劉正業(yè)，李震，常新峰

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院，河南平頂山 467000）

艾瑞咨詢在其2018 年中國智能家居行業(yè)研究報告中指出：物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能是智能家居領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)[1]。國家十三五規(guī)劃綱要明確提出“加強現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，建設(shè)智慧城市”，可見物聯(lián)網(wǎng)已成為行業(yè)應(yīng)用的前景，并開始向各行業(yè)飛速滲透，未來在智能家居、醫(yī)療健康、智能可穿戴設(shè)備等重點消費領(lǐng)域，融入物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新元素，不僅可能催生一系列新產(chǎn)品、新服務(wù)和新業(yè)態(tài)，同時會開辟巨大的產(chǎn)業(yè)提升空間[2]。為了迎接未來的生活，響應(yīng)時代的大潮流，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來改善人們生活的做法已被人們廣泛接受。目前，智能家居的研究主要以搭載STM32 芯片的硬件設(shè)備為中心控制器[3]，文中主要利用交互式可擴展的開源硬件平臺Arduino[4]，并且將語音識別和人臉識別這兩項新技術(shù)和傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，讓語言成為人機交互的橋梁，使人們的實際體驗變得更便捷、更人性化。

1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

智能家居從宏觀角度來說，相當(dāng)于一個平臺，它服務(wù)的對象主要是個人住宅。利用現(xiàn)代化先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建一套完善的智能家居系統(tǒng)，將住宅內(nèi)與生活相關(guān)的各類用電設(shè)備進(jìn)行連接，形成智能化、環(huán)?；墓芾眢w系[5]?；贏rduino 的智能家居管理系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)自上而下分為3 個主要層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[6]，其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居物理結(jié)構(gòu)圖

1.2 感知層

感知層的作用是“感知”環(huán)境參數(shù)以及相關(guān)連接的設(shè)備工作狀態(tài)，并根據(jù)用戶的需要對電器設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行改變[7]。該層主要設(shè)備有溫濕度傳感器、光照傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、人體紅外傳感器、土壤濕度傳感器、智能燈控、智能插座、澆花設(shè)備、電動門窗、指紋模塊、攝像頭以及音頻監(jiān)聽設(shè)備等。其中，Arduino 開發(fā)板負(fù)責(zé)收集傳感器設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)以及根據(jù)命令對相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)調(diào)控工作[8]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要設(shè)備組成是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及云服務(wù)器。它主要負(fù)責(zé)將眾多感知控制層的終端接入到互聯(lián)網(wǎng)中[9]。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種傳感器及掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時地采集環(huán)境信息，通過網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知[10]。一方面，它將本地的智能硬件數(shù)據(jù)匯集到中控設(shè)備之中進(jìn)行整合，另一方面，本地中控設(shè)備將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給其他終端，如手機、平板電腦等。依賴互聯(lián)網(wǎng)，終端之間最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，為后續(xù)人工智能技術(shù)的普遍應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包括便攜式電腦、平板電腦、智能手機等各種智能設(shè)備。其主要功能是對感知層傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。首先，采集攝像頭所記錄的圖像數(shù)據(jù)以及麥克風(fēng)記錄的語音數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對用戶的人臉、手勢、環(huán)境、語言進(jìn)行識別，實現(xiàn)了用戶與家居的自然交互；其次，用戶可以使用PC 軟件以及APP軟件對家庭中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時用戶可以通過軟件設(shè)置家庭合適的溫濕度、光照強度以及可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)范圍，制定自己的家庭設(shè)備控制規(guī)則，讓相關(guān)設(shè)備在特定情形下觸發(fā)；最后，應(yīng)用人工智能技術(shù)，軟件將會采集用戶對于家庭設(shè)備的行為狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過邏輯回歸算法為用戶的行為數(shù)據(jù)建立一系列權(quán)重，并推導(dǎo)出用戶在相應(yīng)情形下可能的狀態(tài)，主動為用戶控制設(shè)備，達(dá)到人性化服務(wù)的目的[11]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制端是控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)基于開源硬件平臺Arduino 進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。D1-UNO R3 WiFi 基于ESP8266EX 的單片機開發(fā)板，自帶WiFi 模塊，開源性強，非常適合小型的輸入輸出接口控制的對象[12]。引腳說明如圖2 所示。

