面向老年人的智能家居控制實驗裝置

蘇思偉，翁 哲，陳群元，蘇益宗，鄭仲航，唐小煜

(華南師范大學 物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

隨著21世紀高新技術產業的不斷發展，智能技術越來越滲透到生活的方方面面，方便和改善生活. 近些年來，國內的一些大企業，如海爾、美的等都相繼研發出智能家居產品，并面市銷售. 市面上的產品絕大多數是面向青年人群或中年人群設計的，鮮有面向老年人的智能家居控制系統[1]，而我國老年人群體日趨龐大，老年人的智能家居控制系統已然成為重要的研究課題. 為此，本文提出了改良之后能讓老年人避免使用復雜的手機APP和WIFI聯網技術的、基于STM32單片機和STC89C51單片機等價格實惠的電子器件、具有穩定性高的智能家居控制實驗裝置. 高校學生可通過該實驗裝置，掌握對多種實用傳感器的使用以及對常見家居家電的控制，進一步加深對智能家居方向的認識.

1 實驗裝置整體設計方案

1.1 實驗裝置硬件體系結構

面向老年人的智能家居控制系統采用分層控制的設計思路，主要分為4部分的體系結構：傳感器感知部分、中心主控制部分、交互通信部分和家具家電部分. 硬件體系結構見圖1.

圖1 實驗裝置硬件體系結構圖

傳感器感知部分主要包括光敏電阻傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器等，中心控制部分包括主控STM32單片機和輔控STC89C51單片機，交互通信部分主要包括LD3320語音識別[2]、手機APP和TFLCD液晶屏，家具家電部分主要包括老年人家居生活中常見的各類家具和家電，如燈泡、門、窗、窗簾和空調等.

1.2 實驗裝置軟件設計方案

1.2.1 總體方案設計

該實驗裝置的軟件設計采用中斷函數處理的方式. 主控單片機STM32通過中斷的方式同時監視各類傳感器、藍牙和輻控單片機STC89C51的輸出數據. 如果主控單片機有正確的信號幀輸入，其將進行解析，并將各個家具家電設為必要狀態.

為方便解釋，本文將從主控單片機作為主體把軟件結構分為3個線程：信號接收中斷函數、信號處理中斷函數和信號輸出中斷函數. 多線程處理結構圖如圖2所示.

圖2 中斷函數處理結構圖

1.2.2 信號接收中斷函數

信號接收中斷函數就是接收信號輸入的中斷函數程序. 其中主控單片機STM32接收的信號主要來自于各類傳感器和單片機STC89C51，而STC89C51的信號源產生是由于LD3320語音模塊的識別[2].

接收中斷函數流程圖如圖3所示. 硬件初始化是設置連接STM32單片機的各類傳感器和STC89C51的IO口為輸入，且初始為高電平. 檢測信號即檢測信號是否發生跳變，而判斷信號是否正確利用消抖算法判斷.

圖3 接收中斷函數流程圖

1.2.3 信號處理中斷函數

處理中斷函數使用了Bang-Bang控制算法、單神經元PID控制算法和其他的數值處理算法[3]，Bang-Bang控制算法和單神經元PID控制算法相結合[4]有效地控制室內的燈光亮度和門、窗、窗簾等的開關.

PID控制算法是最早發展起來且應用最為廣泛的自動控制算法，目前多應用工業控制和船舶自動舵等方面. 它具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高、參量整定方式簡便的特點. Bang-Bang控制又稱為起停式控制，是一種特殊的時間最優控制算法. 利用Bang-Bang控制算法與PID控制算法相結合不僅能完成利用PID算法對室內環境的調節，還能較傳統的PID控制大幅度地縮短了調節時間. 利用Bang-Bang控制和PID控制相結合的算法，可以極大地改善老年人的室內環境，及時感受智能家居帶來的便利.

以本裝置中的室內亮度調節為例，將PID算法應用于室內亮度的自動調節. 雖然僅僅依靠PID算法就有精確的控制效果，但為了縮短室內亮度的穩定時間，在亮度偏差的絕對值大于設定閾值時引入Bang-Bang控制，反之進入PID控制環節[4]. 圖4所示為結合Bang-Bang控制算法和PID控制算法的室內亮度調節結構圖.

