基于PC-TV智能家居控制系統設計

申志偉，李紅偉，張　竹，李順鑫

(1.西南石油大學　電氣信息學院，四川 成都 610500；2.重慶天箭慣性科技，重慶 404100)

基于PC-TV智能家居控制系統設計

申志偉1，李紅偉1，張竹2，李順鑫1

(1.西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500；2.重慶天箭慣性科技，重慶 404100)

摘要:設計了一種基于嵌入式微控制器、PC-TV、物聯網應用的智能家居控制系統。采用紅外控制與無線網絡結合方式，能夠實現控制家居中各種設備的一體化控制。在人機交互上，保留按鍵操作，增加了語音控制模式，可通過簡單的手勢動作進行控制操作。用戶可以通過PC-TV軟件給主節點添加計劃任務，設定自動的開關燈時間、拉窗簾時間、開關窗時間等。

關鍵詞:智能家居；手勢識別；語音識別；人機交互

智能家居概念起源于20世紀80年代初的美國，稱之為Smart Home[1]。其經歷了4代的發展：第一代是通過同軸線及兩芯線完成家庭組網，進而實現燈光、窗簾及少量的安防控制等；第二代是通過總線及IP技術組網，能夠完成可視對講及安防的業務；第三代是集中化的智能控制系統；第四代則基于物聯網技術可根據用戶需求實現個性化的功能[2]。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，同時能夠提供信息交互功能，使得人們能夠在外部查看家居信息和控制家居的相關設備。智能家居是一種以住宅為平臺，集合布線技術、網絡通信技術、自動控制技術以及新興的物聯網技術的含有很高科技含量的新型家居[3]。但目前大多數的老年人與殘疾人并不適合使用現有的智能家居系統，主要原因是沒有適合老年人與殘疾人的合適的人機交互方案。因此，本文設計了這套具有全新人機交互方式的智能家系統。

本文設計了一款全新控制方式的智能家居系統，通過手持控制器與家居設備上的物聯網無線數據收發器，將家中設備與手持遙控組成短距離的室內無線控制網絡。本系統采用紅外控制與無線網絡結合方式，能夠實現控制家居中各種設備的一體化控制。用戶只需手持主節點控制器，通過簡單的手勢動作對家居進行控制操作。在動作控制的基礎上增加語音控制模式，并保留按鍵控制。用戶可以通過PC-TV軟件設定自動的開關燈時間、拉窗簾時間、開關窗時間等。

1系統設計方案

PC-TV區別于一般意義上的計算機電視一體機。現有的計算機電視一體機由于計算機與電視在顯示模式上的不同，兩者之間需加一個信號轉換器，以便將計算機輸出的逐行掃描VGA信號轉換成隔行掃描的電視信號，把電視當為顯示器使用。PC-TV卻能做到兩者兼顧[4]。PC-TV既有電視的功能和VCD、DVD的播放功能，又有家用計算機所具有的一些功能[5]。

本系統以PC-TV為主控制節點，每個家居為子控點，主控制點和子節點在家中構成LAN，項目用WiFi無線網絡通信。用戶通過點鼠標和遙控器，語音任意一種方式發送控制命令，智能電視通過運算，來控制對家具操作。同時，智能電視還通過Internet網絡連接實現外界的信息交換。

項目開發充分使用了PC-TV的Windows操作系統的豐富接口，以及其硬件資源，將系統的控制、人機接口、無線通信的接口和網關功能與智能手機集成為一體[6]。在Internet上使用Skype來實現視頻通話，采用語音識別技術來實現指令的最簡化。系統結構簡單，成本低，容易被用戶接受，特別適合有操作家具障礙的老人和生理缺陷的人使用。系統總體構成如圖1。

圖1　系統總體構成圖

主節點具有手勢識別、語音識別，可以將用戶對主節點所做的手勢、所說的語音命令以及所指向的設備轉換成相應的控制指令，并且發送給對應的子節點。主節點與子節點采用2.4 GHz無線射頻通信，使用內部鋰電池供電。

