智能安防系统

基于M2M的智能安防系统设计方案12073103赵国帅12073106満富国11概述随着物联网、无线传感器网络、嵌入式单片机、移动通信等现代网络信息技术的发展，智能家居将以专业化、整体化、低成本的特点迎来高速发展的机会。当智能家居走进我们的生活时，安全会成为人们对智能家居的必然要求，并促使安防系统成为智能家居的关键部份。为解决传统智能家居安防系统中存在的功能单一、误报率高、不能实现实时远程网络报警、不能记录现场情况和犯罪证据等不足，以及满足人们对现代家居的智能化新需要，本文基于成熟的嵌入式单片机技术基础，结合目前现有的IOT、第三代移动通信、全球定位系统以及位置服务等新技术，提出了一套智能家居安防系统解决方案。该解决方案依据现代人的个性化需求，将与家居生活有关的各个安防子系统如智能门禁、WSN环境监控、移动物体定位和远程监控等有机的结合在一起，通过无线网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活安防体验。2关键技术概述2.1无线传感器网络无线传感器网络：无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。WSN的发展得益于微机电系、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展。WSN广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域。2.2门禁系统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。2.3中央控制系统中央控制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WebServer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2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。2.4远程监控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。3系统整体方案本系统实现功能主要包括：用户身份识别，可以通过采集到的人脸、语音、指纹等数据的一种或多种个人特征完成；特定物体检测及报警，对需要监控的物体进行实时的跟踪定位，保证人身财产安全；室内特定区域的实时监控，通过摄像头及移动物体检测算法和自动预警，在发现区域内出现不明物体时自动进行报警；远程监控，对于传感器收集到的数据，使用搭建的Web服务器，用户可以通过互联网进行远程查看和监控；自动报警，用户可以通过设置，在特定区域内出现浓烟、高温、门窗破裂时向主人或保安中心发出报警同时启动室内视频监控系统。系统功能构架如图2-3所示。本系统预期实现五个功能模块如图2-4所示。34系统实现方案4.1门禁系统4.11门禁系统硬件设计门禁系统做为安防系统的重点，由可控旋转电机、摄像头、麦克风、指纹识别器组成。为实现该系统的语音、图像识别等功能，同时达到低功耗、高可用性的要求，我们使用SPCE061A单片机作为控制板，并在控制板上增加了语音模块，控制板通过串口与服务器联系，在服务器发送控制信息后语音模块和电机作出相应动作。其工作分为监控和设置两种工作模式：监控模式：用户通过触碰门禁开关触发主程序的等待激活时间，并做出处理，通过控制板上得语音模块提示用户进行身份验证，用户则通过预先设置的身份特征信息进行身份验证，若身份正确则通过设置好的可控旋转电子开门，非法入户则通过后台程序通知用户或报警。设定模式：用户可通过主程序对系统进行控制。通过设备采集器采集合法用户的指纹、人脸、语音等信息，并录入主程序制作匹配模板。通过后台设置，可控制进门时需要验证的特征组合，可单选或多选。设计过程中我们在SPCE061A单片机基础上自主研发设计了一款门禁控制板。该控制板集成语音识别、图像识别、用户特征采集、串口通讯、USB通信以及电磁开关模块。(1)用户特征采集模块本系统通过外置采集设备对合法用户的指纹、语音、相貌等特征进行采集，虽然4使用的时普通摄像头、麦克风等低成本设备，但通过算法设计、系统优化等工作降低系统对采集部门依赖，实现了系统的可用性。①指纹图像采集通过指纹采集器对用户指纹进行录入，将每个采集到的数据存储至AVI流，通过图片分帧技术形成两张512x512的灰度图。当用户出门时触发指纹比对模块进行指纹比对。②语音采集通过使用终端上得麦克风、声卡设备采集用户的特定语音，将语音存储至服务器，并将其属性设置为16bit、16kHz。