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，文章在結(jié)合語音交互和人臉識別技術(shù)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，之后深入設(shè)計硬件和軟件系統(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)包括報警、監(jiān)控、語音、人臉和智能控制系統(tǒng)。最后在完成設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試結(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;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

中圖分類號：TN929.5;TP391.4 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，對于家居生活的需求也呈現(xiàn)逐漸提升的趨勢，智能家居系統(tǒng)相對較為復(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)計與實(shí)現(xiàn)中，目前主要以樹莓派的芯片為主要設(shè)計內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對智能家居的監(jiān)控和控制。但是在遠(yuǎn)程操控、人臉識別以及語音交互方面，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?；诖耍疚膭t主要探究智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，且探索云平臺應(yīng)用時的語音交互以及人臉識別系統(tǒng)的創(chuàng)新。

1? 系統(tǒng)需求

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

第一，對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。在系統(tǒng)設(shè)計中，要求對溫度、濕度、PM以及其他電氣化使用進(jìn)行動態(tài)化的監(jiān)控^[3]。

第二，加強(qiáng)對電器設(shè)備的控制，要求通過手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)語音和觸屏操控。

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

第四，人臉識別功能需求，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

智能家居的總體設(shè)計中，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，主要包括移動端和PC端^[5]。云服務(wù)環(huán)節(jié)，包括物聯(lián)網(wǎng)平臺。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?？刂平K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

3.1? 終端硬件設(shè)計

3.1.1? 電源設(shè)計

本次研究的電源系統(tǒng)設(shè)計選擇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。電源的開關(guān)頻率為2.25 MHz，通過DCS拓?fù)浼夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)對電壓的轉(zhuǎn)換。

3.1.2? 最小系統(tǒng)及采集電路設(shè)計

智能終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集以及控制，對算法的要求相對較低^[6]，本次設(shè)計中，選擇ST的ARM處理器，型號為STM32F103C8T6，額定頻率為72 MHz，通信接口達(dá)到37個，RAM的存儲空間達(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)計中，需要通過終端電路，實(shí)現(xiàn)對溫度、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)計單片機(jī)。PM2.5的傳感器型號選擇SDS011。

3.1.3? 電路的設(shè)計

在通信電路的設(shè)計中，選擇ZHY8611無線組網(wǎng)模塊，工作狀態(tài)僅僅為15 mA左右，通過AT接口，可以實(shí)現(xiàn)對接口的連接。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實(shí)現(xiàn)操作。

在輸出電路的設(shè)計中，通過繼電器來實(shí)現(xiàn)對空點(diǎn)設(shè)備的操作。電源電壓為12 V。繼電器的型號選擇CMA51H-DC12 V。

3.2? PCB及控制終端設(shè)計

在PCB設(shè)計中，將其螺絲孔徑設(shè)計為3 mm，整體尺寸設(shè)計為87.6×47.6 mm，通常情況下，系統(tǒng)會連接家庭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)計中，要通過繼電器來實(shí)現(xiàn)控制，通過繼電器的觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對照明燈的控制。

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

在環(huán)境的測試中，軟件選擇Autodesk Revit進(jìn)行設(shè)計，包括臥室、廚房、洗衣間、陽臺以及起居室等環(huán)境^[8]。在智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計中，采用云服務(wù)和樹莓派的方式來實(shí)現(xiàn)智能化的連接。選擇樹莓派的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? 智能家居自動控制系統(tǒng)設(shè)計

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

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，采用MQTT協(xié)議以及Iot Hub連接^[9]。協(xié)議通過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?？蛻舳诵枰獙?shí)現(xiàn)的功能包括發(fā)布應(yīng)用消息、請求接受消息、取消訂閱以及斷開服務(wù)器等方式。

應(yīng)用Python實(shí)現(xiàn)對項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)，通過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表示信息的長度，namespace表示指令的類型。在設(shè)備操作中，Turn On表示開啟設(shè)備，Turn Off表示關(guān)閉設(shè)備，SetupScene表示場景的設(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)程報警功能的設(shè)計中，在出現(xiàn)異常狀況時，系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程報警，通過云服務(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API的調(diào)用來完成。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，對用戶進(jìn)行提示;自定義信息根據(jù)開發(fā)者自己定義來實(shí)現(xiàn);富媒體則支持圖文信息;本地通知則通過pip的方式來實(shí)現(xiàn)。

