謝晉陽(yáng), 李明亮,謝桂芳＊

（1.湘南學(xué)院資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)管理處，郴州 423000；2.湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，郴州 423000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷提高，以及國(guó)家政策對(duì)人工智能領(lǐng)域的大力扶持和推動(dòng)，“智能化”“自動(dòng)化”“便捷化”的生活已成為每個(gè)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(gè)上升階段，智能家居這條“賽道”前景可觀，有較為充裕的市場(chǎng)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(duì)不斷發(fā)展的智能家居市場(chǎng)與不斷涌現(xiàn)的智能家居產(chǎn)品，我國(guó)絕大多數(shù)消費(fèi)者對(duì)此持樂(lè)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(guó)消費(fèi)者主要偏好語(yǔ)音交互，其次是手機(jī)平臺(tái)控制；在智能產(chǎn)品消費(fèi)過(guò)程中，我國(guó)消費(fèi)者對(duì)于智能家居隱私安全性有著較高要求。此外，大部分消費(fèi)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(jià)貴、使用方法復(fù)雜、不同品牌兼容性差、系統(tǒng)安全沒(méi)有保障等問(wèn)題［1］，這些問(wèn)題成為阻礙消費(fèi)者使用智能家居產(chǎn)品的主要因素。因此，本文針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電子通信技術(shù)的發(fā)展以及消費(fèi)者對(duì)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(duì)智能家居的研究已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者，陳明忠等［2］設(shè)計(jì)了基于STM32 和云平臺(tái)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(jì)，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(jiǎn)單。劉文林等［4］設(shè)計(jì)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(lái)，高效便捷地管理家庭，且大大降低系統(tǒng)功耗。國(guó)外對(duì)智能家居系統(tǒng)的研究主要分為兩部分。首先，對(duì)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，如意大利的Sinico［5］討論了視覺(jué)設(shè)計(jì)因素對(duì)系統(tǒng)防盜門感知安全性的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同防盜門模型對(duì)感知安全性的影響。其次，對(duì)智能家居系統(tǒng)的實(shí)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(shí)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(cè)采用Haar-Cascade 方法。此外，還采用精密度測(cè)試、距離測(cè)試、面部表情測(cè)試和光照條件測(cè)試。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究已經(jīng)滿足了人們對(duì)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(wèn)題，因此開(kāi)展智慧家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

1.2 本文研究的主要內(nèi)容

針對(duì)已有的相關(guān)研究所存在的不足，論文將重點(diǎn)從以下六個(gè)方面展開(kāi)研究：

（1）智能解鎖。系統(tǒng)不具備實(shí)體鑰匙，門本身沒(méi)有“鑰匙孔”，唯一的“鑰匙”是授權(quán)微信賬號(hào)，用戶可通過(guò)指紋解鎖、人臉識(shí)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(shí)時(shí)查看監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的家居狀況。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到家居存在安全隱患時(shí)，會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)并發(fā)送短信提醒用戶，讓用戶第一時(shí)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(hào)選擇是否開(kāi)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(guò)量是否需要打開(kāi)窗簾，下雨了將晾衣桿收回等。

（4）家電控制。用戶既可單個(gè)地控制家電的開(kāi)和關(guān)，也可一次性控制多個(gè)家電開(kāi)關(guān)，比如出門場(chǎng)景，用戶點(diǎn)擊開(kāi)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(cè)的危險(xiǎn)。

（5）語(yǔ)音助手。用戶通過(guò)語(yǔ)音助手可以更快速、更方便地實(shí)現(xiàn)家電控制、語(yǔ)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(bào)、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(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)

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(guò)GPIO 口與樹莓派連接起來(lái)。系統(tǒng)硬件部分主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)鎖、安防監(jiān)控、環(huán)境調(diào)節(jié)、家電控制四個(gè)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(dòng)系統(tǒng)，便能開(kāi)始使用XShell進(jìn)行編程。由于樹莓派自帶的GPIO 口不足以實(shí)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(jì)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(shí)物連接上。

