嵌入式智能家居人機交互控制系統設計

陳勇 汪漢國 錢坤 李永 蘇州大學電子信息學院

嵌入式智能家居人機交互控制系統設計

陳勇 汪漢國 錢坤 李永 蘇州大學電子信息學院

嵌入式系統技術應用領域囊括了工業控制、交通管理、醫療設備、傳媒影像等等，隨著各行各業智能化的發展，用戶追求更加安全、更加方便、更加快捷的智能化生活空間體驗，智能家居走向了嵌入式。本設計基于嵌入式技術實現智能家居控制系統，即設計集鼠標模式、觸摸屏模式、語音模式、視頻模式于一體的智能終端人機交互控制系統，在這些控制模式下可以實現其他應用功能，基于Linux操作系統和LPC3131開發板平臺采集用戶的音頻信息，通過差分算法獲取和執行控制命令。

智能家居 嵌入式技術 智能終端 差分算法

科技的發展推動了人們對生活環境與氛圍的要求，現代家居朝著智能化的方向發展，但是市場上的智能家居產品缺乏統一性標準，且價格不菲。舒適、友好、便捷的人機交互控制系統成為推動智能家居發展必不可少的一環。為提高可移植性、方便系統升級、統一標準提供了可行方案。同時，嵌入式系統主要以應用為中心，以計算機技術為基礎，且軟硬件可裁剪。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。嵌入式系統包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲器及外設器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件包括操作系統軟件和應用程序編程。而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。嵌入式系統具有內核小、專用性強、高實時性和多任務的特點，嵌入式技術在智能家居的發展中發揮著不可或缺的作用。

1 系統總體設計方案

系統的硬件結構是以LPC3131芯片為核心的一套系統。通過鼠標、U盤、擴音器等外設實現命令獲取和執行應用功能。利用鼠標或者觸摸屏控制LCD圖形界面上光標的點擊和移動，利用U盤存儲啟動的驅動程序，利用擴音器采集語音信息并識別語音命令。系統總體設計框圖如下圖1所示。

圖1 嵌入式智能家居人機交互控制系統總體設計框圖

2 智能終端不同模式的實現

集多種控制模式于一體的智能終端具有很強的實用性。下面主要闡述鼠標模式、觸摸屏模式、語音模式、視頻模式設計方案：

2.1 鼠標模式

當前嵌入式系統技術獲得了廣泛應用，傳統嵌入式系統的人機接口多采用小鍵盤操作的文本菜單方式，用戶操作較為不便。利用PS/2接口鼠標，在點陣LCD上實現圖形化用戶界面的方案。用窗口菜單和圖形按鈕取代了傳統的鍵盤操作，具有單片機成本低、效果好等特點，具有很強的實用性。利用接口鼠標及采用雙向同步串行協議實現鼠標模式。鼠標模式技術相對成熟，本文不再贅述。

2.2 觸摸屏模式

用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時，我們必須首先用手指或其它特定物體觸摸安裝在顯示器上的觸摸屏，系統再根據手指觸摸的圖標區域或菜單形式位置來定位所需要選擇的信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件以及觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，主要用于檢測用戶觸摸位置區域信息，獲取信息后送觸摸屏控制器處理。而觸摸屏控制器的主要作用是獲取觸摸點檢測裝置上觸摸信息，并通過一定算法將它轉換成觸點坐標送給CPU，同時能接收CPU發來的命令并加以執行。利用SPI同步串行接口以及采用全雙工、四線通信系統，配合ADS7843與S3C2410的硬件電路以差分模式提高響應速度和靈敏度，實現觸屏模式。觸屏模式技術相對成熟，本文也不再贅述。

