基于物联网技术的家庭安防和老幼监护系统20140522(Final)

1、2014 年物联网发展专项资金项目申请报告项 目 名 称：基于物联网技术的家庭安防和老幼监护系统项目申报单位：宁夏赛恩科技集团股份有限公司 (盖章)主管部门（单位）： (盖章)申报日期：2014年5月15日 基于物联网技术的家庭安防和老幼监护系统目录第1章项目申报单位概况4第2章项目概要、背景、目的和意义52.1项目概要52.2项目背景72.3项目的目的和意义11第3章项目前期开发情况及所具备的基础13第4章项目实施方案154.1项目目标154.2主要内容174.3组织方式194.4技术路线194.5项目进度安排404.6项目实施期限41第5章项目资金预算42第6章申请物联网发展专项资金的理由

2、43第7章技术经济和社会经济效益分析447.1技术经济效益447.2社会经济效益46第8章其他需要说明的情况47第9章项目申报单位签章48第10章项目主管部门审核并盖章4949第1章 项目申报单位概况宁夏赛恩科技集团股份有限公司（以下简称赛恩集团）成立于2012年11月，公司企业法人营业执照号码为640100200127993，地址为宁夏银川市兴庆区凤凰南街183号，法定代表人为孙亮。赛恩集团主要从事物联网行业，行业代码6490，是一家集物联网技术、新能源技术、通信产品研发及消防技术四大主业为一体的科技创新型科技企业。企业注册资金5051万元人民币,集团下辖四个子公司，即宁夏赛恩物联网技术有限

3、公司、宁夏赛恩能源技术有限公司、宁夏赛恩通信工程有限公司及宁夏赛恩消防技术有限公司。赛恩集团现有员工234人，拥有大批国内物联网行业顶尖研发人员，在物联网行业建设方面具有丰富的经验，在宁夏物联网行业技术领先。赛恩集团作为宁夏物联网行业协会会长单位，致力于物联网核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网技术广泛应用格局，有效推动了宁夏物联网产业链的完善发展。第2章 项目概要、背景、目的和意义2.1 项目概要随着物联网、云计算等新兴技术的快速发展，丰富多样的信息服务正逐步改变着人们的生产和生

4、活方式，数字化、信息化成为未来社会发展的方向。基于物联网技术的家庭安防和老幼监护系统，利用信息传感设备将家庭中各种传感设备、通信设备、计算机设备、家用电器、安防设备等智能产品通过信息网络连接起来，以强大的云计算、物联网以及支持大数据量传输的宽带网络为支撑，进行实时信息采集、交互和管理，实现家居安防远程化、智能化。赛恩集团依靠产学研用方式，联合西安电子科技大学等知名高校和IBM等著名企业，针对越来越多的家庭安防和老幼监护的市场需求，立项研发应用于老人儿童身体健康实时监测、运动情况实时定位跟踪系统，并在该系统中融入远程对家庭燃气、用电、防盗等监控，实现家庭安防远程监控的功能，具有很强的实用性和社会

5、价值。具体应用场景如图1所示。图1 智能家庭应用场景本项目以物联网技术为基础，通过3G/4G无线网络或者现有的电信/广电网络，利用传感器、RFID、远程监控技术、智能图像分析、海量数据挖掘以及网络传输等技术，能够实现家庭门禁、实时远程监控、老人/儿童的位置获取、出行状况、突发事件应急处理等服务应用；在此基础上，通过与公共安全信息平台相互连接，实现高效的安防信息共享、家庭远程监护、应急处理等公共服务，进而构建综合性家庭安防和老幼监护系统，努力实现及时提醒，提前预防。本项目以远程家庭安防、老人儿童监护为应用示范，针对目前智慧家庭中异构网络、多源异构数据、多样化服务并存的现状，以网络融合、数据融合、

6、服务融合为核心关键技术，研发安全高效的远程家庭安防和老幼监护系统。对于家庭安防，在家庭关键区域安装智能传感器（可燃气探测器、烟雾探测器、门锁感应器、监控摄像头等），通过家庭网关将数据实时上传至云平台系统，家属可以通过手机APP随时查看家庭安全情况。当系统检测到危险发生时，由云平台自动向家庭成员发出警报。对于老人，通过24小时佩戴健康终端设备，实时监测身体健康数据（心率、体温等）并上传到云平台系统，形成老人身体特征基础数据库，当云平台系统分析出异常情况时，将主动推送预警信息到终端设备，提醒老人及家属注意。对于儿童，通过随身佩戴具有GPS定位功能的终端设备，实时获取儿童的位置信息并上传到云平台系统

7、，当儿童出现在危险区域时，系统主动推送报警信息至家长，提醒家长注意。同时，当老人儿童遇到紧急情况时，可通过终端设备上的一键报警按键发出报警信息。2.2 项目背景物联网是集传感、通信、网络、计算、控制技术为一体的复杂系统。物联网系统应满足安全可靠、自治协同、高效易用的要求，并能够更快地感知信息、更强地适应环境、更好地辅助决策控制、更准地控制物理世界。物联网用途广泛，遍及工业、农业、交通、环保、电力、公共安全等领域，而且未来会是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，成为下一个万亿级的信息技术产业，对促进社会生产力的发展和提高人民的生活水平有着重要作用。随着物联网技术的不断完善，针对大众对

