基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防系統(tǒng)的研究與設(shè)計

朱 震 夏云忠

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字校園建設(shè)中心，浙江 衢州324000；2.衢州學(xué)院創(chuàng)業(yè)學(xué)院，浙江 衢州324000）

0 引言

傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)不能讓用戶實時監(jiān)控居家環(huán)境情況，存在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不高、用戶無法隨時監(jiān)控，能耗高等特點，很難滿足人們對家居安全的需求[1]。人們需要更加智能、可靠、穩(wěn)定和準(zhǔn)確的安防系統(tǒng)。本文設(shè)計了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防檢測技術(shù)，突破了單一傳感器檢測結(jié)果不準(zhǔn)確、單一傳感器損壞后影響整體性能的限制，大幅度提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[2]。

1 設(shè)計目標(biāo)

智能家居安防系統(tǒng)是集傳感技術(shù)、計算機與智能技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等信息技術(shù)在內(nèi)的綜合應(yīng)用。通過將安防檢測裝置部署在高合適的地方采集居家環(huán)境情況，利用信息傳輸技術(shù)將采集到的信息傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，利用部署在智能網(wǎng)關(guān)上的多傳感器融合算法對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，智能網(wǎng)關(guān)將安全事件的報警信息推送給用戶和執(zhí)行指令推送給傳感器節(jié)點，供安防系統(tǒng)自動控制或用戶手動控制。

2 面臨的問題

一是安防信號檢測測裝的靈敏度及可靠性不夠，可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤告警。

二是現(xiàn)有的無線傳輸技術(shù)在可靠性、實時性等性能指標(biāo)上有欠缺，通信系統(tǒng)的實時性、可靠性事關(guān)系統(tǒng)的實時穩(wěn)定運行。

三是單一傳感器檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，多傳感器融合算法的質(zhì)量事關(guān)安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、傳感器節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)、路由器、云服務(wù)器、監(jiān)控管理平臺組成，圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)圖。執(zhí)行機構(gòu)在最底層，負(fù)責(zé)執(zhí)行解決各種安防問題。例如，當(dāng)天燃?xì)庑孤r，智能排風(fēng)扇、智能窗戶作為執(zhí)行機構(gòu)受智能網(wǎng)關(guān)控制而自動開啟并向用戶推送安全事件信息；當(dāng)傳感器節(jié)點監(jiān)測到情況正常后，智能排風(fēng)扇、智能窗戶作為執(zhí)行機構(gòu)受智能網(wǎng)關(guān)控制而關(guān)閉并向用戶推送事件信息。傳感器節(jié)點采用高靈敏度、高可靠性的CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器、瓦斯傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器等安防檢測裝置采集家居環(huán)境信息，并利用信息傳輸技術(shù)將傳感器采集到的信息傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理[3]。智能網(wǎng)關(guān)是智能家居安防系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)多源數(shù)據(jù)的融合分析并將家居安全事件的報警信息推送給用戶和對家居安全事件處置的執(zhí)行指令推送給傳感器節(jié)點，供安防系統(tǒng)自動控制或用戶手動控制。智能網(wǎng)關(guān)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)向家居用戶實時推送報警信息，家居用戶可以通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控整個智能家居安防系統(tǒng)的運行情況并可以遠(yuǎn)程控制家居的各執(zhí)行機構(gòu)，所有的監(jiān)控信息和報警事件都通過互聯(lián)網(wǎng)存儲到云端保障數(shù)據(jù)安全[4]。智能家居監(jiān)控管理平臺由工控組態(tài)軟件開發(fā)，擁有可視化、圖形化的人機交互界面，用戶只需操作圖像便可實時監(jiān)測智能家居安防系統(tǒng)的運行狀態(tài)和各執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行響應(yīng)情況[5]。

圖1 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能家居安防系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 安防系統(tǒng)設(shè)計要求