2.3 語音模式

語音識別系統成為當今熱門技術，而應用在智能家居方面突出要求安全性和可靠性。語音模式設計包括語音訓練和語音識別兩個階段。兩個階段分別對輸入語音信息進行預處理和特征提取。語音訓練階段，用戶通過輸入若干次語音進行訓練，經過后期處理獲得特征矢量參數，利用特征矢量參數建立參考模型庫。語音識別階段，用戶輸入語音，通過輸入語音的特征矢量參數與參考模型庫中的參考模型進行相似度匹配，相似度最高的輸入特征矢量作為語音識別的結果輸出。其基本原理框圖如圖2所示。

圖2 語音模式基本原理

2.4 視頻模式

程序中通過V4L接口實現從攝像頭獲得圖像數據幀并緩存到FrameBuffer，再由LCD驅動將圖像在LCD觸摸屏中顯示出來。程序有定時器來控制視頻數據幀的采集頻率，實現清晰流暢的視頻采集效果。

采用手動方式時，通過攝像頭采集的視頻流信息并且顯示在觸摸屏上，然后進行手動標記，標記的三類點分別是前景、背景和前景范圍。ARM將標記過的圖像數據信息送給PC服務器，PC通過馬爾科夫隨機場概率算法實現對圖像的分割。分割之后，圖像信息被送回到ARM。在ARM端可以對圖像進行按號碼登記，理論上系統可以登記存儲250幅大小的圖像，考慮到程序的簡潔性，只取50幅演示程序。通過視頻識別程序，系統將會把采集的圖像數據與存儲對比庫中的圖像進行相似性對比，從而完成視頻模式的識別。此外通過修改閾值門限，可以控制兩幅圖對比的吻合度，根據不同環境背景一定程度上濾除干擾，提高精度。在圖像驗證時，從觸摸屏輸入驗證號碼，如果兩幅圖相似度較高，系統將提示驗證成功；反之，驗證失敗。采用手動方式原理框圖如下圖3所示。

采用自動方式時，自動方式與手動方式的不同之處在于分割時不需要進行手動標記，系統將自動確定亮度高的圖案為前景，亮度低的作為背景。圖像登記、識別和驗證原理相同。采用自動方式原理框圖如下圖4所示。

圖3 采用手動方式原理框圖

圖4 采用自動方式原理框圖

3 圖形界面QT設計及系統移植

界面設計主要遵循抽屜及抽屜下按鈕的設計，其主要框圖如下圖5所示。在圖像分割方面，采用基于高階馬爾科夫隨機場的概率推理算法，對場景進行分割處理。

（1）當采用手動方式時，需要對圖像進行手工打點，確定圖像的前景、背景，通過信息來實現基于概率推理的計算機視覺算法，并送回計算結果，進而實現場景的分割。

（2）當采用自動方式，系統默認將亮度高的畫面作為前景，低的畫面作為背景，然后進行分割識別。

將PC上完成的系統移植到ARM平臺運行，如下圖6所示為應用程序在PC上和ARM開發板上編譯運行的實現框圖。在PC上編譯采用QT4的編譯環境，通過的話就可以在PC上運行程序了。ARM上交叉編譯采用的是QTE4的編譯環境，通過的話就可以在ARM開發板的觸摸屏上看到程序運行結果。

圖5 界面設計框圖

圖6 系統移植實現框圖

4 總結

本設計內容針對的智能終端，他的特色就是人能對開發板進行各種形式的控制。通過鼠標可以實現點擊移動，同樣也可以觸摸屏直接用點擊控制，而通過語音模式、視頻模式的功能實現對設備的控制具有一定的實用性和安全性。

智能化對市場的沖擊，為智能家居指出了發展方向，體驗新時代美好生活的期望為舒適、友好、便捷的人機交互控制系統的研究提供了動力。智能家居的可移植性、系統可升級性、標準統一性迫在眉睫。本設計構思為此提出了一種可行的方案。

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自然科學基金項目《深部探測技術與實驗研究專項(SinoProbe-09-02-03)——地面電磁探測系統》；項目編號：11104313。

陳勇（1989—），男，漢族，江蘇連云港人，學生，碩士，單位：蘇州大學電子信息學院，研究方向：信息與通信工程。