基于無(wú)線感知的智能家庭安防系統(tǒng)

紀(jì)科杰，盧明安，李章財(cái)，張?chǎng)魏?，樓亮?/p>

（1.臺(tái)州學(xué)院 a.航空工程學(xué)院；b.電子與信息工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.浙江杰克智能縫制科技有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)智能家庭安防系統(tǒng)的需求越來(lái)越大，安防市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大［1］?，F(xiàn)階段市面上常用的安防設(shè)備主要有三種：攝像頭、雷達(dá)與熱釋電技術(shù)［2］。攝像頭能提供較為豐富的圖像信息，但涉及客戶個(gè)人隱私，存在客戶權(quán)益缺乏保護(hù)等問(wèn)題［3-4］；雷達(dá)能夠提供精確的定位信息，但存在易受到氣象等自然因素干擾的問(wèn)題［5］；熱釋電擁有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但存在易受熱源干擾的問(wèn)題［6］。為了解決現(xiàn)階段市面上視頻攝像頭安防設(shè)備存在的客戶個(gè)人隱私泄露、雷達(dá)靜態(tài)目標(biāo)識(shí)別精準(zhǔn)度差以及熱釋電技術(shù)易受到熱源干擾等問(wèn)題，本文引入一種新型智能家庭安防系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)，即無(wú)感感知技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)檢測(cè)空間內(nèi)Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度變化與動(dòng)態(tài)目標(biāo)活動(dòng)規(guī)律的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)入侵行為的檢測(cè)。而無(wú)線電磁波信號(hào)的穿墻屬性也克服了攝像頭、雷達(dá)及熱釋電等技術(shù)在穿墻檢測(cè)方面的技術(shù)瓶頸，為入侵行為檢測(cè)死角所帶來(lái)的檢測(cè)精準(zhǔn)度下降問(wèn)題提供了新的解決思路［7］。

隨著Wi-Fi等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，2020年我國(guó)Wi-Fi家庭滲透率已經(jīng)達(dá)到90%［8］。總體而言，Wi-Fi技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)需布線、覆蓋范圍廣、反應(yīng)速度快、安全性能好。近年來(lái)，基于Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度信息的無(wú)感感知技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在家庭安防系統(tǒng)體系中也得到了廣泛應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以解決傳統(tǒng)防盜報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的弊端，還具有識(shí)別與定位等功能。因此，本文利用Wi-Fi信號(hào)背后所隱含的能量強(qiáng)度特征來(lái)構(gòu)建智能家庭安防系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)家庭防盜報(bào)警技術(shù)中缺乏識(shí)別功能、易受熱源影響等缺點(diǎn)，提升家庭安防報(bào)警系統(tǒng)的精準(zhǔn)性與實(shí)時(shí)可達(dá)性。

1 系統(tǒng)介紹

本文提出的智能家庭安防系統(tǒng)主要包括ESP32模塊、GPRS模塊與蜂鳴器模塊。其中ESP32模塊抽取空間Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度（RSSI，Received Signal Strength Indication）屬性，構(gòu)建入侵行為檢測(cè)識(shí)別體系，實(shí)現(xiàn)入侵行為精準(zhǔn)識(shí)別，繼而通過(guò)GPRS模塊與蜂鳴器模塊打造遠(yuǎn)程與本地化報(bào)警等模塊。系統(tǒng)具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

從圖1可以看出，Wi-Fi SoC芯片ESP32將實(shí)時(shí)接收來(lái)自家用路由器和手機(jī)等設(shè)備廣播Wi-Fi數(shù)據(jù)幀，提取隱藏在該數(shù)據(jù)幀中MAC信息，并抽取隱含在Wi-Fi信號(hào)背后的RSSI信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，則通過(guò)識(shí)別無(wú)線信號(hào)中是否包含主人手機(jī)Wi-Fi模塊的MAC地址信息，實(shí)現(xiàn)陌生人與主人分離；當(dāng)檢測(cè)到陌生人入侵時(shí)，即當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到主人手機(jī)存在時(shí)，ESP32模塊將傳輸預(yù)警信息給報(bào)警模塊，并打開(kāi)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，對(duì)入侵者予以警告，同時(shí)利用GPRS模塊向用戶撥打電話進(jìn)行提醒。因此，在外的主人將通過(guò)手機(jī)獲取入侵發(fā)生的時(shí)間地點(diǎn)信息，進(jìn)而可以最大程度減少用戶的損失。此外，由于Wi-Fi電磁波信號(hào)具有穿墻傳播能力，本文提出的智能家庭安防系統(tǒng)也具備穿墻感知、定位、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

