金鵬?張鵬

摘要：在IPv4地址逐漸耗盡的背景下，IPv6技術(shù)進(jìn)入到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)世界中。IP技術(shù)的創(chuàng)新和嵌入式傳感器的發(fā)展，使人們?cè)絹?lái)越重視智能家居的安全問(wèn)題。由于傳感節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器容量限制和傳感網(wǎng)絡(luò)低功耗特性，要求將IPv6協(xié)議棧應(yīng)用到傳感網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能家居的設(shè)計(jì)，同時(shí)以室內(nèi)分布情況作為全部傳感器使用的唯一標(biāo)準(zhǔn)，全面分析室內(nèi)所有參數(shù)，依照設(shè)定策略適當(dāng)調(diào)整，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，根據(jù)事件緊急程度采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：IPv6技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居

在通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，IPv4協(xié)議已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的使用需求。IPv4技術(shù)的主要問(wèn)題就是缺乏IP地址，人們對(duì)于家居需求并不只是傳統(tǒng)需求，更傾向于多元化、智能化。在設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的過(guò)程中，要調(diào)查家庭和家庭成員的實(shí)際需求，在能夠滿足客戶基本需求的前提下，根據(jù)已有科技條件深入拓展，使智能家居技術(shù)得以發(fā)展[1]。

一、智能家居的設(shè)計(jì)需求

為了提高生活質(zhì)量，降低能源消耗，增強(qiáng)安全性和便利性，為人們創(chuàng)造更加智能、安全、便利的家居生活，智能家居的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)做到以下幾點(diǎn)：

其一，環(huán)境監(jiān)測(cè)。對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用戶得到居住環(huán)境詳細(xì)信息。

其二，家居設(shè)備控制。家居中的智能設(shè)備，包括燈具、電器、門(mén)鎖、窗簾等，能夠通過(guò)中央控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

其三，節(jié)能檢測(cè)。用戶能夠?qū)揖釉O(shè)備耗電情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為家居節(jié)能提供措施和建議。

其四，安全保障。智能家居應(yīng)當(dāng)有一套完善的安全保障系統(tǒng)，包括設(shè)備安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全等，以保障用戶的隱私和安全。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采集節(jié)點(diǎn)終端軟件能夠采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，接收通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中心發(fā)送的控制指令，并對(duì)指令進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)智能化目的。操控信息要對(duì)終端節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)發(fā)送，在設(shè)備操作功能和ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信功能過(guò)程中，創(chuàng)建命令，傳輸連接，在網(wǎng)絡(luò)通信功能和應(yīng)用程序之間創(chuàng)建接口[2]。

二、智能家居的硬件設(shè)計(jì)

（一）網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)一種硬件設(shè)備，用于連接不同網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。在網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)中，需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、接口類型、處理器性能、存儲(chǔ)器容量、安全性等方面，再根據(jù)實(shí)際需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和安全地網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過(guò)仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，確保網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性，為軟件提供通信接口。

（二）ARM處理器設(shè)計(jì)

ARM架構(gòu)的代碼密度和性價(jià)比較高，在實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)和功耗方面效果良好。本文平臺(tái)使用天嵌公司的2440開(kāi)發(fā)板，此開(kāi)發(fā)板嵌入三星公司S3C2440處理器芯片，最高主頻為0.533GHz，能夠支持Linux、Win CE和Symbian等主流操作系統(tǒng)。

（三）ZigBee處理器設(shè)計(jì)

這是一種專門(mén)用于支持ZigBee通信協(xié)議的芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗、低數(shù)據(jù)速率、短距離的無(wú)線通信。ZigBee處理器通常采用SoC（System-on-Chip）架構(gòu)，集成了微控制器、射頻收發(fā)器、存儲(chǔ)器等多個(gè)模塊，具備較高的集成度和靈活性，同時(shí)，為了提高設(shè)計(jì)的效率和可靠性，還采用先進(jìn)的EDA工具和仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

ZigBee通信電路在家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜，包括傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，內(nèi)部主芯片為cc2530芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，其中協(xié)調(diào)器和家居網(wǎng)關(guān)通信為有線[3]。

（四）以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)無(wú)線和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，有線聯(lián)網(wǎng)利用有線帶寬接入，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)中使用以太網(wǎng)接口模塊接入有線網(wǎng)絡(luò)，圖1為以太網(wǎng)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

S3C2440 的ADDR2和CMD引腳連接，實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位和中斷請(qǐng)求；SD15-SD0引腳為數(shù)據(jù)總線接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；CMD指的是訪問(wèn)類型，對(duì)訪問(wèn)數(shù)據(jù)端口或者地址端口進(jìn)行確定；TX+、TX-引腳連接以太網(wǎng)接頭，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)；主控制器和芯片相互連接，對(duì)信號(hào)進(jìn)行收發(fā)；主控制器和芯片相互連接，能夠使用戶對(duì)家居內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，圖2為DM9000和S3C2440的連接結(jié)構(gòu)。

