基于人機(jī)交互的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文軒

摘 要：隨著科技的進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居正在逐漸走進(jìn)人們的生活。ZigBee的短距離、低功耗、低速率、低成本等優(yōu)勢使以它為核心搭建的無線智能家居系統(tǒng)成為目前最優(yōu)秀的智能家居解決方案。根據(jù)智能家居領(lǐng)域國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，本文針對現(xiàn)有智能家居安防系統(tǒng)的防盜報(bào)警、火災(zāi)、氣體報(bào)警等子系統(tǒng)功能單一，誤報(bào)率較高，缺乏與使用者的交互等不足，對智能家居安防系統(tǒng)做出了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。以CC2530芯片作為環(huán)境監(jiān)測和入侵檢測子系統(tǒng)的核心，以SPCE061A單片機(jī)為語音識別子系統(tǒng)核心，配合WT7010芯片和ZigBee通信模塊實(shí)現(xiàn)家庭安防系統(tǒng)的構(gòu)建。本系統(tǒng)的優(yōu)勢在于既很好地實(shí)現(xiàn)了家庭的安全防護(hù)，又保證了用戶擁有更加智能便捷的生活。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能安防；語音交互；數(shù)據(jù)庫；云平臺

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

智能家居系統(tǒng)真正起源于1985年，隨著新技術(shù)如ZigBee、Z-Wave、Thread、射頻技術(shù)、電力載波技術(shù)、及單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，智能家居開始進(jìn)入一個更加趨向智能化定制化的飛速發(fā)展的階段。通過安裝各種傳感器來采集住宅內(nèi)的環(huán)境、設(shè)備及人員信息，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將上述各種信息接入網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器，用戶通過手機(jī)或計(jì)算機(jī)上的瀏覽器或客戶端軟件登錄服務(wù)器便可以實(shí)時(shí)查看家中的信息，控制家居設(shè)備的運(yùn)行，從而構(gòu)建了一個人性化智能化的智能家居系統(tǒng)。

人們對于家庭安全的重視今非昔比，而威脅著人們生命財(cái)產(chǎn)安全的事故如火災(zāi)，煤氣泄漏，盜竊等一系列災(zāi)禍都是極容易在戶內(nèi)無人的情況下發(fā)生，而家庭物聯(lián)網(wǎng)與無線音視頻監(jiān)控的結(jié)合應(yīng)用能極大程度地避免家庭財(cái)產(chǎn)遭受不必要的損失。所以本文主要圍繞智能家居安防系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和各個子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)展開。本設(shè)計(jì)目的在于提供一個更安全、更可靠、更智能的家居環(huán)境。

1.安防系統(tǒng)總體架構(gòu)

本智能家居安防系統(tǒng)總體構(gòu)架包括三大模塊——家庭智能終端、云服務(wù)器和客戶端。智能家居安防系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。家庭智能終端有3個主要功能模塊：（1）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；（2）入侵檢測系統(tǒng)；（3）語音識別控制系統(tǒng)。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)家庭環(huán)境參數(shù)的采集處理和傳輸，家中的溫濕度、可燃?xì)怏w泄漏、火情等信息經(jīng)處理分析后傳輸給服務(wù)器。入侵監(jiān)測系統(tǒng)包括門磁、窗磁、壓力傳感器等外圍檢測系統(tǒng)。智能語音識別系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)對用戶和入侵者的身份識別，又能夠?qū)崿F(xiàn)對家居智能設(shè)備進(jìn)行語音控制。家中智能終端設(shè)備遵循ZigBee協(xié)議，組成家庭局域網(wǎng)，經(jīng)由網(wǎng)關(guān)與Internet連接，將采集的環(huán)境信息、報(bào)警信息、控制指令經(jīng)由Intrenet傳送到服務(wù)器，并將有用信息在數(shù)據(jù)庫中存儲，同時(shí)將異常數(shù)據(jù)報(bào)警信息傳送到119、110等應(yīng)急相應(yīng)部門。

2.模塊設(shè)計(jì)

2.1 家庭智能終端設(shè)計(jì)

家庭智能終端是安裝在家中，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息采集，電器設(shè)備控制，報(bào)警等功能的終端系統(tǒng)。其中包含環(huán)境監(jiān)測、入侵檢測、語音識別控制3個子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)由多個模塊組成。其中包括傳感器模塊、報(bào)警模塊、通信模塊、語音識別模塊等。各個子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組成ZigBee家庭局域網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)設(shè)備遵循ZigBee聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中物理層和MAC層遵循的是IEEE802.15.4協(xié)議，上層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟定義。數(shù)據(jù)通過一定的路由協(xié)議匯聚到網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)從ZigBee網(wǎng)絡(luò)到Internet的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

2.1.1 智能語音系統(tǒng)

智能語音系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重要組成部分，是本智能家居安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要體現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的思路是通過智能語音控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在家模式和離家模式的轉(zhuǎn)換，以及家庭智能設(shè)備的語音控制。基本原理是：首先在對智能設(shè)備進(jìn)行語音命令錄入后擺放在家庭人員容易經(jīng)過的主要位置及貴重物品擺放處。語音錄入時(shí)用戶設(shè)置固定的問題和與之匹配的回答。