8、生活质量需求的不断提高，构建高效安全的智能家居生活成为物联网的重要组成部分。作为智能家居的典型应用，家庭安防和老幼监护在人们的日常生活中的公共安全、老人儿童看护等方面起到了关键的作用，是未来家居生活必要的不可或缺的组成部分。在家庭安防方面，近年来尽管简易防盗报警装置已经在部分城市的家庭中进行安装，指定的电话能够接受到相应的报警信息，但是，由于不能有效过滤分析报警信息，误报警的情况还是时有发生，造成了产品质量的不稳定性，防盗效果并不明显。另外一些小区利用楼寓对讲系统，在小区物业管理中心接收到报警信息，防盗报警装置在各个室内分机进行安装。这种方式下，防盗报警只是一种附属功能的表现，对于在同一线路和

9、同一设备主机的并接问题，设备及线路故障则不能有效避免，误报警现象由于不能有效过滤和分析报警信息也经常出现，呈现不明显的防盗效果，多数家庭已经不再使用，有些地区已经禁止此类做法。随着物联网中ZigBee，WLAN等传感器及通信技术的飞速发展，其应用逐渐涉及到家庭单元。物联网技术强大的功能可以很好地满足对老人儿童的健康及运动情况进行实时监护的需要。国内在家庭老人及儿童远程监护方面的研究还不多。2001年首都医科大学实现了对老人及儿童行动分析及异常报警系统，利用检测到的信号，主动判断老人及儿童的状况，是对老人及儿童的实时照顾进行的一次尝试。但由于采用的家庭医疗监护仪、可控万向云台等设备成本较高，无法

10、大面积推广。2002年美国维吉尼亚大学开展了智能居所监护系统的研究，该系统采用低成本的的感应器获取家庭老人及儿童活动的数据，通过数据挖掘技术建立老人及儿童的活动规律，能够实现针对不同老人及儿童的实时监护，为家庭安防带来新的发展机遇。赛恩集团设计的基于物联网技术的家庭安防系统，通过与运营商合作向用户提供综合信息发布平台，并在用户家中的部署智能家庭安防系统，实现家庭安全信息数据和信号进行采集和处理分析，包括煤气泄漏、火灾、门窗磁控开关、紧急按键、门禁、视频监控等等。在此基础上，结合网络传输、智能终端技术，使得用户无论何时何地都可以通过有线或者无线的方式实时访问和监控。当在数据处理后并判定为紧急情况

11、时，系统会进行自动的报警，保障家庭的实时安全。目前全国老龄化逐年增长速度为3.4%，到2020年，中国老年人口将达到248亿，老龄化水平将达到17.17。中国特有的“421式”家庭结构，子女大多因工作忙碌而无暇照顾老人，空巢老人的数量在不断增加，而社区养老机构由于场地有限，许多老人只能采取居家的方式养老，给养老、医疗等社会保障和为老社会服务体系等方面带来了巨大的压力。随着年龄的增大，老年人的生活自理能力日益弱化，各种意外的情况随时都有可能发生，如何保障老年人日常生活质量和健康水平成为社会和家庭的一大难题。赛恩集团开发的基于物联网技术的老幼监护系统，以居家养老为基础，社区养老为依托，通过云平台系

12、统、服务中心建设等信息化手段建立居家养老服务体系，惠及每一个家庭中的老人，已成为提升养老服务能力的重要举措。然而现有家居看护服务难以满足老年人多层次、个性化的服务需求，特别是孤寡、失能、残疾等老人安全保障难、就医养病难、家庭生活难、情感沟通难等问题依旧突出，现有系统依然在有求必应、快速响应等方面存在着不足。随着物联网中电子医疗设备、网络通信技术以及大数据分析技术的快速发展，对老人位置、身体健康状况的获取及分析变得更加方便和快捷，在此基础上结合家庭看护需求，构建智能家居的居家养老系统，实现对空巢老人的生活与健康服务，将在很大程度上减轻社会和家庭所面临的压力和难题。近年来社会节奏的不断加快，防范意

13、识不强的儿童由于缺乏有效看护，导致各种意外因素（交通意外，食物等）对儿童的正常生活甚至生命带来了严重的威胁，而随着社会的现代化发展，儿童的安全问题已逐步成为社会关注的重要内容之一。结合物联网中的数据高效收集、传输以及处理技术构建高效的儿童看护系统，从而将实现对儿童的实时位置获取、健康状况监控是智能家居生活的关键应用之一。本项目吸取其他相关领域项目的经验教训，采用低成本传感器、第三方定制的终端设备，在提高系统可用性的同时，降低了用户的使用成本；采用统一的云平台系统，不仅预测准确，可靠性高，还节约了人力成本，使得工作变得更有效率。针对目前家庭用户应用需求，设计并开发高效的远程家庭安防及老幼监护系统

14、是可行且十分必要的。结合物联网系统结构，现有智能家居系统包含了感知层、网络层以及应用层3个层次，如图2所示。图2 物联网智能家居系统层次结构广泛感知、高效流通、海量聚合、智能处理、及时调节是现有智能物联网系统的主要特征，这些特征在极大的丰富了应用服务种类的同时，为不同系统层次带来了新的挑战：1）感知层覆盖范围广、网络层多种异构网络并存。不同网络间通信技术存在差异，形成了具有“区域自治”特性的独立网络域，存在着跨网络数据传输困难，导致网络/数据资源难以共享和使用，为信息的高效流通带来了巨大的阻力。2）应用层中海量数据信息的存在。现有智能物联网服务拥有海量的资源，如何在庞杂的数据中发现有意义的管理

15、模式和趋势过程，针对用户的喜好和特点进行面向运营商的热点资源推荐成为一个新兴而又亟待解决的问题。3）应用层中的智能处理、及时调节的特性实现了多种服务间的协同控制和并发执行，但是服务间实现及部署方式的异构性都为不同服务间的协同提出了新的问题。4）此外，相较传统Internet网络，物联网面临着来自感知层、网络层以及应用层不同的安全威胁，而家庭安防与监护服务往往涉及用户个人隐私，在使用这些服务过程中很容易受到外部网络中各种类型的安全攻击。因此，如何有效解决网络中所存在的用户信息、数据信息等多方面的安全防护问题，实现信息安全也将是智能化家庭安防和老幼监护系统需要重点考虑的问题。赛恩集团设计的智能家庭

