智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.043

摘? 要：為了探究智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文章在結(jié)合語(yǔ)音交互和人臉識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，之后深入設(shè)計(jì)硬件和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括電源、最小系統(tǒng)、電路和控制終端;軟件系統(tǒng)包括報(bào)警、監(jiān)控、語(yǔ)音、人臉和智能控制系統(tǒng)。最后在完成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)性能滿足需求且具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：智能家居控制系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì);系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TN929.5;TP391.4 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0167-04

Design and Implementation of Smart Home Control System

GENG Yuju

（College of Mathematics and Computer Science，Hengshui University，Hengshui? 053000，China）

Abstract：In order to explore the design of smart home control system，based on the combination of voice interaction and face recognition technology，this paper makes an overall design of the system，and then the hardware and software system are deeply designed. The hardware system includes power supply，minimum system，circuit and control terminal;the software system includes alarm，monitoring，voice，face and intelligent control system. Finally，on the basis of completing the design，the system is tested. The test results show that the system performance meets the requirements and has high stability.

Keywords：smart home control system;system design;system implementation

0? 引? 言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，對(duì)于家居生活的需求也呈現(xiàn)逐漸提升的趨勢(shì)，智能家居系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，在人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的影響下，為人們提供了舒適和智能化的生活環(huán)境^[1]。并且，物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，為智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)的技術(shù)支撐^[2]。在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，目前主要以樹(shù)莓派的芯片為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的監(jiān)控和控制。但是在遠(yuǎn)程操控、人臉識(shí)別以及語(yǔ)音交互方面，雖然在與人工智能技術(shù)不斷結(jié)合，但是仍然存在一定的不足。基于此，本文則主要探究智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，且探索云平臺(tái)應(yīng)用時(shí)的語(yǔ)音交互以及人臉識(shí)別系統(tǒng)的創(chuàng)新。

1? 系統(tǒng)需求

智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，需要考慮以下幾點(diǎn)需求：

第一，對(duì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求對(duì)溫度、濕度、PM以及其他電氣化使用進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的監(jiān)控^[3]。

第二，加強(qiáng)對(duì)電器設(shè)備的控制，要求通過(guò)手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和觸屏操控。

第三，遠(yuǎn)程報(bào)警。如果系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如溫度升高等情況，通過(guò)手機(jī)可以將相關(guān)信息發(fā)送給客戶。

第四，人臉識(shí)別功能需求，要求智能家居系統(tǒng)的操控，由房主獨(dú)自完成或者授權(quán)操作，避免其他人操作而產(chǎn)生影響^[4]。

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能家居的總體設(shè)計(jì)中，包括客戶端、云服務(wù)以及具體設(shè)備操控。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的設(shè)計(jì)，主要包括移動(dòng)端和PC端^[5]。云服務(wù)環(huán)節(jié)，包括物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。設(shè)備環(huán)節(jié)，包括采集終端設(shè)備以及控制終端設(shè)備。采集終端由傳感器和STM32單片機(jī)構(gòu)成。控制終端設(shè)備由單片機(jī)、按鈕以及藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? 終端硬件設(shè)計(jì)

3.1.1? 電源設(shè)計(jì)

本次研究的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇12 V直流電源作為供電電源，單片機(jī)通常為3.3 V，電源選擇為TPS62160電池能源，將12 V直流電轉(zhuǎn)換成為3.3 V的需求電源。電源的開(kāi)關(guān)頻率為2.25 MHz，通過(guò)DCS拓?fù)浼夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換。

3.1.2? 最小系統(tǒng)及采集電路設(shè)計(jì)

智能終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集以及控制，對(duì)算法的要求相對(duì)較低^[6]，本次設(shè)計(jì)中，選擇ST的ARM處理器，型號(hào)為STM32F103C8T6，額定頻率為72 MHz，通信接口達(dá)到37個(gè)，RAM的存儲(chǔ)空間達(dá)到20 K，電壓為2～3.6 V，具有省電和高安全性的特征^[7]。

采集電路的設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)終端電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度以及PM等信息的采集，溫濕度傳感器選擇AM2303，在傳感器內(nèi)部，設(shè)計(jì)單片機(jī)。PM2.5的傳感器型號(hào)選擇SDS011。