圖2 開發(fā)板引腳說明

網(wǎng)絡(luò)控制需要客戶端和控制端處于網(wǎng)絡(luò)暢通情況下才能運行控制指令，需要搭載服務(wù)器，對控制端及客戶端傳輸來的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行交互，這樣才能滿足智能家居的要求[13]。Arduino 開發(fā)板的主要功能是對I/O 端口連接的傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，以及根據(jù)應(yīng)用端發(fā)來的命令對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行管理，ESP8266WiFi 的連接圖如圖3 所示。

圖3 ESP8266WiFi模塊硬件連接圖

整個家居的自動控制由Arduino 開發(fā)板完成，對接收到的各種模塊數(shù)據(jù)、指令等進(jìn)行處理，完成相應(yīng)的控制要求[14]。

該設(shè)計使用了兩個Arduino 開發(fā)板，分別作為數(shù)據(jù)板、控制板。數(shù)據(jù)板主要工作內(nèi)容是收集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)板上連接了溫濕度傳感器、光敏傳感器、人體紅外傳感器、土壤濕度傳感器、可燃?xì)怏w檢測傳感器、PM2.5 傳感器、攝像頭以及麥克風(fēng)。數(shù)據(jù)板將會收集這些傳感器的信息，為軟件提供數(shù)據(jù)支撐，并且通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中控設(shè)備。控制板和數(shù)據(jù)板的不同之處在于控制板對其上面接載的設(shè)備具有狀態(tài)感知以及控制能力。其中，指紋模塊用來識別身份，而門、澆花、窗簾、燈、智能插座的工作狀態(tài)將會接受Arduino的調(diào)控，硬件工作原理如圖4所示。

圖4 硬件工作原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為實現(xiàn)智能終端的人性化控制，軟件分為兩個部分：一是手機APP 的設(shè)計，二是PC 端的中控軟件設(shè)計。其中，由于PC 強大的處理能力，對于設(shè)備的管理主要在PC 上實現(xiàn)，并封裝成可以調(diào)用的功能接口；APP 端只需發(fā)送相關(guān)命令即可將功能交由PC 處理，簡化控制流程。PC 軟件運行流程如圖5 所示，APP 端軟件流程如圖6 所示。

圖5 PC端軟件流程圖

圖6 APP端軟件流程圖

3.1 PC端軟件模塊

PC 端軟件采用Python 語言編寫，系統(tǒng)簡單易操作，屬于應(yīng)用層。在PC 端軟件中可以實時對各種指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行檢測以及智慧化的人機交互。應(yīng)用層是針對圖形用戶而設(shè)置的，它是一個界面接口，與用戶之間進(jìn)行直接式交互，用戶可以通過應(yīng)用層獲取更加個性化的服務(wù)，用戶可以登錄系統(tǒng)或者軟件，然后執(zhí)行個人權(quán)限，實現(xiàn)對設(shè)備的刪除、添加[15]。

3.1.1 建立機器學(xué)習(xí)模型

邏輯回歸又稱logistic 回歸分析，是一種廣義的線性回歸分析模型，常用于數(shù)據(jù)挖掘、疾病自動診斷、經(jīng)濟預(yù)測等領(lǐng)域。邏輯回歸的目的是根據(jù)幾個已知數(shù)據(jù)來預(yù)測目標(biāo)的未知數(shù)據(jù)值，通過logistic 回歸分析，可以得到自變量的權(quán)重，從而以概率學(xué)的方法推斷出結(jié)果的可能情況。目前，該算法已廣泛用于機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。