1)主節點設計

主節點需要實現手勢識別、語音識別、紅外采集、高速數據處理、控制電視空調、發射無線數據、串口數據通信、數據掉電存儲、內部實時時鐘等功能。ST公司推出的STM32VET6核心板具有512 kbyte Flash、64 kbyte SRAM、76 MHz主頻以及豐富的芯片外設完全滿足高端控制需求[7]。

系統主節點通信部分采用利爾達公司的無線物聯網收發器與子節點進行通信，主節點還帶WiFi模塊用于收發信息，可以對多種設備遙控器進行學習存儲，空調等紅外設備進行控制。

PCTV具備語音識別功能，只需用普通話說出關鍵字即可識別。主節點硬件結構圖如圖2。

圖2　主節點硬件結構圖

2)子節點設計

遙控器子節點的設計主要是在STM32VET6核心板的基礎上，增加三軸加速度傳感器、雙軸陀螺儀傳感器、9012紅外接收頭、紅外發射頭、LD3320語音識別芯片、24L01無線收發模塊以及鋰離子充電電池。其他子節點如電燈子節點，空調子節點，以及窗戶及窗簾子節點需要實現紅外碼發射、無線電收發、繼電器控制等簡單功能，但對功耗要求較高。因此我們選用ST公司的CM3內核的STM32RB嵌入式為控制芯片作為各個子節點的控制芯片。遙控器子節點如圖3。

圖3　遙控子節點

3)紅外輔助定位設計

紅外接收采用帶譯碼的紅外接收芯片，主節點向子節點發出指令時需要對子節點所控制家居進行識別，為此給每一個子節點配備了一個紅外發射頭，子節點持續發射唯一的紅外編碼。內部集成有紅外監測二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路、比較器等[8]。紅外監測二極管收到紅外信號然后直接送入放大器和限幅器進行處理，限幅器會對脈沖頻率進行限制，當脈沖頻率在30～60 kHz的時候會將輸出管腳置低。而紅外的接收解碼便是通過輸出管腳的高低電平比率來實現的。當主節點指向子節點所控制家居時便會收到此紅外編碼。通過解析紅外編碼即可實現對所指向的家居設備的識別。這樣不同家居設備之間不會存在控制相互干擾的問題。

4)電視空調控制設計方案

電視與空調為紅外設備，直接由主節點發送紅外完成。

5)電動窗戶控制設計方案

窗戶采用電動拉桿窗，窗簾采用電動卷式窗簾。通過繼電器直接控制。

2系統程序流程

系統主程序中只做各個應用外設的初始化，在用戶不觸發外設的情況下系統不會運行任何程序。用戶所有的操作處理均在中斷函數中完成。

當用戶對主節點進行相關操作時，系統會進入模式處理函數，此時系統會根據用戶的操作決定下一步要進入的模式，以及系統的動作。系統模式控制流程圖如圖4a所示。

當模式控制判斷為手勢識別模式時，系統會進入手勢識別模式，對手勢進行判斷，手勢識別程序的流程圖如圖4b所示。

當模式控制判斷為語音識別模式時，系統會進入語音識別模式，對語音進行識別，語音識別程序的流程圖如圖4c所示。

3功能與技術指標

3.1手勢控制功能

用戶可以通過手持遙控器做出系統預設的相關手勢動作即可進行相關家居的控制。手勢的動作可以通過PC-TV軟件進行設定與編輯。如當用戶手持遙控器指向窗戶時，主節點會通過紅外輔助定位，來辨別出前方是窗。此時將手中遙控器向下傾斜窗簾自動落下，向上則自動拉上；向左與向右傾斜窗戶自動打開和關閉。只需按照定義的動作做出相應的手勢即可對電視、電燈、空調進行控制?？刂品秶蛇_20 m以上，中間無不透光障礙物遮擋。

a　系統模式控制流程圖

b　手勢識別程序的流程圖

c　語音識別程序的流程圖圖4　系統流程圖

手勢識別中比較重要的便是信號采集，采集方式的選取直接影響手勢識別質量的好壞?？紤]到STM32芯片具有多路的AD采集能力，因此選用了模擬的三軸加速度傳感器與雙軸陀螺儀傳感器。采集到的數據通過算數平局濾波去除干擾，然后通過數字算法進行分析。采用的分析方法屬于模式識別中的統計范疇，統計分類是特征值算法中的一種經典算法[9]。通過簡單的分類，可以便于提取特定數據的特征值，利用計算出的特征值和與之動作的特征值進行比對，即可對動作進行判定[10]。

