基于智能云控的智能家居交互系統(tǒng)

蔣文杰 聶盼紅 張展

摘要：智能家居的發(fā)展逐漸進(jìn)入深水區(qū)，基礎(chǔ)應(yīng)用在生活中比較常見，這種將多種家居設(shè)備連接起來統(tǒng)一管理的模式也將繼續(xù)發(fā)展。該篇文章介紹了智能家居的概念以及管理系統(tǒng)的組成，闡述了所涉及的基本技術(shù)，提出了一套能夠提供第三方兼容的統(tǒng)一云平臺(tái)智能家居交互系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能家居;Web;智能音箱;管理平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）02-0045-03

Abstract： The development of smart home gradually into the deepwater area， the basic application in life is more common， this will be connected to a variety of home equipment unified management mode will continue to develop. This paper introduces the concept of smart home and the composition of the management system， describes the basic technology involved， and puts forward a set of unified cloud platform intelligent home interaction system that can provide third-party compatibility.

Key words： smart home; Web; smart speakers; management platform

1 背景

隨著WIFI技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，短距離、遠(yuǎn)距離通信設(shè)備的成本降低，功耗降低，性能增強(qiáng)，為智能家居提供了技術(shù)基礎(chǔ)。再加上互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，利用硬件設(shè)備將各種家居進(jìn)行設(shè)置，連接到管理平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控，成為大趨勢。根據(jù)對(duì)世界物聯(lián)網(wǎng)的研究，盡管世界的物聯(lián)網(wǎng)智能家居在不停地發(fā)展，但不同國家和地區(qū)的發(fā)展方向和特點(diǎn)都不一樣，不是都符合我國的發(fā)展方向，我們需要遵循低碳、環(huán)保和開源節(jié)流的理念，從而獲得更長久的發(fā)展。

目前我們面臨的問題是，由于各個(gè)廠家沒有達(dá)成統(tǒng)一合作，導(dǎo)致不同的品牌都大概率有自己的平臺(tái)，對(duì)普通民眾不太友好，平臺(tái)過多導(dǎo)致智能家居發(fā)展受限，多個(gè)平臺(tái)讓日常操作過于煩瑣。再加上傳統(tǒng)家電的智能化覆蓋還是問題，由第三方提供一個(gè)完整成熟統(tǒng)一的云平臺(tái)，提供對(duì)各個(gè)品牌設(shè)備的兼容是市場下一階段可能的發(fā)展目標(biāo)。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠提供第三方兼容的統(tǒng)一云平臺(tái)智能家居交互系統(tǒng)。通過單片機(jī)和各種模塊與家電相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)家電智能化，然后通過統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備的無線連接管理。同時(shí)，該系統(tǒng)可以通過Web網(wǎng)頁和智能音箱實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由控制部分，設(shè)備管理部分，設(shè)備部分組成，該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

控制部分為兩塊，一塊是Web控制，另一塊是智能音箱控制，Web部分使用的是基于asp.net搭建的網(wǎng)頁，智能音箱是基于樹莓派使用Python借助網(wǎng)絡(luò)API實(shí)現(xiàn)的。

設(shè)備管理部分負(fù)責(zé)控制部分和硬件部分的連接。起到存儲(chǔ)信息，收集信息，轉(zhuǎn)發(fā)命令的作用。通過它可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的動(dòng)態(tài)管理。

硬件部分利用到了WIFI模塊來無線連接和控制，根據(jù)不同的電器設(shè)備選擇不同的控制方法，讓設(shè)備具有通用性，方便對(duì)傳統(tǒng)家電進(jìn)行智能化改造。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要提供設(shè)備控制的入口，由兩部分獨(dú)立模塊組成，第一部分是一個(gè)基于樹莓派的智能音箱，可以通過語音下達(dá)控制指令。第二部分是一個(gè)網(wǎng)頁，通過驗(yàn)證用戶名和密碼實(shí)現(xiàn)登錄，可以獲取各個(gè)硬件設(shè)備的狀態(tài)，對(duì)可操作設(shè)備下達(dá)指令。