用戶在使用該系統(tǒng)的過程中將會產(chǎn)生大量的行為交互數(shù)據(jù)，與此同時，環(huán)境數(shù)據(jù)也在不斷地更新，同時影響著用戶的行為。該系統(tǒng)通過收集相關(guān)行為數(shù)據(jù)，使用邏輯回歸算法分析用戶行為數(shù)據(jù)并為用戶建模，最終實現(xiàn)對用戶行為狀態(tài)的預(yù)測。

收集的信息維度為：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、空氣質(zhì)量、光照強度、當(dāng)天日期（月、日、時、分）、窗簾狀態(tài)、燈光狀態(tài)，目的為根據(jù)以往的用戶開關(guān)窗戶以及燈光的行為數(shù)據(jù)，實現(xiàn)符合用戶習(xí)慣的燈光與窗簾的自動控制，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)驗證，其正確率在93%左右。

3.1.2 圖像識別模塊

百度AI(Artificial Intelligence)開放平臺提供了語音識別、合成與喚醒、車輛分析與圖像識別、人臉識別與行為分析等較為豐富的開放能力項目,普通用戶可以根據(jù)實際需要來免費使用[16]。

BaiDu 的圖像識別API 接口可以實現(xiàn)對于用戶的人臉、手勢的注冊、識別、刪除以及對于環(huán)境數(shù)據(jù)的分析與推測功能，因此，PC 軟件端以3 s 間隔的頻率對PC 軟件所收集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，可以實現(xiàn)用戶對于家居的手勢控制，以及陌生人入侵、環(huán)境異常的檢測，其流程如圖7 所示。

圖7 圖像識別流程圖

3.1.3 語音交互模塊

BaiDu 的語音識別與合成API 接口可以實現(xiàn)對于用戶的語音識別以及語音合成反饋的功能。同時使用爬蟲技術(shù)，該模塊可以從互聯(lián)網(wǎng)中搜尋用戶想要的信息，經(jīng)格式化處理后反饋給用戶，以此令交互的知識深度大大加深。PC 軟件端可以先以2 s 的間隔周期掃描語音中的喚醒關(guān)鍵字以激活命令識別程序，當(dāng)命令識別程序被激活后以5 s 的間隔等待用戶輸入語音指令，即可以通過關(guān)鍵字解析執(zhí)行用戶的語音命令，語音交互功能流程如圖8 所示。play_sentence()將文字轉(zhuǎn)化為語音，pc_play_music()播放指定的音頻數(shù)據(jù)，do_my_thought()根據(jù)關(guān)鍵字執(zhí)行指令。

圖8 語音交互模塊流程圖

3.1.4 硬件端控制與數(shù)據(jù)互聯(lián)

通過連接物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，PC 端軟件可以向硬件端發(fā)送預(yù)設(shè)的控制指令，硬件端接收并執(zhí)行即可。同時PC 端軟件將會連接一個只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的云服務(wù)器，當(dāng)APP 端同時在線的時候，PC 端軟件將會與APP 端軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通訊流程如圖9所示。

圖9 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)通訊流程圖

3.2 客戶端APP

手機APP 使用Android 開發(fā)，可以對智能家居當(dāng)前環(huán)境下的檢測數(shù)值進(jìn)行實時監(jiān)控，APP 端設(shè)計流程如圖10 所示。

圖10 客戶端軟件流程圖

1）地圖顯示：根據(jù)百度地圖API 的地圖設(shè)置函數(shù)mBaiduMap.setMapType()可以設(shè)置當(dāng)前地圖控件顯示，包括普通地圖、衛(wèi)星地圖等。

2）地點提醒：開啟一個線程，循環(huán)獲得當(dāng)前定位的地址，其中使用contains()函數(shù)檢測輸入的地點關(guān)鍵字，當(dāng)發(fā)現(xiàn)的時候使用振動進(jìn)行提醒。手機振動使用手機的振動器實現(xiàn)，vib.vibrate(5000)設(shè)置一個5 s 的振動時長。