16、安防及老幼监护系统采用异构性网络结构，使用户能够无差别访问服务，并对数据有效管理，实现了安防及监护系统中信息资源的高效共享和使用，以及向用户提供随时随地的高质量服务。本项目结合物联网信息融合技术，从网络融合、数据融合和服务融合三个层次设计并开发高效完善的智能远程家庭安防和老幼监护系统，实现家庭内外异构网络间的互联互通，保证用户可以在任何时间任何地点(anytime, anywhere)快速、安全地访问社区服务。2.3 项目的目的和意义针对物联网技术快速发展的背景下大众对家庭安防、老人儿童监护应用的广泛需求，本项目旨在构建高效安全的远程家庭安防和老幼监护系统，实现用户实时访问家庭安防服务，保障老

17、人及儿童弱势群体的身心健康。1）针对异构网络、海量数据、多样化服务并存的现状，设计并构建统一的远程家庭安防和老幼监护系统服务提供模型及体系结构，实现高效的智能化服务提供。2）在构建系统架构的基础上，重点针对网络融合、数据融合、服务融合以及家庭信息安全核心关键技术进行研究，突破传统信息技术的瓶颈，实现家庭安防和老幼监护系统高效信息共享和使用。3）在核心技术研究的基础上，设计并开发面向异构网络的远程家庭安防和老幼监护系统，并具体部署家庭安防及老人儿童监护应用，通过便携式或小型化的人体生理和运动传感器及图像监控设备，对家庭安全、老人儿童实现全天候监护，对家庭燃气、用电、防盗等具备预警作用等。作为物联

18、网应用的重要组成部分，智慧家庭受到国家的高度重视，是国家科学与技术中长期发展计划的重要组成部分。国外以DLNA、国内以“e家佳”为主体的产业化进程正在逐步展开。近年来，随着信息与通信技术的成熟与应用，各类家用消费类电子产品技术进步愈发迅速，一种旨在实现家庭消费类产品网络化、提供远程控制及交互业务的“数字家庭技术”正逐渐在世界范围内迅速成长起来。可以预测数字家庭将大大提高家庭生活、学习、工作、娱乐的品质，这是数字化生活发展的必然趋势。本项目在远程家庭安防和老幼监护应用方面的研发具有深刻的意义，为我国信息化建设提供重要技术支撑，对经济建设和社会发展也将产生积极的影响。其研究意义具体体现在以下几个方

19、面：（1）技术研究方面：本项目在综合考虑物联网网络层次结构的基础上，结合大众对快速、便捷、安全的家庭监护服务的广泛需求，针对网络、数据、服务融合以及信息安全作为关键技术进行深入研究，为构建安全的智能化家庭服务提供环境提供技术保障。（2）应用示范方面：在关键技术研究的基础上，开发家庭安防、老人儿童监护应用服务，部署在智能家居环境中，从而进一步丰富我国物联网应用，满足人们在工作节奏加快环境下对高质量生活的需求。（3）标准化方面：智能化家庭安防和老幼监护系统服务体系标准对智慧家庭以及物联网建设具有积极的推动作用。尤其在异构网络融合、数据挖掘、服务融合等标准化方面，可以使我国在掌握核心技术的条件下，制

20、订具有自主知识产权的行业标准，掌握产业发展的主动权。第3章 项目前期开发情况及所具备的基础赛恩集团目前拥有大批国内物联网行业顶尖研发人员，在物联网行业建设方面具有丰富的经验。在物联网系统的研究应用，居于国内先进水平，公司自主设计的智能交通系统，已经应用于2013年中卫市智能交通项目；在云平台建设方面，已经应用于银川市农牧局智能化及远程监控管理平台、公交公司信息化管理平台等行业。以上多个成功案例为本项目的顺利实施提供了必要的基础和条件。通过在行业中的充分实践和对家庭安防和老幼监护市场的深入调研，赛恩集团已经初步设计出系统平台的整体体系架构。在云平台层，采用Open-Stack+Hadoop架构，

21、采用虚拟化技术，搭建了云计算中心和云存储中心，已经基本完成云架构设计的开发工作，提供了安全可靠的运行环境，为大数据分析提供了分析平台。实现了业务管理和运营支持。在智能终端设备和网络传输方面，赛恩集团研发出数据采集模块，实现了信息采集等功能。家庭安防设备目前已经完成相关设备开发，如烟传感器、燃气传感器、IP摄像机等，通过无线传输技术、IP传输技术，将数据实时传送至云平台。并且与国内外很多家智能终端产品生产厂商洽谈应用层接口开放对接问题，为将来智能设备很好地融入云分析平台，及时有效地分析判断家庭老人儿童健康安全信息做准备。2013年，赛恩集团和宁夏电信本着资源技术优势互补的原则实施强强联合，深入调

22、研了银川市居家养老的现状，并设计出银川市居家养老服务系统，签署了银川市惠民计划居家养老服务系统建设协议，同时与宁夏瑞恒辰物业服务有限公司签署了智慧社区改造建设试点协议。本项目赛恩集团与IBM深度合作，利用IBM的科技实力和经验，共同开发中间件技术、基于云计算的应用处理和海量数据分析技术、数据仓库及数据挖掘技术。通过与西安电子科技大学深度合作，在传输层面，主要合作建设异构网络无缝融合体系架构、具有弹性自组织的异构网络拓扑结构、高效的数据链路协议设计等相关技术；同时还包括物联网架构、网络安全技术等一系列共性支撑技术的研发。第4章 项目实施方案赛恩集团在现有物联网技术发展的基础上，以社区物联网应用为

