智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，是在互聯(lián)網(wǎng)影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)，具有產(chǎn)業(yè)前景。本篇計(jì)算機(jī)論文探討智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理，認(rèn)為智能家居系統(tǒng)一旦被入侵將嚴(yán)重威脅人們的隱私和財(cái)產(chǎn)安全，需要加強(qiáng)系統(tǒng)安全機(jī)制設(shè)計(jì)，以保障信息傳輸?shù)陌踩裕瑥浹a(bǔ)智能家居物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)存在的漏洞。

　　推薦期刊：核心期刊《智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)》是由中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。自創(chuàng)刊以來，以新觀點(diǎn)、新方法、新材料為主題，堅(jiān)持"期期精彩、篇篇可讀"的理念。智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)內(nèi)容詳實(shí)、觀點(diǎn)新穎、文章可讀性強(qiáng)、信息量大，眾多的欄目設(shè)置，智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)公認(rèn)譽(yù)為具有業(yè)內(nèi)影響力的雜志之一。智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)并獲中國優(yōu)秀期刊獎(jiǎng)，現(xiàn)中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊。相關(guān)期刊有國家級(jí)期刊《智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用》、《智能建筑與城市信息》。

　　關(guān)鍵詞：智能家居;物聯(lián)網(wǎng);安全性設(shè)計(jì)

　　不同層次的用戶對智能家居安全性的需求不同，但家居安防和家居環(huán)境的自動(dòng)檢測與控制、家電設(shè)備的自動(dòng)控制等功能是家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本安防功能。系統(tǒng)有物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展、家電設(shè)備、環(huán)境檢測、門禁4個(gè)子系統(tǒng)，由中央控制器、遠(yuǎn)程PC、移動(dòng)手機(jī)、Zigbee協(xié)調(diào)器等組成。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)、LBS技術(shù)等，

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)是檢測家庭環(huán)境異常、定位移動(dòng)物體、身份識(shí)別等。網(wǎng)關(guān)包含5個(gè)功能模塊，含中央控制系統(tǒng)、門禁控制、移動(dòng)物體定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)控等子系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要任務(wù)是對家居環(huán)境實(shí)施動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測，設(shè)有警報(bào)系統(tǒng)，一旦環(huán)境異常將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搭建平臺(tái)為ZigBee，信息采集模塊由各類傳感器組成，傳感器對數(shù)據(jù)實(shí)行存檔，通過預(yù)先設(shè)置的預(yù)警閾值進(jìn)行報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)本地或遠(yuǎn)程對數(shù)據(jù)信息的查看。移動(dòng)物體定位系統(tǒng)主要通過 GPS信息對移動(dòng)物體進(jìn)行跟蹤和定位，該系統(tǒng)應(yīng)用在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，主要是為了在特殊情況發(fā)生后，幫助用戶找到移動(dòng)的物體。門禁系統(tǒng)用來控制進(jìn)入用戶家居權(quán)限，是智能家居物聯(lián)網(wǎng)安全設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)施有攝像頭、質(zhì)問識(shí)別器等，門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是體現(xiàn)多元化身份識(shí)別的基礎(chǔ)。

　　網(wǎng)關(guān)服務(wù)器采用凌陽單片機(jī)對各子系統(tǒng)實(shí)施控制，采用ZigBee協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)WSN通訊。物聯(lián)網(wǎng)嵌入式平臺(tái)的核心為ARM11 嵌入式網(wǎng)關(guān)，主要由ZigBee無線傳感器模塊、GPRS通訊模塊、WiFi模塊等組成。網(wǎng)關(guān)處理器為基于ARM11的S3C6410，該處理器存儲(chǔ)容量大、主頻高、性能優(yōu)越。凌陽單片機(jī)屬于微控制器，具有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力并且便于調(diào)試。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)相比其它無線通訊技術(shù)而言安全性更高，且成本低，傳感器的信息傳送主要通過WSN通訊來實(shí)現(xiàn)。

　　本網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式為BV.net編程，在中央控制器上設(shè)計(jì)4個(gè)模塊的服務(wù)器程序，并將相應(yīng)的客戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì)在終端設(shè)備上。具體設(shè)計(jì)應(yīng)用有門禁子系統(tǒng)設(shè)計(jì)算法、流媒體技術(shù)、B/S模式等。多媒體計(jì)算機(jī)接口為有線接口、以太網(wǎng)接口、I/0接口。門禁控制板以串口COM1連接，各子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭由USB接口連接。家用無線路由器主要通過無線網(wǎng)卡與多媒體計(jì)算機(jī)連接，無線路由器與ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

