智能家居安全监控系统设计

题 目 智能家居安全监控系统设计 姓 名 学 号 系 别 专 业 年级班级 指导教师 2016 年 2 月 25 日 毕业论文 设计 作者声明毕业论文 设计 作者声明 本人郑重声明 所呈交的毕业论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 本人完全了解有关保障 使用毕业论文的规定 同意学校保留 并向有关毕业论文管理机构送交论文的复印件和电子版 同意省级 优秀毕业论文评选机构将本毕业论文通过影印 缩印 扫描等方式 进行保存 摘编或汇编 同意本论文被编入有关数据库进行检索和 查阅 本毕业论文内容不涉及国家机密 论文题目 智能家居安全监控系统设计 作者单位 作者签名 年 月 日 目目 录录 摘 要 2 1 绪论 5 1 1 课题研究背景及意义 5 1 2 国内外研究现状 7 2 智能家居系统架构设计 8 2 1 智能家居系统需求分析 8 2 2 家庭内部数据采集及控制子系统 9 2 3 云服务器数据存储及警报子系统 9 2 3 家庭内部数据采集及控制子系统 10 2 4 网络摄像头 10 3 网关通信 10 3 1 网关通信子系统 10 3 2 摄像头采集软件 11 3 3 传感器网络数据收集及控制 12 4 总结 14 致 谢 15 参考文献 16 2 智能家居安全监控系统设计智能家居安全监控系统设计 摘摘 要要 随着科学技术和经济的快速发展 在当下人们的生活水平有了显著 的提高进步 物质生活也急速的丰富着 人们急切需要着更高级的物质生活体 验 智能家居系统可以提供给人们更加舒适便捷和安全的居住环境 随着设备 的小型化以及家庭网络的高速化 加上无线 和等通信技术的发展 人们已经 可以随时随地的高速地接入 方便成熟的云计算技术以及物联网技术等也为智 能家居的实现奠定了坚实的技术基础 一方面 中国的城镇化步伐正在一步步 加快同时老龄化问题和空巢老人 留守儿童安全都是现代社会存在的问题 如 何保证让年轻人好好工作同时也兼顾好家庭后方的安全 这样的矛盾越来越突 出 智能家居系统在当前的社会形态下意义重大 借助本系统 在外面工作的 年轻人可以随时随地的照看家里的老人和孩子 免除了年轻人的后顾之忧 可 以更好的创造价值服务社会 另一方面 通过智能家居系统对家庭进行实时监 测保护 如果有火灾 入室盗窃等险情 用户可以在第一时间知道 并作出相 应反应 减少损失 综上所述 本课题有着巨大的经济价值以及社会意义 但是 现有的设备智能程度 舒适度远远不能满足人们的需求 例如 实 时性偏差 安装操作较繁琐 信息资源利用率低和数据瓶颈较多等问题 本文 通过研究基于家庭网关 实时监控以及云端服务的智能家居体系框架深入研究 学习传感器网络技术 视频监控 新型展现技术 并利用了云计算的多服务性 高可用性 便捷性和便宜等优点 提出了一种远程且可实时控制的智能家居实 现方案 从而为大家提供最优的服务 本文通过互联网资讯以及相关文献 调 研了智能家居领域的国内的政策 资本领域的投资动态 了解了本行业的潜力 及局限性 同时思考和实现这一系统的主要功能需求以及各种需求需要采用何 种技术来实现 如何实现的问题 本系统涉及的技术领域有传感器网络 视频 监控技术 计算机网络通信技术等 通过对上述各种技术的调研以及学习 将 各种技术的优点结合汇总到本系统 重点考虑系统的安全性 简用性以及扩展 性 总体设计智能家居系统 将系统的功能需求进行了细化到各个子模块 并 采用相应的技术进行设计以及实现 重点介绍室内及系统的设计 关键字 智能家居 远程监控 安全 云服务器 3 Design of smart home security monitoring system Abstract With the rapid development of science and technology and economy moment in the people s living standards have improved significantly material life is also rapidly rich there is an urgent need for more advanced material life experience the smart home system can provide people with more convenient and comfortable living environment With the miniaturization of the equipment and the high speed of the home network as well as the development of wireless and other communication technology