3）今日計劃以及時間提醒：使用intent 調(diào)用手機自帶的功能即可。每天制定今日的計劃表后，將其放入手機存儲區(qū)即可，打開“今日計劃”功能后，將會調(diào)用本機圖庫打開。同理，打開“時間提醒”，將會跳轉(zhuǎn)到手機的鬧鐘界面。

4）添加、查詢數(shù)據(jù)：當(dāng)從“信息錄入”跳轉(zhuǎn)到此界面，此activity 將會先初始化數(shù)據(jù)庫，并解析由bundle 傳輸?shù)慕?jīng)緯度、地址信息，用db.insert()函數(shù)將編輯框中的數(shù)據(jù)一同插入到phone_person_info.db數(shù)據(jù)庫中。

5）查詢、導(dǎo)出數(shù)據(jù)：使用db.query()函數(shù)，將myinfo 表中的數(shù)據(jù)取出，并組合成字符串，在編輯框中顯示出來，同時寫入到myrecoder 文件中(數(shù)據(jù)可能會超過2 M,bundle 在activity 中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有限，因此數(shù)據(jù)使用文件進(jìn)行中繼傳輸)。

6）錄音、拍照按鈕：使用intent 調(diào)用本機相關(guān)應(yīng)用即可，其功能豐富，滿足要求。

7）數(shù)據(jù)顯示：客戶端開啟后，服務(wù)器將會發(fā)送一次硬件的執(zhí)行狀態(tài)信息（對按鈕的狀態(tài)進(jìn)行更新），同時傳感器的數(shù)據(jù)將會每5 s 進(jìn)行一次更新，以及更新數(shù)據(jù)所代表的危險等級（黃色的圖標(biāo)代表傳感器感知到的環(huán)境數(shù)據(jù)量比預(yù)設(shè)量低；綠色代表在范圍內(nèi)；紅色代表超出預(yù)設(shè)界限）。

8）按鈕控制硬件：服務(wù)器已經(jīng)對執(zhí)行的硬件的動作控制（比如控制澆花、控制燈、控制窗簾、自動控制）進(jìn)行了封裝，手機端進(jìn)行控制只需要向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的指令即可（如open_light,open_curtain 以及open_auto 等）。在控制的同時，也會發(fā)送按鈕狀態(tài)更新指令（如do_that_curtain_status:01）,服務(wù)器接收到指令時，將會更新它界面上的按鈕顯示狀態(tài)，達(dá)到硬件的實際工作狀態(tài)與控制界面顯示一致的效果。

9）開啟個人數(shù)據(jù)傳送：當(dāng)從“信息錄入”跳轉(zhuǎn)的時候，相應(yīng)的文件中已經(jīng)寫入了個人的相關(guān)數(shù)據(jù)。此時讀取myrecoder.txt 文件中的數(shù)據(jù)，以300 個字節(jié)作為一個分組進(jìn)行連續(xù)發(fā)送，服務(wù)器接收到相關(guān)數(shù)據(jù)以后將會存儲用戶提交的統(tǒng)計數(shù)據(jù)并分析處理。

4 結(jié)束語

文中主要設(shè)計了一個智能家居管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于Arduino 開發(fā)板將計算機和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合。利用百度API 接口實現(xiàn)了語音識別和人臉識別，同時使用人工智能算法對用戶的行為建模預(yù)測[18-19]。對于該系統(tǒng)，Arduino 開發(fā)板負(fù)責(zé)接收各個傳感器模塊的數(shù)據(jù)信息，ESP8266 網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)完成Arduino 開發(fā)板和云服務(wù)器以及各終端的數(shù)據(jù)交互。實現(xiàn)了數(shù)據(jù)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)在各個終端上的流動，達(dá)到智能化、人性化的智能家居管理系統(tǒng)的目的。設(shè)計中采用模塊化的思想，該設(shè)計方案原理簡單，硬件可靠穩(wěn)定以及價格低等特點，其實用價值和推廣效益值得肯定。