3.2語音控制功能

用戶可以通過模式轉換進入語音模式，此時只需對主節點說出控制命令即可對家居進行控制。LD3320芯片是一款“語音識別”專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等[11]。該芯片不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM 等，直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別/聲控/人機對話功能。并且，識別的關鍵詞語列表是可以任意動態編輯的。

3.3按鍵控制功能

用戶可以通過模式轉換鍵進入按鍵控制模式。在按鍵模式下，所有家居的全部功能都將由兩個按鍵實現。而按鍵的功能則是由主節點所指向的設備所決定的。按鍵控制基于紅外定位功能的控制功能，可以通過主節點內置的角度傳感器測量出當前主節點所處于的角度。通過角度與紅外定位的結合，達到鎖定控制家居的目的。

3.4PC-TV軟件控制功能

為了實現智能家居系統與外部網絡交互的功能，用戶在WiFi連接的PC-TV上通過監控接口，隨時改變家中設備的使用情況。使得用戶更加方便的對家中設備的使用。系統的控制、人機接口、無線通信的接口和網關功能與智能手機集成為一體[12]。

用戶通過對PC-TV上的監控接口，來了解家中設備的使用情況，從而節省能源，避免不必要的浪費，與此同時還方便操作。

用戶通過簡單的對電視操作，PC-TV就能通過Skype在互聯網的幫助下，與外界進行視頻聊天，采用語音識別技術來實現指令的最簡化?？梢宰屇切┳优谕獯蚱吹摹翱粘病崩先嗽诩遥约簞邮趾妥优M行視頻溝通，讓他們也感受到互聯網智慧化對生活帶來的便利，改善他們現有的生活狀況。

3.5技術指標

1)手勢識別動作復雜度要求低，所有動作均為某方向上的單次動作。允許用戶可以有20%以內的誤差，手勢識別成功率90%以上。

2)語音識別最多支持關鍵詞為50個，每個關鍵詞的拼音轉換成字符包括空格在內不超過20個字符。語音說話為普通話，說話距離在系統主節點30 cm以內。

3)手勢識別加速度傳感器工作的溫度范圍為0～45 ℃，手勢的加速度最大輸入范圍為±1.5 g。

4)紅外輔助家居識別的最大識別距離為16 m。手持主節點所指向的15°角以內只能放置1個子節點紅外發射器。

5)主節點鋰電池充電時間在2.5 h以內，使用時間在5 h以上。

4系統實現

4.1系統硬件實現

窗戶子節點實物圖如圖5a所示，系統主節點實物圖如圖5b。

a　窗戶子節點實物圖　　　　　　b　系統主節點實物圖圖5　系統硬件(照片)

4.2系統軟件實現

系統軟件實現如圖6所示。

a　家庭監控界面　　　　　b　設備狀態界面

c　在線視頻界面圖6　系統實現(截圖)

4.3系統測試結果

手勢操作、語音操作、按健操作的準確度測試結果如表1所示。

子節點紅外發射管的發射距離與紅外的編碼以及發射管工作電流有關，如表2所示。

經過系統測試發現，在3種控制模式中按鍵模式

表1準確度測試結果

控制模式準確率/%燈窗窗簾空調PC-TV設定指向空處是否誤操作按鍵模式951009595—一次手勢識別90959090100一次語音識別9590909095兩次

表2識別距離與電流和編碼的關系

發射管工作電流/mA紅外編碼間隔時間/ms紅外家居識別距離/m2050.56052.020102.060104.520255.060256.520509.0605020.0