23、依托,以现代通讯、智能呼叫、互联网及电子商务为手段，以公共安全信息平台为基础，有效整合社会公共服务资源，研发智能化家庭安防和老幼监护系统，提供家庭监控、门禁管理、意外监测、紧急救援、增值服务等服务，构建完善的智慧居家服务体系，打造“随时随地智慧家庭服务”。以下将从项目目标、主要内容、组织方式、技术路线、项目进度安排及实施期限5个方面对系统的设计方案进行详细介绍。4.1 项目目标赛恩集团深入分析家庭安防及老人儿童监护需求，以智能化远程家庭安防和老幼监护系统为设计目标，在深入研究网络融合、数据融合、服务融合以及信息安全关键技术的基础上，重点围绕家庭远程监控、老人儿童安全监护两种应用示范进行研发和部

24、署，切实提高家庭环境安全质量，保证老年儿童身体健康，实现“居有所安、养有所助”的目标。具体项目目标包括：1. 针对多种异构网络并存、海量数据以及多样化的服务，提出远程家庭安防和老幼监护系统服务模型及体系结构，设计智能化家居服务提供方法。2. 在总体结构的基础上，对网络融合、数据融合以及服务融合核心关键技术进行研究，提出在远程家庭安防和老幼监护应用需求下的网络融合框架，高效的数据挖掘算法以及考虑QoS的服务融合算法。3. 在核心关键技术研究的基础上，重点研发家庭安防、老人及儿童监护两种应用示范。1）家庭安防根据应用的整体要求，从软硬件两个方面对家庭安防应用进行设计，结合传感设备、高清监控设备、智

25、能终端设备、网络设备、计算机设备等，部署适合于家庭的高可靠性、高稳定性、高预警率的安全防范应用服务，包括实时视频监控、门禁管理、异常预警等功能，并与公众公共安全信息系统相连，从而更加快速、有效地解决家庭等的安防问题。2）老人儿童监护根据应用整体要求，以传感设备、智能终端设备（主要为可穿戴式电子产品和家庭益体机等设备）、网络设备、计算机设备等硬件设备为基础，并依托医疗中心、公共安全中心等社区服务中心，从健康保障服务、日常生活服务、位置获取服务、应急处理服务等几个方面实现对老人儿童的高效监护。在健康保障服务方面，以终端设备与服务中心为载体，聚合社区和公共医疗服务资源，提供预约挂号、家庭医生、远程医

26、疗、康复护理、在家购药等功能，实现老人/儿童居家看病、治病、养病的一条龙服务，并对老人/儿童的身体状况进行监控，对意外情况进行预警。在日常生活服务方面，借助IPTV、终端设备等提供适合老人儿童的多媒体娱乐、视频通话、网络社交等服务；在此基础上针对空巢老人依托社区居家养老服务站，建立社区服务商家、金融机构、移动支付提供商与老人之间的桥梁，提供保姆服务、出行陪护、水电维修、订餐服务、送货上门、在线缴费等日常生活的便利服务。在安全保障服务方面，借助现有定位设备、移动终端设备，对出行的老人及儿童的位置信息进行实时获取，保障老人儿童的安全。4.2 主要内容本项目计划设计研发一个系统：智能化远程家庭安防和

27、老幼监护系统；研究四个关键技术：网络融合、数据融合、服务融合以及信息安全；部署两种应用示范：远程家庭安防及老人儿童监护。研究框架如图3所示：图3智能化远程家庭安防和老幼监护系统研究框架结合研究框架，本项目将从系统平台总体架构设计、核心关键技术研究、应用示范部署几个方面进行深入研发。具体研究内容包括：4.2.1 远程家庭安防和老幼监护系统总体架构结合远程家庭安防和老幼监护服务需求，以异构网络融合技术标准、海量数据挖掘算法、服务组合方法和物联网信息安全体系为保障，从系统平台层、功能服务层、用户应用层不同层面对系统架构进行综合设计，满足用户在任意网络环境下、任意时间节点下远程安防、老人儿童监护服务的

28、需要。4.2.2 远程家庭安防和老幼监护系统关键技术研究(1)网络融合针对智能家居信息系统的异构网络环境，提出异构网络融合框架、兼容多种协议的自组织拓扑结构、高效率的数据链路协议以及面向海量异构数据高速、可靠传输的层次化可信网络体系结构模型。(2)数据融合针对智能家居平台中数据具有海量、多源、动态、异构、分散等特点，采用数据聚合和挖掘技术，设计数据挖掘算法，聚集和分析几种不同类型的记录来取得信息的全貌，对异构的的信息进行有效处理，同时配合高效的时空一体化模型进行管理，保证物物感知交互的进行。(3)服务融合针对目前网络中多样化服务间异构性所导致的信息资源共享困难的问题，基于SOA面向服务的体系结

29、构设计和部署智能家庭安防和监护系统应用，将不同服务的信息整合起来，避免“信息孤岛”的发生，使系统具有更强的可扩展性。(4)安全支撑针对远程家庭安防和老幼监护系统的安全需求，从网络、数据、服务三个层面进行安全防护，设计用户认证、权限鉴定、数据加密、隐私保护等多项安全机制来保障用户使用家庭服务时的信息安全。4.2.3 远程家庭安防和老幼监护应用示范(1) 家庭安防针对远程家庭安防需求，设计并研发无线网络家庭安防应用服务，提供防盗报警、防灾报警、求助报警等预警服务，在此基础上，提供远程视频监控，家电控制等功能。(2) 老人/儿童监护针对老人/儿童监护需求，设计并研发远程老人/儿童监护应用服务，提供健

