智能家居网络实现及其安全性研究

杨南燕 冯锦如 张艳红 洪家军



智能家居网络实现及其安全性研究

杨南燕 冯锦如 张艳红 洪家军

莆田学院信息工程学院，福建 莆田 351100

随着我国科技的不断发展，越来越多的智能产品应运而生。智能家居网络的实现是当今社会发展的必然趋势，与此同时，智能家居的网络安全性也存在着诸多不足之处。对智能家居网络的实现及其安全性进行了探讨，以期促进智能家居网络的实现，并为完善智能家居网络安全系统做出微薄贡献。

智能家居网络；网络安全；总线协议；应用程序

1 智能家居网络的特点

通常情况下，智能家居网络系统采用的设备为嵌入式设备。在整个智能家居网络系统中，这种设备通常都是固定在处理器的内存设备上或者处理器的外部储存芯片中。对于用户而言，这种嵌入式设备中的程序很难更改。正是因为这个原因，使得智能家居网络系统中的信息和网络数据有被窃取和被篡改的安全威胁，具体表现在以下三个方面。

（1）阻碍了防火墙的应用。由于嵌入式设备储存空间较小，加之嵌入式软件的固化处理，使防火墙软件很难应用到家居网络中。

（2）智能家居网络实现的方式。当前状况下，智能家居网络的实现通常使用的都是无线网络。如果无线网络的频率以及调制和编码等信息被泄露，那么便可以随意向内网设备传输数据，威胁整个智能家居网络系统的安全运行。

（3）智能家居网络数据具有易篡改性。目前，许多嵌入式设备以及智能家居中的网络设备都是分开的，来源于外部的恶意攻击主要是由智能家居的网络设备来阻止。

2 智能家居网络的整体设计

智能家居网络是将物联网技术应用到家庭网络中，将这两种网络融合在一起，形成一个新的系统，即智能家居网络，它为人们的生活服务提供一个优质的平台，这种网络技术上的融合，无论是在经济上还是在战略上均有着重大的意义[1]。智能家居网络采用无线技术将是未来发展的必然趋势。

智能家居网络安全控制系统的硬件设施主要包括通信节点、传感器和控制器。其中最重要的硬件设施是传感器和控制器，传感器又包括温湿度传感器和光传感器。这两个传感器的主要作用是监测智能家居网络系统的内环境。控制器的主要作用是控制整个家居系统中的设备，包括照明系统、冰箱、电视、洗衣机等家居设备[2]。通信节点与这些家居设备的控制节点用无线网络的形式连接起来。为了使智能家居网络系统的安全得到保障，将连接到网络中的家居系统的各个节点都设置密匙认证入网，并设置密码，使控制器在发送指令时，先对信息进行加密，保证家庭网络系统的安全性。在这个过程中，若连接入网的节点出现异常情况，传感器将会在第一时间将异常情况反馈给控制器，发出警报，并及时采取一定的防御措施，从而保障智能家庭网络系统的安全性。

3 智能家居网络的实现

3.1 硬件的构建和实现

3.1.1 处理器及硬件的构建

在构建智能家居网络的过程中，选择合适的嵌入式处理器以及相对应的硬件是家居智能网络构建的关键环节。其中，处理器上的外围电路主要由若干部件组成。这些部件分别为复位电路、ROM、SDRAM和JTAG等。另外，还应考虑智能家居网络系统实现的途径、方法以及特点和应用范围等，并以这些因素为依据，选择其他与之相匹配的硬件设施。图1为智能家庭网络硬件设施的接入简图。

图1 智能家居网络硬件设施接入简图

3.1.2 家庭网络的硬件构建

在智能家居网络中，家庭网络的硬件构建对整个网络系统起着至关重要的作用，尤其是在嵌入式系统中，硬件的构建是整个系统的重要组成部分。系统硬件构建的实现主要由嵌入系统中的总线控制网络来实现。内部的连接方式为：将总线控制器与硬件的接口相互连接，CAN总线以接入到网络中的家庭网络设施的不同之处，来构建不同形式的家居智能网络系统。图2为家庭网络系统的硬件构建示意图。

3.2 总线协议的实现

3.2.1 物理层协议的实现

物理层协议在整个家庭网络系统中处于最低级的位置，与物理层协议息息相关的硬件设施为驱动器

图2 家庭网络系统的硬件构建示意图

与接收电路、通信介质等问题。物理层结构主要包含了三个方面的内容。

（1）插件的类型及其数量和功能；（2）在信息传输的过程中，通信介质的编码和排序等问题；（3）物理层协议可确定与链路层相关的硬件作用，选择相应的通信介质以及构建通信的结构。

3.2.2 数据链路层协议的实现

数据链路层协议在整个智能家庭网络系统中的主要作用是修复网络系统中的永久性故障，主要分为四个方面：一是数据链路层无论是建立还是删除过程，均包括地址和关系的确认以及传输内容的表示等。二是在信息的传输过程中，数据链路层协议主要控制了信息的数量、收发格式和编码等。三是数据链路层协议能有效处理传输过程中出现的差错，包括信息的丢失、重传和乱序等。四是数据链路层协议可对数据传输过程中出现的异常情况进行处理，包括发现整个智能家庭网络中的异常情况以及对异常的反馈和处理。

