健康智能家居系統軟件設計

虞永兵，高翠云

（1.安徽建筑大學 電子與信息工程學院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學 電能質量及負荷檢測技術研究室，安徽 合肥 230601）

0 引 言

物聯網是以傳感網、互聯網、云計算等技術融合而成的創新應用。進入“十三五”時期，物聯網將進入萬物互聯發展新階段，智能可穿戴設備、智能家電、智能網聯汽車、智能機器人等數以萬億計的新設備將接入網絡，應用呈現爆發式增長，將促進生產生活和社會管理方式進一步向智能化、精細化、網絡化方向轉變[1]，面向普通家庭的低成本智能家居物聯網系統將擁有龐大的用戶需求、市場需求。

目前世面上基于智能手機的智能家居產品主要為遠程控制技術和安防技術，利用手機遠程控制家電如空調的開啟和關斷，而對人體的健康狀況、家電健康狀況及家庭節能管理的關注較少。這幾方面的智能家居產品極具競爭力，對于家電的健康狀況進行免打擾式網絡化遠程監測和故障預警有助于延長家電的全生命周期，減少環境污染[2]。更重要的是，對于智能家居的人機交互方式而言，只采用手機或其他終端進行相應控制已不能滿足用戶的需求，用戶渴望多種交互方式的系統，特別是語音人機交互。

國外利用語音技術發展智能家居的趨勢十分明顯。谷歌的Google Home、亞馬遜的Echo、蘋果公司的Siri是目前市場上最具代表性的三大人工智能語音助理技術[3]，用戶可直接與機器對話，機器能閑聊、講笑話與故事、播放音樂、訂票訂餐、查詢天氣、控制智能設備等，滿足用戶的一系列需求。不僅如此，在車載系統、機器人、玩具等領域也見到了智能家居的身影。作為國內語音產業領導者的科大訊飛早在2014年就推出了“訊飛超腦計劃”，集成了人工智能核心技術，讓機器像人一樣能聽會說，會理解會思考[4]。訊飛開放的AIUI語音交互平臺就是其實現語音人工智能的重要載體之一[5]，AIUI語音交互平臺對開發者開放了其核心能力，利用AIUI可進行全雙工持續交互，以此為基礎可開發一切基于語音的智能家居系統。

自2009年起，課題組所在的研究室一直致力于健康智能家居方向的研究，包括語音在智能家居方面的研究應用[6-7]，家電電氣工作狀態識別及節能研究[8-9]，以脈搏、心電及呼吸為主的人體健康檢測技術[10-12]。在健康智能家居方面，實驗室團隊獲得了多項發明專利、實用新型專利及軟著。

團隊設計并開發了一套集人體健康、家電控制、家電健康、環境監測、節能管理功能于一體的健康智能家居系統。系統具有以下特性：

（1）多種交互方式，具有智能互動特性；（2）關注環境與人體健康；

（3）實時監控家電狀態，合理管理用電。

1 系統方案設計

1.1 系統組成設計

系統組成如圖1所示，健康智能家居系統軟件包含四個層次。

硬件感知層包括AIUI評估板、家居環境參數檢測設備、人體生理參數檢測設備、家電工作參數檢測設備、家電及家電控制設備。

數據傳輸處理層包括網絡服務器、家庭服務器、ZigBee協調器、ZigBee終端。

應用層包括家庭控制中心、移動APP客戶端、Web客戶端、微信公眾號。

圖1 系統組成框圖

系統利用科大訊飛含有麥克風陣列的AIUI平臺進行人機語音交互；采用搭載Android系統的TQ210開發板作為家庭服務器以及家庭控制中心；使用ZigBee和低功耗單片機MSP430組建家庭無線局域網；使用Ubuntu系統作為網絡服務器，并采用Apache Web服務器軟件與MySQL數據庫構建了整個云服務環境，基于PHP開發的服務端接口為各客戶端（Android客戶端、Web客戶端、微信公眾號、家庭服務器）提供網絡服務，并為第三方機構（氣象平臺、電網公司、環保機構、社區醫院、家電制造商等）提供數據接口[13-20]。

系統的基本工作模式：在家庭內部，通過AIUI的麥克風陣列拾取用戶的語音信號，然后將語音數據傳送給訊飛的語音云平臺進行識別，返回特定指令。與AIUI模塊相連的ZigBee主節點把控制指令發給相應的子節點進行控制。此外，主節點還定時接收來自子節點如環境參數節點、人體健康參數檢測子節點、家電電能及健康采集節點的數據，并且發送到租用的阿里云服務器平臺，形成數據庫，為后期進一步分析和閉環控制服務。該云服務器的資源對家庭用戶是完全開放的，可以采取不同用戶權限給第三方機構電網公司、環保機構、社區醫院、家電制造商開放不同資源的模式，后期第三方可以通過

