基于機器學(xué)習(xí)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王淞

摘要：近年來，隨著人們生活水平的提高和智能手機的普及以及機器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，使得傳統(tǒng)家居有了計算的能力。智能家居就是在家用電器中布置各種傳感器設(shè)備，這些傳感器設(shè)備能夠?qū)崟r的監(jiān)控家中的各種環(huán)境，比如溫度傳感器能夠檢測家中的溫度，濕度傳感器能夠檢測家中的濕度等等，這些傳感器檢測到的數(shù)據(jù)會定時的發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后經(jīng)過相應(yīng)的處理之后將處理的結(jié)果返回給人們的手機端，手機端得到數(shù)據(jù)之后以可視化的模式展示給用戶，用戶可以實時的監(jiān)控家中的環(huán)境，在機器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，可以最大程度的利用系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，提供更安全，更舒適的家居環(huán)境。

關(guān)鍵詞：人工智能 智能家居 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 專家系統(tǒng)

引言

智能家居的設(shè)想人們無從追溯，一直以來，人們對舒適的環(huán)境，智能的家居都抱有憧憬，但是一直都沒有實現(xiàn)，然而這些在上世紀八十年代，一些設(shè)想變成了現(xiàn)實。

目前，隨著技術(shù)的不斷成熟，傳統(tǒng)的家居也朝著智能化的方向發(fā)展，家居中布置各種不同功能的傳感器，比如溫度傳感器，濕度傳感器，光傳感器，這些傳感器在家居環(huán)境中檢測不同的環(huán)境信息，通過網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)通，從而形成了家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得普通的家居通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，用戶可以在智能終端設(shè)備上實時的進行調(diào)控，智能家居的功能不僅限于家居本身的實用，更重要是作為家庭環(huán)境中的安全衛(wèi)士。由此可見，智能家居的普及是一種必然的趨勢，它給人們生活帶來了極大的便利，同時，也保障了人們的生活安全。

一、智能家居系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

如今，人們已經(jīng)在智能家居的實現(xiàn)上又有了顯著的突破，海爾在所有智能家居企業(yè)中表現(xiàn)的尤為突出，它將傳統(tǒng)的傳感硬件設(shè)備安裝在家居中，在這個基礎(chǔ)上通過互聯(lián)網(wǎng)進行相互的連接，使得家居之間的聯(lián)系更加的密切，從而實現(xiàn)了物物相連，用戶可以在手機等終端設(shè)備上實時的看到家用電器的狀態(tài)，可以實時的對其進行監(jiān)控。因此，有了智能家居，人們能夠享受更加便捷安全，高品質(zhì)生活。

當(dāng)然，在智能家居探索的路上，不可避免的會遇到種種困難，現(xiàn)如今，由于我國機器學(xué)習(xí)，人工智能等這些學(xué)科起步比較晚，技術(shù)支持不夠，因此目前，我國對智能家居系統(tǒng)的了解還不是很到位，并沒有形成相對較為成熟的技術(shù)，智能家居的使用范圍還不是很廣泛，目前，我國對于智能家居的研究還處于初級階段，還需要進行相應(yīng)的沉淀。

二、智能家居的功能

（一）功能

智能家居相比于傳統(tǒng)家居有著更智能的功能，其功能主要包括智能監(jiān)控系統(tǒng)，智能燈光控制系統(tǒng)，智能電器控制系統(tǒng)，背景音樂系統(tǒng)，視頻對講系統(tǒng)，家庭影院系統(tǒng)，智能中央控制系統(tǒng)。

智能監(jiān)控系統(tǒng)：對于一個家庭來說，安全總是放在第一位的，隨著人們居住水平的提高，現(xiàn)在越來越重視自己的財產(chǎn)安全，人身安全等等，同時，社會的快速發(fā)展使得城市的人口流動性極具增加，城市的社會治安有了新的挑戰(zhàn)，智能家居中增加了監(jiān)控系統(tǒng)的功能，在面對陌生人入侵，煤氣泄漏，火災(zāi)等情況時能夠及時的通知主人，主人就可以通過手機等終端進行相應(yīng)的布防。

智能燈光控制系統(tǒng)：智能燈光主要對家居采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過手機對全宅燈光進行智能化的管理，可以通過遙控或者手機對燈進行相應(yīng)的開關(guān)，調(diào)光，同時能夠智能化的調(diào)節(jié)用電功率，最大程度的減少消耗。

智能電器控制系統(tǒng)：電器控制采用弱電強電的方式，通過紅外線或者協(xié)議信號控制，電話，電腦，手機等就可以實現(xiàn)遙控定時控制，實現(xiàn)對家中飲水機，插座，空調(diào)，地暖的定時控制，方便而又節(jié)能。

背景音樂系統(tǒng)：它是一種新型的音樂系統(tǒng)，會根據(jù)你的心情智能的調(diào)控放置的音樂，也可以隨時的通過手機去選取你喜歡的音樂進行播放。

智能中央控制系統(tǒng)：智能中央控制系統(tǒng)就是智能家居系統(tǒng)的核心，是所有家居的中樞神經(jīng)所在，它是所有家用電器以及家中環(huán)境調(diào)控的中心，用來控制家居周邊設(shè)備協(xié)調(diào)運行，極大節(jié)約了成本，提高了家居運行的效率。

（二）架構(gòu)