S3C2440能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)打包成為IP包或者UDP在DM9000中發(fā)送，之后利用網(wǎng)絡(luò)接口在遠(yuǎn)程PC機(jī)中傳輸數(shù)據(jù)，或者通過(guò)遠(yuǎn)程PC機(jī)接收命令，對(duì)遠(yuǎn)程PC機(jī)的請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控操作和參數(shù)設(shè)定等功能[4]。

三、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

（一）監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)

在監(jiān)控終端設(shè)計(jì)中，要求收集傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行網(wǎng)關(guān)控制指令。監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)包括照明監(jiān)控、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等，利用相應(yīng)傳感器與控制器連接，實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)部火災(zāi)、環(huán)境和非法入侵的監(jiān)測(cè)。

1.照明監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)智能照明功能是針對(duì)家庭整體空間的臺(tái)燈設(shè)計(jì)，通過(guò)人體紅外感應(yīng)、光纖傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)光線智能化控制，利用LED燈對(duì)室內(nèi)日常照明進(jìn)行模擬，根據(jù)光纖傳感器實(shí)時(shí)收集光照強(qiáng)度，通過(guò)PWN波控制LED亮度，設(shè)置人體紅外感應(yīng)模塊以判斷室內(nèi)是否有人并控制燈的亮滅。

2.家用電器控制節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)使用紅外控制模塊，在客廳、臥室等場(chǎng)景，利用客戶端控制電視機(jī)、空調(diào)等家電。紅外控制模塊利用串口和單片機(jī)連接，紅外控制信號(hào)包括16個(gè)字節(jié)和2字節(jié)校驗(yàn)，在終端節(jié)點(diǎn)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制指令后，以紅外信號(hào)控制指令固有格式處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備后利用串口將控制指令發(fā)送給紅外模塊，進(jìn)而控制無(wú)線視頻、空調(diào)。此系統(tǒng)能夠控制空調(diào)開(kāi)關(guān)機(jī)、升降溫以及電視開(kāi)關(guān)機(jī)。

3.入侵監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

在住宅窗戶或者門(mén)外設(shè)置入侵監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，再與攝像頭結(jié)合實(shí)現(xiàn)非法入侵監(jiān)控。在對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化之后，人體感應(yīng)傳感器讀取數(shù)據(jù)判斷所在區(qū)域是否有人，有人的話輸出人數(shù)變量1，沒(méi)人則輸出人物變量0，通過(guò)協(xié)調(diào)器對(duì)上位機(jī)發(fā)送人物變量并結(jié)合攝像頭圖像，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非法入侵監(jiān)控[6]。

4.環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，流程與火災(zāi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)基本相同，利用溫濕度傳感器收集室內(nèi)溫濕度信息，在超過(guò)設(shè)置的溫濕度閾值之后發(fā)出報(bào)警，后續(xù)還能夠與加濕器等設(shè)備結(jié)合，為用戶創(chuàng)建舒適、健康的家居環(huán)境。其中，系統(tǒng)設(shè)置溫度為5-50℃，濕度設(shè)置為30%-80%RH。

（二）門(mén)禁識(shí)別模塊

OpenCV是一個(gè)開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，支持多種編程語(yǔ)言，提供了大量的圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，如圖像處理、物體檢測(cè)、人臉識(shí)別、運(yùn)動(dòng)跟蹤等。本文基于OpenCV設(shè)計(jì)人臉識(shí)別模塊，要求將采集人臉圖像數(shù)據(jù)，包括正臉、側(cè)臉、不同表情等多種情況下的圖像，使用OpenCV提供的人臉檢測(cè)算法，如Haar、LBP等，對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行特征提取，得到人臉的特征向量作為正樣本。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮多種情況下的人臉識(shí)別問(wèn)題，如光照條件、角度、遮擋等因素對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確性的影響。

1.訓(xùn)練模塊

訓(xùn)練模塊通過(guò)OpenCV中HaarTraining程序?qū)崿F(xiàn)，在訓(xùn)練前收集大量正負(fù)樣本，在選擇過(guò)程中對(duì)樣本進(jìn)行多樣性考慮，對(duì)全部正樣本行標(biāo)注，標(biāo)注信息可以是人臉位置、人臉關(guān)鍵點(diǎn)等，對(duì)采集到的人臉圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，得到特征向量，并將圖片存儲(chǔ)到正樣本文件夾中；負(fù)樣本要具備代表性，樣本數(shù)量大，收集到的非人臉圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，將圖片存儲(chǔ)在負(fù)樣本文件夾中，再使用AdaBoost算法對(duì)灰度圖像進(jìn)行特征提取，對(duì)提取到的Haar特征進(jìn)行訓(xùn)練，得到一個(gè)分類器。該分類器可以對(duì)人臉和非人臉圖像進(jìn)行分類，通過(guò)調(diào)整Haar特征的大小、位置、數(shù)量等參數(shù)，以及調(diào)整AdaBoost算法的參數(shù)，不斷優(yōu)化分類器的性能。