people have access to Easy to mature cloud computing technology and networking technology etc also for the realization of the smart home to lay a solid foundation On the one hand the pace of China s urbanization is being accelerated further and aging problem and empty nesters left behind children are now exist in society how to ensure for young people to work hard but also take into account the family behind the security problems are becoming more and more prominent Smart home system in the current society is of great significance with the system working in young people can anytime anywhere to look after the home of the elderly and children eliminating the worries of young people can better create value and social service On the other hand through the intelligent Home Furnishing system for real time monitoring of the family if there is a fire burglary and other dangerous situations the user can know in the first time and react reduce losses In summary there is a huge economic value and social significance of this topic But the existing equipment intelligence and comfort can not meet people s needs such as the problem of real time installation deviation complex operation low utilization rate of resources and data bottleneck more etc The through study based on home gateway real time monitoring and cloud services of smart home system framework in depth study of learning sensor network technology video surveillance technology the new display technology at the same time using the advantages of cloud computing services high availability and low a remote real time control of smart home is presented so as to provide people with the best service This article through 4 the Internet information and related literature the research of dynamic investment policy the field of intelligent home Home Furnishing capital To understand the potential and limitations of this industry at the same time thinking to achieve the main function requirement and various needs of this system needs to achieve the use of the technology how to realize the problem The system