3.1.3? 電路的設(shè)計(jì)

在通信電路的設(shè)計(jì)中，選擇ZHY8611無(wú)線組網(wǎng)模塊，工作狀態(tài)僅僅為15 mA左右，通過(guò)AT接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接口的連接。通信接口的電路圖如圖2所示。

在按鈕輸入電路的設(shè)計(jì)中，GPIO的引腳電壓為3.3 V，STM32F103C8T6的引腳電壓為3.3 V，需要采用光耦隔離的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)操作。

在輸出電路的設(shè)計(jì)中，通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空點(diǎn)設(shè)備的操作。電源電壓為12 V。繼電器的型號(hào)選擇CMA51H-DC12 V。

3.2? PCB及控制終端設(shè)計(jì)

在PCB設(shè)計(jì)中，將其螺絲孔徑設(shè)計(jì)為3 mm，整體尺寸設(shè)計(jì)為87.6×47.6 mm，通常情況下，系統(tǒng)會(huì)連接家庭220 V的電源，因而需要將繼電器與弱電部分隔離處理。在智能終端的設(shè)計(jì)中，要通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的控制。

3.3? 運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建及智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

在環(huán)境的測(cè)試中，軟件選擇Autodesk Revit進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括臥室、廚房、洗衣間、陽(yáng)臺(tái)以及起居室等環(huán)境^[8]。在智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)中，采用云服務(wù)和樹(shù)莓派的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化的連接。選擇樹(shù)莓派的3B作為核心部件，CPU為Cortex-A53，RAM為1 GB，GPIO為40PIN，網(wǎng)絡(luò)可以連接10/100 M。

4? 智能家居自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1? 遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用MQTT協(xié)議以及Iot Hub連接^[9]。協(xié)議通過(guò)Topic的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)傳輸，支持服務(wù)端以及客戶端的運(yùn)行。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，主要的功能包括網(wǎng)絡(luò)連接、接收消息、處理客戶端信息以及轉(zhuǎn)發(fā)訂閱消息等。客戶端需要實(shí)現(xiàn)的功能包括發(fā)布應(yīng)用消息、請(qǐng)求接受消息、取消訂閱以及斷開(kāi)服務(wù)器等方式。

應(yīng)用Python實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)pip的安裝以及擴(kuò)展包，可以實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議。在本次設(shè)計(jì)格式的選擇中，應(yīng)用JSON格式，name表示指令名稱，messageId表示信息的長(zhǎng)度，namespace表示指令的類型。在設(shè)備操作中，Turn On表示開(kāi)啟設(shè)備，Turn Off表示關(guān)閉設(shè)備，SetupScene表示場(chǎng)景的設(shè)定。以下為遠(yuǎn)程監(jiān)控部分代碼：

"header"： {

"namespace" ： "Home Keeper.Control"，

"name" ： "Turn On Request"，

"message Id" ： " "，

"payload Version" ： "1"

遠(yuǎn)程報(bào)警功能的設(shè)計(jì)中，在出現(xiàn)異常狀況時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警，通過(guò)云服務(wù)的模式，每天可以推送的消息達(dá)到5億條以上，并且通過(guò)API的調(diào)用來(lái)完成。目前，Jpush主要提供通知、自定義、本地通知以及富媒體四種類型的信息。通知信息則置于收集狀態(tài)欄，對(duì)用戶進(jìn)行提示;自定義信息根據(jù)開(kāi)發(fā)者自己定義來(lái)實(shí)現(xiàn);富媒體則支持圖文信息;本地通知?jiǎng)t通過(guò)pip的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2? 語(yǔ)音交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在語(yǔ)音智能交互模塊的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用阿里云的云平臺(tái)，以及天貓精靈等智能化的操控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的人性化以及智能化的操控。在語(yǔ)音模塊的設(shè)計(jì)中，主要包括語(yǔ)音采集、語(yǔ)音識(shí)別、智能對(duì)話、語(yǔ)音合成和播放等幾個(gè)功能流程。在語(yǔ)音采集環(huán)節(jié)，連接樹(shù)莓派的USB，實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)操控，在采集語(yǔ)音后，會(huì)以Wav的格式保存。在語(yǔ)音識(shí)別和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，通過(guò)特征提取、模糊匹配和語(yǔ)音播報(bào)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音模塊的設(shè)計(jì)，近場(chǎng)識(shí)別的準(zhǔn)確率在98%以上。