綜上可知，實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)的關(guān)鍵在于信號(hào)強(qiáng)度的抽取與MAC信息的篩選，而現(xiàn)有的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)都遵從IEEE 802.11協(xié)議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802 LAN/MAN標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的局域網(wǎng)、城域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，又稱為L(zhǎng)MSC（LAN/MAN Standards Committee）。其中802.11規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)物理層和MAC層進(jìn)行了定義，并給出物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的參考模型，確保Wi-Fi設(shè)備間的高效互操作性［9］。為了維護(hù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，現(xiàn)有的Wi-Fi芯片都在物理層內(nèi)置信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量引擎，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道沖突機(jī)制的建構(gòu)提供了有力支撐，更為本文入侵行為識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［10］。同時(shí)，IEEE 802.11規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)MAC地址信息作了唯一性要求，為主人與陌生人身份的識(shí)別提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)［11］。

1.1 檢測(cè)原理

為確保用戶體驗(yàn)度，家用Wi-Fi路由器會(huì)定期廣播Beacon信號(hào)，確保手機(jī)等Wi-Fi設(shè)備快速鏈接，Beacon廣播的周期默認(rèn)為100 ms。而作為現(xiàn)階段的生活必需品手機(jī)，可以時(shí)刻伴隨著主人出現(xiàn)在任何區(qū)域，它也將定期廣播Beacon Probe數(shù)據(jù)幀，以此實(shí)現(xiàn)Wi-Fi通信鏈路的快速建立。根據(jù)電磁波理論，無(wú)線傳播空間內(nèi)出現(xiàn)的人或其他動(dòng)態(tài)事物，必然對(duì)電磁波的傳播路徑造成干擾，進(jìn)而導(dǎo)致電磁波發(fā)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象，而電磁波能量強(qiáng)度是表征上述現(xiàn)象的有力證據(jù)之一。

根據(jù)IEEE 802.11規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可知，Wi-Fi數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)幀頭可分為數(shù)據(jù)幀控制域（Frame Control）、持續(xù)時(shí)間和標(biāo)識(shí)（Duration/ID）、地址域（Address）、序列控制域（Sequence Control），共計(jì) 30 Byte，如圖 2所示。從圖2可以看出，在IEEE 802.11規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)MAC層數(shù)據(jù)定義中，任意Wi-Fi設(shè)備必須都具有唯一的MAC地址。因此，利用主人手機(jī)內(nèi)在Wi-Fi模塊MAC地址的唯一性，為主人與陌生人的識(shí)別提供了先決條件。此外，若有人在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)時(shí)，必然影響Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)由ESP32采集處置后，通過(guò)比對(duì)MAC地址在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)入侵行為的精準(zhǔn)識(shí)別。而且通過(guò)對(duì)周邊不用區(qū)位部署的家用路由器信號(hào)的抽取，也可實(shí)現(xiàn)入侵行為發(fā)生的粗略位置信息。

圖2 Wi-Fi數(shù)據(jù)包的幀頭定義

1.2 入侵檢測(cè)