involved in the technical field of a sensor network technology video monitoring technology network communication technology and computer technology through the survey and study of these technologies the technology combines the advantages of the system We focus on the security of the system Jane and the expansion of the overall design of smart home system the system s functional requirements are refined to each sub module and the corresponding technical design and implementation focuses on the interior and system design Key words Smart home remote monitoring security cloud server 5 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 随着科学技术和经济的快速发展 在当下人们的生活水平有了显著的提高 进步 物质生活也急速的丰富着 人们急切需要着更高级的物质生活体验 智 能家居系统可以提供给人们更加舒适便捷和安全的居住环境 随着设备的小型 化以及家庭网络的高速化 加上无线 和等通信技术的发展 人们已经可以随 时随地的高速地接入 方便成熟的云计算技术以及物联网技术等也为智能家居 的实现奠定了坚实的技术基础 一方面 中国的城镇化步伐正在一步步加快同 时老龄化问题和空巢老人 留守儿童安全都是现代社会存在的问题 如何保证 让年轻人好好工作同时也兼顾好家庭后方的安全 这样的矛盾越来越突出 智能家居系统在当前的社会形态下意义重大 借助本系统 在外面工作的 年轻人可以随时随地的照看家里的老人和孩子 免除了年轻人的后顾之忧 可 以更好的创造价值服务社会 另一方面 通过智能家居系统对家庭进行实时监 测保护 如果有火灾 入室盗窃等险情 用户可以在第一时间知道 并作出相 应反应 减少损失 综上所述 本课题有着巨大的经济价值以及社会意义 但是 现有的设备智能程度 舒适度远远不能满足人们的需求 例如 实 时性偏差 安装操作较繁琐 信息资源利用率很低和数据瓶颈较多等问题 本 文通过研究基于家庭网关 实时监控以及云端服务的智能家居体系框架深入研 究学习传感器网络技术 视频监控 新型展现技术 并利用了云计算的多服务 性 高可用性 便捷性和便宜等优点 提出了一种远程且可实时控制的智能家 居实现方案 从而为大家提供最优的服务 本文通过互联网资讯以及相关文献 调研了智能家居领域的国内的政策 资本领域的投资动态 了解了本行业的潜 力及局限性 同时思考和实现这一系统的主要功能需求以及各种需求需要采用 何种技术来实现 如何实现的问题 本系统涉及的技术领域有传感器网络 视 频监控技术 计算机网络通信技术等 通过对上述各种技术的调研以及学习 将各种技术的优点结合汇总到本系统 重点考虑系统的安全性 简用性以及扩 展性 总体设计智能家居系统 将系统的功能需求进行了细化到各个子模块 并采用相应的技术进行设计以及实现 重点介绍室内及系统的设计 6 当下社会经济与科学技术飞速发展 显著的提高了人们的生活水平 不断 的丰富人们的物质生活 人们对于居住的环境有了更高期望 智能家居生活理 念也逐步进入人们的视野 并且 随着设备小型化 家庭网络高速化 方便成 熟的云计算 物联网技术及无线 4G 和 WIFI 等通信技术发展让人们已经可以 随时随地高速的接入到网络 这为智能家居的实现奠定了坚实的基础 智能家居又称家庭自动化 实质上是通过先进计算机技术将日常家居生活 相关的各个子系统 有机地综合起来同时对其进行统筹管理而形成的高度智能 化智慧家庭 这是基于住宅的建筑结构结 网络通信以及家电设备自动化 构 建一个集管理 服务于一体的良好居住环境 为人们提供安全 舒适 便利以 及环保的家居生活 具有智能家居系统的家庭和传统家居相比 同时具备一般 家居所必须的功能 而且将具有自动化 能动指挥的智能得家居工具代替被动 的静止家居设备 为家居生活提供了全方位的信息交互和设备控制的功能 从 而保证了家庭内 外部之间的信息交互畅通 使得人们可以有效的安排时间 增强家居生活的安全性和便利性 可对各种家居资源进行合理配置 节约种能 源费用 大大改善人们的生活方式提升了人们的生活质量 智能家居系统实现家居智能化于子系统有效的融合 