智慧掌上家居系統(tǒng)研究與設(shè)計

謝晉陽, 李明亮,謝桂芳＊

（1.湘南學(xué)院資產(chǎn)與實驗室建設(shè)管理處，郴州 423000；2.湘南學(xué)院計算機與人工智能學(xué)院，郴州 423000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷提高，以及國家政策對人工智能領(lǐng)域的大力扶持和推動，“智能化”“自動化”“便捷化”的生活已成為每個人的期待和向往。當(dāng)前，智能家居行業(yè)的發(fā)展處在一個上升階段，智能家居這條“賽道”前景可觀，有較為充裕的市場空間，各種品牌、各種類型的智能設(shè)備也在不斷地涌現(xiàn)［1］。

面對不斷發(fā)展的智能家居市場與不斷涌現(xiàn)的智能家居產(chǎn)品，我國絕大多數(shù)消費者對此持樂觀態(tài)度。根據(jù)有關(guān)調(diào)查和數(shù)據(jù)顯示，在智能家居設(shè)備的使用習(xí)慣方面，我國消費者主要偏好語音交互，其次是手機平臺控制；在智能產(chǎn)品消費過程中，我國消費者對于智能家居隱私安全性有著較高要求。此外，大部分消費者認(rèn)為市面上現(xiàn)有的智能家居設(shè)備存在系統(tǒng)造價貴、使用方法復(fù)雜、不同品牌兼容性差、系統(tǒng)安全沒有保障等問題［1］，這些問題成為阻礙消費者使用智能家居產(chǎn)品的主要因素。因此，本文針對這些問題展開研究，設(shè)計一款集安全、便捷、低成本于一體的掌上智慧家居系統(tǒng)。

1 智慧掌上家居系統(tǒng)研究

1.1 已有的相關(guān)研究

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計算機控制技術(shù)和電子通信技術(shù)的發(fā)展以及消費者對生活環(huán)境的高效便捷需求的提高，傳統(tǒng)家居行業(yè)的智能化是發(fā)展的必然結(jié)果。因此，對智能家居的研究已成為國內(nèi)外關(guān)注的重點。國內(nèi)學(xué)者，陳明忠等［2］設(shè)計了基于STM32 和云平臺的智能家居控制系統(tǒng)。于浩等［3］研究了基于GPRS 的智能門鎖系統(tǒng)的設(shè)計，他們認(rèn)為，由于GPRS技術(shù)性能穩(wěn)定、覆蓋范圍廣、不需要重建網(wǎng)絡(luò)，因此操作簡單。劉文林等［4］設(shè)計的基于GPRS 短信通信的低功耗智能家居系統(tǒng)，能將各模塊結(jié)合起來，高效便捷地管理家庭，且大大降低系統(tǒng)功耗。國外對智能家居系統(tǒng)的研究主要分為兩部分。首先，對智能家居系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了研究，如意大利的Sinico［5］討論了視覺設(shè)計因素對系統(tǒng)防盜門感知安全性的影響，并通過實驗驗證了不同防盜門模型對感知安全性的影響。其次，對智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，如Poddar等［6］采用基于圖像處理的人臉識別家庭安防系統(tǒng)得到了廣泛的發(fā)展。系統(tǒng)中的人臉檢測采用Haar-Cascade 方法。此外，還采用精密度測試、距離測試、面部表情測試和光照條件測試。

國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究已經(jīng)滿足了人們對智能家居和舒適家居生活的基本要求，但仍存在功能單一、防盜能力差、智能化程度低、使用繁瑣等問題，因此開展智慧家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計勢在必行。

1.2 本文研究的主要內(nèi)容

針對已有的相關(guān)研究所存在的不足，論文將重點從以下六個方面展開研究：

（1）智能解鎖。系統(tǒng)不具備實體鑰匙，門本身沒有“鑰匙孔”，唯一的“鑰匙”是授權(quán)微信賬號，用戶可通過指紋解鎖、人臉識別、密碼解鎖等方式進(jìn)行解鎖［7］。

（2）安防監(jiān)控。用戶可使用微信小程序中的視頻監(jiān)控實時查看監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的家居狀況。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到家居存在安全隱患時，會立刻發(fā)出警報并發(fā)送短信提醒用戶，讓用戶第一時間發(fā)現(xiàn)并處理安全隱患。