4.1 硬件設(shè)計要求

（1）實時性：傳感器節(jié)點必須實時地將采集到的安防數(shù)據(jù)通過信息傳輸技術(shù)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)須及時地對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理分析，智能網(wǎng)關(guān)須實時地將安全事件的報警信息推送給用戶和執(zhí)行指令推送給傳感器節(jié)點。（2）可靠性：所用安防檢測裝置能長時間的穩(wěn)定運行并實時有效地感知外部環(huán)境的變化，智能網(wǎng)關(guān)通過多傳感器融合算法分析安防事件，防止發(fā)生誤告警。（3）準(zhǔn)確性：智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)安全事件，并開啟執(zhí)行機構(gòu)處置安全事件。（4）易擴展性：信息技術(shù)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層出不窮，當(dāng)出現(xiàn)新的監(jiān)測對象時，應(yīng)能夠兼容新設(shè)備的加入。（5）低功耗：要求設(shè)備7×24小時在線，安防系統(tǒng)應(yīng)滿足綠色節(jié)能設(shè)計要求。（6）高性價比：硬件設(shè)備的性價比要高，達(dá)到人們購買力的要求。

4.2 軟件的設(shè)計要求

（1）信息傳輸實時有效：安防檢測裝置采集到的信息能夠?qū)崟r的傳輸至智能網(wǎng)關(guān)；智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)的執(zhí)行指令執(zhí)行機構(gòu)能夠及時準(zhǔn)確的收到；安全事件信息能夠及時地推送到用戶。（2）模塊化設(shè)計：采用模塊化的設(shè)計方法，實現(xiàn)易維護和易移植。（3）建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一各通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷剑阌跀?shù)據(jù)交互和傳輸。

5 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計和監(jiān)控管理平臺的開發(fā)

5.1 信息傳輸網(wǎng)絡(luò)分析與選擇

為了保證智能家居安防系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性與可靠性，針對家庭環(huán)境的條件選取適合智能家居安防系統(tǒng)的信息傳輸技術(shù)就顯得非常重要。通過對ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、IrDA、射頻通信等信息傳輸技術(shù)的比較研究（詳見表1），射頻通信具有穿透力強、成本低、功耗低和傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點而且在我國433 MHz頻段無須申請許可便可免費使用[6]。而家居環(huán)境中內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)具有低復(fù)雜度、低傳輸速率和成本敏感的特性。國內(nèi)外也有不少研究者采用ZigBee技術(shù)、5G技術(shù)等信息傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。基于以上的分析，本系統(tǒng)傳感器節(jié)點采用無線射頻的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

表1 無線通信技術(shù)的比較

5.2 智能家居安防網(wǎng)關(guān)設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居安防系統(tǒng)的控制中心，集成了數(shù)據(jù)融合分析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)化、安全事件決策指揮中心等功能。實現(xiàn)了對家居內(nèi)設(shè)備終端的集中控制和將家居內(nèi)433 MHz射頻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成為Wi-Fi、以太網(wǎng)等上層的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。智能網(wǎng)關(guān)的軟硬件框架采用模塊化的設(shè)計方法，它由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、應(yīng)用層組成，如圖2所示為智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊框架圖[7]。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)硬件模塊框架圖

5.3 可視化上位機監(jiān)控管理平臺

從性價比、后期技術(shù)支持等綜合因素考慮，較好的選擇是利用組態(tài)王作為可視化上位機監(jiān)控管理平臺的開發(fā)工具，達(dá)到實時動態(tài)監(jiān)控家居環(huán)境的目的，圖3為類似的人機交互界面[8]。

圖3 基于工控組態(tài)軟件的可視化上位機監(jiān)控管理平臺

6 結(jié)語

智能家居安防系統(tǒng)是當(dāng)前保障家居環(huán)境安全的有效技術(shù)手段，能為家庭提供非法入侵報警、有害氣體泄露處置、惡劣天氣自動關(guān)閉窗戶等功能，智能家居安防系統(tǒng)必將逐漸進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睿瑸槿藗兲峁└孢m的家居環(huán)境[9]。本系統(tǒng)采用智能網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)的控制中心，以傳感技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等信息技術(shù)為手段，將各種設(shè)備設(shè)施有機的組合在一起，形成一個具有對家居安全事件監(jiān)控、報警、處置等功能的智能家居安防系統(tǒng)[10]。