蘇思偉，翁 哲，陳群元，蘇益宗，鄭仲航，唐小煜

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

隨著21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，智能技術(shù)越來(lái)越滲透到生活的方方面面，方便和改善生活. 近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)的一些大企業(yè)，如海爾、美的等都相繼研發(fā)出智能家居產(chǎn)品，并面市銷售. 市面上的產(chǎn)品絕大多數(shù)是面向青年人群或中年人群設(shè)計(jì)的，鮮有面向老年人的智能家居控制系統(tǒng)[1]，而我國(guó)老年人群體日趨龐大，老年人的智能家居控制系統(tǒng)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(fù)雜的手機(jī)APP和WIFI聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的、基于STM32單片機(jī)和STC89C51單片機(jī)等價(jià)格實(shí)惠的電子器件、具有穩(wěn)定性高的智能家居控制實(shí)驗(yàn)裝置. 高校學(xué)生可通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置，掌握對(duì)多種實(shí)用傳感器的使用以及對(duì)常見(jiàn)家居家電的控制，進(jìn)一步加深對(duì)智能家居方向的認(rèn)識(shí).

1 實(shí)驗(yàn)裝置整體設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置硬件體系結(jié)構(gòu)

面向老年人的智能家居控制系統(tǒng)采用分層控制的設(shè)計(jì)思路，主要分為4部分的體系結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置硬件體系結(jié)構(gòu)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(jī)和輔控STC89C51單片機(jī)，交互通信部分主要包括LD3320語(yǔ)音識(shí)別[2]、手機(jī)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(jiàn)的各類家具和家電，如燈泡、門、窗、窗簾和空調(diào)等.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置軟件設(shè)計(jì)方案

1.2.1 總體方案設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)裝置的軟件設(shè)計(jì)采用中斷函數(shù)處理的方式. 主控單片機(jī)STM32通過(guò)中斷的方式同時(shí)監(jiān)視各類傳感器、藍(lán)牙和輻控單片機(jī)STC89C51的輸出數(shù)據(jù). 如果主控單片機(jī)有正確的信號(hào)幀輸入，其將進(jìn)行解析，并將各個(gè)家具家電設(shè)為必要狀態(tài).

為方便解釋，本文將從主控單片機(jī)作為主體把軟件結(jié)構(gòu)分為3個(gè)線程：信號(hào)接收中斷函數(shù)、信號(hào)處理中斷函數(shù)和信號(hào)輸出中斷函數(shù). 多線程處理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 中斷函數(shù)處理結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 信號(hào)接收中斷函數(shù)

信號(hào)接收中斷函數(shù)就是接收信號(hào)輸入的中斷函數(shù)程序. 其中主控單片機(jī)STM32接收的信號(hào)主要來(lái)自于各類傳感器和單片機(jī)STC89C51，而STC89C51的信號(hào)源產(chǎn)生是由于LD3320語(yǔ)音模塊的識(shí)別[2].

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

圖3 接收中斷函數(shù)流程圖

1.2.3 信號(hào)處理中斷函數(shù)

處理中斷函數(shù)使用了Bang-Bang控制算法、單神經(jīng)元PID控制算法和其他的數(shù)值處理算法[3]，Bang-Bang控制算法和單神經(jīng)元PID控制算法相結(jié)合[4]有效地控制室內(nèi)的燈光亮度和門、窗、窗簾等的開(kāi)關(guān).

PID控制算法是最早發(fā)展起來(lái)且應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)控制算法，目前多應(yīng)用工業(yè)控制和船舶自動(dòng)舵等方面. 它具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高、參量整定方式簡(jiǎn)便的特點(diǎn). Bang-Bang控制又稱為起停式控制，是一種特殊的時(shí)間最優(yōu)控制算法. 利用Bang-Bang控制算法與PID控制算法相結(jié)合不僅能完成利用PID算法對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，還能較傳統(tǒng)的PID控制大幅度地縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間. 利用Bang-Bang控制和PID控制相結(jié)合的算法，可以極大地改善老年人的室內(nèi)環(huán)境，及時(shí)感受智能家居帶來(lái)的便利.

以本裝置中的室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)為例，將PID算法應(yīng)用于室內(nèi)亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié). 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(nèi)亮度的穩(wěn)定時(shí)間，在亮度偏差的絕對(duì)值大于設(shè)定閾值時(shí)引入Bang-Bang控制，反之進(jìn)入PID控制環(huán)節(jié)[4]. 圖4所示為結(jié)合Bang-Bang控制算法和PID控制算法的室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖.

圖4 結(jié)合Bang-Bang控制算法和PID控制算法的室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.2.4 信號(hào)輸出中斷函數(shù)

經(jīng)過(guò)處理中斷函數(shù)對(duì)信號(hào)的計(jì)算后，將得到的計(jì)算值輸出給對(duì)應(yīng)的家具或者家電，使其做出正確的響應(yīng). 在整個(gè)裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控下、不斷信號(hào)處理和計(jì)算值不斷輸出的中斷控制下，最終室內(nèi)環(huán)境將達(dá)到最為適宜老年居住的狀態(tài).

