張玉亮 蘇宇 李嘉偉 張亞 孫知信
摘 要:隨著IPv4地址逐漸耗盡,IPv6技術(shù)開始進入現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)世界。IP技術(shù)的革新及嵌入式傳感技術(shù)的發(fā)展使得人們關(guān)心的家居安全問題有了技術(shù)支持。研究將IPv6作為傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議并完成了智能家居安防系統(tǒng)。由于傳感節(jié)點存儲器容量限制以及保持傳感網(wǎng)絡(luò)低功耗的特性,必須對IPv6協(xié)議棧進行裁減設(shè)計才能應(yīng)用到傳感網(wǎng)絡(luò)中。在此基礎(chǔ)上,為了實現(xiàn)整個智能安防系統(tǒng),根據(jù)室內(nèi)分布情況部署整個傳感網(wǎng)絡(luò)并對所有傳感器使用唯一性標(biāo)簽。對室內(nèi)所有實時參數(shù)進行收集、分析,并且根據(jù)設(shè)定好的策略適當(dāng)調(diào)控。發(fā)生緊急情況后,根據(jù)事件的緊急程度采取相應(yīng)措施,并通過GSM模塊及時匯報,避免損失。
關(guān)鍵詞:無線傳感網(wǎng)絡(luò);人臉識別;智能家居;IPv6
中圖分類號:P315.69 文獻標(biāo)識碼:B 文章編號:2095-1302(2015)06-00-04
0 引 言
近年來互聯(lián)網(wǎng)在各個領(lǐng)域得到了空前的發(fā)展,人們對信息資源的開發(fā)和利用進入了一個全新階段。作為計算機網(wǎng)絡(luò)的祖父 ARPANET 和其后繼的 Internet 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP的前形式(IPv4)已捉襟見肘:IP 地址資源越來越緊張,路由表越來越龐大,路由速度越來越慢等。雖然各方面都在研究一些補救方法,如用地址翻譯(NAT)來緩解IP地址的緊張,用無類域間路由選擇(CIDR)來改善路由性能等,但這些方法只能令I(lǐng)Pv4得到一些喘息的余地并不能完全解決其先天的不足,很明顯IPv4己來日不多。因此,互聯(lián)網(wǎng)開始進入IPv6的新時代,其中的典型應(yīng)用就是物聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用覆蓋了智慧農(nóng)業(yè)、智能環(huán)保、智能建筑、智能交通等領(lǐng)域,提供“無所不在的連接和在線服務(wù)”,包括在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程維保等。
家庭安防系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于家庭住宅預(yù)防盜竊、搶劫以及緊急救助、煙火報警、防剪線報警、煤氣泄漏報警、保險柜防盜報警等,甚至有些企事業(yè)單位也可以使用例如貨物倉庫防盜報警,禁區(qū)防盜報警,金融部門防搶防盜報警,機密檔案防盜,商店商場物品倉庫防盜報警,住宅小區(qū)商住樓聯(lián)網(wǎng)防盜報警,汽車停車庫防盜報警等。隨著人們生活品質(zhì)的提高,智能家居越來越成為人們生活不可缺少的部分。
1 基于IPv6的無線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊
1.1 IPv6協(xié)議棧的裁減
無線傳感網(wǎng)絡(luò)由于其成本低廉、擴展性好、容錯性強、適應(yīng)性優(yōu)等特點得到了飛速發(fā)展。IPv6的安全性強、支持的服務(wù)類型多、地址空間大,擁有良好的發(fā)展前景。本文研究將IPv6作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議,但是受到嵌入式傳感節(jié)點存儲器的限制,IPv6不能直接運行。但是,6LowPAN技術(shù)的出現(xiàn)使得IPv6在無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的運用成為可能。