30、康监控、实时就医等电子一老服务，并提供位置实时获取功能等。4.3 组织方式赛恩集团利用多年积累的经验以及成熟的项目管理流程，协调整个项目的进展，与合作单位一起规划制定项目研发进度，研究解决关键技术实现方案，设计开发系统架构平台，并实现试点推广等工作。本项目通过产学研结合的方法，由赛恩集团作为责任单位组织实施，负责搭建云平台和研发智能终端产品，与宁夏电信集团进行系统运营与推广合作，与西安电子科技大学进行数据传输和网络安全技术合作，与IBM进行中间件设计和海量数据分析技术合作，采用项目化运作机制，完成本项目所以实现的目标。项目总负责为赛恩集团，将按照合作单位的人员状况、设备条件、研究基础等实际情况

31、进行工作分工，每一家承担单位采取以本项目组成员为主体，在项目负责人的统一安排下，责任到人。本项目将定期召开例会，定期检查前期的工作并对后期的工作进行安排，项目实施过程中严格执行奖励机制，按照具体情况进行人员调整。同时，在充分发挥本项目组成员的积极性和创造性的基础上，积极展开对外合作，充分利用合作伙伴的技术条件、资金能力，保证本项目顺利地实施。4.4 技术路线项目总体技术路线如图4所示，在该路线指导下，项目组根据远程家庭安防和老幼监护系统建设需求，设计远程家庭安防和老幼监护系统总体结构，对异构网络融合、数据融合、服务融合以及信息安全等四项核心关键技术进行深入研究，构建智能化远程家庭安防和老幼监护

32、系统，并部署家庭安防及老人/儿童监护应用示范。图4 项目总体技术路线4.4.1 远程家庭安防和老幼监护系统总体架构基于物联网中网络融合、数据融合以及服务融合技术设计远程家庭安防和老幼监护系统总体结构，构建包括远程家庭安防和老幼监护业务管理子系统、家庭数据资源云子系统、家庭安防和老幼监护业务安全支撑子系统三大子系统，确定安防及监护系统内各关键子系统间的流程控制关系，确定监护系统与外部公众服务云系统(公共安全信息系统、电子医疗系统)间的接口关系，为远程家庭安防和老幼监护系统的研发提供总体指导；研究家庭安防和老幼监护服务协议与接口规范，根据总体架构确定的各类业务流程控制关系及系统接口关系，制定系统中

33、各关键子系统间接口协议，提出面向异构网络的家庭接口规范草案。在以上需求分析的指导下，初步设计的远程家庭安防和老幼监护系统模型如图5所示。图5 远程家庭安防和老幼监护系统总体架构如上图所示，结合物联网服务提供模型，远程家庭安防和老幼监护系统的总体架构将家庭内部网络分为网络层、数据层以及服务层3个层次。异构网络层以网络融合技术为基础，负责实现家庭中的各种传感、终端、娱乐设备的接入以及设备之间的互联互通。数据层以家庭资源私有云子系统为核心负责对网络层收集的数据进行存储，并根据业务需要进行智能化处理和分析，处理完成后交给服务层进行相应的服务相应。最上层是家庭安防和老幼监护系统的服务层，部署有业务管理和

34、安全支撑两大子系统，分别负责对用户请求服务的相应以及信息安全机制执行的职能，并通过家庭网关与外部公共服务云系统进行互联以及服务访问。4.4.2 远程家庭安防和老幼监护系统关键技术研究结合远程家庭安防和老幼监护系统总体架构，本项目关键技术研究框架如图6所示。图6 远程家庭安防和老幼监护系统关键技术研究框架（1）网络融合由无线传感器网络、光纤传感器网络、RFID等与具有无线接入网络、宽带接入网络等多种接入方式的互联网组成异构无缝网络是智能家居网络环境的基本状况。本项目针对智能家居环境下的异构网络环境，提出异构网络融合体系、兼容多种协议的自组织拓扑结构、高效率的数据链路协议以及面向海量异构数据高速、

35、可靠传输的层次化可信网络体系结构模型。具体包括以下内容：1）异构网络无缝融合体系架构在异构复杂环境下，为了能够进行有效的数据传输与交互，必须解决不同种类的终端和多种异构网络之间的路由与标识问题。主要包括利用统一地址（IPv6）对各种异构网络及终端设备进行标识和寻址，通过多种接入手段，构建使各个子系统之间实现无缝连接的多层次泛在体系结构，研究评估该结构的有效性与实用性；以低能耗为目标，综合考虑无线传感器网络的路由模式和IPv6协议，建立协同、高效的新型路由模型，并（对模型的效率）进行验证；设计满足低能耗环境下的嵌入式微型IPv6协议栈；在多种异构网络叠加覆盖环境下，接入的自适应选择优化及协作机制

36、的研究。2）具有弹性自组织的异构网络拓扑结构由于项目所研究系统具有多种不同类型的节点，节电的休眠/唤醒机制、移动性和节点（甚至子网）的加入、离开等都会导致网络拓扑结构的改变，因此必须解决多协议兼容和动态自适应等问题。主要包括：基于自适应的拓扑结构和路由机制，在具有多种异构网络的环境下实现零配置动态组网机制研究；构建兼容多种自组织协议的异构网络，实现不同路由协议之间的互通与融合，并进行验证；针对网络的动态性特征和各异构网络的特点，设计异构网络的拓扑管理和自动诊断与恢复机制，实现高容错的特征并进行验证；研究支持超大规模、容量可扩展的拓扑结构及路由机制，并进行验证。3）高效的数据链路协议设计MAC协