圖2 硬件組裝模型

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分以微信小程序?qū)崿F(xiàn)用戶控制界面，SpringBoo 框架實(shí)現(xiàn)微信小程序后臺(tái)服務(wù)器的開(kāi)發(fā)，兩者結(jié)合類似前后端分離項(xiàng)目，通過(guò)后臺(tái)提供的接口，來(lái)實(shí)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(lái)。在同一局域網(wǎng)下用戶使用手機(jī)時(shí)，用戶的任何操作都會(huì)以信號(hào)的形式發(fā)送到微信小程序后臺(tái)，后臺(tái)接收到這些信號(hào)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(shí)現(xiàn)

3.1 智能開(kāi)鎖實(shí)現(xiàn)

使用SG90 舵機(jī)模擬防盜門，舵機(jī)的控制需要一個(gè)20 ms左右的時(shí)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(guò)GPIO 引腳連接觸摸傳感器，觸摸傳感器收到高電平信號(hào)，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(shí)監(jiān)控功能查看情況，核實(shí)訪客身份，進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)門。

3.2 安防監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

樹莓派通過(guò)擴(kuò)展板GPIO 引腳連接傳感器，其中包括振動(dòng)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(shí)，振動(dòng)傳感器發(fā)出高電平信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警，樹莓派MQTT客戶端向invade主題發(fā)送“入侵警告”消息，手機(jī)MQTT 客戶端訂閱主題并接收到消息后向用戶微信推送報(bào)警信息。對(duì)于震動(dòng)傳感器感應(yīng)到門身受到破壞的程度，可通過(guò)設(shè)置能量閾值的方式，如果采集信號(hào)的能量過(guò)小，比如只是有人簡(jiǎn)單的敲了下門，對(duì)于這類能量過(guò)小的閾值信號(hào)直接拋棄掉。一旦能量超過(guò)閾值所設(shè)定的范圍，便立刻報(bào)警［9］。MQ-2 煙霧氣體傳感器則用于預(yù)防火焰危險(xiǎn)，當(dāng)周圍煙霧濃度過(guò)高時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(guò)輸出電平的方式感應(yīng)到附近是否有人長(zhǎng)時(shí)間逗留，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，感應(yīng)器收到感應(yīng)后系統(tǒng)拍下路人樣貌，如果有人長(zhǎng)時(shí)間逗留，則系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)到用戶手機(jī)。

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(dòng)MJPG-Streamer便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能［10］。

3.3 環(huán)境調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)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(shí)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(guò)樹莓派開(kāi)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(duì)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(huì)提示“success”信息，否則安裝失敗，需根據(jù)報(bào)錯(cuò)信息重新安裝。安裝uhubctl 后便可實(shí)現(xiàn)對(duì)樹莓派USB 接口的控制，以下是控制USB口關(guān)閉和打開(kāi)的命令。

3.4 語(yǔ)音助手實(shí)現(xiàn)

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

3.5 家電控制實(shí)現(xiàn)

微信小程序?qū)⑹盏降挠脩酎c(diǎn)擊事件信號(hào)發(fā)送到系統(tǒng)SpringBoot 后臺(tái)，后臺(tái)根據(jù)寫入程序處理信號(hào)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(hào)處理后再對(duì)相應(yīng)器件進(jìn)行控制，整個(gè)過(guò)程用時(shí)在5 ms 內(nèi)，從而保證用戶體驗(yàn)。一鍵場(chǎng)景控制則需要用戶提前設(shè)置好，之后點(diǎn)擊該控制開(kāi)關(guān)便能一次性控制多個(gè)家電開(kāi)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(kāi)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(dòng)以控制臺(tái)調(diào)試模式emqx，檢查EMQ X是否可以正常啟動(dòng)；

（3）安裝成功，會(huì)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(tái)輸出

（4）安裝成功后，使用時(shí)打開(kāi)服務(wù)器即可（系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟）。

3.6 擴(kuò)展工具實(shí)現(xiàn)

擴(kuò)展工具所有功能都需使用到MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)微信小程序與SpringBoot 后臺(tái)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(kù)中，并在用戶查看時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容渲染出來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(chǎng)上大部分的同類型產(chǎn)品價(jià)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(duì)于使用者的隱私保護(hù)也沒(méi)有引起足夠的重視。本文設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，在具體開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用嵌入式、云處理、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)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。