智能音箱使用Python作為開發(fā)語言，Python是目前很流行的一種解釋型編程語言。Python的語法十分簡潔、易讀，其傾向于讓開發(fā)者使用更少的代碼來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，所以相比別的高級(jí)語言它在開發(fā)速度和開發(fā)效率方面有著顯著的優(yōu)勢，同時(shí)也不可避免地導(dǎo)致運(yùn)行效率的下降。因?yàn)槠湔Z言特性，在開發(fā)復(fù)雜的程序時(shí)有許多的包可以調(diào)用，可以較為輕松地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。音箱處理器使用樹莓派，樹莓派（Raspberry Pi）是英國樹莓派基金會(huì)設(shè)計(jì)發(fā)售的基于Linux的單片機(jī)電腦，每一代樹莓派均使用博通（Broadcom）的ARM架構(gòu)處理器，配備豐富的接口，安裝有支持以太網(wǎng)，WLAN，Bluetooth等協(xié)議的模塊，具備一臺(tái)PC所有基本的功能，同時(shí)可拓展性也極強(qiáng)。

網(wǎng)頁構(gòu)建使用ASP.NET，ASP.NET是開源的。這是一種跨平臺(tái)、高性能、輕量級(jí)的 Web 應(yīng)用構(gòu)建框架。這里使用Web From傳統(tǒng)事件驅(qū)動(dòng)開發(fā)模型，對(duì)于每一個(gè)功能控件，都可以先在HTML頁面設(shè)計(jì)好后，在后臺(tái)使用C#實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端對(duì)應(yīng)的交互功能。微軟將控件與后臺(tái)事件代碼的綁定過程透明化，使Web From的開發(fā)與Win From非常類似，將一些底層的原理部分類似于請(qǐng)求-處理-響應(yīng)忽略了。

3.1 智能音箱

使用樹莓派為中心處理器[1-2]，為了滿足需求，樹莓派需要外接麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，并連接網(wǎng)絡(luò)，樹莓派外部連接如圖2。

樹莓派作為一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，工作潛力很大，在上面運(yùn)行的系統(tǒng)為官方系統(tǒng)Raspbian，程序整體是通過Python編寫的，首先運(yùn)行的是SNOWBOY，這是KITT.AI開發(fā)的人工智能軟件工具包，它會(huì)檢測所設(shè)置的喚醒詞，如果沒有檢測到，就會(huì)堵塞程序。如果檢測到，會(huì)有一個(gè)反饋音頻被播放出來，然后開始執(zhí)行所安排的python程序入口函數(shù)，該函數(shù)會(huì)先啟動(dòng)錄音功能，借助所安裝的麥克風(fēng)，錄制5秒的音頻，將音頻通過百度提供的API發(fā)送過去，返回一個(gè)字符串，實(shí)現(xiàn)了語音轉(zhuǎn)文字的功能，再根據(jù)關(guān)鍵詞實(shí)現(xiàn)對(duì)文字的分解并生成指令，最后將生成的指令寫入到所設(shè)置的MYSQL數(shù)據(jù)庫中[3]，最后根據(jù)指令運(yùn)行反饋，通過揚(yáng)聲器進(jìn)行結(jié)果反饋，完整流程如圖3。

3.2 網(wǎng)頁服務(wù)

該部分使用ASP.NET和C#構(gòu)建網(wǎng)頁，網(wǎng)頁使用三層結(jié)構(gòu)[4]。

總體功能體系如圖4。

其中修改函數(shù)和查詢函數(shù)的主要功能是通過使用上層提供的參數(shù)，生成對(duì)應(yīng)的SQL語句，提交給下層運(yùn)行，下層運(yùn)行SQL后將結(jié)果返回，然后查詢函數(shù)返回布爾信息，查詢函數(shù)需要對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，然后返回字符串信息。

網(wǎng)頁操作需要登錄，在驗(yàn)證用戶名密碼登錄后，頁面主要分為兩個(gè)部分，一部分是顯示設(shè)備的基本信息，另一部分是對(duì)設(shè)備的控制。

