獨生子女的增加，越來越多的老人已經提前進入了獨居生活[1]。部分獨居老人的生活習慣不規律、記憶力衰退、行動不方便等特點，在安全性上存在極大的隱患。隨著物聯網技術的快速發展，智能家居已經開始進入人們的日常生活[2]。智能家居融合了各種智能化技術，正在不斷改變人們的生活習慣和工作方式，使家居生活更加便利、舒適和安全。對于獨居老人而言，智能家居系統不僅可以使老人生活便利化，減少一些危險性動作，更可以實現對老人的實時監控和防護，降低老人發生危險的風險，并對意外事故進行即時報警，確保老人在發生危險時可以得到快速防護[3]。

1? 智能家居

智能家居系統依托人體工程學，結合了智能控制技術、網絡通信技術、傳感器技術、綜合布線技術以及視頻監控等技術，以家庭住宅為實現平臺，將各種智能化技術嵌入到人們的日常家居生活中，實現家居設備的智能化轉變，使家居生活更加便利、更加舒適、更加安全[4]。

智能家居系統主要由內部家庭網絡和外部以太網組成。在室內，采用Wi-Fi、藍牙、ZigBee、RFID等無線通信方式實現家庭內部各智能節點的組合和通信，搭建內部家居網絡。在室外，通過FTTH等接入方式實現以太網連接，完成客戶端對家居系統的遠程操作[5]。智能家居室內無線拓撲如圖1所示，主要包括監控系統、家居設備、智能網關、傳感器系統和其他設備。

Wi-Fi網絡在無線通信中得到了極為廣泛的應用，在室內已經廣泛存在。Wi-Fi具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、兼容以太網、無需布線、成本低等特點，因此各種智能家居設備都內置了Wi-Fi接入功能。特別是Wi-Fi網絡兼容以太網的特性，使得智能家居系統的遠程控制成為了現實[6]。因此，在本智能家居系統中采用Wi-Fi接入的方式。

傳感器系統負責室內各種信息的采集，使各種家居設備具備感覺器官，將采集到的各種信息集中傳輸給網關設備。智能家居系統中傳感器系統采集到的數據涉及到敏感信息，一般的網關設備難以滿足智能家居的需求。智能網關設備是安全防護系統的核心模塊，需要負責系統的數據收集、數據分析、數據存儲、事件觸發以及外部通信等功能[7]。采用智能網關對智能家居系統中的數據進行初步處理，既可以保證用戶隱私，又可以確保信息的及時處理，做到邊緣的智能化。

2? 安全防護系統

安全防護系統是依托智能家居系統實現的一個功能，主要包括視頻監控平臺、Wi-Fi網絡、智能網關和傳感器系統四部分。安全防護系統在室內完成對老人的防護性監控，然后將相關事件通過智能網關進行判斷并實時發送至用戶的客戶端，由使用客戶端的老人子女進行二次判斷，確保老人安全。對于獨居老人而言，摔傷是一種比較頻發的意外。對于很多老人來說，一旦摔傷，身體素質會直線下降，可能會引發各種不可預見的后果。因此，本系統結合智能地毯、室內定位系統和視頻監控系統，對老人的摔傷意外進行即時預警。

在地毯中集成壓力傳感器，對來自地面的壓力信息進行數據的收集、分析和整理，并將采集到的數據信息傳輸到智能網關進行分析，監控過程如圖2所示，智能網關中確定合理的受力面積和壓強閾值。當受力面積高于閾值且壓強大于閾值范圍時，智能地毯將檢測到的數據發送給智能網關，智能網關啟動視頻監控系統，視頻監控系統通過目標提取、邊緣檢測、重心計算和目標跟蹤四個步驟進行二重檢測，完成人體識別并記錄相關信息。

目標提取：摔倒與一般正?；顒有袨榈奶卣鞑煌?，擁有較多的類似行為特征，隨著年齡的增加和所處環境的不同，摔倒行為的姿態特征也有明顯的不同。利用幀間差分算法從視頻圖像中提取目標圖像，幀間差分算法是通過視頻序列中相鄰兩幀作差分運算來獲取目標圖像，當視頻圖像中出現異常物體運動時，幀與幀之間會出現明顯的差別，同時對得到的差分圖像進行二值化處理。

邊緣檢測：利用視覺圖像分析技術，計算老年人行為特征相似度，從而對行為特征進行提取，通過基于Canny算子的邊緣檢測算法[8]提取出視頻人物的外部輪廓。

重心分析：提取出視頻人物的外部輪廓后，利用外部輪廓的像素點坐標值計算行為重心。通過讀取大量的任務行動照片，將人物在彎腰、坐下、行走以及躺下時的重心作為統計樣本，利用重心位置和加速度變化判斷人物跌倒行為。

