基于物联网架构的智能家庭监控系统

方案概述

本系统基于物联网构架，不仅能对家庭的人身安全与财产安全进行实时监控与智能分析。还能通过对智能硬件的控制，提高客户生活质量。

项目背景

随着社会的高速发展，人们常常外出工作，家中无人或者家中只有老人及小孩的现象愈加明显；同时，通过分析屋内情况，智能控制家中的智能硬件运转已经是现代家庭生活的趋势。可见，人们对于监控家中情况的需求越来越强烈。因此，开发一款基于物联网架构的智能家庭监控系统显得尤为重要。

---

需求分析

要实现对家中财物安全和家人人身安全的监控与分析，该监控系统有以下需求：

• 可以通过摄像头，将家中的实时情况以视频格式上传到控制主机，用户可以通过官方应用随时查看各室场景
• 可以检测屋内空气情况，发现煤气泄漏或火灾及时报警
• 能实时记录屋内物品摆放位置，当用户需要某样物品时进行快速定位
• 通过分析屋内人员分布，智能控制屋内的智能家居(如智能电灯、空调等)的工作
• 通过机器学习了解用户生活习惯，自动切换不同场景模式(如:离家切断(部分)电源，回家自动打开咖啡机、热水器等)
• 发现未知人员进入家内，自动询问主人是否报警
• 通过图像识别分析并上报小孩情绪与行为，对有危险隐患的行为进行警告，同时通知监护人；
• 通过图像识别分析家人异常反应(如突然晕倒)，及时询问主人是否报警
• 为了保护视频数据安全，要求视频加密传输

---

系统分析与设计

为了实现上述需求，本系统的主要构成如图：

智能监控系统 系统图.png

• 感知识别层

1. 摄像头组：实时上传视频数据到控制主机(以每室2个摄像头以上为佳)
2. 气体传感器：检测是否有燃气泄漏
3. 温度传感器：检测室内温度
4. 湿度传感器：检测室内湿度
5. 烟雾传感器：检测是否有火灾

• 网络传输层

1. ZigBee：采用该技术传输传感器数据到控制主机，延迟低、功耗低、可靠性高，避免了布线的麻烦
2. WIFI：考虑到视频数据量大，摄像头组与主控主机采用WIFI传输，成本低、速率快
3. MQTT协议：

MQTT协议是一个面向物联网应用的即时通信协议，使用TCP/IP提供网络连接，能够对负载内容实现消息屏蔽传输，开销小，可以有效降低网络流量。

采用MQTT协议，可以实现以下基本功能：

• 上报传感器数据点
• 订阅自定义TOPIC
• 接收实时消息或离线消息

因此可以使用MQTT协议传输传感器数据和控制信息(如指令等)。
下面通过模拟器演示MQTT协议数据传输过程：
输入设备ID，产品ID和鉴权信息，通过模拟器连接温度传感器

连接成功

模拟温度传感器上传温度数据

上传数据

可以到OneNet平台后台查看到数据流已上传成功

数据流

下面测试通过订阅发布，发布打开空调的指令

发送指令

可以看到已经收到了打开空调的命令

收到指令

收到指令后，控制主机就可以连接智能空调并尝试打开空调。

4. SSL或TLS协议(基于TCP协议的加密协议)：
   考虑到视频数据的隐私性，在传输数据时不明文传输，而是采用SSL协议或TLS协议，保证数据安全性。

• 应用支撑层

1. 适配Android、IOS和Windows平台的客户端应用：为了实现用户随时查看家庭监控数据的需求，需要开发简单易用的客户端。
2. 服务器软件：要为控制主机编写服务器软件，为客户端提供相应服务。

3. 计算机视觉 API：对于物品位置识别可以采用公开的视觉API。在不大量增加控制主机运算量的情况下，识别物品。

   
   
   Azure图像API.png

4. 人脸识别与情绪识别API：可以采用公开的API来识别人脸与情绪：

   
   
   人脸识别
   
   
   情绪识别
5. 机器学习：为了了解用户离家和回家的时间，以及生活起居习惯，要适用Tensor Flow等机器学习框架对用户产生的样本进行分析学习。当机器学习成果偏差率较小时，控制主机可以提前切换到相应的场景模式。如:离家切断(部分)电源，回家自动打开咖啡机、热水器等
6. 统一推送平台：为了实现对用户的及时通知，减少成本，本系统可以采用"推必达"推送通知。该平台利用手机号寻址，通过运营商级信令通道下发至终端，由终端系统级进程解析。 具有无数据网络亦可达，无需常住后台亦可达，无App安装亦可达三大特性。

除此之外，还需要一个控制主机。可以采用树莓派(Raspberry Pi)，其具有强大的运算性能，以及开源硬件的易用性。搭配一定容量的存储设备，可以实现视频数据和传感器数据的收集和处理、运行服务器软件(为客户端软件提供服务)。

---