6LowPAN實際上就是一個適配層,它的下層協(xié)議使用的是IEEE 802.15.4,但上層協(xié)議是IPv6。它實現(xiàn)的是IPv6與IEEE 802.15.4的一個聯(lián)接功能,相當(dāng)于對IP協(xié)議和IEEE 802.15.4協(xié)議進行重組。由上層IPv6協(xié)議 、LowPAN適配層、下層IEEE 802.15.4協(xié)議組成了裁減過后的“輕量級”IPv6協(xié)議。IP協(xié)議與6LowPan協(xié)議的對比如圖1所示。
圖1 6LowPAN協(xié)議與IP協(xié)議的對比
6LowPAN網(wǎng)絡(luò)可以在本網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)正常運行,但是一個完整的網(wǎng)絡(luò)必須是一個能夠與外界聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò),為了與外界IP網(wǎng)絡(luò)進行通信就要有邊緣路由器。6LowPAN邊緣路由器是存在于整個網(wǎng)絡(luò)域邊緣的路由器,它負(fù)責(zé)溝通外界IP網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部6LowPAN網(wǎng)絡(luò)域,相當(dāng)于“翻譯”,將IP協(xié)議與6LowPAN協(xié)議相互轉(zhuǎn)換,因此,對于這兩個協(xié)議來說,協(xié)議的格式是彼此透明的。邊緣路由器的功能如下:
(1)處理6LowPAN的頭部壓縮;
(2)發(fā)現(xiàn)周圍鄰居并建立鄰居關(guān)系;
(3)將6LowPAN協(xié)議與IP協(xié)議互相轉(zhuǎn)換實現(xiàn)通信;
(4)對傳感節(jié)點收集到的不需要上傳到IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進行處理;
(5)將傳感節(jié)點收集到的實時參數(shù)以及傳感網(wǎng)絡(luò)的運行狀況上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。
邊緣路由器的存在使得6LowPAN網(wǎng)絡(luò)域能夠與IP網(wǎng)絡(luò)正常通信,才能將傳感節(jié)點收集到的實時數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫,被外界所感知并根據(jù)相應(yīng)規(guī)則進行自動調(diào)控或者及時通知管理人員采取適當(dāng)措施。由于邊緣路由器的存在,使得6LowPAN不再是一個單獨的網(wǎng)絡(luò)域,而是延伸為IP網(wǎng)絡(luò)的一部分,這正是在傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源的基礎(chǔ)。
1.2 數(shù)據(jù)的上傳
根據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別在于將整個系統(tǒng)分為兩個模塊,所以數(shù)據(jù)的傳輸可分為兩段。在傳感節(jié)點感知到信息后,會將信息沿著6LowPAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭吘壜酚善?,一部分?jǐn)?shù)據(jù)會被路由器馬上處理,另外一部分在經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換,得到能被外界IP網(wǎng)絡(luò)識別的數(shù)據(jù)并沿著互聯(lián)網(wǎng)上傳到某端,然后被處理,同時,信息會被數(shù)據(jù)庫分類、匯總。這樣就保證了傳感網(wǎng)絡(luò)的運行狀況能及時上傳,無用信息被丟棄,減少了系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān),提高了工作效率。從整體來看,實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)從傳感節(jié)點到數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)的端到端聯(lián)接,極大地簡化了系統(tǒng)工作過程,如圖2所示。
圖2 傳感節(jié)點感知信息上傳過程示意圖