2.識(shí)別模塊

使用攝像機(jī)等設(shè)備采集門(mén)禁區(qū)域的圖像，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行人臉檢測(cè)，首先對(duì)待檢測(cè)圖像加載，找到圖像中的人臉位置并進(jìn)行預(yù)處理，包括直方圖均衡化、高斯濾波；之后對(duì)檢測(cè)到的人臉圖像進(jìn)行特征提取，得到特征向量；將待識(shí)別的人臉特征向量與預(yù)先存儲(chǔ)的人臉特征向量進(jìn)行匹配，找到最相似的人臉特征向量，最后根據(jù)匹配結(jié)果，判斷待識(shí)別人臉是否為已注冊(cè)用戶。

因?yàn)楸疚氖褂谜樂(lè)诸惼?，利用以上檢測(cè)得到的人臉為正臉，對(duì)正臉開(kāi)展人臉特征檢測(cè)，譬如雙眼檢測(cè)，能夠排除誤檢錯(cuò)誤。針對(duì)雙眼的檢測(cè)過(guò)程和對(duì)人臉的檢測(cè)是一樣的，只是調(diào)用的加載分類器不同；加載分類器使用眼睛檢測(cè)算法，對(duì)眼睛進(jìn)行檢測(cè)，找到眼睛的位置，并輸出檢測(cè)結(jié)果，結(jié)果包括雙眼中心點(diǎn)的坐標(biāo)、雙眼距離、雙眼比例等，可以根據(jù)返回結(jié)果中不同屬性的值來(lái)判斷；函數(shù)在執(zhí)行完成后，返回檢測(cè)雙眼集合，根據(jù)檢測(cè)到的兩個(gè)眼睛的位置，計(jì)算雙眼的距離，來(lái)判斷人臉質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別；在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程完成后，程序返回并加載視頻圖像實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)[7]。

四、系統(tǒng)的功能測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能設(shè)計(jì)，使協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)分布，并進(jìn)行系統(tǒng)PC客戶端和手機(jī)端功能測(cè)試。

PC客戶端功能測(cè)試界面，能夠看到室內(nèi)溫濕度、有無(wú)火災(zāi)、光線強(qiáng)度、有無(wú)人靠近等信息，還能利用界面的空調(diào)按鈕控制室內(nèi)空調(diào)溫濕度，利用臺(tái)燈按鈕能夠控制臺(tái)燈亮度，用戶可以根據(jù)自己的生活習(xí)慣設(shè)置參數(shù)，使系統(tǒng)能夠自主為用戶服務(wù)。在手機(jī)客戶端中，利用設(shè)置按鈕將網(wǎng)關(guān)服務(wù)器端口號(hào)、IP號(hào)輸入網(wǎng)關(guān)服務(wù)器連接平臺(tái)服務(wù)器后實(shí)現(xiàn)功能控制。通過(guò)手機(jī)APP的功能控制界面可以查看溫濕度、光線強(qiáng)度、煙霧報(bào)警器等數(shù)據(jù)信息，利用界面按鈕能夠控制臺(tái)燈的工作方式以及空調(diào)開(kāi)關(guān)，還能夠得到攝像頭監(jiān)控區(qū)域中的圖像，這些測(cè)試都驗(yàn)證了手機(jī)客戶端的功能[8]。

五、結(jié)束語(yǔ)

IPv6安全性高，并且維護(hù)成本比較低，具備廣闊應(yīng)用前景，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)，要充分考慮硬件、軟件、人機(jī)交互等多方面問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分了解用戶需求，并且結(jié)合技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)的需求，選擇合適的硬件設(shè)備和軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)具有良好用戶體驗(yàn)、高度智能化、可靠性高的智能家居系統(tǒng)，使人們的生活更加網(wǎng)絡(luò)化、智能化，能夠及時(shí)感知安全參數(shù)，降低損失，備受人們的喜歡。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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[2]郭趙飛，陳繼坤，薛兵，等.基于電力載波通信技術(shù)的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（34）：121-124.

[3]李亞慧，劉娜，劉國(guó)權(quán)等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2021（4）：125-126，139.

[4]趙彥，孫俊，時(shí)凱欣.N-pod多品牌智能家居語(yǔ)音控制設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng)，2021，51（7）：59-66.

[5]陳曄，楊華.基于IPv6通信協(xié)議的高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J]，網(wǎng)絡(luò)安全和信息化，2022（3）：57-60.

[6]黃歡.基于云平臺(tái)支持多通信協(xié)議的智能家居平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)版，2021，17（33）：74-77.

[7]張子卿，張華.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居語(yǔ)言輸入形式自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（24）：6-10.

金鵬（1982.04-），男，漢族，山東濟(jì)南，本科，工程師，研究方向：信息工程。