3.2.3 应用层协议的实现

应用层协议与物理层协议正相反。应用层协议作为整个网络系统中的最高层，其实现功能主要分为两个部分：一是用户对智能家庭网络系统的应用进程；二是家庭网络系统应用管理的进程。家庭网络应用管理的进程主要管理整个网络系统中的资源，并对这些资源进行优化和分配等。这种管理系统还会负责整个网络系统的重启动、应用数据库的访问、数据的分布计算以及数据的处理等内容。

3.3 软件的构建和实现

3.3.1 软件的设计内容

软件的设计内容包括以下三个方面：一是硬件的抽象层，包括嵌入式系统的初始化，系统总线与驱动设备的连接，如系统初始化和板极初始化等。二是系统程序的设计，这部分也是整个软件系统设计内容最重要的组成部分，包括实时操作系统、文件的管理系统、图形的接口以及网络系统和操作系统等。三是智能家庭网络系统中应用程序的设计。这项内容主要包括智能家庭网络中数据的传输，并在控制器上显示这些数据的内容，以及对处理这些数据的设备进行检测和监控。

3.3.2 软件的运行过程

目前，智能家居网络系统通常采用嵌入式方式。在这种方式下的智能家庭网络系统属于一个多任务的系统，其中的任务形式相对来说较为复杂，一些任务在执行的过程中对其有着较高的要求。为了使系统中复杂的任务得到有效的管理，应采用OS系统对任务进行调整。在软件开发的过程中，首要任务是引入信号量机制，使系统中的资源共享得到控制，使两个任务同时进行时不产生矛盾。图3为系统的运行过程图解。

图3 系统的运行过程图解

3.4 智能家居网络的应用程序

智能家居网络应用程序的基础为ARM7TDMI结构在智能家庭网络系统中的应用。应用OS作为载体对智能家庭网络系统进行操作。在这个过程中，以MCP2510为总线对CNA总线进行控制，在对CNA总线进行控制时，应先将寄存器初始化，并对寄存器发出命令，在此项操作之后，再进行数据的发送，将这些数据发送到缓冲区域，并发送位置信息的请求。这个过程包括CNA控制器的初始化以及数据的读写、查询和发送等。

4 智能家居网络安全性的研究

为了保证智能家居网络系统的安全性，需要在网络系统中建立安全框架。这个安全框架的主要作用是对系统中发送出的数据进行保密，严格进行访问控制，并且能保证用户的隐私，使智能家庭网络系统免受不法分子的攻击[3]。软件的设计主要是针对智能家庭网络系统的安全系统，根据实际情况设计出符合标准的安全算法，使智能家庭网络系统具有抵抗恶意破坏的能力，保证整个家庭网络系统能安全稳定的运行。

通常情况下，智能家庭网络系统均会以双重认证的方式来维护数据信息在网络传输过程中的安全[4]。双重认证的内容主要包括两个方面：一是在整个智能家庭网络系统中设置密匙验证，并将这种设置遍布在每一个节点上，使信息在传送时得以加密，保证数据信息在传输过程中的安全；二是在对服务器或者网络中节点发布命令和控制之前，采用SM4算法加密信息，当信息到达接收设备时，通过密匙对其解密。这个过程对信息起到了双重保护的作用，巩固了智能家庭网络系统的安全性。

5 总结

综上所述，本文主要通过介绍智能家居网络的特点、智能家居网络的整体设计，并根据这些内容和特点具体探讨了智能家居网络应当如何实现以及针对家居网络中所出现的安全状况的解决措施，以提高整个智能家居网络的安全性，使智能家居网络在今后的生活中得到广泛的应用，得到更好的发展。

[1]张振东，赖晓风. 智能家居网络实现及其安全性研究[J]. 软件导刊，2016，14（9）：119-120.

[2]胡向东，韩恺敏，许宏如. 智能家居物联网的安全性设计与验证[J]. 重庆邮电大学学报（自然科学版），2016，26（2）：171-176.

[3]傅率智. 智能家居安全网络的一种新结构[J]. 中国高新技术企业，2016（8）：9-10.

[4]夏平. 智能家居系统安全性方案的设计[J]. 电脑知识与技术，2016，12（17）：179-181.

Research on the Realization and Security of Smart Home Network

Yang Nanyan Feng Jinru Zhang Yanhong Hong Jiajun

School of Information Engineering, Putian University, Fujian Putian 351100

With the continuous development of China’s science and technology, more and more intelligent products are coming out. The realization of smart home network is an inevitable trend of today’s social development. At the same time, there are many shortcomings in the security of smart home network. The realization of the smart home network and its security are discussed in order to promote the realization of the smart home network and make a modest contribution to the improvement of the smart home network security system.

smart home;network; network security; Bus protocol; application program

TU855

A

杨南燕（1996—），女，福建莆田人，莆田学院信息工程学院通信14级学生。E-mail：877634630@qq.com。冯锦如（1995—），女，福建福州人，莆田学院信息工程学院通信工程14级学生。张艳红（1996—），女，福建平潭人，莆田学院信息工程学院计科15级学生。洪家军（1979—），男，湖北公安县人，副教授，研究方向为网络安全与应用。