基于多傳感器數據融合的智能家居安防系統的研究與設計

朱 震 夏云忠

（1.衢州職業技術學院數字校園建設中心，浙江 衢州324000；2.衢州學院創業學院，浙江 衢州324000）

0 引言

傳統的安防系統不能讓用戶實時監控居家環境情況，存在穩定性和準確性不高、用戶無法隨時監控，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、穩定和準確的安防系統。本文設計了基于多傳感器數據融合的智能家居安防檢測技術，突破了單一傳感器檢測結果不準確、單一傳感器損壞后影響整體性能的限制，大幅度提高系統的可靠性、穩定性和準確性[2]。

1 設計目標

智能家居安防系統是集傳感技術、計算機與智能技術、通信技術和控制技術等信息技術在內的綜合應用。通過將安防檢測裝置部署在高合適的地方采集居家環境情況，利用信息傳輸技術將采集到的信息傳輸到智能網關，利用部署在智能網關上的多傳感器融合算法對多源數據進行融合分析，智能網關將安全事件的報警信息推送給用戶和執行指令推送給傳感器節點，供安防系統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，可能導致系統誤告警。

二是現有的無線傳輸技術在可靠性、實時性等性能指標上有欠缺，通信系統的實時性、可靠性事關系統的實時穩定運行。

三是單一傳感器檢測結果不準確，多傳感器融合算法的質量事關安防系統的準確性。

3 系統架構

系統由執行機構、傳感器節點、智能網關、路由器、云服務器、監控管理平臺組成，圖1所示為系統架構圖。執行機構在最底層，負責執行解決各種安防問題。例如，當天燃氣泄漏時，智能排風扇、智能窗戶作為執行機構受智能網關控制而自動開啟并向用戶推送安全事件信息；當傳感器節點監測到情況正常后，智能排風扇、智能窗戶作為執行機構受智能網關控制而關閉并向用戶推送事件信息。傳感器節點采用高靈敏度、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、人體紅外感應傳感器等安防檢測裝置采集家居環境信息，并利用信息傳輸技術將傳感器采集到的信息傳輸到智能網關進行數據融合處理[3]。智能網關是智能家居安防系統的控制中心，負責多源數據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行指令推送給傳感器節點，供安防系統自動控制或用戶手動控制。智能網關通過移動通信網絡和互聯網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絡和互聯網監控整個智能家居安防系統的運行情況并可以遠程控制家居的各執行機構，所有的監控信息和報警事件都通過互聯網存儲到云端保障數據安全[4]。智能家居監控管理平臺由工控組態軟件開發，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測智能家居安防系統的運行狀態和各執行機構的執行響應情況[5]。

圖1 基于多傳感器數據融合的智能家居安防系統架構圖

4 安防系統設計要求

4.1 硬件設計要求

（1）實時性：傳感器節點必須實時地將采集到的安防數據通過信息傳輸技術傳輸到智能網關，智能網關須及時地對數據進行融合處理分析，智能網關須實時地將安全事件的報警信息推送給用戶和執行指令推送給傳感器節點。（2）可靠性：所用安防檢測裝置能長時間的穩定運行并實時有效地感知外部環境的變化，智能網關通過多傳感器融合算法分析安防事件，防止發生誤告警。（3）準確性：智能網關應能夠準確地發現安全事件，并開啟執行機構處置安全事件。（4）易擴展性：信息技術迅猛發展，物聯網設備層出不窮，當出現新的監測對象時，應能夠兼容新設備的加入。（5）低功耗：要求設備7×24小時在線，安防系統應滿足綠色節能設計要求。（6）高性價比：硬件設備的性價比要高，達到人們購買力的要求。

4.2 軟件的設計要求

（1）信息傳輸實時有效：安防檢測裝置采集到的信息能夠實時的傳輸至智能網關；智能網關下發的執行指令執行機構能夠及時準確的收到；安全事件信息能夠及時地推送到用戶。（2）模塊化設計：采用模塊化的設計方法，實現易維護和易移植。（3）建立數據標準：統一各通信模塊的數據傳輸的格式，便于數據交互和傳輸。

5 信息傳輸網絡與智能網關的設計和監控管理平臺的開發

5.1 信息傳輸網絡分析與選擇

為了保證智能家居安防系統通信的穩定性與可靠性，針對家庭環境的條件選取適合智能家居安防系統的信息傳輸技術就顯得非常重要。通過對ZigBee、WiFi、藍牙、IrDA、射頻通信等信息傳輸技術的比較研究（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的優點而且在我國433 MHz頻段無須申請許可便可免費使用[6]。而家居環境中內部網絡具有低復雜度、低傳輸速率和成本敏感的特性。國內外也有不少研究者采用ZigBee技術、5G技術等信息傳輸技術進行數據通信。基于以上的分析，本系統傳感器節點采用無線射頻的方式進行數據通信。

表1 無線通信技術的比較

5.2 智能家居安防網關設計

智能網關是智能家居安防系統的控制中心，集成了數據融合分析、網絡協議轉化、安全事件決策指揮中心等功能。實現了對家居內設備終端的集中控制和將家居內433 MHz射頻網絡轉化成為Wi-Fi、以太網等上層的應用網絡。智能網關的軟硬件框架采用模塊化的設計方法，它由硬件驅動層、操作系統層、網絡協議層、應用層組成，如圖2所示為智能網關硬件模塊框架圖[7]。

圖2 智能網關硬件模塊框架圖

5.3 可視化上位機監控管理平臺

從性價比、后期技術支持等綜合因素考慮，較好的選擇是利用組態王作為可視化上位機監控管理平臺的開發工具，達到實時動態監控家居環境的目的，圖3為類似的人機交互界面[8]。

圖3 基于工控組態軟件的可視化上位機監控管理平臺

6 結語

智能家居安防系統是當前保障家居環境安全的有效技術手段，能為家庭提供非法入侵報警、有害氣體泄露處置、惡劣天氣自動關閉窗戶等功能，智能家居安防系統必將逐漸進入人們日常生活，為人們提供更舒適的家居環境[9]。本系統采用智能網關作為系統的控制中心，以傳感技術、通信技術和控制技術等信息技術為手段，將各種設備設施有機的組合在一起，形成一個具有對家居安全事件監控、報警、處置等功能的智能家居安防系統[10]。