基于多传感器数据融合的智能家居安防系统的研究与设计

朱 震 夏云忠

（1.衢州职业技术学院数字校园建设中心，浙江 衢州324000；2.衢州学院创业学院，浙江 衢州324000）

0 引言

传统的安防系统不能让用户实时监控居家环境情况，存在稳定性和准确性不高、用户无法随时监控，能耗高等特点，很难满足人们对家居安全的需求[1]。人们需要更加智能、可靠、稳定和准确的安防系统。本文设计了基于多传感器数据融合的智能家居安防检测技术，突破了单一传感器检测结果不准确、单一传感器损坏后影响整体性能的限制，大幅度提高系统的可靠性、稳定性和准确性[2]。

1 设计目标

智能家居安防系统是集传感技术、计算机与智能技术、通信技术和控制技术等信息技术在内的综合应用。通过将安防检测装置部署在高合适的地方采集居家环境情况，利用信息传输技术将采集到的信息传输到智能网关，利用部署在智能网关上的多传感器融合算法对多源数据进行融合分析，智能网关将安全事件的报警信息推送给用户和执行指令推送给传感器节点，供安防系统自动控制或用户手动控制。

2 面临的问题

一是安防信号检测测装的灵敏度及可靠性不够，可能导致系统误告警。

二是现有的无线传输技术在可靠性、实时性等性能指标上有欠缺，通信系统的实时性、可靠性事关系统的实时稳定运行。

三是单一传感器检测结果不准确，多传感器融合算法的质量事关安防系统的准确性。

3 系统架构

系统由执行机构、传感器节点、智能网关、路由器、云服务器、监控管理平台组成，图1所示为系统架构图。执行机构在最底层，负责执行解决各种安防问题。例如，当天燃气泄漏时，智能排风扇、智能窗户作为执行机构受智能网关控制而自动开启并向用户推送安全事件信息；当传感器节点监测到情况正常后，智能排风扇、智能窗户作为执行机构受智能网关控制而关闭并向用户推送事件信息。传感器节点采用高灵敏度、高可靠性的CO传感器、烟雾传感器和温度传感器、瓦斯传感器、人体红外感应传感器等安防检测装置采集家居环境信息，并利用信息传输技术将传感器采集到的信息传输到智能网关进行数据融合处理[3]。智能网关是智能家居安防系统的控制中心，负责多源数据的融合分析并将家居安全事件的报警信息推送给用户和对家居安全事件处置的执行指令推送给传感器节点，供安防系统自动控制或用户手动控制。智能网关通过移动通信网络和互联网向家居用户实时推送报警信息，家居用户可以通过移动通信网络和互联网监控整个智能家居安防系统的运行情况并可以远程控制家居的各执行机构，所有的监控信息和报警事件都通过互联网存储到云端保障数据安全[4]。智能家居监控管理平台由工控组态软件开发，拥有可视化、图形化的人机交互界面，用户只需操作图像便可实时监测智能家居安防系统的运行状态和各执行机构的执行响应情况[5]。

图1 基于多传感器数据融合的智能家居安防系统架构图

4 安防系统设计要求

4.1 硬件设计要求

（1）实时性：传感器节点必须实时地将采集到的安防数据通过信息传输技术传输到智能网关，智能网关须及时地对数据进行融合处理分析，智能网关须实时地将安全事件的报警信息推送给用户和执行指令推送给传感器节点。（2）可靠性：所用安防检测装置能长时间的稳定运行并实时有效地感知外部环境的变化，智能网关通过多传感器融合算法分析安防事件，防止发生误告警。（3）准确性：智能网关应能够准确地发现安全事件，并开启执行机构处置安全事件。（4）易扩展性：信息技术迅猛发展，物联网设备层出不穷，当出现新的监测对象时，应能够兼容新设备的加入。（5）低功耗：要求设备7×24小时在线，安防系统应满足绿色节能设计要求。（6）高性价比：硬件设备的性价比要高，达到人们购买力的要求。

4.2 软件的设计要求

（1）信息传输实时有效：安防检测装置采集到的信息能够实时的传输至智能网关；智能网关下发的执行指令执行机构能够及时准确的收到；安全事件信息能够及时地推送到用户。（2）模块化设计：采用模块化的设计方法，实现易维护和易移植。（3）建立数据标准：统一各通信模块的数据传输的格式，便于数据交互和传输。

5 信息传输网络与智能网关的设计和监控管理平台的开发

5.1 信息传输网络分析与选择

为了保证智能家居安防系统通信的稳定性与可靠性，针对家庭环境的条件选取适合智能家居安防系统的信息传输技术就显得非常重要。通过对ZigBee、WiFi、蓝牙、IrDA、射频通信等信息传输技术的比较研究（详见表1），射频通信具有穿透力强、成本低、功耗低和传输距离远的优点而且在我国433 MHz频段无须申请许可便可免费使用[6]。而家居环境中内部网络具有低复杂度、低传输速率和成本敏感的特性。国内外也有不少研究者采用ZigBee技术、5G技术等信息传输技术进行数据通信。基于以上的分析，本系统传感器节点采用无线射频的方式进行数据通信。

表1 无线通信技术的比较

5.2 智能家居安防网关设计

智能网关是智能家居安防系统的控制中心，集成了数据融合分析、网络协议转化、安全事件决策指挥中心等功能。实现了对家居内设备终端的集中控制和将家居内433 MHz射频网络转化成为Wi-Fi、以太网等上层的应用网络。智能网关的软硬件框架采用模块化的设计方法，它由硬件驱动层、操作系统层、网络协议层、应用层组成，如图2所示为智能网关硬件模块框架图[7]。

图2 智能网关硬件模块框架图

5.3 可视化上位机监控管理平台

从性价比、后期技术支持等综合因素考虑，较好的选择是利用组态王作为可视化上位机监控管理平台的开发工具，达到实时动态监控家居环境的目的，图3为类似的人机交互界面[8]。

图3 基于工控组态软件的可视化上位机监控管理平台

6 结语

智能家居安防系统是当前保障家居环境安全的有效技术手段，能为家庭提供非法入侵报警、有害气体泄露处置、恶劣天气自动关闭窗户等功能，智能家居安防系统必将逐渐进入人们日常生活，为人们提供更舒适的家居环境[9]。本系统采用智能网关作为系统的控制中心，以传感技术、通信技术和控制技术等信息技术为手段，将各种设备设施有机的组合在一起，形成一个具有对家居安全事件监控、报警、处置等功能的智能家居安防系统[10]。