37、议对降低居家养老信息服务系统前端设备的能量消耗至关重要，极大的影响了前端设备的生存周期，同时还必须解决MAC协议的通用性问题。主要包括: 基于上下文感知的自适应优化MAC协议设计，根据环境特征动态协同调整数据传输策略，减少信号冲突，降低资源开销。研究各种特定应用环境特征（基于时间、空间特征和网络、终端属性）和规律，提取适用于资源极度受限条件下的微型特征库。提出网络自适应、协同动态感知环境上下文算法；提出适应于多信道多收发器（MIMO）的协作式MAC协议。4）跨层优化设计基于能效管理的异构网络（如：无线传感器网络）跨层优化设计，其核心思想是利用了物理层、MAC层与网络层之间跨层信息的交互从而实现

38、整体网络系统的性能改善；主要包括: 提出基于最优代理提供不同协议层之间信息的交换与控制的机制，以改善异构网络，尤其是无线传感器网络的性能；研究基于信息返回的事件驱动模型和跨层数据共享与同步机制模型；定义新型可扩展的层间接口和各层之间的边界，提出各层之间协同的联合调度机制。（2）数据融合在网络融合技术研究的基础上，结合从感知层收集的海量数据信息，研究智能化数据资源聚合和挖掘方法，为家庭安防及老人儿童监护业务提供有效的数据分析支撑。1）数据资源聚合方法研究感知层数据的多源异构性为数据的安全聚合带来了一定的困难，为此，首先基于现有的数据形式化描述技术（如xml语言等）对这些数据进行规格化统一描述。在

39、统一数据格式后，进一步研究数据聚合模型，并在此基础上基于可证明安全模型对数据聚合协议进行设计。数据聚合基本流程如图7所示。首先，研究数据的语义与几何关系描述，除了数据本身的固有属性，还应包括每个数据位置、来源、用途、限制、操作等。使用自顶向下的分析建模方法，按照数据实体的不同功能和来源进行分类和分层，分析抽象出最原子、最底层的数据实体，基于数据形式化描述技术（如xml语言等），描述每一种数据实体局部模式和全局模式之间的映射关系，从而对多源异构数据进行规格化描述。其次，提出以通用可组合安全模型为核心的数据安全聚合模型，利用统计学原理分析信息关联特性，预测分析时空多维数据的联系，建立数学模型，提取

40、相关性参数。图7 数据聚合流程2）数据资源智能挖掘技术随着感知技术的广泛参与，智能家居中涉及的信息资源呈现除了较快的增长趋势，信息产生了过载的问题，在这种情况下，服务不仅需要主动地检索并处理信息资源，也需要家庭数据资源私有云有针对性地对数据的可用性及有效性进行分析和处理。这就需要采用数据挖掘技术，对已有服务的数据进行分析。图8给出了家庭安防和老幼监护数据挖掘的系统模型，其中分为数据准备、模式发现、结果表达和解释三个主要阶段。其中ETL(Extraction Transformation Loading)及数据预处理为信息的模式发现提供一个干净、一致、集成、归约（reduction）的数据集交通

41、信息数据仓库。数据挖掘任务管理在数据挖掘算法集中选择挖掘任务的算法，在安防及监护服务数据仓库中选择挖掘算法所需的数据，执行相应的挖掘操作，将挖掘得到的模式保存到信息模型库。模型分析管理是家庭数据资源私有云子系统与安防及监护业务管理子系统的应用接口，接收服务层子系统的反馈信息，对私有云中信息模型库的模式进行解释与评价。图8 数据挖掘系统模型（3）服务融合针对由于信息系统异构性所导致的“信息孤岛”，使得信息资源共享难的问题，基于SOA技术来将这些不同服务的信息整合起来，避免“信息孤岛”的发生，进一步完善家庭安防和老幼监护系统业务。SOA（Service Oriented Architecture，

42、面向服务的体系架构）是近年来软件规划和构建的一种新方法。由于其本身特性非常符合上述信息化需求和问题的解决思路，因此在2003年以后成为我国软件产业界和各行业用户的关注焦点，并在2006年逐步开始在多个行业信息化建设中被选择和应用。SOA不是一种技术，而是一种IT系统和软件的构建方法和过程，贯穿IT系统规划、设计、构建、运维的各个阶段。针对远程家庭安防和老幼监护系统基于SOA架构系统进行规划、设计和管理，使得服务系统能在对业务的深刻理解的基础上进行构建，实现服务系统与用户业务的密切结合。在具体实施中，通过把完成实际业务流程中的一项任务所需的资源组织为服务进行封装，从而达到以业务为核心，通过业务选

43、择技术，避免技术制约业务的问题。服务系统围绕用户业务构建，用户业务在实现层通过表现为一系列松散耦合的“服务”来实现，这些服务可以根据用需求随需组合，使得服务系统对于业务的适应能力明显提高。目前，SOA的实现模式主要有七种，它们是SOA实现逻辑的基础，通过对它们进行组合就可以实现更为复杂的SOA系统逻辑。基础 WEB服务模式：如图9所示，这是最简单和基础的方式，可以很简单的实现点对点的 WEB 服务请求模式。 图9 基础WEB服务模式抽象远程服务模式：通过将服务提供者的服务描述抽象的方法，使得同一个服务描述可能对应多个服务的实现，从而降低服务提供者发生改变时对服务请求方的影响。如图10所示。图1

44、0 抽象远程服务模式服务包装模式：提供一种将现有系统转化为SOA的机制，把现有功能包装为一个服务。使得服务请求者可以访问到非SOA的遗留系统而不必关心数据格式或传输协议的不同。如图11所示。图11 服务包装模式服务代理模式：这种模式服务请求者不直接访问服务提供方的服务，而通过代理访问服务。这样服务请求者不必关心服务提供者的具体位置信息，而且还可以通过代理选择最佳服务。如图12所示。图12 服务代理模式虚拟服务模式：如果服务提供者没有直接提供请求者想要的服务，可通过组合包装服务和服务代理的方法实现一个虚拟服务，它通过一个服务代理描述所需服务，通过包装服务将现有系统的功能转化为服务，利用 Fa&#