在操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用REST API，此模塊負(fù)責(zé)智能對(duì)話，在人機(jī)對(duì)話環(huán)節(jié)，則通過(guò)智能合成的方式來(lái)進(jìn)行操控，之后生成mp3的語(yǔ)音文件。在播放環(huán)節(jié)，程序選擇Sox，通過(guò)樹(shù)莓派的音頻轉(zhuǎn)換，形成控制文件。在語(yǔ)音操作模塊的設(shè)計(jì)中，要建立語(yǔ)音喚醒功能，根據(jù)喚醒詞進(jìn)行訓(xùn)練。以下為語(yǔ)音交互部分代碼：

response = urllib2.urlopen（request ，timeout = 3）

content = response.read（）

logger.info（'UNIT returned：{}'.format（content））

if self.__end UNITCallback is not None and callable（self.__end UNITCallback）：

self.__end UNITCallback（）

return json.loads（content）

except Exception as e：

logger.exception（e）

4.3? 家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)溫度、濕度以及PM的監(jiān)控等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮了多方面的因素。在溫度適合的環(huán)境下，濕度對(duì)人體的影響相對(duì)較小，這主要是由于濕度影響人體的熱代謝以及水代謝，在溫度過(guò)高或者過(guò)低的環(huán)境下，濕度才會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如在25 ℃的環(huán)境下，空氣濕度越低，人體散熱越快，但是當(dāng)濕度超過(guò)80%或者低于30%時(shí)，則會(huì)對(duì)舒適度產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)溫濕度進(jìn)行綜合控制。根據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，25 ℃為人體舒適的標(biāo)準(zhǔn)溫度，空氣濕度則為45%～65%之間。在系統(tǒng)的控制流程中，會(huì)對(duì)空氣的溫度和濕度信息進(jìn)行采集，確定溫度是否低于24 ℃或者超過(guò)27 ℃，如果低于24 ℃或者超過(guò)27 ℃，則會(huì)打開(kāi)或者關(guān)閉加熱和通風(fēng)設(shè)備操作，將溫度控制在合理的區(qū)間。如果溫度達(dá)到要求，則會(huì)檢測(cè)濕度是否在40%～70%之間，如果在區(qū)間外，則會(huì)考慮打開(kāi)或者關(guān)閉加濕器裝置，在達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定后結(jié)束流程。

PM判定優(yōu)良為75 μg/m?以下，75～115 μg/m?為輕度污染，115～150 μg/m?為中度污染，150 μg/m?以上為重度污染。如果出現(xiàn)PM污染，則需要打開(kāi)新風(fēng)系統(tǒng)，包括送風(fēng)和排風(fēng)。在PM系統(tǒng)的判定中，采集空氣中的PM信息，之后確定PM是否低于115 μg/m?，如果超過(guò)該數(shù)據(jù)，則開(kāi)啟新風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣的更換，在達(dá)到要求后結(jié)束系統(tǒng)的運(yùn)行。

4.4? 人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能家居系統(tǒng)的控制中，為了確保系統(tǒng)應(yīng)用的安全性，涉及了人臉識(shí)別系統(tǒng)，采用阿里云的人臉識(shí)別項(xiàng)目，將樹(shù)莓派的智能控制系統(tǒng)以及阿里云的人臉識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。在獲取人臉圖片的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)格式的轉(zhuǎn)換以及監(jiān)測(cè)，與數(shù)據(jù)庫(kù)的信息進(jìn)行對(duì)比和識(shí)別，最終完成對(duì)系統(tǒng)的解鎖控制。

在人臉上傳識(shí)別后，阿里云系統(tǒng)會(huì)設(shè)定閾值，通常為80分，如果超過(guò)閾值，系統(tǒng)則會(huì)判定人臉和數(shù)據(jù)庫(kù)的信息為同一人，之后可以進(jìn)行系統(tǒng)操作。在阿里云的連接中，人機(jī)交互界面，可以通過(guò)PyQt軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且結(jié)合UI的設(shè)計(jì)，確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，最終達(dá)到智能化控制的目標(biāo)。