顯示的設(shè)備基本信息主要是設(shè)備編號(hào)、設(shè)備描述、設(shè)備狀態(tài)。網(wǎng)頁后臺(tái)通過查詢函數(shù)從數(shù)據(jù)庫獲取設(shè)備狀態(tài)描述信息和設(shè)備在線狀態(tài)，在前端網(wǎng)頁上顯示。為了確保能及時(shí)更新設(shè)備狀態(tài)，這里采用頁面的局部刷新。

控制設(shè)備時(shí)，根據(jù)不同的設(shè)備，控制選項(xiàng)也不同，其中最復(fù)雜的是空調(diào)的控制。后臺(tái)會(huì)先通過查詢函數(shù)，獲取設(shè)備的詳細(xì)狀態(tài)信息，不同類型的設(shè)備所列出來的信息不同，然后只顯示出可操作設(shè)備，為了方便操作，這里可以使用多選的操作，同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。確認(rèn)修改后后臺(tái)會(huì)根據(jù)具體的修改，使用對(duì)應(yīng)的修改函數(shù)，將數(shù)據(jù)更新到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)后臺(tái)的指令運(yùn)行結(jié)果，會(huì)有對(duì)應(yīng)的彈窗進(jìn)行反饋，同時(shí)進(jìn)行頁面的刷新。

4 數(shù)據(jù)庫

本次項(xiàng)目使用的是MySQL數(shù)據(jù)庫，MySQL是一種開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，由瑞典MySQL AB 公司開發(fā)，屬于 Oracle 旗下產(chǎn)品。MySQL 是最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一，在 Web應(yīng)用方面，MySQL是最好的 RDBMS （Relational Database Management System，關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)） 應(yīng)用軟件之一。

在數(shù)據(jù)庫中，每個(gè)設(shè)備都有自己的編號(hào)作為唯一標(biāo)識(shí)，使用了多張表，通過設(shè)備編號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將中文描述例如“開”“關(guān)”等，與實(shí)際的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)分隔開來，使設(shè)備管理獲取指令更加便捷，增加兼容性。另一方面，為了降低網(wǎng)頁端SQL語句的復(fù)雜度，使用視圖來生成更方便的數(shù)據(jù)，用來提供給網(wǎng)頁查詢函數(shù)使用。

5 設(shè)備管理設(shè)計(jì)

該部分主體是一個(gè)C++程序，程序結(jié)構(gòu)如圖7。

該程序在Linux服務(wù)器上運(yùn)行，通過Socket[5]與硬件設(shè)備建立TCP連接。監(jiān)聽端口后，函數(shù)會(huì)堵塞在這里，直到有新的連接。獲得新的連接并驗(yàn)證成功后，將生成的Socket作為參數(shù)創(chuàng)建新的線程，每個(gè)連接成功的設(shè)備都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的線程。線程創(chuàng)建之前，程序會(huì)將設(shè)備“上線”的信息更新到數(shù)據(jù)庫[6]中，如果設(shè)備出現(xiàn)問題，TCP連接斷開，程序會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并將設(shè)備“下線”的信息更新到數(shù)據(jù)庫中，最后主動(dòng)關(guān)閉線程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備基本信息的維護(hù)。同時(shí)，程序也將從數(shù)據(jù)庫中獲取到的指令信息發(fā)送給設(shè)備，設(shè)備接收后會(huì)自行處理。線程創(chuàng)建完成后，主程序會(huì)回到監(jiān)聽端口的部分，繼續(xù)堵塞，直到有新的連接。

6 硬件控制

由于不同的家電設(shè)備需要不同的控制裝置，所以難以統(tǒng)一化，需要具體設(shè)備具體安排，這里實(shí)現(xiàn)了對(duì)燈、空調(diào)、窗簾的控制作為例子展示。WIFI模塊這里使用的是ai-thinker公司推出的一款無線WIFI模塊ESP8266，由于其體積小、操作簡單、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，現(xiàn)在常見于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域被廣泛使用。可以通過AT指令配置，和單片機(jī)上的串口進(jìn)行通信，利用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)WIFI的編譯器使用的是ArduinoIDE，因?yàn)樗鼘?duì)于NodeMCU（基于esp8266系列）的良好支持，這里使用它來開發(fā)固件。