　　2系統(tǒng)安全機(jī)制設(shè)計(jì)

　　為保護(hù)家居的隱私安全，抵制復(fù)雜攻擊，本設(shè)計(jì)采用了特別的安全機(jī)制和安全算法。為了保障信息傳輸?shù)陌踩裕饕捎肧M4加密算法對信息進(jìn)行加密，在節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)認(rèn)證時(shí)設(shè)置驗(yàn)證密鑰。接收設(shè)備必須經(jīng)過入網(wǎng)密鑰驗(yàn)證后才能接受和解密控制命令或檢測信息。整個(gè)家居網(wǎng)絡(luò)的安全性由入侵檢測與報(bào)警機(jī)制、控制指令的保密通信、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)密鑰驗(yàn)證機(jī)制負(fù)責(zé)。

　　2.1入網(wǎng)驗(yàn)證

　　入網(wǎng)前要進(jìn)行安全性驗(yàn)證，驗(yàn)證針對節(jié)點(diǎn)身份進(jìn)行。入網(wǎng)驗(yàn)證的具體方法為：在服務(wù)器中對節(jié)點(diǎn)的物理地址進(jìn)行存儲(chǔ)，該地址具有唯一特性并經(jīng)過密鑰處理，系統(tǒng)在接到來自節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行分析，并對節(jié)點(diǎn)發(fā)送的密鑰進(jìn)行驗(yàn)證。例如，智能家居節(jié)點(diǎn)M向服務(wù)器發(fā)出入網(wǎng)請求時(shí)，服務(wù)器接到請求后自動(dòng)發(fā)送驗(yàn)證要求，節(jié)點(diǎn)M將驗(yàn)證信息發(fā)送回服務(wù)器，只有驗(yàn)證信息通過后才會(huì)允許加入到網(wǎng)絡(luò)。

　　2.2控制指令的保密通信

　　本設(shè)計(jì)采用SM4加密算法控制指令，具體過程如圖3所示。通過對各節(jié)點(diǎn)或服務(wù)器待發(fā)送的信息進(jìn)行加密，采用加密密鑰，各信息生成為固定參數(shù)，經(jīng)加密的信息發(fā)至各對應(yīng)節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)對信息進(jìn)行解密，并讀取信息，將信息進(jìn)行反饋，判定節(jié)點(diǎn)的安全性。

　　系統(tǒng)驗(yàn)證信息，若出現(xiàn)錯(cuò)誤信息時(shí)，將啟動(dòng)報(bào)警，并對入侵行為進(jìn)行記錄。

　　2.3門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　門禁系統(tǒng)的硬件包括指紋識(shí)別器、麥克風(fēng)、攝像頭、可控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)采用控制板是SPCE061A，控制板上設(shè)有語言模塊，服務(wù)器與控制板的接口為串口，語言模塊和電機(jī)均會(huì)對服務(wù)器發(fā)送的控制信息作出反應(yīng)，門禁系統(tǒng)主要由設(shè)定模式和控制模式組成，門禁控制板的集成模塊包括串口通訊、圖像和語言識(shí)別、用戶特征采集等。本設(shè)計(jì)的門禁控制策略為控制中心對GPS的坐標(biāo)數(shù)與用戶事先設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，手機(jī)與智能家居的距離在一定范圍外時(shí)，家居智能安防系統(tǒng)自動(dòng)打開。智能門禁在安防系統(tǒng)開啟時(shí)處于堵塞狀態(tài)，反之則處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，在準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)RFID接收設(shè)備會(huì)對電子鑰匙進(jìn)行讀取，并與加密信息進(jìn)行對比，在加密信息匹配后開啟電子門鎖。智能門禁系統(tǒng)需要對用戶的生物特征進(jìn)行模塊采集，從而進(jìn)行身份識(shí)別。人臉、語言和指紋等身份特征是通過語言模塊和圖像識(shí)別控制器實(shí)現(xiàn)的。

　　2.4WSN環(huán)境監(jiān)控設(shè)計(jì)

　　傳感器可對室內(nèi)的環(huán)境變化進(jìn)行感知，中央控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，若有異常，系統(tǒng)將通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制命令，進(jìn)行報(bào)警或采取相對應(yīng)的保護(hù)措施。MWN環(huán)境控制的物理框架如圖4所示。