該平臺反饋相應信息，從而形成閉環的人體與家電健康監護及節能控制等。通過手機APP，Web訪問與此類似，其不同之處在于初始指令獲得方式不同。

1.2 通信協議設計

表1、表2所列分別為硬件通信協議與客戶端、服務端通信協議。其中，硬件通信協議表達方式為16進制字節流數據，客戶端、服務端通信協議表達方式為JSON字符串。

表1 硬件通信協議幀組成表

表2 客戶端、服務端協議消息類型

2 程序設計

2.1 AIUI程序設計

AIUI內部由三部分組成，分別為AIUIService，AIUIProductApplication，ControlService。

（1）AIUIService負責語音喚醒、語音識別、語義理解等；

（2）AIUIProductApplication負責進一步處理語音識別返回的結果（如語音合成、音樂播放等）；

（3）ControlService負責與ZigBee協調器進行串口數據通信，從而實現對其他模塊的控制及數據處理。

三者相輔相成，以跨進程的方式進行數據交換。AIUI程序流程如圖2所示。

圖2 AIUI程序流程圖

2.2 家庭服務器程序設計

家庭服務器主要通過界面方式與用戶進行交互動作，用戶不僅可以通過觸摸板控制家庭設備，還可以通過界面方式查看家庭內部環境及人體健康相關參數，并以圖表形式直觀展現在用戶面前。家庭服務器程序流程如圖3所示。

圖3 家庭服務器程序流程圖

2.3 Workerman框架程序設計

Workerman框架可用來接收來自家庭服務器的Socket連接及家庭服務器發送的心跳包，以此判斷家庭服務器是否掉線。運行后等待客戶端連接，具有為APP客戶端與家庭服務器提供命令控制、數據存儲、數據轉發等功能。程序流程如圖4所示。

圖4 Workerman框架程序流程圖

2.4 服務端接口程序設計

微信接口、網站接口、APP接口通過獲取、解析客戶端數據后進行一系列操作，如數據庫存儲或轉發數據至Workerman，Workerman再將數據轉發至家庭服務器等。

2.5 客戶端程序設計

客戶端包括APP客戶端、Web網頁客戶端、微信公眾號，其前端界面雖不相同，但大致流程相同。主要通過用戶的操作向服務器網站接口發送post請求，然后接收來自服務器的響應，從而完成全流程。

3 系統測試

由于系統將AIUI作為家庭內部的語音引擎主節點，故其性能至關重要。重點對AIUI及ZigBee的傳輸特性進行了測試。綜合考慮AIUI的特性，將與AIUI的距離作為參考點，對AIUI的語音喚醒成功率、語音識別率、串口通信正確率三項性能進行了50次測試，測試結果見表3所列。

表3 無障礙物下傳輸距離測試結果

本次實驗同時也對AIUI麥克風陣列及ZigBee的穿墻情況進行了性能測試。在普通家庭內部，利用50次重復測試，分別測試了隔一堵墻及隔兩堵墻的穿墻能力。測試結果見表4所列。

表4 穿墻能力測試結果

系統各軟件界面如圖5所示。分別對系統各層次進行了多次試驗與多次聯合調試。系統測試包括基于家庭服務器、基于Web、基于手機APP的控制方式，可實現對空調、家電渲染節點的控制，也具有接收環境采集節點數據、家電采集節點數據以及脈搏采集節點數據并將其傳送到云服務器的功能。系統整體聯調取得成功。

4 結 語

本文提出研發集智能交互、人體健康、家電控制、家電健康監測、環境監測、節能管理于一體的健康智能家居系統。系統主要包括硬件感知層、數據傳輸處理層、應用層。采用科大訊飛含有麥克風陣列的AIUI平臺進行人機語音交互，實現了面向Web、手機APP、家庭服務器的多種交互的健康智能家居系統雛形。系統通過家庭環境聯調和基本性能測試，表明該方案的合理性和先進性。該系統與現有智能家居相比，創新性表現在：既關注人體健康，又關注家電健康，并且可面向閉環管理提供云服務器給第三方機構，共享數據資源，為未來實現真正的智能用電、數字化醫療提供基礎平臺。

圖5 健康智能家居系統軟件部分界面圖

系統尚有許多需要改進的地方，未來可從以下幾個方面重新考量進行設計：

（1）通信協議的優化，包括硬件之間的通信協議與客戶端、服務器端之間的通信協議；

（2）通信的安全性，包括對傳輸過程中的數據進行加密與對服務器端的程序進行漏洞修補；

（3）對云服務器端存儲的大量數據進行無損壓縮。