王譽霖，趙雪萍

（1.武漢紡織大學(xué) 計算機與人工智能學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.濟南大學(xué)泉城學(xué)院 智能工程學(xué)院，山東 煙臺 265699）

0 引言

智能家居就是通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的強大加持，使傳統(tǒng)的住所變得更富人性化和智能化，它是在傳統(tǒng)的居住功能上進行再開發(fā)、再擴展。如今，我國已十分注重環(huán)境保護和能源節(jié)約，早在2017年就明確提出大力發(fā)展綠色建筑，要求智能化管控資源、發(fā)展環(huán)境監(jiān)測及能源系統(tǒng)[1]。因此智能家居的普及將會逐步實現(xiàn)，與千家萬戶建立起科技賦能的生活新常態(tài)。但是行業(yè)目前確實也存在“為科技而科技”的現(xiàn)象，層出不窮的花哨產(chǎn)品不僅沒能迎合大眾，反而使人質(zhì)疑它存在的意義；其次，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限的另一個重要因素是交付成本過高，不論是設(shè)備還是服務(wù)器的購買、安裝、維護，這些高昂的成本使得大多用戶望而卻步[2]。本文為滿足中低消費水平用戶，將低成本的設(shè)備與技術(shù)服務(wù)相整合，幫助用戶更加合理地安排時間、節(jié)約能源、提高生活效率，讓生活變得更智能、更環(huán)保、更高效。

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本文利用樹莓派將傳統(tǒng)家居與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合起來，通過物美價廉的信息采集設(shè)備與近似免費的技術(shù)服務(wù)，使得預(yù)算成本極大地降低，并且使用諸如語音、網(wǎng)站等交互方式，讓用戶更加便利地管控個人住所?；谝陨险撌?，本系統(tǒng)能夠大幅降低智能家居的使用門檻及成本，可以用更低的成本在保有較完善功能的前提下，獲得更好的生活體驗。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)工作委員會提出的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，感知層的其一使用CSI攝像頭采集人臉圖像；其二使用Python爬蟲技術(shù)爬取網(wǎng)絡(luò)資源；其三依靠可燃?xì)狻貪穸鹊葌鞲衅鞑杉∷鶖?shù)據(jù)；其四使用話筒采集用戶的語音信息，一起來為應(yīng)用層打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在通信層的部署中使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的通信。在應(yīng)用層中，得益于傳輸層的服務(wù)，我們可從外網(wǎng)訪問住所綜合服務(wù)網(wǎng)站（Home Comprehensive Service Website，HCSW）、Mjpg-Streamer Web Monitor（MSWM）平臺和七牛云平臺來完成系統(tǒng)的訪問或控制；再由感知層采集的圖像信息，傳遞給分類、識別器進行人臉特征的采集、標(biāo)記、訓(xùn)練、比對，同時上傳云端，最后由反饋模塊完成決策。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)

其中HCSW是我們使用Flask與LayUI框架自行開發(fā)的網(wǎng)站服務(wù)，它將系統(tǒng)的幾乎所有功能整合到web端，在實際應(yīng)用中系統(tǒng)完成了B/S架構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)穿透技術(shù)相結(jié)合的模式，即外網(wǎng)可以直接免費訪問在本地服務(wù)器上運行的Flask服務(wù)，進而實現(xiàn)整個家居設(shè)備的編排管理，極大地方便了客戶的日常使用與管理員的更新維護；MSWM是已公開的視頻流服務(wù)平臺，只要你的帶寬足夠，你便可以實時地觀看正在拍攝的畫面；七牛云是免費的數(shù)據(jù)托管服務(wù)平臺，提供了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計審查與在線下載，方便了影像等數(shù)據(jù)的回看或取證。

2 系統(tǒng)功能概述

2.1 語音技術(shù)與用戶交互

語音識別技術(shù)本質(zhì)上是一種模式匹配過程，是機器通過識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的文本或命令的技術(shù)[3]。該模塊是基于百度AI開放平臺來完成功能的組建與產(chǎn)品賦能，將數(shù)據(jù)通過邏輯控制加以信息化處理后，以語音的形式“呈現(xiàn)”。因為“說”這種動作不僅擁有良好的便捷性，而且顯著地增強了用戶體驗并降低了使用門檻。利用語音識別技術(shù)，可以拓寬產(chǎn)品功能和智能化配置策略；利用語音合成技術(shù)，可以根據(jù)用戶個性化的需求期望，實現(xiàn)交互應(yīng)用，如口令控制、信息播報等[4]。本系統(tǒng)通過USB免驅(qū)麥克風(fēng)獲取用戶輸入，當(dāng)聽到“你好，管家”，即喚醒待命模式，后續(xù)根據(jù)用戶的實際指令完成操作。

2.2 GPIO編程擴展

在樹莓派上提供了40 PIN的一組GPIO（General Purpose Input/Output）接口，通過其中的28個可供編程使用的接口連接各類傳感器模塊，通過后臺自運行的腳本控制，實現(xiàn)采集、讀取、保存、上傳數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程用戶可以查看住所情況，并進行操作[5]。其中主要包含：（1）MQ-2可燃?xì)鈾z測，它的主要材料是二氧化錫，對可燃?xì)怏w很敏感，可連續(xù)使用且穩(wěn)定性好；（2）DHT11溫濕度檢測，它使用專門的數(shù)字模塊采集以及溫濕度傳感技術(shù)，具有良好的可靠性與穩(wěn)定性[6]，抗干擾能力強且價格低廉[7]；（3）驅(qū)動與舵機控制窗戶的開關(guān)，通過多次實驗來確定多種脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）的占空比、角度等關(guān)鍵參數(shù)，一般在語音命令或燃?xì)鈾z測超出安全閾值的情況下觸發(fā)；（4）GP2Y0A710K0F紅外起夜燈；（5）以及電器控制，像電視、空調(diào)默認(rèn)通過紅外指令集采用紅外信號進行控制，設(shè)置驅(qū)動程序發(fā)射已錄制的紅外信號進行控制[8]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)