2 面向老年人的3種必要模式

現(xiàn)在市面上大多的智能家居控制系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的，需要用到手機(jī)APP等高科技，對(duì)于老年人來(lái)說(shuō)，熟練地掌握這些應(yīng)用比較困難. 為了增加老年人的對(duì)于智能家居的體驗(yàn)舒適度，研發(fā)不需要手機(jī)APP控制的智能家居系統(tǒng)就會(huì)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(hào)，發(fā)現(xiàn)聲音對(duì)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(jī)APP控制智能家居. 為了更進(jìn)一步提高老年人對(duì)于智能家居系統(tǒng)的體驗(yàn)舒適度，本系統(tǒng)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(tǒng)主觀能動(dòng)地調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，如燈光亮度等，使室內(nèi)環(huán)境達(dá)到最好的居住條件.

2.1 聲音控制模式

LD3320語(yǔ)音識(shí)別用于識(shí)別老年人的語(yǔ)音，老年人指令實(shí)驗(yàn)裝置做操作時(shí)，當(dāng)LD3320語(yǔ)音識(shí)別正確，發(fā)出信號(hào)給輔控單片機(jī)STC89C51，經(jīng)過(guò)STC89C51的數(shù)據(jù)處理，再將必要的控制信號(hào)發(fā)給主控單片機(jī)STM32，STM32根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)算法的計(jì)算得出結(jié)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(dāng)老年人通過(guò)語(yǔ)音指令系統(tǒng)進(jìn)入“智能模式”時(shí)，本系統(tǒng)將開(kāi)啟智能主動(dòng)控制模式. 室內(nèi)室外的各類傳感器將被初始化，開(kāi)啟實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外的環(huán)境. 當(dāng)室內(nèi)環(huán)境數(shù)值沒(méi)有處在設(shè)定值的可波動(dòng)范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)利用Bang-Bang控制算法和PID控制算法使室內(nèi)環(huán)境快速達(dá)到理想狀態(tài).

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(jiān)控系統(tǒng)如煙霧傳感器等安裝室內(nèi)各區(qū)域和加速度傳感器安裝在老年人身上實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常情況，及時(shí)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，如室內(nèi)氣體異常將直接撥打119，老年人跌倒將聯(lián)系老年人的兒女以及撥打120等.

3 實(shí)驗(yàn)裝置的基本性能測(cè)試

為了測(cè)試面向老年人的智能家居控制實(shí)驗(yàn)裝置的可行性，設(shè)計(jì)了如圖5所示的智能家居實(shí)驗(yàn)裝置.

圖5 智能家居實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.1 聲音控制的測(cè)試

測(cè)試員向?qū)嶒?yàn)裝置發(fā)出各類指令，實(shí)驗(yàn)裝置在較安靜的環(huán)境下對(duì)各類基本指令的識(shí)別正確率見(jiàn)表1.

表1 安靜環(huán)境下指令正確率表

測(cè)試員向?qū)嶒?yàn)裝置發(fā)出各類指令，實(shí)驗(yàn)裝置在較嘈雜的環(huán)境下對(duì)各類基本指令的識(shí)別正確率見(jiàn)表2.

表2 嘈雜環(huán)境下指令正確率表

3.2 智能的測(cè)試

測(cè)試員設(shè)定實(shí)驗(yàn)裝置在智能模式下，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定值如實(shí)驗(yàn)裝置亮度等為某一確定的值時(shí)，改變實(shí)驗(yàn)裝置周圍或者實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的環(huán)境因素，多次測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到穩(wěn)定的值，以及達(dá)到該穩(wěn)定值的時(shí)間t. 測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3. 注意：表3中室外下雨和老年人跌倒都不需要設(shè)定值，只要其對(duì)應(yīng)的傳感器檢測(cè)到正確信號(hào)，系統(tǒng)將進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整. 室外下雨時(shí)，裝置調(diào)整時(shí)間指的是室內(nèi)做出關(guān)窗簾和關(guān)窗戶的反應(yīng)，而老人跌倒時(shí)，裝置調(diào)整時(shí)間指的是報(bào)警或通知家屬.

表3 智能模式下的測(cè)定表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了直接面向老年人的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)硬件和軟件2個(gè)層面介紹了面向老年人智能家居控制實(shí)驗(yàn)裝置，加深了對(duì)常用傳感器的應(yīng)用以及智能家居系統(tǒng)的模式設(shè)計(jì). 硬件部分是基于多傳感器和單片機(jī)控制，軟件部分是中斷函數(shù)的處理，并結(jié)合了Bang-Bang算法和PID算法. 本文還提供了區(qū)別APP模式的適合老年人的幾種智能家居的控制模式，為學(xué)生在智能家居相關(guān)的科研項(xiàng)目中提供新思路.