李 明,王朝陽

(1.安徽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230000;2.江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

信息化與智能化技術(shù)的快速發(fā)展很大程度上改變了國民的工作生活習(xí)慣,以信息技術(shù)與智能技術(shù)為基礎(chǔ)產(chǎn)生的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)徹底改變了國民的觀念,智能家居在國民生活中得到了廣泛的應(yīng)用。智能家居便利了居民生活,提升了居民生活質(zhì)量,但是在實際使用過程中出現(xiàn)的安全問題愈發(fā)突出,引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注[1]。胡向東等對智能家居門禁系統(tǒng)的安全控制方法進行研究,提出了持卡人、門禁卡、讀卡器三者相結(jié)合的認證機制,并通過實際測試驗證了所提出的方法能夠有效增強智能家居門禁系統(tǒng)控制的安全[2]。楊麗等針對家居安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的能耗分布不均、網(wǎng)絡(luò)時延長、誤警率高問題,設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)可以完成防盜監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)控,具有一定的可行性[3]。仲小英對智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)的智能門禁誤報率過高問題,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng),使得門禁誤報率降低5%左右[4]。物聯(lián)網(wǎng)是依托信息技術(shù)來解決人與人、人與物、物與物之間聯(lián)系的系統(tǒng),將其應(yīng)用于智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計中,提高安全預(yù)警系統(tǒng)的智能化程度。

1 智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

隨著生活水平的提升,國民對智能家居的安全性更加重視。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及在智能家居中的應(yīng)用,智能家居的智能化與網(wǎng)絡(luò)化水平也在不斷地提升?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu),如圖1所示[5]。

圖1 智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)整體架構(gòu)

由圖1可知,智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)包括設(shè)備監(jiān)控終端模塊、設(shè)備感知模塊、安全處理模塊等,有效實現(xiàn)對家居的安全保障。設(shè)備監(jiān)控終端模塊主要是對智能家居中的空調(diào)、洗衣機、電冰箱、微波爐等實施監(jiān)控,通過傳感器、攝像頭等獲取相關(guān)圖像信息。設(shè)備感知模塊主要包括溫度感知、濕度感知、煙霧感知、氣體感知等,對家居中的水電煤氣實施安全預(yù)警、溫度感知、濕度感知、煙霧感知、氣體感知形成后臺數(shù)據(jù)庫,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給中央控制器,實現(xiàn)對家居的智能控制。

2 智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為實現(xiàn)不同電器之間的統(tǒng)一控制,采用多接口終端。每一住戶設(shè)定唯一的ID,對所有的設(shè)備進行集中控制,實現(xiàn)家居預(yù)警的智能化。智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)硬件包括網(wǎng)關(guān)處理器、圖像識別模塊、語音識別模塊、各種傳感器、單片機等。智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)有多個UART接口、A/D轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)接口。隨著國民生活水平的提升,居民家中家電的數(shù)量也在不斷地增多[6]。為確保對家電實施有效控制,在中央處理器的內(nèi)部設(shè)置6個UART,4組I2C,6個SPI/SSP串行接口,具體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 中央處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖像識別主要是用于門禁安全預(yù)警,其由攝像頭、傳感器、識別器、網(wǎng)絡(luò)接口、處理芯片所組成,對發(fā)現(xiàn)的可疑人員進行安全預(yù)警,確保居家安全。采用攝像頭和傳感器采集人臉圖像和指紋圖像,通過圖像處理芯片對采集的人臉與指紋圖像進行識別,做出相應(yīng)處理,最終在顯示器上顯示識別結(jié)果。

語音識別是智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分,通過聲音采集器獲取語音信號,將獲取的語音信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再借助編碼器對數(shù)字信號進行編解碼處理,將編解碼的結(jié)果輸入到緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)的存儲。如果在進行語言識別的過程中出現(xiàn)了中斷或者需要播放語音,那么系統(tǒng)就會自動開啟中斷服務(wù)器,并且智能地做出是放音還是重新識別的選擇。

人機交互是智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計要考慮人機交互平臺的用戶最佳使用體驗。人機交互平臺硬件主要包括液晶顯示屏、信息控制按鈕、時鐘控制器、信息存儲器、預(yù)警指示燈等,該硬件實現(xiàn)了智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)和用戶的溝通交流[7]。圖3為智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)主界面。

圖3 智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)主界面

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)Υ嬖诘纳c財產(chǎn)安全進行預(yù)警,避免用戶生命與財產(chǎn)遭受損失。實施安全預(yù)警要在用戶家中的不同位置安裝傳感器,由傳感器來獲取各種信息,并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)將獲取的信息發(fā)送到用戶的人機交互平臺上,以實現(xiàn)智能家居的安全預(yù)警[8]。為了確保智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)信息采集過程可控,需對各類信息采集流程進行設(shè)定,如圖4所示。

圖4 各類信息采集流程設(shè)定

由圖4可知,采用設(shè)定的各類信息采集流程能夠有效提升人臉圖像、指紋圖像等各類圖像的采集性能,同時將紅外線所獲取的紅外圖像和攝像頭圖像有機結(jié)合,極大提升了采集圖像的質(zhì)量。