5? 系統(tǒng)測(cè)試和應(yīng)用

5.1? 系統(tǒng)具體應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)

本次具體應(yīng)用設(shè)計(jì)中，選擇121.2平方米的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，包括廚房、兩間臥室、兩個(gè)衛(wèi)生間、一個(gè)客廳和一個(gè)餐廳。系統(tǒng)通過(guò)天貓精靈實(shí)現(xiàn)室內(nèi)語(yǔ)音操控。而遠(yuǎn)程操控則通過(guò)手機(jī)APP來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)該系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、PM、人臉識(shí)別和語(yǔ)音的操控。

5.2? 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

5.2.1? 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試，主要是在設(shè)定direct以及event等指標(biāo)時(shí)，通過(guò)訂閱主題，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在通過(guò)協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)一致時(shí)，會(huì)將相關(guān)信息傳遞給控制端，之后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)用環(huán)境的100次遠(yuǎn)程溫度、濕度、PM以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的傳輸，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

5.2.2? 性能測(cè)試

在性能測(cè)試環(huán)節(jié)，要求測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的性能是否達(dá)到要求，在遠(yuǎn)程客戶端測(cè)試時(shí)，應(yīng)用開(kāi)始計(jì)時(shí)測(cè)試，在超過(guò)5 s的情況下，則設(shè)定為失敗計(jì)數(shù)增加1，系統(tǒng)會(huì)停止計(jì)時(shí)。在收到正確的回復(fù)，且在5 s內(nèi)完成響應(yīng)時(shí)，則系統(tǒng)記錄執(zhí)行時(shí)間，完成對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試。在測(cè)試時(shí)，通過(guò)1 000條指令的發(fā)送方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的控制。在語(yǔ)音控制環(huán)節(jié)，通過(guò)錄制完成的音頻播放，同樣按照上述標(biāo)準(zhǔn)。人臉識(shí)別測(cè)試方面，通過(guò)1 000次的測(cè)試，完成對(duì)人臉識(shí)別的成功率進(jìn)行綜合測(cè)試。具體測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1的測(cè)試結(jié)果可以看出，智能家居系統(tǒng)在測(cè)試環(huán)節(jié)，整體滿足了使用性能。

5.2.3? 穩(wěn)定性測(cè)試

在系統(tǒng)的測(cè)試中，采用隨機(jī)間隔時(shí)間的方式對(duì)整體展開(kāi)測(cè)試，將控制次數(shù)設(shè)定在每天1 000次，之后在三天內(nèi)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，并且確定測(cè)試的成功率。整體穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在3天內(nèi)的穩(wěn)定性成功率約為99%，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6? 結(jié)? 論

本文探究智能家居控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，首先對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求以及總體展開(kāi)設(shè)計(jì)，包括終端控制模塊、云平臺(tái)以及設(shè)備控制模塊。其次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括電源、采集電路、智能控制終端以及網(wǎng)關(guān)等環(huán)境。再次，對(duì)系統(tǒng)控制軟件環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試，包括監(jiān)控模塊、報(bào)警模塊、自動(dòng)控制系統(tǒng)、語(yǔ)音交互和人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后，對(duì)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且具有較高的穩(wěn)定性和應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫曉葉，李攀，劉穎.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（11）：49-50.

[2] 曉軍涂，艷吳.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].智能城市應(yīng)用，2020（6）：118-120.

[3] 關(guān)超，柴寶仁.基于stm32的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].輕工科技，2019，35（2）：91-92+95.

[4] 林書句.基于Linux的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（16）：37-39+42.

[5] 王軍，孫澤軍.基于用戶行為分析的物聯(lián)網(wǎng)智能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（9）：71-74+79.

[6] 卞曉曉，陳宇超.智能家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) [J].電腦編程技巧與維護(hù)，2020，（11）：117-119.

[7] 張鶴.單片機(jī)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].數(shù)碼設(shè)計(jì)（下），2019（5）：230.

[8] 肖海峰.帶云端決策的分布式智能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].科學(xué)大眾，2019（1）：38.

作者簡(jiǎn)介：耿玉菊（1972.10—），女，漢族，河北深州人，教授，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用及控制。

收稿日期：2021-04-25