（3）環(huán)境調(diào)節(jié)。用戶可根據(jù)系統(tǒng)感應(yīng)器接收到的感應(yīng)信號選擇是否開啟相關(guān)設(shè)備進(jìn)行環(huán)境調(diào)控，如降低或增加室內(nèi)溫度和濕度，或者光線過量是否需要打開窗簾，下雨了將晾衣桿收回等。

（4）家電控制。用戶既可單個地控制家電的開和關(guān)，也可一次性控制多個家電開關(guān)，比如出門場景，用戶點擊開啟后，家中所有電器如電燈、加濕器等將全部關(guān)閉，避免出現(xiàn)用戶出門忘關(guān)電器出現(xiàn)的不可預(yù)測的危險。

（5）語音助手。用戶通過語音助手可以更快速、更方便地實現(xiàn)家電控制、語音閑聊、天氣查詢等。

（6）擴(kuò)展功能。系統(tǒng)除了具有上述主要功能外，還具有家庭管理、天氣預(yù)報、系統(tǒng)日志等可擴(kuò)展的功能。

2 智慧掌上家居系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分硬件、軟件、系統(tǒng)集成三部分，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分使用樹莓派作為核心部件，各類傳感器以及各種應(yīng)用類器件作為擴(kuò)展部分，通過GPIO 口與樹莓派連接起來。系統(tǒng)硬件部分主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)智能開鎖、安防監(jiān)控、環(huán)境調(diào)節(jié)、家電控制四個模塊，給硬件部分寫入程序前需先將Raspbian 系統(tǒng)燒入TF 卡中，接著啟動系統(tǒng)，便能開始使用XShell進(jìn)行編程。由于樹莓派自帶的GPIO 口不足以實現(xiàn)系統(tǒng)全部功能，故給樹莓派添加一塊GPIO 口擴(kuò)展板，并使用fritzing 工具設(shè)計好樹莓派連接模型，最后根據(jù)如圖2所示的硬件組裝模型將實物連接上。

圖2 硬件組裝模型

2.2 軟件設(shè)計

軟件部分以微信小程序?qū)崿F(xiàn)用戶控制界面，SpringBoo 框架實現(xiàn)微信小程序后臺服務(wù)器的開發(fā)，兩者結(jié)合類似前后端分離項目，通過后臺提供的接口，來實現(xiàn)各種功能，系統(tǒng)功能框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能框架

2.3 系統(tǒng)集成

使用Wi-Fi協(xié)議將軟硬件連接起來。在同一局域網(wǎng)下用戶使用手機時，用戶的任何操作都會以信號的形式發(fā)送到微信小程序后臺，后臺接收到這些信號后還要進(jìn)行邏輯處理。系統(tǒng)控制原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制原理

3 智慧掌上家居系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 智能開鎖實現(xiàn)

使用SG90 舵機模擬防盜門，舵機的控制需要一個20 ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms［8］。樹莓派通過GPIO 引腳連接觸摸傳感器，觸摸傳感器收到高電平信號，可向MQTT 服務(wù)器touch 主題發(fā)送“訪客通知”消息，用戶接收到消息后，可使用微信小程序?qū)崟r監(jiān)控功能查看情況，核實訪客身份，進(jìn)行遠(yuǎn)程開門。

3.2 安防監(jiān)控實現(xiàn)

樹莓派通過擴(kuò)展板GPIO 引腳連接傳感器，其中包括振動傳感器、MQ-2 煙霧氣體傳感器、熱釋電人體紅外傳感器。當(dāng)門身受到劇烈破壞時，振動傳感器發(fā)出高電平信號，蜂鳴器報警，樹莓派MQTT客戶端向invade主題發(fā)送“入侵警告”消息，手機MQTT 客戶端訂閱主題并接收到消息后向用戶微信推送報警信息。對于震動傳感器感應(yīng)到門身受到破壞的程度，可通過設(shè)置能量閾值的方式，如果采集信號的能量過小，比如只是有人簡單的敲了下門，對于這類能量過小的閾值信號直接拋棄掉。一旦能量超過閾值所設(shè)定的范圍，便立刻報警［9］。MQ-2 煙霧氣體傳感器則用于預(yù)防火焰危險，當(dāng)周圍煙霧濃度過高時，可發(fā)出報警信號，提醒用戶做出相應(yīng)預(yù)防措施。熱釋電人體紅外傳感器則可以通過輸出電平的方式感應(yīng)到附近是否有人長時間逗留，當(dāng)有人經(jīng)過時，感應(yīng)器收到感應(yīng)后系統(tǒng)拍下路人樣貌，如果有人長時間逗留，則系統(tǒng)發(fā)送報警信號到用戶手機。