借助傳感器完成對各類信息的采集工作后,將采集的圖像信息進行預(yù)處理,對信息進行分類。智能家居的智能化體現(xiàn)在對用戶生活習(xí)慣地把控,將各類信息中的時間參數(shù)進行單獨處理,對各類家居信息實時編號處理并進行線性歸一化處理,歸一化處理公式為

(1)

設(shè)A={a1,a2,…,an}為傳感器采集到的信息集合,B為需要安裝監(jiān)控的信息元素,進行信息的篩選,即

(2)

由于所采集的部分信息具有模糊的特征,需要采用神經(jīng)運算來估算,即

(3)

式中:f為隱含層神經(jīng)元個數(shù),e為輸入層神經(jīng)元個數(shù),d為輸出層神經(jīng)元個數(shù),δ為常數(shù)。

通過神經(jīng)運算對具有模糊特征的信息進行判斷,如果其屬于預(yù)警信息,那么將其推送給用戶,從而實現(xiàn)對智能家居的安全預(yù)警。

3 智能家居安全預(yù)警實例

3.1 智能家居門禁系統(tǒng)安全預(yù)警

門禁是家居安全的第一道屏障,門禁安全預(yù)警在智能家居安全預(yù)警中具有極為突出的作用。圖5為智能家居門禁系統(tǒng)組成[9]。

圖5 智能家居門禁系統(tǒng)組成

采用刷卡的方式進入房屋,需要持卡人、門禁卡、讀卡器三者的有機結(jié)合。當(dāng)通過認證之后,門禁控制器才會打開門鎖,同時門禁服務(wù)器也會將開門記錄反饋給用戶。如果沒有通過認證,系統(tǒng)就會將開門不成功的指令反饋給用戶,同時發(fā)出安全預(yù)警。智能家居門禁系統(tǒng)安全預(yù)警的關(guān)鍵是對人員身份的識別,準(zhǔn)確識別人員身份,有效實現(xiàn)門禁安全預(yù)警。仿真試驗所采用的硬件環(huán)境為MATLAB,處理器為E9-2609,硬盤為2 000 G;軟件操作平臺為Windows XP,服務(wù)器為Intel Xeon ES-2620 2.0 GHz,數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2013,軟件控制平臺為Win 7。在開始試驗之前設(shè)定相關(guān)的環(huán)境參數(shù),隨機選擇6個時間段進行測試,將20人作為測試對象,每人測試10次,其中10人為門禁系統(tǒng)中包含的人臉,10人為門禁系統(tǒng)中不包含的人臉,即異常人臉。

通過試驗設(shè)定完成門禁系統(tǒng)性能測試,結(jié)果如表1所示。

表1 門禁系統(tǒng)性能測試結(jié)果

由表1可知,在不同的時間段門禁安全預(yù)警效果存在一定的差異性,但從整體上看表現(xiàn)良好。相較而言,18:00和19:00的時點準(zhǔn)確識別率相對較低。導(dǎo)致出現(xiàn)這種情況的原因主要是該時段光照環(huán)境相對較差,造成識別采集的人臉圖像清晰度較低,從而影響到門禁預(yù)警的效果。

3.2 智能家居天然氣泄漏預(yù)警

天然氣泄漏是非常危險的,盡管許多的家庭已經(jīng)安裝了天然氣泄漏報警裝置,但是往往無法實現(xiàn)遠程控制。通過傳感器獲取家居中的天然氣濃度信息,一旦其超過了設(shè)定的閾值,系統(tǒng)就會將報警信息發(fā)送到用戶手機終端,用戶可以通過人機交互界面實現(xiàn)對天然氣閥門的遠程控制,從而消除天然氣泄漏可能造成的爆炸安全事故[10]。智能家居天然氣泄漏安全預(yù)警流程如圖6所示。

圖6 智能家居天然氣泄漏安全預(yù)警流程

設(shè)計智能家居天然氣泄漏安全預(yù)警性能測試,結(jié)果如表2所示。

表2 天然氣泄漏安全預(yù)警測試結(jié)果

由表2可知,任何時間段,天然氣泄漏安全預(yù)警均具有良好的性能。借助天然氣濃度傳感器來獲取家居環(huán)境內(nèi)的天然氣濃度信息,將預(yù)警反饋給用戶手機終端,最終用戶通過遠程實施控制,有效避免了由于天然氣泄漏而導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了智能家居安全預(yù)警系統(tǒng),并完成了系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計及實現(xiàn)。將設(shè)計的智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于門禁系統(tǒng)與天然氣泄漏安全預(yù)警中,所設(shè)計的安全預(yù)警系統(tǒng)對各種危險的識別準(zhǔn)確率接近100%。另外,所設(shè)計的智能家居安全預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)了人機交互與遠程智能化控制,安全預(yù)警系統(tǒng)的智能化程度更高,使用也更加便捷,為用戶創(chuàng)造了良好的使用體驗。