物联网技术在智能家居安防系统中的应用

摘　要：物联网技术的快速发展，使其在智能家居安防系统中的应用成为可能，本文在分析传统智能家居安防系统不足的基础上，设计了基于物联网技术的智能家居安防系统，该系统能够满足现代家居安防需要，极大降低了家居安防系统的构建成本，并能提高其可靠性、安全性和操作的方便性。
关键词：物联网技术；智能家居；安防系统


    智能家居是以住宅为平台，利用现代综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术和音视频技术将与家居生活有关的通信设备、水电设备、照明设备、监控设备等设施集成，从而构建高效的住宅设施与家庭日常事务的管理系统，以提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，并实现环保节能的居住环境。
智能家居安防系统作为智能家居系统的子系统之一，主要对家居人为破坏（如非法入侵）和自然灾害（如火灾、煤气泄漏等）两个方面进行防护和防范^[1]。传统智能家居安防系统主要以个人计算机为使用终端，由监控摄像头、红外线探测仪、紧急求助按钮、烟雾感应探头、红外护栏、报警设备等配件组成，通过现代电子通讯等技术，实现对家居火灾、盗窃等异常情况进行报警，能满足用户的基本需求，但普遍存在报警不及时、误报警、重复投资率大等缺点，而且还面临着隐私泄露安全隐患、可控设备操作复杂、互联和扩展性差以及配件昂贵等问题。随着人们安全防范意识的不断增强和对建筑物智能化水平要求的不断提高，传统智能家居安防系统在布线成本高、操作复杂、可靠性差以及维护困难等方面的问题也越来越明显。物联网技术的出现，因其低成本、低功耗、组网简单，而且更加稳定可靠，这为现代智能家居安防系统提供了更理想的解决方案。
 
1　物联网技术简介^[2]
基于互联网和无线传感器网络的物联网技术，能够通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，通过ZigBee等协议，把任何物品与互联网相连接，进行通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网可以分为三层：感知层、网络层和互联网络层^[3-4]。感知层主要使用智能嵌入式设备进行感知、识别信息，网络层主要是解决通过网络进行信息传递和处理，应用层则解决物联网与应用系统的互联。
作为物联网核心技术之一的无线传感器网络，在智能家居安防系统布线中拥有非常明显的优势，能极大降低智能家居安防系统布线和维护的复杂性^[5]，而且无线传感器网络中的传感器节点，具有智能处理信息的功能，当发生异常情况时，系统能够自动控制险情，并将报警信号及时发送给监控者或住户本人。当然，用户也可以随时随地通过各种终端对家居进行主动监控。
 
2　基于物联网的智能家居安防系统体系结构
基于物联网的智能家居安防系统，即利用物联网技术将家居无线传感器网络、互联网、监控终端依次对应物联网结构的物物网络、泛在介入、互联网络进行组网，实现被监控设备与网络的互联互通，从而实现对家居安防的智能化监控。
家居无线传感器网络由家庭内部的各种安防传感器和家庭智能网关组成，安防传感器一般包括玻璃碎裂传感器、门窗防盗检测传感器、嵌入式摄像头、烟雾传感器、燃气泄漏传感器以及报警按钮等，各传感器作为无线传感器网络的一个节点，通过无线组网技术ZigBee连接起来。智能家庭网关是整个网络平台的核心，各个不同协议子网之间的互联和信息共享都需要通过网关进行，它可以接收各种家电、灯具以及安防监控设备等传感器发送上来的信息，还可以连接互联网，使得监控者或住户本人能够在非现场区域对家庭网络进行遥控和检测。
网络层是家居无线传感器网络和外界的通信桥梁。它一方面可以通过GSM/GPRS网络直接向用户手机发送报警、现场信号或者接收用户的控制命令；另一方面可以将现场信息发送至互联网的服务器。常用的监控终端包括手机和连接在互联网上的计算机，用户可以通过在其上运行的监控软件实现各种各样的监控功能，具体如图1所示。