視頻監(jiān)控功能則使用到MJPG-Streamer 技術(shù)，涉及硬件設(shè)備為攝像頭，安裝好攝像頭后在終端模式下輸入“l(fā)susb”查看樹莓派USB 接口連接情況。當(dāng)攝像頭安裝成功后，接著需要安裝MJPG-Streamer，最后啟動MJPG-Streamer便可實現(xiàn)實時監(jiān)控功能［10］。

3.3 環(huán)境調(diào)節(jié)實現(xiàn)

通過溫濕度傳感器模塊、雨滴傳感器模塊、聲音傳感器模塊、人體紅外傳感器模塊等傳感器實現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)的收集，并發(fā)送給用戶端，用戶使用微信小程序可以查看收集到的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。環(huán)境調(diào)節(jié)模塊涉及的硬件器件除了加濕器模塊必須通過樹莓派開發(fā)板USB 口供電以外，其它器件都是直接連接在樹莓派擴(kuò)展板的GPIO 口上的。故為使用加濕器對室內(nèi)濕度進(jìn)行控制，必須在樹莓派系統(tǒng)中安裝uhubctrl以控制USB接口，安裝命令如下：

安裝成功則會提示“success”信息，否則安裝失敗，需根據(jù)報錯信息重新安裝。安裝uhubctl 后便可實現(xiàn)對樹莓派USB 接口的控制，以下是控制USB口關(guān)閉和打開的命令。

3.4 語音助手實現(xiàn)

使用微信小程序的一個小插件“微信同聲傳譯”，在微信公眾平臺添加，添加后需在根目錄app.json 文件中配置，同時還需為系統(tǒng)編寫接口，用來對應(yīng)用戶輸入和系統(tǒng)輸出。

3.5 家電控制實現(xiàn)

微信小程序?qū)⑹盏降挠脩酎c擊事件信號發(fā)送到系統(tǒng)SpringBoot 后臺，后臺根據(jù)寫入程序處理信號后上傳至云服務(wù)器中等待樹莓派端服務(wù)器接收，樹莓派端服務(wù)器接收后同樣將信號處理后再對相應(yīng)器件進(jìn)行控制，整個過程用時在5 ms 內(nèi)，從而保證用戶體驗。一鍵場景控制則需要用戶提前設(shè)置好，之后點擊該控制開關(guān)便能一次性控制多個家電開關(guān)。

初次使用家電控制模塊前需在Linux 環(huán)境下配置MQTT 服務(wù)器，之后再使用只需打開服務(wù)器即可。配置MQTT服務(wù)器步驟及命令如下：

（1）解壓EMQ X zip文件；

（2）啟動以控制臺調(diào)試模式emqx，檢查EMQ X是否可以正常啟動；

（3）安裝成功，會出現(xiàn)如圖5 輸出，否則安裝失敗，需重新安裝。

圖5 EMQ X安裝成功控制臺輸出

（4）安裝成功后，使用時打開服務(wù)器即可（系統(tǒng)啟動時自動開啟）。

3.6 擴(kuò)展工具實現(xiàn)

擴(kuò)展工具所有功能都需使用到MySQL 數(shù)據(jù)庫，通過微信小程序與SpringBoot 后臺傳遞數(shù)據(jù)，如記賬功能則是將用戶記錄的賬單信息保存到MySQL 數(shù)據(jù)庫中，并在用戶查看時調(diào)用數(shù)據(jù)庫內(nèi)容渲染出來。

4 結(jié)語

當(dāng)前，智能家居行業(yè)的發(fā)展雖處在上升階段且前景可觀，但當(dāng)前市場上大部分的同類型產(chǎn)品價格都偏高，并且由于不同品牌之間的差異性，導(dǎo)致不同產(chǎn)品之間的互聯(lián)程度較差，部分產(chǎn)品對于使用者的隱私保護(hù)也沒有引起足夠的重視。本文設(shè)計的掌上家居系統(tǒng)是采用樹莓派作為核心硬件，以微信小程序作為開發(fā)平臺，在具體開發(fā)過程中，采用嵌入式、云處理、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，為用戶提供更便捷、更高效、更安全的智慧家居生活。