　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)，采用的是ZigBee無線通信協(xié)議，中心采用多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。智能家居聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所感知到的環(huán)境信息將通過GPRS或 Internet等無線網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程控制中心。本設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)控算法為RTR算法，該算法新加入硬閾值法則和簇頭能量閾值法則。RTR算法采用的是反應(yīng)式路由算法。本設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有匯聚節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)兩類，匯聚節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的主要作用分別為收集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。WSN環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是基于 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的一種系統(tǒng)，其中傳感器、指示燈、按鍵、喇叭等與核心控制板一起形成了報(bào)警系統(tǒng)，從而對火災(zāi)、煙霧、外來入侵等情況進(jìn)行監(jiān)控。傳感器控制報(bào)警模塊主要由人體感應(yīng)紅外線傳感器、煙霧、燃?xì)饧盎鹧鎮(zhèn)鞲衅鞯瓤刂颇K組成。

　　3系統(tǒng)性能分析與檢測

　　3.1測試節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)安全性

　　首先，設(shè)計(jì)編譯算法并進(jìn)行移植，將SM4密碼算法植入到搭建的智能家居物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，通過在服務(wù)器上編寫測試窗口，并觀察節(jié)點(diǎn)運(yùn)行信息。測試開始時(shí)，先將智能家居物聯(lián)網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，然后節(jié)點(diǎn)M向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求，主節(jié)點(diǎn)將SM4加密信息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)M，節(jié)點(diǎn)M將加密信息進(jìn)行解密后再發(fā)回給主節(jié)點(diǎn)，最后由主節(jié)點(diǎn)對解密信息進(jìn)行正確性驗(yàn)證。正確情況下M節(jié)點(diǎn)被允許加入網(wǎng)絡(luò)，主節(jié)點(diǎn)會(huì)將密文、加密內(nèi)容、解密反饋及認(rèn)證結(jié)論等向服務(wù)器發(fā)送，以便服務(wù)器進(jìn)行顯示。另外模擬一個(gè)非法節(jié)點(diǎn)A向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求，該非法節(jié)點(diǎn)不能對密文進(jìn)行正確解密，即被主節(jié)點(diǎn)認(rèn)證為非法節(jié)點(diǎn)，將警告信息發(fā)送給服務(wù)器，并啟動(dòng)入侵檢測和報(bào)警系統(tǒng)。非法節(jié)點(diǎn)A被保存，以作為日后查詢的依據(jù)。

　　3.2檢測安全算法

　　安全機(jī)制算法植入在主節(jié)點(diǎn)上，每間隔5s將一組加密信息發(fā)送給固定節(jié)點(diǎn)N，節(jié)點(diǎn)N會(huì)將接收到的信息進(jìn)行解密，主節(jié)點(diǎn)通過定時(shí)器將收到的解密信息進(jìn)行計(jì)時(shí)，將主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間進(jìn)行記錄，將前后兩次收到的數(shù)據(jù)時(shí)間差形成一個(gè)散列值函數(shù)，以此作為系統(tǒng)在加入安全機(jī)制后的計(jì)算時(shí)間。將系統(tǒng)的安全機(jī)制去掉，同樣以此方法對循環(huán)過程進(jìn)行計(jì)時(shí)，該時(shí)間數(shù)據(jù)會(huì)返回給智能家居服務(wù)器，形成散列值函數(shù)，以此為系統(tǒng)無安全機(jī)制時(shí)的計(jì)算時(shí)間。經(jīng)過反復(fù)測算，加入安全機(jī)制后，系統(tǒng)運(yùn)行延長，對系統(tǒng)計(jì)算性能幾乎無影響，但系統(tǒng)的安全性得到明顯提高。

　　智能家居論題拓展：智能家居控制的發(fā)展關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)理念以及經(jīng)營者的心態(tài)，市場目標(biāo)客戶真正需要什么東西，掙什么樣的錢都要慎重考慮，如果只注重簽單，不設(shè)身處地的為客戶著想，不兼顧智能解決未來的發(fā)展，提供片面的智能家居解決方案，而不考慮客戶的適用性，是不可取的，是急功近利的表現(xiàn)，這不僅降低了智能家居的應(yīng)用效果，還不利于整個(gè)智能家居行業(yè)的發(fā)展。