目標跟蹤：最后，智能網關根據視頻監控系統的識別結果分別發送不同的信息到用戶客戶端，完成此次事件。當客戶端接收到警報信息后，發起視頻請求流程，具體視頻請求流程如圖3所示。智能網關確認連接請求，并建立視頻連接，發送相關事件的緩存視頻，用戶在客戶端遠程觀看視頻，判斷事件性質，判定老人安全情況，并決定是否撥打120請求醫務人員的救助。查看完相關事件的視頻后，還可以調取實時視頻，觀察老人的實時情況。

3? 室內Wi-Fi定位

在室內，在廚房、衛生間等區域并不適合鋪設智能地毯設備，為了保證老人安全，可以選擇在室內進行區域劃分，設定特殊區域，當老人進入特定區域對老人的位置進行實時監控。當老人在特殊區域的時間超過所設定的閾值時，智能網關發出警報，并將相關信息發送至用戶客戶端。目前GPS難以解決室內環境下的一些定位問題，大部分室內環境下都有Wi-Fi信號，可以利用Wi-Fi進行定位，基于Wi-Fi的室內定位系統已經成為一種實用且有效的方法，不需要投入額外的設備成本。

由于室內環境采用Wi-Fi接入的方式組網，因此，我們可以通過采用Wi-Fi定位的方式完成對老人位置的實時追蹤[9]。在室內環境中，由于Wi-Fi接入點（Access Point，AP）位置固定，室內環境固定，室內面積較小，且室內特殊區域存在墻體阻攔，使信號有一定的衰減，可以采用基于位置指紋的室內定位算法[10]進行定位，位置指紋把實際環境中的位置和某種“指紋”聯系起來，一個位置對應一個獨特的指紋。這個指紋可以是單維或多維的，比如待定位設備在接收或者發送信息，那么指紋可以是這個信息或信號的一個特征或多個特征（最常見的是信號強度）。如果待定位設備是在發送信號，由一些固定的接收設備感知待定位設備的信號或信息并給它定位，這種方式叫作遠程定位或者網絡定位。如果是待定位設備接收一些固定的發送設備的信號或信息，然后根據這些檢測到的特征來估計自身的位置，這種方式可稱為自身定位。待定位移動設備也許會把它檢測到的特征傳達給網絡中的服務器節點，服務器可以利用它所能獲得的所有信息來估計移動設備的位置。

4? 傳感器系統

獨居老人在生活中除了會發生跌倒這種意外情況，也會遭遇環境不適、煤燃氣泄漏等不利因素，同時也不排除外部入侵的情況。因此，可以采用傳感器系統，對這些不利情況進行監測、調控以及預警。

4.1? 空氣質量傳感器和溫濕度傳感器

部分老人身體虛弱，可能會具備各種呼吸道疾病，對空氣質量和環境的溫濕度比較敏感，采用空氣質量傳感器和溫濕度傳感器，每間隔固定的時間監測室內環境中的空氣質量及溫濕度情況，然后將采集到的結果通過Wi-Fi網絡傳輸到智能網關，智能網關對空氣質量及溫濕度進行判斷，并智能調控室內設備進行室內環境調節，然后將相關數據進行緩存并上傳至服務器[11]。

4.2? 無線紅外傳感器

在門窗處設置無線紅外傳感器，在老人夜間休息時啟動，防止外來人員闖入。當無線紅外傳感器檢測到入侵時，室內安全防護系統會發出警報，同時智能網關也會發送警報信息到客戶端。采用熱紅外傳感器數據采集系統對室內獨居老人的活動行為進行實時數據采集，利用采集數據對獨居老人在其所處室內的實時位置進行數學建模，利用摔倒監測算法對所定位的空間位置進行判斷，判定所監測人物狀態是否為摔倒。

4.3? 燃氣傳感器

獨居老人可能會忘關燃氣或者出現燃氣泄漏等突發事件，采用燃氣傳感器，對室內煤氣、燃氣等氣體的泄漏進行檢測，當出現煤燃氣泄漏的情況時，燃氣傳感器會自動發出警報聲，并將相關情況傳輸給智能網關，智能網關將警報信息發送給預警客戶端，進行即時預警。

5? 結? 論

物聯網技術的快速推廣應用推進了智能家居的發展進程，對人們的日常生活習慣造成了顛覆性的影響。在智能家居的基礎上，打造適用于獨居老人的安全防護系統，可以保障老人在室內的安全。現在，邊緣計算已經成為科研及應用的熱點，當邊緣計算真正應用到智能家居系統中時，智能家居系統會更加成熟和完善，安全防護系統也可以提供更好的安全服務。

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[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.

作者簡介：郭煜（1984.09-），女，漢族，廣東深圳人，工程師，本科，研究方向：物聯網。