基于无线感知的智能管家系统

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基于无线感知的智能管家系统随着科技水平的发展，传统家居面临着巨大的挑战，越来越多的智能家居产品进入普通用户的家庭。用户对居住条件的要求不再只是物理空间的大小，还包括能否提供一个温馨的居家环境。如何让这些智能家居产品高效、节能、人性化地运作是一个亟待解决的问题。因此，我们把关注点放在提高整体智能家居系统的用户体验。如图2-1所示，目前的主流智能家居产品都把智能手机作为产品控制的重要一环，智能手机具有方便随身携带的特点，便捷性强，用户能够随时随地地对智能家居进行管理。但是，随着家庭中智能家居产品越来越多，用户每次出门或回家后都要一个个将其关闭或打开，用户体验较差。从这个角度出发，还需要构建用户体验更加良好的智能家居控制系统。

目录

简介

一种可行的方案为检测家庭中各个用户进出的情况，通过区分不同用户，若检测到某用户回家，为用户提供个性化的用户体验；若检测到某用户出门，则关闭智能家居系统或执行预设的行为。目前最常用的检测方式为指纹检测或视频检测，但指纹检测需要用户手指接触检测设备，会在设备上留下指纹信息，视频检测受光线影响较大，在黑夜中可靠性较差。除此之外，用户隐私也需要重点关注，视频检测的方法必须通过摄像头拍摄室内场景，用户隐私的安全性难以保证。通过以上分析对比，雷达波检测不受光线等外界环境的影响，且采集的用户数据均为雷达波形，极大地保护了用户的个人隐私，适用于家庭中智能家居系统的控制。

2.2家庭门禁发展现状

门禁系统是住户家庭安全的直接保障，管理人员的进出，保障财产不受侵犯。二十世纪七十年代，在科技的推动下，微电子技术广泛应用于门锁领域，随后陆续出现了各种智能锁。到二十世纪九十年代，真正意义上的电子门禁系统逐渐形成。我国于1995年开始出现 RFID 卡，随后射频卡被广泛应用于各个行业。2000年迎来IC卡的时代。2002年，Global HD推出第一代 iCLASS，使得门禁系统在当时变得更加安全、更加强大，中频(13.56MHz）RFID技术一度成为当时门禁行业的规范。继射频技术之后，指纹技术不断兴起，研究表明人体指纹存在着唯一性。2010年，指纹密码出现在门禁系统中。指纹门禁系统开始进入商业化发展。之后，人脸、虹膜等技术也在门禁应用中取得突破。2014年以后，在智能手机的迅猛发展下，门禁与手机结合越来越紧密。用户可以使用二维码钥匙进行身份认证，通过扫码开门。门禁系统也开始使用蓝牙、Wi-Fi、Zigbee 等无线连接的方式，使得开门变得更加方便快捷。

目前主流的家庭门禁系统及其优缺点：

（1） 密码门禁系统。数字密码较传统钥匙具有更高的安全性，但密码门禁系统存在容易遗忘和混淆的问题，且若不及时更新密码，容易被非法获取。

（2） 射频门禁系统。基于射频识别技术实现用户身份识别，但存在容易消磁、射频卡容易遗失和管理困难等问题。

（3） 指纹识别门禁系统。人体指纹具有唯一性，安全性较高。相比于密码和射频卡，指纹不存在遗忘和丢失的风险。但随着技术的发展，指纹泄露的风险不断增加，并且用户若手指受伤可能会导致识别失效。

（4） 人脸识别门禁系统。通过预采集用户人脸图片对人脸进行识别。在车站、驾校、机场等场所都有大范围应用。但不适用于对精度要求苛刻的场所，人脸图像识别仍有被盗用风险，精度和稳定性都还需进一步提高。

（5） 虹膜识别门禁系统。通过对用户眼睛里面的虹膜进行检测识别确定用户身份。虹膜识别的安全性能相对于前面几种方式具有巨大的提升，但由于设备成本较高，一般只用于重要商业场所或者重要军事场所。

（6） 二维码门禁系统。使用系统随机产生的二维码来扫码认证开门，动态二维码实时性好、安全性高，但必须使用手机等智能设备进行扫码操作，家庭中的老年人操作可能会有困难。

经过以上分析对比，我们发现现有的家庭门禁系统中，最方便且应用最广泛的为密码门禁系统、指纹识别门禁系统和人脸识别门禁系统，虽然三种门禁系统的识别对象都具有唯一性，但仍存在密码、指纹或人脸被盗用的风险。家庭门禁需要较高的安全性和稳定性。密码、指纹和人脸均较易复制，但用户的身形、步态，是非常难盗用的，步态识别较以上方案的安全性更高。且考虑特殊情况，若用户身体不适或受伤导致步态发生变化， 因此使用传统的门禁与步态识别门禁系统相互配合的方案，在提高了安全性同时，保证无论什么情况用户均可以方便地打开家庭门禁，保障了系统的稳定性。

2.3系统简介

本设计为基于无线感知的智能管家系统，重点实现两方面的功能，包括用作智能家庭门禁以及在识别出具体用户后根据不同用户的不同偏好为其提供个性化的体验，安全性高、各智能家居产品的联动性强。其中，由于人的步态、身形的唯一性以及难以模仿的特性，因此将步态识别用于家庭门禁较目前现有的门禁系统具有更高的安全性，能够更好地保护家庭中的人身、财产安全。当用户回家后，使用基于雷达的人体步态微多普勒特征识别技术进行用户识别，再根据不同用户的喜好为其提供个性化的定制用户体验，例如用户对家庭温度、湿度、灯光等的偏好，或其他生活上的习惯，例如煮咖啡、关闭卧室窗帘等。当检测到用户离开家后，关闭相应的功能进入节约能源。相较于目前应用广泛的视频用户识别，雷达步态检测不会拍摄和存储用户图像，更适合用于家庭等私人场所，能够很好地保护用户隐私。除此之外，还开发出一套智能云平台，通过云端服务器连接雷达平台、电脑、手机实现互联互通，家庭成员可以随时在手机端APP上设置不同用户的偏好需求，设置完成以后雷达微多普勒特征识别系统便可以全天候地为用户提供个性化的定制体验。

雷达人体检测即使用雷达对用户进行识别，通过雷达信号发射装置发射电磁波，然后使用接收装置接收被物体反射回来的信号并进行分析处理，从而得到需要的信息。当被检测用户处于运动状态时，一定频率的电磁波发射到用户身上并反射回来，反射回波信号的频率会发生变化，这种雷达与人体之间的相对运动引起的频率调制效应被称为多普勒效应。利用测量得到的多普勒频移，可以计算出运动人体的径向速度等信息。除此之外，人体由主躯干和四肢等多个部分构成，并且除了躯干的运动外，其他部位还存在振动、转动等运动，这些部位的运动将会引起对回波信号附加的频率调制，称为微多普勒效应。通过对微多普勒频移的分析，能够得到丰富的人体运动信息，人体微多普勒特征如图2-2所示。由于人体结构复杂，并且在运动中身体的各个部位之间存在较强的耦合性，使用雷达对人体目标进行探测时就会产生复杂的微多普勒效应，这些由于人体运动对雷达电磁波产生的频率调制，包含着丰富的人体运动信息和特征。因此，通过提取和应用人体运动微多普勒效应中的有用信息，能够有效地检测出不同的用户，从而开启家庭门禁，并为其提供个性化的用户体验。