的控制準確率最高，其次為手勢識別，語音識別稍微遜色其他兩種控制模式。通過數據可以看出當用戶不使用該控制系統時建議切換到手勢識別模式或按鍵識別模式而不是語音模式，為了防止日常對話中的誤操作造成的錯誤控制從而給用戶帶來不必要的麻煩。

5總結

本系統一種基于嵌入式微控制器、PC-TV、物聯網的智能家居控制系統，是一套多模式操作智能家居控制系統。具有手勢識別功能，語音識別功能，利用被控制家居上的紅外發射器，與主節點內置的紅外接收裝置，主節點控制器可以自行識別前方所指向的設備，子節點所有控制皆由主節點統一管理，便于系統增加新設備。從實際生活角度出發，為人們，特別是為老年人和殘疾人的家居控制人機交互方式提供了全新的解決方案。

參考文獻：

[1]李建生，豐云兵.構建廣電大數據平臺—網絡廣播電視臺的發展思路[J].當代電視，2013 (5) ：43-46.

[2]潘洪濤.大數據時代廣電新媒體的發展[J].青年記者，2013 (27)：21-23.

[3]BARIS Y，TOSUN M，KAAN M，et al. A GSM，internet and speech controlled wireless interactive home automation system[J].IEEE transactions on consumer electronics，2006，52(3)：837-843.

[4]董士海.人機交互的進展及面臨的挑戰[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2004(5)：14-18.

[5]曾祥永，王陽生，姚健.人機交互技術在游戲中的應用[J]. 游戲創造，2006，3(4)：37-41.

[6]李虹. 物聯網生產力的變革[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[7]原林，于伸.嵌入式技術在智能家居控制系統中的應用[J]．自動化技術與應用，2006(1)：28-33.

[8]李風保，李凌. 無線傳感器網絡技術綜述[J].儀器儀表學報，2005，26(z2)：41-44.

[9]胡靜，劉志鏡.基于動態貝葉斯網絡的多人跟蹤算法[J].計算機工程，2008，34(16)：10-16.

[10]陳雷， 楊杰， 沈紅斌， 等.基于加速度信號幾何特征的動作識別[J]. 上海交通大學學報，2008，42(2)：43-49.

[11]柳春.語音識別技術研究進展[J].甘肅科林，2008，24 (9)：41-43.

[12]KHANDARE M S， MAHAJAN A. Mobile monitoring system for smart home[C]//Proc. 2010 3rd International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology (ICETET).[S.l.]：IEEE Press， 2010：848-852.

Smart home control system design based on PC-TV

SHEN Zhiwei1，LI Hongwei1，ZHANG Zhu2，LI Shunxin1

(1.ElectrificationInformationCollegeofSouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China；2.ChongqingGodArrowSensorCo.Ltd.，Chongqing404100，China)

Abstract:In this paper， an intelligent home control system is designed based on embedded microcontrollers， PC-TV， networking applications. The integrated control of various devices at home has been realized with the combination of infrared control and wireless network. For the human-computer interaction operation， the system retains operation with keyboard， adds the voice control mode and can realize the operation through simple gestures. People can use the PC-TV software to add plan tasks to the main node， set the time for switching lamps， pulling the curtains， and closing and opening the windows.

Key words:smart home； gesture recognition； speech recognition； human-computer interaction

中圖分類號：TN273

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.02.014

作者簡介：

申志偉(1991— )，碩士生，主要研究方向為智能控制。

李紅偉(1977— )，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為智能配電網、智能控制等。

責任編輯：時雯

收稿日期：2015-09-21

文獻引用格式：申志偉，李紅偉，張竹，等.基于PC-TV智能家居控制系統設計[J].電視技術,2016，40(2)：74-78.

SHEN Z W，LI H W，ZHANG Z，et al.Smart home control system design based on PC-TV[J].Video engineering,2016,40(2)：74-78.