系統(tǒng)上電以后，ESP32模塊持續(xù)接收空間內(nèi)的Wi-Fi信號(hào)。若空間內(nèi)無(wú)人入侵，空間內(nèi)Wi-Fi信號(hào)的強(qiáng)度將保持基本恒定，那么ESP32模塊所抽取到的隱含在Wi-Fi信號(hào)背后的RSSI數(shù)據(jù)也將呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，該狀態(tài)下所抽取的信號(hào)也可作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。由于該狀態(tài)下抽取到的RSSI值的變化量必然小于預(yù)設(shè)的RSSI閾值，所以不啟動(dòng)報(bào)警模塊。然而，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有人存在時(shí)，由于人員在無(wú)線環(huán)境中活動(dòng)，將會(huì)對(duì)Wi-Fi信號(hào)造成衍射和反射等現(xiàn)象，以至于電磁波信號(hào)能量被人體反射和吸收，進(jìn)而導(dǎo)致接收該信號(hào)的ESP32模塊所量測(cè)的Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生改變，即ESP32模塊量測(cè)所得的RSSI數(shù)據(jù)將隨著人員活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的變化發(fā)生一定程度的跳變。因此，本文將RSSI數(shù)據(jù)變化量與提前設(shè)置好的RSSI閾值進(jìn)行比較分析，若信號(hào)接收模塊檢測(cè)到的RSSI值大于預(yù)設(shè)RSSI閾值，信號(hào)處理模塊將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，否則將不啟動(dòng)報(bào)警進(jìn)程。

1.3 身份判斷

為了保障用戶體驗(yàn)度，手機(jī)也將在每個(gè)信道上定期廣播Beacon Request數(shù)據(jù)幀。當(dāng)Wi-Fi路由器接收來(lái)自手機(jī)Beacon Request數(shù)據(jù)幀時(shí)，在匹配賬號(hào)密碼信息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的快速建立。因此，當(dāng)戶主回家時(shí)，其手機(jī)必然會(huì)自動(dòng)連接至家庭路由器且作為家庭路由器的信道，定期廣播心跳數(shù)據(jù)來(lái)確保網(wǎng)絡(luò)的連接性［12］?；谏鲜鎏匦?，ESP32也將接收到來(lái)自主人手機(jī)內(nèi)置Wi-Fi模塊發(fā)送的無(wú)線信號(hào)，該信號(hào)隱含有戶主手機(jī)的MAC地址與RSSI等相關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，在識(shí)別到RSSI擾動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，基于手機(jī)Wi-Fi模塊MAC地址的唯一性，能夠?qū)崿F(xiàn)戶主身份的有效識(shí)別。而諸如基于熱釋電與雷達(dá)等的傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)，則因?yàn)闊o(wú)法解決主人與陌生人的識(shí)別問(wèn)題，存在需要戶主人工關(guān)閉系統(tǒng)才能破解虛警的技術(shù)瓶頸。本文提出的方案，通過(guò)識(shí)別主人手機(jī)Wi-Fi模塊所攜帶唯一性MAC地址信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了主人與陌生人入侵行為的精準(zhǔn)分離。

1.4 報(bào)警模塊

為確保入侵行為的及時(shí)可達(dá)性，系統(tǒng)將利用GPRS模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊，構(gòu)建遠(yuǎn)程化與本地化相結(jié)合的報(bào)警模式。當(dāng)檢測(cè)到有陌生人入侵時(shí)，利用ESP32串口向GPRS模塊發(fā)送報(bào)警指令，使其向戶主撥打電話并發(fā)送含有入侵地址的短信，并通過(guò)ESP32的GPIO輸出高電平，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。與此同時(shí)，遠(yuǎn)在外地的主人也通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制報(bào)警系統(tǒng)的啟動(dòng)與關(guān)閉，為客人的到訪誤觸發(fā)提供了有效的保障措施。本地化與遠(yuǎn)程化相結(jié)合的報(bào)警模式，提高了本文所建構(gòu)的安防系統(tǒng)的實(shí)用性，為同行業(yè)研究人員提供了設(shè)計(jì)參考模板。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。從圖3可以看出，系統(tǒng)上電之后，ESP32開(kāi)始對(duì)周邊的Wi-Fi信號(hào)進(jìn)行接收，并對(duì)其RSSI值進(jìn)行測(cè)量與分析。若RSSI值沒(méi)有跳變，該系統(tǒng)不做出任何反應(yīng)；若RSSI值發(fā)生跳變，將進(jìn)行入侵行為識(shí)別，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況，繼續(xù)接收Wi-Fi信號(hào)并抽取RSSI與MAC數(shù)據(jù)；若RSSI出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，且在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)戶主手機(jī)Wi-Fi MAC信息的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)入侵行為報(bào)警。