45、231;ade 模式实现两个服务之间差别的转换。如图13所示。图13 虚拟服务模式整合服务模式：整合现有服务的功能，按照业务流程进行组合形成新的服务。BPEL(Business Process Execution Language，业务流程执行语言)就是它的一种实现。它是对WEB服务的一种进化，采用了工作流的概念，将流程用到的服务组织成一个逻辑上新的服务，以前需要在客户端处理的逻辑判断和数据格式转换放到服务端。客户可以对服务流程提出请求，而流程将访问多个服务。即将本来需要的多个点对点操作简化为1次操作。如图14所示。图14 整合服务模式ESB(Enterprise Service Bus，企业

46、服务总线)模式：通过公用的底层框架提供服务通信、调停、转换和整合功能。同时对服务管理、安全、监控进行集中控制。它主要适合企业有大量日益增加的服务需要一个通用的管理和操作模式进行控制。ESB模式的特点主要是：支持大量的可管理的服务交互。提供高级的服务交互能力(事务、持久、底层服务、安全、质量等)。支持多种交互形式同步、异步处理、消息、事件。提供可管理的分布式整合底层框架支持。支持服务路由和协议转换和其它消息处理。支持 WEB 服务和其它传统的 EAI 通信标准。如图15所示。图15 ESB 模式各种模式之间相互独立又相互联系，在实际应用过程中，将结合具体的业务需求对它们进行适合的选择和组合。针对

47、远程家庭安防和老幼监护业务需求，为了满足信息资源共享和聚合的要求，本项目拟采取了如下图16的架构。图16 智能远程家庭安防和老幼监护服务结构图如图所示，所有服务的资源与信息都是共享的，服务聚合到一块，又可以分解，复用。每一个服务都是相对独立的，但是通过资源和信息又联系到一起。比如，健康保护服务就是聚合了居家体检，健康检测，远程医疗，自助护理等服务，整合他们的资源，采集信息并进行数据挖掘，为其他服务譬如生活服务提供合适的数据以供其进行分析决策，最终给老人提供合适的生活建议。（4）安全支撑技术研究在当前的网络环境下，远程家庭安防和老幼监护系统面临的主要安全威胁有： 信息泄露：远程用户通过WLAN、

48、3G、Internet、Wimax等多种通信机制和安全机制不同的异构网络接入系统时，通信信息容易被窃听。如通过家庭传感器、中间人攻击等，从而使得非法或恶意用户获取用户的重要信息；家庭内部用户访问家庭网络的服务时，也会产生信息泄露。 假冒：非法或恶意用户可以获取密钥、数字证书等身份认证信息等来假冒合法用户。一旦非法用户假冒合法用户成功，就可以读取家庭设备的信息，发布虚假指令或者进行干扰，从而给合法用户带来损失。此外，家庭用户访问家庭内部设备时，该家庭设备可能会受到非法用户的假冒，如窃取家庭设备终端的设备标识、网络地址、为设备颁发的数字证书等，导致与用户真正通信的设备不是家庭内部设备，带来了设备信

49、息和隐私信息的泄露，产生安全威胁。 网络攻击：非法用户利用TCP/IP层的各种缺陷和漏洞对网络设备发起攻击，如拒绝服务攻击、报文攻击、计算机病毒和木马攻击、中间人攻击、电子邮件攻击等，耗费网络设备的资源而无法为合法用户提供服务，破坏家庭设备正常的业务流/控制流，非法控制家庭设备，获取用户隐私信息等。这些都严重威胁了数字家庭网络的安全。 数据完整性破坏：恶意用户获取到用户的指令和数据后，对其进行篡改，破坏了数据的完整性。针对以上安全威胁，构建远程家庭安防和老幼监护系统安全需求模型如图17所示。图17 数字家庭服务安全元素l 机密性：使得信息对于未经授权的用户不可用。l 完整性：在网络传输中，容易

50、发生通信信息的破坏或部分丢失，因此有必要保护信息的正确与完整。l 可用性：该属性表示对授权实体可以使用，保证系统实体的稳定可靠工作。l 责任性：确保实体的行为可被追溯，如可以准确定位故障设备。l 真实性：确保实体或资源的身份与它声明的一致。l 授权：确保用户有不同的权限控制不同的实体。本项目设计的安全支撑子系统将数字家庭网络分为四个不同的实体面远程用户面，家庭接入面，家庭设备面，家庭用户面。根据各功能实体面之间的通信和操作特点，提供不同程度的安全性约束，采用部署不同的安全机制实现系统安全的支撑，安全模型如图18所示。图18远程家庭安防和老幼监护系统安全模型远程用户面：指远程用户，可以在家庭网络

51、之外，使用远程设备，通过互联网或其他网络方式访问家庭网络中的设备。家庭接入面：指的是家庭网关设备，负责将家庭网络接入到外部网络环境。家庭设备面：家庭网络中各种智能家庭设备的集合。家庭用户面：在家庭里访问和控制家庭设备的家庭用户。根据不同接触面间的安全需求，初步设计并采用基本安全机制如下：在远程用户面与家庭接入面之间，为防止恶意用户窃听，导致家庭用户信息的泄露或家庭用户身份的假冒，需要通过身份认证等方法验证远程用户的身份真实性，为防止彼此之间通信数据被非法窃听或泄露，需要通过数据加密方式保证数据通信的机密性；必要时，可以通过采用备份、冗余等方法对家庭网关的可用性进行保证，确保网络的正常稳定运行。