圖4 結合Bang-Bang控制算法和PID控制算法的室內亮度調節結構圖

1.2.4 信號輸出中斷函數

經過處理中斷函數對信號的計算后，將得到的計算值輸出給對應的家具或者家電，使其做出正確的響應. 在整個裝置的實時監控下、不斷信號處理和計算值不斷輸出的中斷控制下，最終室內環境將達到最為適宜老年居住的狀態.

2 面向老年人的3種必要模式

現在市面上大多的智能家居控制系統是基于互聯網的，需要用到手機APP等高科技，對于老年人來說，熟練地掌握這些應用比較困難. 為了增加老年人的對于智能家居的體驗舒適度，研發不需要手機APP控制的智能家居系統就會顯得尤為重要. 本文考慮了腦電波、眼睛、聲音等器官的生理信號，發現聲音對于智能家居的控制精確度明顯較高，且也大大降低了研究的難度. 因此，老年人可以使用聲音代替手機APP控制智能家居. 為了更進一步提高老年人對于智能家居系統的體驗舒適度，本系統增加了智能控制方式，即利用各類傳感器替代老年人的感受，智能系統主觀能動地調節室內環境，如燈光亮度等，使室內環境達到最好的居住條件.

2.1 聲音控制模式

LD3320語音識別用于識別老年人的語音，老年人指令實驗裝置做操作時，當LD3320語音識別正確，發出信號給輔控單片機STC89C51，經過STC89C51的數據處理，再將必要的控制信號發給主控單片機STM32，STM32根據輸入的數據經過算法的計算得出結果并輸出給老年人想要控制的家具或者家電，滿足老年人的需求.

2.2 智能模式

當老年人通過語音指令系統進入“智能模式”時，本系統將開啟智能主動控制模式. 室內室外的各類傳感器將被初始化，開啟實時監測室內外的環境. 當室內環境數值沒有處在設定值的可波動范圍內時，系統便會利用Bang-Bang控制算法和PID控制算法使室內環境快速達到理想狀態.

2.3 異常模式

為了給老年人及其子女提供更加安心有效的生活[5]，異常監控系統如煙霧傳感器等安裝室內各區域和加速度傳感器安裝在老年人身上實時進行數據采集及監控，一旦出現異常情況，及時觸發報警系統，如室內氣體異常將直接撥打119，老年人跌倒將聯系老年人的兒女以及撥打120等.

3 實驗裝置的基本性能測試

為了測試面向老年人的智能家居控制實驗裝置的可行性，設計了如圖5所示的智能家居實驗裝置.

圖5 智能家居實驗裝置圖

3.1 聲音控制的測試

測試員向實驗裝置發出各類指令，實驗裝置在較安靜的環境下對各類基本指令的識別正確率見表1.

表1 安靜環境下指令正確率表

測試員向實驗裝置發出各類指令，實驗裝置在較嘈雜的環境下對各類基本指令的識別正確率見表2.

表2 嘈雜環境下指令正確率表

3.2 智能的測試

測試員設定實驗裝置在智能模式下，各項實驗設定值如實驗裝置亮度等為某一確定的值時，改變實驗裝置周圍或者實驗裝置內的環境因素，多次測定實驗裝置達到穩定的值，以及達到該穩定值的時間t. 測量結果見表3. 注意：表3中室外下雨和老年人跌倒都不需要設定值，只要其對應的傳感器檢測到正確信號，系統將進行對應的調整. 室外下雨時，裝置調整時間指的是室內做出關窗簾和關窗戶的反應，而老人跌倒時，裝置調整時間指的是報警或通知家屬.

表3 智能模式下的測定表

4 結束語

本文設計了直接面向老年人的智能家居系統，通過硬件和軟件2個層面介紹了面向老年人智能家居控制實驗裝置，加深了對常用傳感器的應用以及智能家居系統的模式設計. 硬件部分是基于多傳感器和單片機控制，軟件部分是中斷函數的處理，并結合了Bang-Bang算法和PID算法. 本文還提供了區別APP模式的適合老年人的幾種智能家居的控制模式，為學生在智能家居相關的科研項目中提供新思路.