邊緣路由器的使用,充分利用了輕量級IPv6協(xié)議棧傳輸信息量大、安全性好、擴展性強的優(yōu)勢,對數(shù)據(jù)的智能處理以及網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)外的協(xié)議轉(zhuǎn)換弱化了傳感網(wǎng)絡(luò)以及IP網(wǎng)絡(luò)的界限,使得傳感節(jié)點在真正意義上接入互聯(lián)網(wǎng),傳感器網(wǎng)絡(luò)不再是一個獨立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),而是融入至現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,真正將IPv6與傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的概念。
2 傳感節(jié)點的分類以及工作流程
傳感網(wǎng)絡(luò)是由多種不同用途的傳感器構(gòu)成的,由于傳感節(jié)點價格低廉、維護代價小、能夠很好地適應(yīng)不同環(huán)境的特點,使得傳感網(wǎng)絡(luò)能夠遍布整個室內(nèi)環(huán)境,更加精確地感知室內(nèi)環(huán)境參數(shù),便于自動作出應(yīng)答或者及時反饋給管理人員。
(1)溫度數(shù)據(jù):分布于房間各部位的溫度傳感器能夠?qū)崟r采集房間內(nèi)溫度,并將數(shù)據(jù)采集上傳到后臺數(shù)據(jù)庫,通過終端能夠?qū)⑦^去收集到的溫度信息展示,這樣,人們就可以了解到自己所處的環(huán)境溫度,并且選擇自己偏愛的溫度范圍,作為智能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的依據(jù)。
(2)光強數(shù)據(jù):分布于必要的門禁系統(tǒng)以及可選擇的室內(nèi)房間的門內(nèi)光強傳感器采集的光照強度。在主人離開的命令下達之后,光強傳感器開始工作,并在一定的光強范圍內(nèi)工作,為了提高精度,每個門設(shè)置了3個光照傳感器,當(dāng)接收到的光強數(shù)據(jù)超過一定的閾值之后,根據(jù)以下步驟進行工作:
①判斷是否三個光照傳感器都超過閾值,如果是,則執(zhí)行②,否則執(zhí)行⑥;
②判斷是否是裝有門禁系統(tǒng)的門出現(xiàn)故障,如果是,則執(zhí)行(3),否則執(zhí)行⑤;
③判斷打開門的人是否經(jīng)過授權(quán),不是則執(zhí)行④,否則執(zhí)行⑦;
④將信息發(fā)送給主人,并提示危害程度為高;
⑤將信息發(fā)送給主人,并提示危害程度為低;
⑥系統(tǒng)故障,則記錄信息,但不發(fā)送數(shù)據(jù);
⑦系統(tǒng)工作正常,記錄來人信息。
(3)灰塵數(shù)據(jù):分布于地面和墻壁上的灰塵傳感器能夠?qū)⒖諝庵幸约暗孛娴膲m度實時監(jiān)控,在檢測到所處空間的塵度超過設(shè)置的閾值后,記錄空間位置;當(dāng)所處空間內(nèi)有一定數(shù)目的節(jié)點反饋塵度超標(biāo)時,相應(yīng)的除塵裝置就會開始工作,并且會實時查看塵度反饋情況,當(dāng)所有節(jié)點提示正常工作時,那么除塵裝置就會停止。
(4)煙霧數(shù)據(jù):分布于廚房以及易發(fā)生火災(zāi)的各個地點,能夠及時準(zhǔn)確的感知空氣中的煙霧信息是否超過閾值,以便判斷室內(nèi)是否真的發(fā)生火災(zāi)。在確認(rèn)發(fā)生火災(zāi)后,能夠根據(jù)煙霧濃度分布不同,大概確定著火地點。在采取應(yīng)急措施的同時能夠及時反饋給主人以及物業(yè)管理員。
(5)視頻數(shù)據(jù):考慮到視頻數(shù)據(jù)的傳輸復(fù)雜性以及存儲龐大性,并不是所有的視頻信息都會被長時間存儲。并且在正常情況下不會被傳輸給主人,只有在發(fā)生突發(fā)事件的情況下,根據(jù)情況的緊急性將視頻信息傳輸給主人,以便采取更加準(zhǔn)確、人性化的策略,避免了偶然事件的誤報可能。
3 GSM通信模塊