為進一步提升用戶體驗，如圖2所示，本文使用了基于Python的爬蟲技術(shù)來監(jiān)測當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量、風(fēng)速、紫外線、穿衣推薦和活動建議等參考數(shù)據(jù)，用戶可提前做出應(yīng)對措施。不止于此，我們還進行了拓展服務(wù)，如通過語音交互完成熱點新聞、限時優(yōu)惠提醒、睡前故事、脫口秀、講座公告、演唱會通知等信息的播報。

圖2 Python爬蟲流程圖

2.4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)計

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)主要包含了云端數(shù)據(jù)管理服務(wù)、HCSW服務(wù)和隧道通信服務(wù)。它基于“蜻蜓映射”實現(xiàn)無成本的內(nèi)網(wǎng)穿透，即通過端口映射創(chuàng)建一條“通信隧道”，為遠(yuǎn)程訪問與視頻監(jiān)控提供了通訊支持，達(dá)成用戶對應(yīng)用層的輕松訪問，如圖3所示的效果與地址欄。

圖3 MSWM（左）和HCSW（右）

2.5 安防子系統(tǒng)設(shè)計

安防子系統(tǒng)分為主動和被動防護。在主動防護中，用戶可隨時根據(jù)系統(tǒng)提供的遠(yuǎn)程服務(wù)觀測住所情況；在被動防護中，系統(tǒng)依據(jù)指令自主警戒，有任何異常情況會第一時間警告并通知，如圖4所示。例如，人臉的檢測與識別，使用基于Haar特征的級聯(lián)分類器的目標(biāo)檢測方案最早是Paul Viola和Michael Jones提出的一種高效目標(biāo)檢測方法[9]。本文在此基礎(chǔ)上改用Haar Extended特征，結(jié)合積分圖算法提升了檢測性能，利用Adaboost算法級聯(lián)強分類器[10]，然后將判定為人臉的區(qū)域通過矩形截取，并將安全策略組成員的臉部信息進行標(biāo)記，未標(biāo)記的人臉判定為“陌生人員”，隨后將住戶成員的面部信息使用LBPH算法提取直方圖特征并保存到y(tǒng)aml文件中，作為識別對比之用——若當(dāng)前檢測的特征與已保存特征一致[11]，系統(tǒng)保持一般工作狀態(tài)，反之，在多次匹配失敗后進行語音警告與郵件提醒。

圖4 安防系統(tǒng)工作模式概述

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與測試

3.1 管家子系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

管家子系統(tǒng)涵蓋了網(wǎng)絡(luò)爬蟲、語音交互、GPIO編程所包含的多項服務(wù)。其中大部分的功能，用戶可根據(jù)個人生活習(xí)慣設(shè)置提醒時間與頻次，這里僅展示小部分效果，如圖5所示，考慮到用戶不在家無法收聽語音播報的情況，系統(tǒng)獲取來自糅合了多個模塊的數(shù)據(jù)（其中室內(nèi)數(shù)據(jù)可以包括安防系統(tǒng)情況），以文本和生成音頻文件的方式呈現(xiàn)給用戶，而且可以根據(jù)用戶喜好調(diào)整語速、語調(diào)，甚至挑選語音包。

圖5 環(huán)境與新聞播報

3.2 安防子系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

一系列可靠實驗的結(jié)果表明，系統(tǒng)可以較穩(wěn)定地識別出住所成員，同時顯示當(dāng)前人臉的標(biāo)簽信息與識別概率，如圖6所示，通過改進，系統(tǒng)識別概率顯然得到了提升?？稍黾訕颖静杉瘮?shù)量、修改圖像比例因子、調(diào)整圖像鄰近數(shù)、結(jié)合DBN（Deep Belief Network）提升魯棒性[12]等手段進一步改善識別精度與魯棒性。

圖6 面部圖像的采集與標(biāo)記（左）和訓(xùn)練成果（右）

4 結(jié)語

本文以樹莓派作為開發(fā)平臺與核心部件，依照系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃，首先完成了感知層數(shù)據(jù)資源的采集工作，隨后依靠傳輸層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)系統(tǒng)隨時隨地的多途徑訪問與控制服務(wù)，最后在前面工作的鋪墊與保障下，實現(xiàn)了系統(tǒng)應(yīng)用層的服務(wù)落地。本系統(tǒng)汲取前人的智慧與教訓(xùn)，提出了我們的方案，并通過一系列實驗完成改進，最終將更多的功能模塊匯聚為性能較為穩(wěn)定、實施成本較低、可行性與應(yīng)用性較強的智能家居系統(tǒng)。它充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源與技術(shù)支持，實現(xiàn)幾乎零資金投入。其中的技術(shù)支持較為成熟，可靠性高，具有卓越獨特的性價比，因此更加能夠激發(fā)我國中低端用戶的消費潛力。綜上所述，本文實現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)與初衷。