語音識別系統(tǒng)的硬件組成主要由SPCE061A單片機(jī)與WT7010語音識別芯片組成。SPCE061A有一路專用語音信號采集的A/D轉(zhuǎn)換器，可以連接麥克風(fēng)與人體熱釋傳感器實(shí)現(xiàn)智能語音系統(tǒng)的觸發(fā)和識別程序。其高速的處理和特殊的內(nèi)核結(jié)構(gòu)使它能夠非常快速的處理復(fù)雜的數(shù)字信號。具體硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1.2 入侵檢測系統(tǒng)

入侵檢測系統(tǒng)主要設(shè)備包括門磁、窗磁、壓力傳感器、玻璃破碎傳感器和蜂鳴報(bào)警器等報(bào)警裝置。門禁系統(tǒng)由攝像頭、麥克風(fēng)（采集語音）組成可實(shí)現(xiàn)語音識別和訪客留言。來訪客人的視頻音頻信息經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至服務(wù)器。外圍的監(jiān)測主要依靠壓力傳感器和玻璃破碎傳感器。本設(shè)計(jì)采用CC2530芯片作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心處理芯片，利用其集成的ZigBee通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.1.3 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是智能家居安防系統(tǒng)的基本組成部分，用于對家庭的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。主要利用傳感器對家庭環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火災(zāi)傳感器、氣體傳感器、漏水傳感器對家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)先傳輸?shù)胶诵奶幚砟K，每一個傳感設(shè)備配有一個單片機(jī)處理，通過通信模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)椒?wù)器，本地有一個簡單的閾值比較，如果超過閾值，進(jìn)行本地報(bào)警并將信息發(fā)送到服務(wù)器端，由服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶客戶端，以進(jìn)行查看。

2.2 服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.2.1 服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)服務(wù)器采用云平臺，云平臺相當(dāng)于借用的一個服務(wù)器，允許開發(fā)者們或是將寫好的程序放在"云"里運(yùn)行，或是使用"云"里提供的服務(wù)，或二者皆是。本服務(wù)器設(shè)計(jì)具備數(shù)據(jù)庫維護(hù)功能，及時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、查詢、備份等操作。可以完成以下功能。

（1）用戶管理：包括用戶注冊信息管理、用戶登錄信息對比功能的實(shí)現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)處理：包括傳感器采集數(shù)據(jù)的存儲、環(huán)境數(shù)據(jù)報(bào)警閾值對比、客戶端數(shù)據(jù)查詢的處理、客戶端控制信息四項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的處理。

（3）信息推送：包括報(bào)警信息、家電狀態(tài)信息的推送。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，即便于系統(tǒng)功能的各種組合和修改，又便于未參與開發(fā)的技術(shù)人員補(bǔ)充、維護(hù)。本數(shù)據(jù)庫共有兩個表，分別是用戶信息表（customer）、用戶家庭傳感表（interface）。分別用來存儲用戶信息以及家庭環(huán)境數(shù)據(jù)采集信息。通過服務(wù)器后臺對數(shù)據(jù)庫的增刪改查，完成用戶客戶端與硬件設(shè)備終端的交互。

2.3 客戶端設(shè)計(jì)

目前常用的客戶端主要有3種形式：PC客戶端、手機(jī)客戶端和微信公眾平臺。而手機(jī)客戶端又分為Android客戶端和IOS客戶端等，需要解決各種不同型號手機(jī)的適配問題。出于方便快捷考慮，本文基于微信公眾平臺進(jìn)行客戶端的設(shè)計(jì)。

用戶可通過關(guān)注微信公眾號獲得相應(yīng)的服務(wù)。其自定義菜單包括【智能家庭】、【產(chǎn)品商城】和【客戶服務(wù)】3個一級子菜單。【智能家庭】包括【智能語音】、【入侵檢測】、【環(huán)境監(jiān)測3個二級子菜單。智能語音界面由近期語音識別信息（時(shí)間、是否觸發(fā)報(bào)警）和近期語音控制信息（時(shí)間、房間、指令、是否出現(xiàn)錯誤）及在家里家模式的轉(zhuǎn)換選項(xiàng)組成。入侵檢測界面主要由門禁識別留言和外圍傳感器狀態(tài)信息組成，儲存著近期訪客的視頻音頻記錄并顯示外圍傳感器如壓力傳感器的狀態(tài)信息，用戶可以點(diǎn)擊查看。環(huán)境監(jiān)測界面由各傳感設(shè)備的實(shí)時(shí)信息和工作模式狀態(tài)組成，同時(shí)可以根據(jù)用戶需要開啟關(guān)閉各類感知設(shè)備。用戶點(diǎn)擊【產(chǎn)品商城】可以在線瀏覽購買各種產(chǎn)品也可以查看自己購買的產(chǎn)品信息。點(diǎn)擊【客戶服務(wù)】會顯示【我的賬號】、【在線咨詢】兩個選項(xiàng)，點(diǎn)擊【我的賬號】后會自動跳轉(zhuǎn)登錄注冊界面，注冊成功后與用戶微信綁定。

3.結(jié)論與展望

本文通過思考目前市場上智能家居存在的問題和市場對于安防方面的要求設(shè)計(jì)出了結(jié)合ZigBee通信技術(shù)、語音智能識別控制技術(shù)、紅外傳感技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等為一體的智能家居安防系統(tǒng)。其主要工作為對家庭的環(huán)境進(jìn)行檢測，對非法入侵進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警。通過對語音系統(tǒng)與感知系統(tǒng)的結(jié)合既實(shí)現(xiàn)了對家居的智能化控制，又提升了家庭安防的可靠性。

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