系統(tǒng)上電初始化各個模塊以及傳感器和手機號碼設(shè)定完畢后,系統(tǒng)進入 GSM 模塊初始化階段,之后整個系統(tǒng)初始化設(shè)定完畢。系統(tǒng)進入布防狀態(tài)。只有系統(tǒng)進入布防狀態(tài)后才進入控制檢測,否則布防信號無效,控制系統(tǒng)不檢測其狀態(tài)。只有設(shè)防信號有效后,系統(tǒng)才處于不斷檢測控制系統(tǒng)狀態(tài)和接收用戶短信的狀態(tài)之中,若控制系統(tǒng)檢測到有非法入侵信號時,就會發(fā)送報警短信給用戶手機,可設(shè)定只發(fā)送一次短信,并且發(fā)送本地報警信號,持續(xù) 10 秒。 當(dāng)用戶手機發(fā)送固定格式的短信給系統(tǒng)時,控制系統(tǒng)接收并判斷,然后根據(jù)判斷結(jié)果給予相應(yīng)回復(fù),以實現(xiàn)手機用戶和系統(tǒng)的互動操作。圖3所示是GSM通信模塊的工作流程圖。
圖3 GSM通信模塊工作流程
4 門禁識別系統(tǒng)
4.1 人臉識別技術(shù)的現(xiàn)狀
目前主要的基于人臉進行識別的算法包括:基于 PCA 的人臉識別算法、基于 Fisher線性判別的人臉識別算法以及基于 LBP 特征的人臉識別算法,這些算法在識別率、計算時間、數(shù)據(jù)存儲量及可擴展性方面各有優(yōu)劣。
OpenCV 是一個開源的可以跨平臺運行的計算機視覺庫,包含了許多圖像處理和計算機視覺方面的通用算法。
本文在OpenCV的基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了一種人臉識別系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)工作過程大致分為三個模塊,包括采集圖像裝置、服務(wù)器和客戶端。采集裝置在采集成功圖像后傳給鏈接的服務(wù)器,服務(wù)器調(diào)用Opencv處理之后將處理結(jié)果通過客戶端展現(xiàn)。根據(jù)事先錄入的數(shù)據(jù)進行判斷,這僅僅對授權(quán)用戶開放。
與傳統(tǒng)的Adaboost人臉檢測算法不同,本系統(tǒng)需要的是一個正臉分類器,這就要求集中所有正樣本為正面人臉,負(fù)樣本需要包含非正臉的所有情況。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn),如果訓(xùn)練樣本選擇不當(dāng)會導(dǎo)致檢測算法嚴(yán)重失效,最終誤檢。例如,在復(fù)雜背景下將“非人臉”檢測為“人臉”的情況;將偏轉(zhuǎn)角度較大的人臉誤檢為正面人臉的情況。這些誤檢情況會對后續(xù)人臉識別產(chǎn)生很大的影響,從而影響系統(tǒng)最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。
4.2 雙重檢測算法
本系統(tǒng)采用 OpenCV 來實現(xiàn)雙重檢測算法。即首先采用 AdaBoost 人臉檢測算法對采集圖像進行檢測,提取“人臉”圖像區(qū)域,然后對檢測到的“人臉”區(qū)域進行雙眼定位,并對雙眼特征進行判別。
人臉檢測主要包含兩個模塊:訓(xùn)練和識別。
(1)訓(xùn)練模塊
訓(xùn)練模塊是由OpenCV自帶的HaarTraining程序完成的。訓(xùn)練之前,需要采集大量的正負(fù)樣本。正樣本要求是正面的人臉圖像,選取時需要考慮到樣本的多樣性(人臉表情變化、戴眼鏡與不戴眼鏡、光照明暗不同等),所有正樣本需要裁剪為同一尺寸,然后將圖片放入“positive”文件夾;負(fù)樣本即為非人臉圖像,要求有一定的代表性,樣本數(shù)量大(一般負(fù)樣本的總數(shù)要達到正樣本的三倍以上),樣本圖片不能重復(fù),而且彼此之間應(yīng)有較大差異,然后將圖片放入“negative”文件夾。此外,要求負(fù)樣本采用灰度圖,提高樣本訓(xùn)練的速度。
然后創(chuàng)建樣本文件。負(fù)樣本是由背景描述文件“bg.txt”來描述,該文件通過自己手動創(chuàng)建,文件中每一行對應(yīng)一個負(fù)樣本圖片的路徑。由于采用 HaarTraining 訓(xùn)練時輸入的正樣本是 vec 文件,所以需要使用OpenCV自帶的opencv_createsample.exe程序?qū)?zhǔn)備好的正樣本轉(zhuǎn)換為vec文件。
(2)識別模塊