如上圖，智能家居主要分為五個部分，分別是服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)基站，節(jié)點，互聯(lián)網(wǎng)，個人電腦和手機。下面分別介紹一下這四個部分的主要功能。服務(wù)器是整個系統(tǒng)中的核心部分，通常布置在云服務(wù)器當(dāng)中，服務(wù)器主要是集中處理請求者發(fā)送的請求以及對請求者發(fā)送的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，智能家居系統(tǒng)以服務(wù)器為主體，智能家居的節(jié)點收集環(huán)境信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)基站，再由網(wǎng)絡(luò)基站傳輸信息給服務(wù)器，從而完成兩者間的信息交互。網(wǎng)絡(luò)基站主要就是接收結(jié)點或者服務(wù)器，手機，電腦傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主要的功能就是實現(xiàn)zibee協(xié)議到tcp/ip協(xié)議的轉(zhuǎn)換，節(jié)點傳輸給服務(wù)器的數(shù)據(jù)，在鏈路中進行傳輸，使用的協(xié)議是zibee協(xié)議，這些數(shù)據(jù)使用的協(xié)議無法在互聯(lián)網(wǎng)上進行傳輸，因此必須要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)基站進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的從手機端，電腦端，服務(wù)器端傳送給節(jié)點的指令也需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)基站，實現(xiàn)tcp/ip協(xié)議到zibee協(xié)議的轉(zhuǎn)換，才能在節(jié)點的鏈路中進行傳輸。節(jié)點實質(zhì)就是各種傳感器設(shè)備，主要用來收集環(huán)境的信息，定時的將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)基站，實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換后通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給指定的服務(wù)器，互聯(lián)網(wǎng)就是信息世界和物理世界的橋梁，主要就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。個人電腦和手機可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)器會定時的將數(shù)據(jù)返回給手機電腦等終端設(shè)備，智能設(shè)備后臺系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)之后，要將數(shù)據(jù)以可視化的方式呈現(xiàn)給用戶，用戶收集到數(shù)據(jù)之后，同樣可以對智能家居中的傳感器發(fā)送一系列指令。

三、相關(guān)技術(shù)

（一）機器學(xué)習(xí)

機器學(xué)習(xí)是近年來最熱門的學(xué)科之一，機器學(xué)習(xí)就是讓機器模擬人工學(xué)習(xí)的一門學(xué)科，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了各個領(lǐng)域中，機器學(xué)習(xí)的基本結(jié)構(gòu)主要由外界的環(huán)境，學(xué)習(xí)單元，知識庫以及執(zhí)行單元組成，首先外界需要提供一些專業(yè)的信息以及大量已有的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要根據(jù)學(xué)習(xí)單元建立完善的知識庫，而后，在用戶給系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)會根據(jù)相關(guān)參數(shù)推算出執(zhí)行任務(wù)，并將結(jié)果返回給用戶的同時將結(jié)果反饋給學(xué)習(xí)單元，優(yōu)化知識庫，提高系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)性能。

（二）機器學(xué)習(xí)模型

1.監(jiān)督學(xué)習(xí)

監(jiān)督學(xué)習(xí)就是在已知所需樣本參數(shù)級的情況下，使用給出的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集中主要包含輸入的數(shù)據(jù)和預(yù)期的輸出，按照預(yù)設(shè)的函數(shù)，在給定樣本參數(shù)的情況下，根據(jù)函數(shù)計算出想要的結(jié)果。監(jiān)督式學(xué)習(xí)最大的特點可以控制誤差范圍，當(dāng)人們給定訓(xùn)練模式的時候，計算機會通過特定函數(shù)，對輸出結(jié)果進行預(yù)測，并計算出誤差值，如果誤差值太大，計算機會分析各項參數(shù)，并不斷的進行調(diào)整，直到誤差范圍在可控的范圍之內(nèi)。

2.無監(jiān)督學(xué)習(xí)

無監(jiān)督學(xué)習(xí)，也叫做非監(jiān)督學(xué)習(xí)。相比于監(jiān)督學(xué)習(xí)，無監(jiān)督學(xué)習(xí)不需要給計算機設(shè)置明確的目標(biāo)，只需要計算機自動學(xué)習(xí)去完成一定的任務(wù)，其主要的特點就是輸入的數(shù)據(jù)沒有人為的標(biāo)注，計算機通過數(shù)據(jù)分析，把相關(guān)的數(shù)據(jù)整合到一起，就是所謂的聚類分析。

四、總結(jié)與展望

本文就智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行了一定的研究，論文首先介紹了智能家居的發(fā)展歷程以及研究的現(xiàn)狀，第一部分簡要的分析了如今智能家居中存在的問題，目前，由于技術(shù)的發(fā)展，提出了人工智能與傳統(tǒng)家居相結(jié)合，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，傳感器等硬件設(shè)備，設(shè)計出一個新興的智能家居系統(tǒng)，第二部分主要介紹了智能家居中使用的技術(shù)，主要介紹了機器學(xué)習(xí)的概念，以及目前常用的兩種模型，監(jiān)督學(xué)習(xí)模型和無監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，第三部分主要介紹了智能家居的功能以及智能家居中無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)，以及系統(tǒng)如何運作，數(shù)據(jù)如何傳輸這樣一個過程。

通過介紹，智能家居的出現(xiàn)極大便利了人們的生活，當(dāng)然，目前來說，如何將機器學(xué)習(xí)更好的應(yīng)用到智能家居中依舊是人類需要一直探尋的問題，相信經(jīng)過人類不斷的深究，會迎來更加智能的機器學(xué)習(xí)時代，為我們生活提供極大的便利。