6.1 燈

燈的控制主要是在電源方面，這里使用的是12V的LED燈，采用了繼電器來控制，通過WIFI模塊獲取命令后通過引腳3.3V的電平實(shí)現(xiàn)高電平開燈，低電平關(guān)燈，以實(shí)現(xiàn)以低電壓驅(qū)動(dòng)高電壓。

6.2 空調(diào)

空調(diào)控制大體分兩種，一種是通過內(nèi)部線路控制，另一種是通過外部的紅外線控制。內(nèi)部線路控制實(shí)施煩瑣，走線也是問題，但是穩(wěn)定性好，紅外控制設(shè)置方便，但是容易被干擾，穩(wěn)定性也有一定的問題，這里使用紅外控制。空調(diào)通過用紅外模塊來進(jìn)行控制，先學(xué)習(xí)遙控器的紅外信號(hào)，進(jìn)行分類編碼，溫度、風(fēng)速等信息都存在于編碼中，軟件部分發(fā)送信息時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行編碼后發(fā)送，然后WIFI模塊接收信號(hào)驗(yàn)證編碼的完整性后通過串口向紅外模塊發(fā)送信號(hào)編碼，紅外模塊根據(jù)編碼發(fā)送紅外信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的控制。

6.3 窗簾

窗簾控制模塊使用兩個(gè)減速電機(jī)來帶動(dòng)窗簾的移動(dòng)，這需要實(shí)時(shí)檢測窗簾的開關(guān)狀態(tài)。這里通過微動(dòng)開關(guān)來感知窗簾的開合狀態(tài)，WIFI收到指令后會(huì)根據(jù)微動(dòng)開關(guān)[8]的返回結(jié)果來進(jìn)行判斷，確認(rèn)是否需要運(yùn)行電機(jī)，電機(jī)的運(yùn)行不能依靠單片機(jī)提供電源，這里使用H橋，連接額外電源，由NodeMCU提供的兩個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，開始運(yùn)行后，實(shí)時(shí)監(jiān)測微動(dòng)開關(guān)的反饋，并在窗簾達(dá)到預(yù)定位置后，根據(jù)微動(dòng)開關(guān)的反饋停止操作。

6.4 硬件控制小結(jié)

這些模塊通過WIFI[7]統(tǒng)一的鏈接到服務(wù)器上的接口程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的通信和操作管理。而通過接口程序的中轉(zhuǎn)，網(wǎng)頁和智能音箱都能實(shí)現(xiàn)控制的操作。通過WIFI的便利性，基本上大部分的家具都能夠搭配合適的控制模塊，實(shí)現(xiàn)智能化控制，有效的兼容不同平臺(tái)的設(shè)備。添加已有類型的新設(shè)備時(shí)，只需要在數(shù)據(jù)庫中添加相應(yīng)數(shù)據(jù)，不需要更新其他部分即可完成。

7 總結(jié)

為了適應(yīng)性，一套完整的智能家居交互系統(tǒng)是需要兼顧硬件部分的兼容性和控制部分的兼容性，所以本文實(shí)現(xiàn)了以設(shè)備管理部分為核心的交互系統(tǒng)，通過硬件的多樣性，增強(qiáng)普適性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)家電的智能化改造，再通過平臺(tái)統(tǒng)一管理，可以在控制端進(jìn)行統(tǒng)一的管理，而且控制的手段自由添加。雖然本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)還很粗糙，但是它具有未來更完備的智能家居系統(tǒng)的雛形。可以設(shè)想到，未來的智能家居還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，依靠技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新的想法，在這個(gè)雛形上可以發(fā)展得更加完善、方便、強(qiáng)大。

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