4.2? 語音交互系統(tǒng)設(shè)計

在語音智能交互模塊的設(shè)計中，應(yīng)用阿里云的云平臺，以及天貓精靈等智能化的操控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的人性化以及智能化的操控。在語音模塊的設(shè)計中，主要包括語音采集、語音識別、智能對話、語音合成和播放等幾個功能流程。在語音采集環(huán)節(jié)，連接樹莓派的USB，實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)操控，在采集語音后，會以Wav的格式保存。在語音識別和轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，通過特征提取、模糊匹配和語音播報的方式，實(shí)現(xiàn)對語音模塊的設(shè)計，近場識別的準(zhǔn)確率在98%以上。

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

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

家居控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是通過溫度、濕度以及PM的監(jiān)控等方式來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。在本次系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮了多方面的因素。在溫度適合的環(huán)境下，濕度對人體的影響相對較小，這主要是由于濕度影響人體的熱代謝以及水代謝，在溫度過高或者過低的環(huán)境下，濕度才會產(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80%或者低于30%時，則會對舒適度產(chǎn)生影響，因此需要對溫濕度進(jìn)行綜合控制。根據(jù)科學(xué)統(tǒng)計，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，會對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27 ℃，如果低于24 ℃或者超過27 ℃，則會打開或者關(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，則會檢測濕度是否在40%～70%之間，如果在區(qū)間外，則會考慮打開或者關(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?，如果超過該數(shù)據(jù)，則開啟新風(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? 人臉識別系統(tǒng)設(shè)計

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，涉及了人臉識別系統(tǒng)，采用阿里云的人臉識別項(xiàng)目，將樹莓派的智能控制系統(tǒng)以及阿里云的人臉識別系統(tǒng)結(jié)合起來。在獲取人臉圖片的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對格式的轉(zhuǎn)換以及監(jiān)測，與數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行對比和識別，最終完成對系統(tǒng)的解鎖控制。

在人臉上傳識別后，阿里云系統(tǒng)會設(shè)定閾值，通常為80分，如果超過閾值，系統(tǒng)則會判定人臉和數(shù)據(jù)庫的信息為同一人，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PyQt軟件來實(shí)現(xiàn)，并且結(jié)合UI的設(shè)計，確保測試的準(zhǔn)確性，最終達(dá)到智能化控制的目標(biāo)。

5? 系統(tǒng)測試和應(yīng)用

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

本次具體應(yīng)用設(shè)計中，選擇121.2平方米的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試，包括廚房、兩間臥室、兩個衛(wèi)生間、一個客廳和一個餐廳。系統(tǒng)通過天貓精靈實(shí)現(xiàn)室內(nèi)語音操控。而遠(yuǎn)程操控則通過手機(jī)APP來實(shí)現(xiàn)。通過該系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度、PM、人臉識別和語音的操控。

5.2? 系統(tǒng)應(yīng)用測試

5.2.1? 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)測試

對于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的測試，主要是在設(shè)定direct以及event等指標(biāo)時，通過訂閱主題，即可實(shí)現(xiàn)對智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在通過協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)一致時，會將相關(guān)信息傳遞給控制端，之后實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。經(jīng)過對應(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? 性能測試

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

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

5.2.3? 穩(wěn)定性測試

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

通過對系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試，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，首先對系統(tǒng)設(shè)計的需求以及總體展開設(shè)計，包括終端控制模塊、云平臺以及設(shè)備控制模塊。其次，對系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計，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，對系統(tǒng)控制軟件環(huán)節(jié)進(jìn)行測試，包括監(jiān)控模塊、報警模塊、自動控制系統(tǒng)、語音交互和人臉識別系統(tǒng)的設(shè)計。最后，對系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性進(jìn)行測試，經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)性能達(dá)到了設(shè)計要求，且具有較高的穩(wěn)定性和應(yīng)用效果。

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

收稿日期：2021-04-25