在用户进门触发语音模块后对语音进行比对。③人脸图像采集使用现有的摄像头采集用户正面彩色照，将其分辨率改为256X256，并存入服务器。当用户激活门禁系统后通过摄像头抓取用户正面照，并形成相同属性的照片与服务器照片进行比对，如果抓取抓取失败则进行语音提示。(2)语音识别模块该模块语音样板的采集非常重要，系统语音识别分为特定发音人和非特定发音人两种模式。特定发音人是指采集的语音样板有一个用户发出的非特定指令，对同一个语音样板发出不同语音命令进行效验识别，在他人发出的语音时由于不识别或识别率低拒绝进入。非特定发音人是指采集的语音模板是由多个人发出的特定语音信号，系统通过对该信号储存，系统可识别多个人对该特定语音信号的识别。两种模式用户可以根据需要在系统内设定。(3)图像识别模块该模块主要是利用SPCE061A识别指纹和照片。该模块由摄像头、CMO传感器、图像处理芯片组成。其硬件连接结构框图如图4-1所示。图像处理芯片分析和处理CMOS传感器传过来的图像信号，并得出相应的信息（颜色、形状等等）。图像识别模块和外界的接口共有6针，依次接在图像处理芯片上：VCC、SCK、SD、RDY、图像识别3_RESET和GND。5图像处理芯片使用的是凌阳科技的图像识别控制器，此芯片内置AE/AWB功能。4.2门禁身份识别智能门禁子系统主要是根据生物特征采集模块所得的人脸、语音、指纹等生物特征数据，通过图像识别控制器和语音识别模块实现的人脸、指纹和语音等神武特征的身份识别。4.2.1特定用户声音身份识别该系统基于单片机进行特定人语音识别方法进行用户语音身份识别，以保证其使用过程中的唯一性和安全性，识别过程原理如图4-4所示。特定人的语音识别程序主要包括形成语音样本、识别语音样本和语音提示三个部分。形成语音样本主要通过条用数据库函数BSR_Train来实现，为了避免错误的语音命令，每条语音样本通进行两次采集，只有两次采集的语音样本完成相同才成功。由于语音样本是存储在系统的随即存储器中，如果掉电数据将丢失，所以语音样本在重新供电的时必须重新训练。4.2无线传感器网络本文通过ZigBee协议设计无线传感网络，进行各种数据的网线传输，并通过控制板方式对传输工作进行实时监控。该网络主要包含两类节点：汇聚节点用于收集数据，通过直接连接在服务器的中心节点完成收集；普通节点用于获取传感器数据的传输，包括整个传感器、节点和控制板。在本文中通过使用火焰、燃气、烟雾、人体红外感应传感器来全面的收集室内信息。基于ZigBee的WSN主要由各种传感器节点构成，通过ZigBee协议实现通讯，以一块SPCE061A单片机作为传感器信息处理核心控制板，与各传感器、按键、喇叭、指示灯等构成报警系统，进而实现燃气泄漏报警、火灾报警、烟雾报警以及外人侵入报警。下面分别设计各个传感器控制报警硬件模块。6(1)燃气传感器控制模块燃气传感器检测到周围环境中有可燃气体存在时，就产生报警信号，模块进行声光报警，报警指示灯闪烁，喇叭播报“煤气泄漏啦！煤气泄漏啦！”的报警语音。然后可通过按键实现燃气撤防功能，报警指示灯熄灭。(2)火焰传感器控制模块当火焰传感器检测到周围环境中有明火产生时，就产生报警信号，模块进行声光报警，报警指示灯闪烁，喇叭播报“着火啦！着火啦！”的报警语音。然后可通过按键实现火焰撤防功能，报警指示灯熄灭。(3)烟雾传感器控制模块当烟雾传感器检测到周围环境中有烟雾产生时，就产生报警信号，模块进行声光报警，报警指示灯闪烁，喇叭播报“冒烟啦！冒烟啦！”的报警语音。然后可通过按键实现烟雾撤防功能，报警指示灯熄灭。(4)人体感应红外传感器控制模块当人体感应红外传感器检测到周围环境中有人进入时时，就产生报警信号，模块进行声光报警，报警指示灯闪烁，喇叭播报“有小偷啦！有小偷啦！”的报警语音。然后可通过按键实现人体感应撤防功能，报警指示灯熄灭。归纳以上四个传感器控制模块，基于ZigBee的WSN的控制模块硬件结构如图3-5所示。4.3中央控制器系统使用宏控KT-820作为服务器，在服务器通过相应中央控制系统实现对各个子系统的安全监控。对于各个子系统的设计选用凌阳单片机SPCE061实现控制。在无线传感器网络子系统中采用ZigBee协议实现WSN通讯。75结束语该系统的亮点主要在于通过与目前市场上的安防系统作比较，利用目前主流的物联网和3G技术，引入基于LBS的GPS定位服务，实现了更智能、高效、可靠的智能家居安防系统，满足用户对特殊目标的实时监控需求；使用Zigbee对室内环境的实时监控，在降低成本的同时增加了系统的扩展性；通过远程网络监控系统，实现各个系统的数据远程访问、查询和控制功能，大大提高了系统的应用前景和价值。