主要组成子系统有 智能家电控制系统 安防控制系统 环境监测系统和云端服务器系统等 优秀 的智能家居系统要能够为用户提供以下几种智能化的服务 随时在线的网络 通信服务 智能家居所有基本功能都需要网络通信 要求系统和互联网始终相 连 为各种设备应用提供通信条件 智能的安全防范措施 视频监控可对非 法的入侵 火灾 煤气泄漏及老人儿童的紧急呼救等危险事件进行实时监控 并可提供相应的警报和应急处理措施 家电设备的自我调整及远程控制实现 对对家庭娱乐设备 照明设备 安防设备 温湿度调节以及各种网络家电设备 进行整合 使用户可根据个人喜好进行不同场景的配置和控制 电器设备的智 能控等 友好的交互式控制 通过各种传感器 如光电 烟雾 温湿度 红 外等 实现室内的信息主动上报 家庭物业信息服务 能提供管理家庭信息 和并与物业公司联系 例如通过楼宇对讲系统 进行语言 可视对讲等沟通 及时的获取到物业服务信息等 在线健康服务 医疗设备监测家居化 把医 疗监测场所从医院中心转移到家庭内部 实现用户自主检测和管理自己的健康 7 状态 为用户提供方便 持续的身体医疗监测服务剛 近几年以来 随着智能家居行业的高速发展和人们对家居智能化要求不断 提高 智能家居行业的问题和挑战日益突出 第一 智能家居的技术规范及标 准缺乏 虽然火热的智能家居概念推动了相关产品飞速发展 并很快进入市场 进入进入千家万户 但目前智能家居产品各自独立 无统一的技术规范标准可 以遵循 使得各个厂家的设备很难相互兼容 给用户带来很大不便 从而极大 地限制了智能家居市场的更进一步发展 第二 智能家居系统需要优秀的硬件 提供基础支持 否则难以克服技术屏障 获得长足的可持续发展 例如 智能 家居系统需要存储设备烦人容量足够大 假如存储设备的容量不足 就可能造 成信息无法保存 更危险的是导致关键数据未保存 使得用户对家居的数据信 息进行处理时原始的重要信息丢失而导致不可预测的损失 第三 当下智能家 居设备消费门滥和价格偏高 由于当前软 硬件技术等的局限性 原始产品成 本较高 售后投入的维修以及更新成本较高 使得当下的智能家居产品价格偏 高 同时对用户的知识要求偏高使得消费群体主要集中在高高收入和高知识人 群 由于智能家居服务是增值服务 家居的本质是居住 在收入一般的普通家 庭 用户觉得智能家居是可有可无的 不影响住房的居住本质 这就是智能家 居普及推广较缓慢的原因之一 第四 智能家居的安全性与个人隐私问题受到 大众的质疑和关注 在信息社会个人的信息安全安全与隐私问题是一个重大的 隐患 信息的泄露可能被不法分子使用 已到达不可告人的目的 一旦智能家 居的使用越广泛与普及 这种安全隐患便不断地放大 故 确实有效的保证用 户的信息安全与隐私 使用户信息不泄露将是本行业面临的严峻的挑战之一 故 如何对现有资源的最大化利用 高速大容量的存储和数据信息处理 简化 交互操作流程 提高设备性能降低成本 确保用户的信息安全和隐私等 将是 智能家居行业继续高速发展亟需解决的技术难题与挑战 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 智能家居系统包括本地内部物联系统和云端服务器 要实现二者的结合 必须要对当前现有的智能家居系统及云计算的发展现状进行深入的分析研究 通过了解二者的发展现状和发展特点 将两者的技术优势进行互补和融合 使 其各自的优势得到最大的发挥 下面将从智能家居及云计算这两个方面的国内 8 外发展现状进行详细深入的阐述 再结合现有的智能家居产品和云服务器对接 设备进行对比分析 智能家居未来的市场潜力巨大 2014 年 1 月份 Goggle 以花巨资收购智能 家居设备厂商 Nest Labs 和人工智能厂商 Deep Mind Goggle 提出了 Home Kit 开发套件 Aandr Home 等智能家居概念 从 Goggle 的研发和收购举措上看 Goggle 非常看好这个市场 2013 年年底以来 我国就有超过 200 亿元资金流向智能家居这个行业 引 起公众对该行业的投资狂潮 根据我国的基本国情和城镇化不断加速 老年化 的不断加剧 智能家居行业也必将迎来发展的黄金时期 通过调查的数据和结 论可以看出 一方面 全国不断推进的城镇化为智能家居市场提供更多的潜在用户 2013 年我国城镇化率为 53 7 到 2020 年将升至 60 以上 随着人们生活水平 和生活质量的不断提高 普通民众对日常生活赋予了更多娱乐 便捷和个性化 的需求 形成了数量巨大的潜在智能家居消费用户群 另一方面 我国老龄化 的进程逐渐加速 居家养老的理念和需求逐日增加 对智能化的家居环境也与 日剧增 截止于 2013 年底 我国在 60 岁以上的老年人数量已超过 2 亿人 占 总人口的比例为 14 9 这个比例远高于联合国对传统老龄人社会的标准比例 10 预计在未来 20 年我国将进入老龄化社会的高峰期 调查报告显示 