52、在家庭接入面与家庭设备面之间，可以通过设备认证等方法来验证彼此的真实性，防止非法设备的非法接入；通过数据加密方法提供数据机密性保证，防止通信数据被任意窃听或泄露；必要时，通过采用备份、冗余等方法对家庭网关的可用性进行保证，确保网络的正常稳定运行。在远程用户面与家庭设备面之间，为防止彼此之间通信数据被非法窃听或泄露，需要通过数据加密方法来确保通信数据的机密性；由于外部网络可能是开放网络，通信数据可能发生部分丢失或破坏的情况，为确保通信数据完整可靠，需要提供完整性约束保证。家庭网关可通过身份认证方法验证远程用户合法性，远程用户也可以通过设备认证等方法确认家庭设备的真实性，必要时，可采取备份、冗余等

53、方法保证网络系统的可用性，确保网络正常运行；责任性保护是通过跟踪或日志等方式来确保远程用户准确追溯到特定的家庭设备，当某一家庭设备发生故障时可以准确找到该故障设备；可以通过权限控制，对不同远程用户操作不同家庭设备的权限进行授权，如儿童、父母的权限不一样。在家庭设备面与家庭用户面之间，用户可以对设备进行验证，确保设备的真实性；还可对设备的可用性进行验证；可以通过跟踪或日志等方式增加责任性保证，确保用户可以追溯到特定的家庭设备；可以通过权限控制，确保不同的家庭用户控制不同的家庭设备。在远程用户面与家庭用户面之间，需要进行身份的真实性鉴别，增加身份认证机制，确认身份的真实性；还要确保机密性、完整性。

54、4.4.3 远程家庭安防和老幼监护应用示范（1）家庭安防应用在关键技术研究的基础上，结合远程家庭安防业务需求，家庭安防业务子系统主要实现的功能有：防盗报警功能、防灾报警功能、求助报警功能、远程控制功能、短信收发功能。1）防盗报警功能：可安装各种红外传感器、门磁开关传感器，并接入智能家居控制器，根据用户的需要进行布防和撤防，当红外/运动传感器感知到家中有人行动时，便会自动报警，并通过蜂鸣器和语音给予警告。2）防灾报警功能：可安装烟雾、瓦斯和水浸传感器，监控住宅内可能发生的火灾、燃气泄漏和溢水漏水，并在异常情况时关闭气阀、水阀，将危险降到最低。3）求助报警功能：安装报警按钮，接入到智能家居控制器。

55、使得用户在遇到紧急情况时通过报警按钮快速与警方和物业取得联系，及时获得救助。4）远程控制功能：通过手机可在任何地点通过远距离通知对家庭电器开关及安防系统进行控制。还可以通过监控摄像头，通过互联网查看家庭环境。5）短信收发功能：安防系统可以收发短消息，手机接家庭安防控制器发送的状态信息，并可向其发送各种控制指令。此外，结合服务融合技术，远程家庭安防业务可以设计各种组合联动控制业务，例如，遇盗警时，联动开启家庭所有灯光；煤气泄漏时，联动打开排风扇，并关闭燃气管道总闸门；所有的联动控制均可以通过液晶控制面板操作启动，具体应用场景如图19所示。图19 家庭安防业务结合以上功能需求，本项目将从传感器部署

56、、服务功能开发、网络通信协议设计等几个方面进行研发。1）家庭安防传感器：初步计划部署红外测温传感器、门窗磁式传感器、人体红外热释电传感器、烟雾报警传感器、燃气泄漏传感器等几种模型。2）服务功能开发：以家庭安防服务中心（服务器）为硬件载体，负责对整个安防业务进行控制，它将各个家庭安防设备的运行状况以及记录的信息收集起来，经过数据处理，通过显示设备将各个传感器收集的信息以直观的形式显示出来，并且可以根据用户的需要对各种设备进行设置和操作。3）网络通信协议设计：通信是家庭安防设备联网的关键功能，实现了各部件所感知的大量信息无法进行有效地交换和共享。根据不同的通信需求，传感设备之间的连接将采用可视距离

57、无线通信技术（短距离无线通信技术，并设计适合的交互协议，在保证协议可扩展情况下不同设备间的高效通信。对于远程接入使用服务的用户，采用移动通信3G/4G以及有线通信技术实现用户与家庭安防设备的无缝将连接，同时设计安防业务交互协议，保证用户高效的使用家庭安防业务。（2）老人/儿童监护应用结合智能家居老人/儿童监护业务需求，从健康保障服务、日常生活服务两个方面对老人/儿童进行全方位监护。1）健康保障服务数字化居家健康保障坚持“以人为本，关注民生”的核心理念，通过整合医疗卫生行政管理机构、医疗保障机构、医疗卫生与健康服务机构和第三方服务机构，提供统一高效、资源整合、互联互通、信息共享、使用便捷、实时监管的信息平台和全方位应用系统解决方案，“从底到边”实现健康档案全人群覆盖，卫生信息全数据共享，医药卫生全业务互通，社会保障全方位协同。初步设计健康保障体系如图20所示。图20 居家健康保障服务体系图如图所示，通过提供家庭益体机等终端设备，收集老人的如血压、血糖、血氧、心电、骨密度、肺功能、信息等健康数据，通过互联网或3G/4G网络等途径传输并集中储存到云平台。通过社区、专业机构收集老人的医疗病史建立健康档案，完善老人的各项信息资料，同时纵向整合区域医疗中心和集成医疗机构的服务资源，为老人健康提供居家体检、夜间生理安全监测、自助护理、远程诊断等健康服务，确保老人家有所医。健康保障服