图1　基于物联网技术的智能家居安防系统体系结构
3　基于物联网的智能家居安防系统的设计
智能家居安防系统需具备家居安防自动检测与报警、家电设备自动控制、家居环境自动检测与控制以及扩展等功能，主要包括中央控制子系统、无线传感器网络监测子系统、门禁子系统、厨房安防子系统、移动物体定位子系统和远程监控子系统等。
中央控制子系统是智能家居的中枢，主要是通过在家用电脑或 PDA 等设备上基于嵌入式 Web Server 技术，设计相应服务器控制端程序，与作为客户端的无线传感器网络监测子系统、门禁控制子系统和移动物体定位系统等应用程序保持实时连接通信。整个系统采用客户/服务器通信方式实现安防监测与防护功能。
无线传感器网络监测子系统主要是通过各种传感器感知室内环境变化，当采集到数据后，经过ZigBee网络传输到中央控制系统，由中央控制进行数据分析和处理，若发现异常，将通过ZigBee网络发出相应控制命令，进而进行各种报警或安全防护措施等。而室内各种传感器构成一个无线传感器网络，在这个网络中通过相应路由算法和协议实现数据的采集、传输和处理等。
门禁控制子系统主要是利用现有门禁并在其上通过嵌入式单片机技术实现安全门的进一步智能化，在该安全门上通过红外传感器可以感知人的存在，通过人脸识别可以进行进门的身份认证等，智能安全门将其采集到的数据通过有线网络或无线路由器传输到中央控制系统进行数据分析和处理，并发出相应控制命令给智能安全门，同时将相关信息传输给远程用户的智能手机。
厨房安防子系统主要是针对厨房进行的检测，它通过专用的传感器实时监测当前厨房环境中的燃气浓度、烟雾浓度、火灾情况等，实现厨房的自动监控功能。其中燃气泄露可用燃气传感器检测；厨房内火灾情况可用火焰传感器检测；厨房内烟雾浓度情况可用烟雾传感器检测。传感器将实时采集到的数据通过无线网络传输到中央控制系统进行数据分析，若出现异常情况，由中央控制器发出指令，如切断电源、关闭燃气等，阻止危险发生，同时将危险信息发送给远程用户智能手机。
移动物体定位子系统主要是利用现代智能手机，通过现代移动通信技术，将实时监测到的移动物体（这里主要是丢失的贵重物品、家电设备以及丢失的宠物、迷路的老人或小孩等）位置传输到用户智能手机上，为用户提供信息服务，以便及时找到所遗失的物品、人和宠物等。在这些移动物体上必须安装接受信号装置，如GSM卡等，而在智能手机上必须设计一个移动物体监测应用程序，以便和移动物体上的GSM 卡等建立通信。该智能手机也可通过将信息传输到中央控制系统，由中央控制系统来完成数据保存和处理等。
远程监控子系统主要是利用和中央服务器所连接的网络摄像头，在用户想知道家居的情况下，能够通过 Internet 用远程计算机和智能手机查看家中实时环境。
具体模块设计如下图2所示。


　图2　基于物联网的智能家居安防系统的模块设计
 
4　智能家居安防系统运行效果
基于物联网技术的智能家居安防系统，利用3G和物联网技术，能智能化处理电器燃烧、燃气泄漏等危险情况，同时也能通过远程PC机、智能手机和平板电脑进行远程监控家居环境，一旦发生煤气泄漏、非法闯入、玻璃碎裂、火灾等非正常情况，智能家居系统可以通过GSM/GPRS传输，采取发送报警短信、发送现场彩信照片、拨打用户手机以及拨打报警电话等一项或多项措施进行处置，既解决了当前安防系统的许多弊端，并通过设计保证了系统的安全性、实时性、易用性、可拓展性。
 
5　结语
由于作为物联网核心技术之一的无线传感器网络具有低成本、低功耗、自组织、高可靠性等特点。因此，基于物联网技术的智能家居安防系统是现代家居安防系统的最佳解决方案，本文设计的由五个子系统组成的智能家居安防系统，能够实现监控、自动控制以及报警等功能，具有良好的发展空间和广阔的应用前景。
 
参考文献:
[1]韩秀峰.智能家居安防系统设计与实现[D].大连:大连理工大学，2009. 
[2]International Telecommunication Union UIT. ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things[R].2005
[3]柳卫林.基于ZigBee 技术的智能家居控制系统的设计与实现[D].上海：东华大学，2010.
[4]叶兴贵,廖希仁.基于ZigBee的智能家居物联网系统[J].现代建筑电气,2011,9(1):25-28.
[5]李江权.基于无线传感网络的环境监测系统研究[D].南京:南京大学硕士学位论文，2012.