选择 在家养老的老人超过了 90 而很多独生子女夫妇由于工作 生活 双方老人 难以同时兼顾等诸多原因 很难时时刻刻伴随在父母身边 而智能家居系统的 实时视频监控手段及智能化的生活方式为子女照顾老人 为提高老年人在家中 的生活质量和安全提供了有效的保障 2 2 智能家居系统架构设计智能家居系统架构设计 2 12 1 智能家居系统需求分析智能家居系统需求分析 用智能家居系统要实现一个可以实时的监控室内环境 可通过远程控制室 内设户使用友好的一个系统 同时要保证用户的信息安全 实现系统可配置可 修改可扩展的特性 对这个主旨进行细化 本系统的主要需求应包括 收集 家庭内部的信息 处理信息 存储信息 上报给主人 主人对信息做 出反应 家庭内部设备对用户的操作做出相应的动作 实时监控 期间保证 9 数据存储安全 在家庭内部设备被物理销毁后还可以保留证据 用户体验好 通过上述的描述 家庭内部必须具备环境参数的采集 同时需要对数据进行处 理 辨别危险信号数据 将数据保存到远端 用户可以和家庭内部设备进行交 互 从上述分析中看出 系统可以分为四大部分 数据采集子系统 数据传输 子系统 数据存储 数据分析及报警子系统 用户界面及交互逻辑分子系统等 2 22 2 家庭内部数据采集及控制子系统家庭内部数据采集及控制子系统 家庭内部数据采集子系统的设计必须满足可扩展性好 易于布线 方便使 用 设备安全性和节能性高 从可扩展性和易于布线上考虑 系统必须采用无 线的采集数据方式 通过无线传感器网络来收集家庭内部各个区域的各种环境 信息 例如烟雾信息 温度 湿度信息 光照信息等 因收集信息分布较远 且不易布线 故必须采用无线的通信手段 这样 既减少了布线的复杂性 也 较容易扩展 传感器网络经过多年的发展 已经相当成熟 而且很多的电子芯 片商家将微处理器结合了 Zigbee 协议 开发人员可以很容易对传感器网进行开 发 较出名的芯片为 TI 公司出品的 CC2430 芯片 功耗极低 开发者可以通过 让芯片进行体眠降低功耗 提高芯片电池的使用寿命 系统需要对家庭内部进行图像监控 必须部署监控摄像头 而且摄像头需 要通过远端控制实现自由转动以扩展视角 避免出现监控死角 需要构建一个 可动的监控摄像头 包括了摄像头及控制摄像头的电机 电机可以通过用户界 面进行控制调节 电动机转动的角度应该可控 可调 步进电机是一种可以通 过电型号脉冲序列可控的电机 因此可以满足角度转速可控的需求 摄像头采 用较简单的网络摄像头 通常采用 USB 摄像头即可 不需要即插即用 而且价 格低廉 容易购买 2 32 3 云服务器数据存储及警报子系统云服务器数据存储及警报子系统 智能家居系统需要一个云服务器的原因 主要是考虑数据的异地存储 例 如 假如将数据存储在本地容易被破坏 如火灾或者人为破坏 同时系统也可 以考虑用户的需求 假如用户有多套房产 同时部署了本系统 那么系统应该 为用户提供一个统一的入口 简化用户的操作 在云主机上需要部署网络服务 器 数据库 该系统应提供数据分析功能 对数据进行比较和融合 提供监控 10 报警的略 及时的将警报信息通知给用户 让用户的家庭在出现问题时 能及 时处理以减少损失 当前国内主流的云服务器有阿里云主机 百度云主机 新 浪云主机等云服务提供商 为个人和公司提供稳定安全的云服务 2 32 3 家庭内部数据采集及控制子系统家庭内部数据采集及控制子系统 智能家居系统需要采集的主要环境信息有 温度 湿度 烟雾 火焰等信 息 以及通过门窗的红外信号监控开关量等信息 由于采集点位置主要分布较 远 不易布线 故对这些传感器釆用无线的接入方式 传感器简单部署即可 通过无线网络接入 以网关为中心釆用星型部署方式 集中将数据报告到网关 网关统一收集后传输至云端数据库存储 以便数据处理及历史数据查询 无线 传感器节点既可以作为数据釆集 也可作为简单开关 通过继电器 可以采用 弱电控制强电从而实现远程开关功能 在遇到紧急的事件时 可以实现远程关 闭或打开某些设备 以达到远程控制的目的 2 42 4 网络摄像头网络摄像头 摄像头根据实现方式可分为数字和模拟两大类 模拟摄像头把视频采集设 备上所产生的模拟的视频信号转换成为数字信号 然后将其储存到计算机内 其的工作流是 捕捉视频信号 将模拟信号转换成为数字模式一加以压缩一存储 至计算机上一加工运用 而数字摄像头的工作流程是 直接捕捉影像信号一通过 串口 并口或 USB 接口一存储至计算机上一加工运用 可以看出 数字摄像头 比模拟摄像头更为先进 便捷 而且数字摄像头的整体成本较低 故数字摄像 头是现在电子市场上的主流摄录设备 同时 由于串口 并口的传输速率远小 于 USB 接口的传输速率 故目前市场上可见的大部分产品以 USB 数字摄像头为 主 网络摄像头基本上是每家每户的必须品 且绝大部分摄像头为 USB 网络摄 像头 为了使本系统的成本更低 故拟采用 USB 