圖3 系統(tǒng)流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性與可實(shí)踐性，本文基于ESP32模塊、GPRS模塊以及蜂鳴器等，打造了實(shí)驗(yàn)原型機(jī)，其中ESP32模塊為T(mén)TGO-T8-V17，GPRS模塊為SIM800C。ESP32與GPRS模塊將通過(guò)UART進(jìn)行連接，而蜂鳴器則受控于ESP32的IO口，以此實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)的快速本地化響應(yīng)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)驗(yàn)原型機(jī)實(shí)物如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的二室一廳戶型作為試驗(yàn)場(chǎng)地，假設(shè)兩個(gè)相鄰房間分別為A與B，一間大廳為C，若將系統(tǒng)單獨(dú)放在大廳C靠近A房間并固定，則家用路由器放置在以系統(tǒng)為中心的任意3米距離位置處。系統(tǒng)上電后，ESP32開(kāi)始實(shí)時(shí)檢測(cè)源于家用路由器和其他設(shè)備的Wi-Fi信號(hào)，若無(wú)人在該區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，則采集到RSSI一直保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但不低于提前設(shè)置好的RSSI閾值；若有人在該區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，因?yàn)榉瓷溲苌涞痊F(xiàn)象存在，導(dǎo)致RSSI值變化量大于預(yù)設(shè)閾值。

為得到相關(guān)閾值，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的RSSI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法得出相關(guān)的判決閾值。此外，為降低模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，計(jì)算中利用三次平滑濾波算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)有人入侵時(shí)，RSSI值會(huì)衰減到-65 dBm以下。通過(guò)對(duì)比入侵狀態(tài)下的RSSI數(shù)據(jù)與閾值之間相關(guān)性可以看出，如果當(dāng)前時(shí)刻的RSSI數(shù)據(jù)低于閾值，且在當(dāng)前時(shí)刻未檢測(cè)到主人手機(jī)內(nèi)置Wi-Fi模塊MAC地址的情況下，可激活系統(tǒng)報(bào)警模塊，即打開(kāi)蜂鳴器，且通過(guò)短信與電話的形式通知主人。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也對(duì)入侵精準(zhǔn)度進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 人體作用下RSSI值變化規(guī)律

表1 入侵檢測(cè)精準(zhǔn)度測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，本文提出的安防系統(tǒng)能夠?qū)θ肭中袨檫M(jìn)行較為精準(zhǔn)的識(shí)別，準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上。然而，本文提出的閾值僅在針對(duì)特定人員入侵行為識(shí)別的基礎(chǔ)上訓(xùn)練所得，因此存在樣本不足等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致有些入侵行為的識(shí)別精準(zhǔn)度較低，如兩次入侵行為間隔時(shí)間較短（小于5 s），在實(shí)際測(cè)試中僅被認(rèn)為一次。

3 結(jié)語(yǔ)

文中開(kāi)發(fā)的家庭安防系統(tǒng)利用Wi-Fi信號(hào)所隱含的RSSI數(shù)據(jù)與MAC地址信息，構(gòu)建入侵行為檢測(cè)以及主人識(shí)別系統(tǒng)，并通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)所得RSSI數(shù)據(jù)特征獲取RSSI閾值，為入侵行為識(shí)別算法提供了判決依據(jù)。該系統(tǒng)無(wú)隱私泄露問(wèn)題且不易受熱源干擾，具有較高的精準(zhǔn)度與實(shí)用性。但由于現(xiàn)階段系統(tǒng)只能設(shè)置固定閾值實(shí)現(xiàn)入侵檢測(cè)，因此在時(shí)變環(huán)境下存在檢測(cè)精準(zhǔn)度不高等問(wèn)題，今后將升級(jí)改進(jìn)信號(hào)處理方面的相關(guān)算法，進(jìn)一步提升系統(tǒng)檢測(cè)精準(zhǔn)度。