首先獲取攝像頭視頻,并對視頻中的每一幀圖像進行檢測分析。本系統(tǒng)采用雙重檢測算法來實現(xiàn)人臉檢測,其流程如圖4所示。首先加載待檢測圖像,并對其進行預(yù)處理,包括灰度化、高斯濾波、直方圖均衡化等。然后加載訓(xùn)練好的正面人臉分類器,并通過函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為OpenCV 內(nèi)部格式 CvHaarClassifierCascade。再將待檢測圖像以及級聯(lián)分類器一同傳給OpenCV 目標(biāo)檢測函數(shù) cvHaarDetectObject(),函數(shù)執(zhí)行完返回一個檢測到的人臉集合。如果集合為空,則判斷無人臉存在,返回繼續(xù)加載檢測圖像進行檢測,如果不為空,則進行下一步的雙眼檢測。
圖4 雙重檢測算法流程
由于本文采用的人臉分類器為正臉分類器,所以通過上述檢測得到的人臉為“正臉”。 一般正面人臉都會存在雙眼,所以對檢測到的“正臉”再次進行雙眼檢測,排除前一輪檢測的誤檢錯誤。雙眼檢測過程同人臉檢測相同,只是加載的分類器不同。函數(shù)執(zhí)行完返回一個檢測到的雙眼集合。如果集合為空,則判斷該“正臉”為誤檢,程序返回并繼續(xù)加載檢測圖像進行檢測,如果不為空,則通過函數(shù)返回的雙眼坐標(biāo)進行下一步的雙眼特征判斷。如果不滿足既定的基本準(zhǔn)則,則判斷獲取的“雙眼”為誤檢,進而判斷該“正臉”為誤檢,返回繼續(xù)加載檢測圖像進行檢測,如果滿足所有準(zhǔn)則,則判斷該“正臉”為系統(tǒng)所需正臉。最后分析一般正面人臉的雙眼位置與比例關(guān)系,并根據(jù)獲取的雙眼坐標(biāo)與距離,在原圖像上截取正面人臉區(qū)域。將提取的正臉保存到本地文件夾,并將其傳遞給識別模塊進行識別處理。一輪檢測完后,程序?qū)⒎祷夭⒗^續(xù)加載檢測圖像進行檢測。
5 結(jié) 語
在新型無線傳感網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的智能家居安防系統(tǒng),由于將IPv6安全性高和無線傳感網(wǎng)絡(luò)便攜性好、維護成本低、適應(yīng)強的特點結(jié)合起來,具有廣闊的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)的智能家居安防系統(tǒng)正在對當(dāng)前以人力管理為主的存在許多安全漏洞的物業(yè)管理產(chǎn)業(yè)造成極大沖擊,更加人性化的是,人們可以根據(jù)自己的需要定制能夠滿足個人需求的智能安防措施。為了更加準(zhǔn)確地捕獲室內(nèi)各項參數(shù),本系統(tǒng)在布置大量傳感節(jié)點的同時,對系統(tǒng)做了冗余措施,即只有當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)超過一定數(shù)量的同類型節(jié)點提示同樣信息時才采取應(yīng)答措施,這就避免了偶然因素。同時,根據(jù)安全事件的緊急程度采取不同等級的應(yīng)對措施,如通知管理人員、報警等。門禁系統(tǒng)的使用,使得人們的生活更加智能化,并且通過改進的檢測算法,使識別準(zhǔn)確率大大提高;門禁系統(tǒng)內(nèi)傳感器的使用,使得非法入侵行為能夠在第一時間被發(fā)現(xiàn),避免了不必要的損失。GSM模塊的添加使得系統(tǒng)更加人性化,異常信息能夠被及時傳遞,采取更人性化、靈活的措施。視頻模塊的添加使得室內(nèi)圖像被感知并且記錄下來,只有在出現(xiàn)緊急情況,并且在主人發(fā)出請求的前提下,短暫的視頻片段才會被傳輸。
隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,人們的生活更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化,無線傳感網(wǎng)絡(luò)的推廣,尤其是廉價、適應(yīng)性強的傳感節(jié)點的大量部署,使得多種安全所需的參數(shù)能夠被準(zhǔn)確及時地感知,相應(yīng)的安全策略也能夠在事故發(fā)生之后在極短時間內(nèi)被采取,極大地減少了損失發(fā)生的可能性。這是物業(yè)管理的發(fā)展趨勢,也是網(wǎng)絡(luò)的再次延伸。
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