网络摄像头作为本系统的摄像 设备 3 3 网关通信网关通信 3 13 1 网关通信子系统网关通信子系统 网关是本系统的重点部位 其负责沟通室内设备和外部的云服务器 故网 关必须有接入互联网功能 而且为了接入摄像头云台 必须带有 USB 接口 4 11 个 GPIO 接口来控制步进电机 同时需要一个以上的串口和 I2C 接口等通信接口 同时处理能力上也需要能处理高清的视屏及音频数据等 总之 需要网关外部 接口丰富 容易扩展 下面介绍两种创客使用最多的卡片是电脑 Raspberry Pi 和 BeagleBone BlackCBBB 1 Raspberry Pi Raspberry Pi 中文名为 树毒派 简写为 RPi 或者 RasPi RPi 是为学生计算机编程教育而设计 只有银行卡大小的卡片式微型电 脑 其基于 Linux 系统 自问世以来 受众多计算机发烧友和创客的追捧 曾 经一 派 难求 别看其外表 娇小 内 心 却很强大 视频 音频等功能 通通皆有 可谓是 麻雀虽小 五脏俱全 2 BeagleBone Black Beaglebone 可以在十秒之内加载 Linux 的 DIY 迷 你主板 BeagleBone Black 也维持了同样的性能水准 但其售价却只有上代产 品的一半 BeagleBone Black 售价为 45 美元 约合人民币 280 元 其硬件配 置包括 1 GHz ARM Cortex A8 处理器 3D 图形加速器 一副 PRU 32 位 RISC CPU 2GB ROM MicroSD 卡槽和 512MBRAM 同时 Beaglebone Black 的接口 也相当丰富 包括 1 个 USB 接口 1 以太网接口 Micro HDMI 接口和两个 46 针 接口 3 23 2 摄像头采集软件摄像头采集软件 在监控领域内有很多的开源监控软件 例如 ZoneMinder iSpy VLC 和 Mjpg Streamer 等开源软件 ZoneMinder 是一套基于 Li 操作系统的摄像机的视 像数据监控的应用软件 应用范围广泛 包括商业或家居防盗等 ZoneMinder 支持单一或多台视像镜头应用 包括摄取 分析 记录 和监视来源 要使 ZoneMinder 正常运行起来必须首先配置好 Li 下的 PHP MySQL 环境 而且还 有在系统上至少有一个摄像头能稳定工作 接下来就可以通过 ZM 的 Web 介面 监控重要场所了 使用 ZM 最大好处是可以在摄像头监视的情况之下实现动态 的图像识别 即判断某指定区域之内是否有外来人或物入侵 如果有的话则可 以将相关的图像和视频保存起来 并通过网络使得你可以再然和可以连网的地 方进行监视 iSpy 和 ZoneMinder 类似 功能强大 VLC 是一个视频播放器且 也可以配置成为视频服务器 但是视频需要使用 VLC 播放器的插件才可以在网 页上播放 12 MJPG streamer 是一款开源监控软件可从摄像头采集图像 把图像以数 据流的形式通过基于 HTTP 协议将图像传输至浏览器 并展现给用户 它利用 了某些 Webcams 的硬件图像压缩功能从而来降低了服务器的 CPU 开销 减少 了视频帧压缩的大量计算资源 减轻了嵌入式设备和服务器的压力 是一个不 可多得的轻量级的视频监控解决方案 软件通过插件 plugin 的形式在增加系统 的灵活度 可将一个 input plugin 对应到多个 output plugins 输入的方式有 inputee file so 从文件输入 input uvc so 从摄像头输入 等 输出的方式有 output file 将视频流存储到文件 output http 通过 http 协议传输到浏览器 等 可见 Mjpg Streamer 配置灵活使用方便 可根据需要进行多种配置 同时也支持 照片截取功能 故 Mjpg Streamer 适合更适合本系统的需求 本系统采用 input uvc so 作为输入将 outputee http so 作为输出来实现系 统的直播 监控 下载最新的 Mjpg Streamer 树墓派上 编译安装后 设置启动脚本 start mjpg streamer sh 为 bin sh export LD LIBRARYse PATH pwd mjpg streamer i input uvc so f 15 o output http so p 1234 w pwd www 启动脚本各个参数的意义 i input uvc so 表示 input uvc so 从 USB 摄像头获取图像作为输入 f 巧表示帧数为巧帧每秒 一 o output http so 表示以 http 作为输出 一 p 1234 表示 http 服务器的端口号为 1234 一 w pwd www 表示 http 的根目录为当前目录下的路径 3 33 3 传感器网络数据收集