基于Triz理論的智能家居系統(tǒng)

陸胤亨+郝留磊+李嘉琦+劉暢+張若豪

1.項目介紹

1.1項目來源

隨著科學技術(shù)的不斷進步及對人們生活質(zhì)量的要求不斷提高，人們在選擇和使用電器時，已從單一功能的家電轉(zhuǎn)向智能化家電。通過信息技術(shù)和家電控制技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)現(xiàn)代家庭生活的信息化和自動化，滿足人們不斷提升的生活要求。智能家居系統(tǒng)還可以提供舒適的健康環(huán)境，通過配置相應(yīng)的傳感器可以有效監(jiān)視室內(nèi)的溫度、濕度和亮度，進而控制空調(diào)、照明等系統(tǒng)的運行，從而提供更加適宜的生活空間。

1.2問題描述

根據(jù)人們對生活居住環(huán)境的便捷性、安全性、舒適性等方面的要求，以及智能家居技術(shù)發(fā)展的方向，智能家居系統(tǒng)會有以下幾大特點：

（1）具有功耗低，功能強大的嵌入式微處理器，通過嵌入式操作系統(tǒng)平臺，使智能家居系統(tǒng)成為智能監(jiān)控，電器控制的智能家居平臺；

（2）傳輸方式將多網(wǎng)合一，統(tǒng)一以網(wǎng)絡(luò)連接，多網(wǎng)合一將會減少安裝的復雜程度，同時提高了傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

（3）模塊化，可根據(jù)不同的家庭的習慣采用不同的組合方式，使智能家居系統(tǒng)更好的為大家提供服務(wù)。

2.發(fā)明問題初始形勢分析

智能家居可以定義為一個目標或者一個系統(tǒng)。利用先進的計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等技術(shù)，將與家庭生活有關(guān)的各種應(yīng)用子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過綜合管理，讓家庭生活更舒適、安全、有效和節(jié)能。目前市場上的智能家居分類如下：

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)目前的智能家居存在如下限制條件：

（1）模塊較為單一，沒有把多種功能整合在一起，操作不方便：

（2）目前的智能家居功耗較大；

（3）安裝較為復雜，不能實現(xiàn)多網(wǎng)合一；

（4）需要借助外部的設(shè)備進行控制。

通過對問題的思考，我們得到如下幾個解決方向：

【說明】在方案匯總表，我們把可行性指標分為五級，其定義分別為：Ⅰ級——非常可行；Ⅱ級——可行；Ⅲ——一般可行；Ⅳ——可能可行；Ⅴ——不可行。

3.系統(tǒng)分析

3.1S曲線分析

根據(jù)智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀，我們做了S形曲線族，如下圖所示：

從進化趨勢圖可以看出，智能家居正處在進化中段。由于我們的公司剛起步，正處在發(fā)展的初級階段，正處在嬰兒期，如下圖所示：

針對嬰兒期的戰(zhàn)略如下：

（1）消除妨礙系統(tǒng)市場成功的瓶頸；

（2）充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和資源；

（3）與當前的主流系統(tǒng)結(jié)合（集成）。

針對于公司產(chǎn)品的研發(fā)和推廣，我們提出如下方案：

3.2系統(tǒng)完備性法則

接著我們用系統(tǒng)完備性法則對公司的產(chǎn)品——智能家居系統(tǒng)進行了分析，分析結(jié)果如下：

通過系統(tǒng)完備性法則可以分析：系統(tǒng)整體動力裝置、傳輸裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置齊全，下一步目標是優(yōu)化目前已有的裝置，使其效果更好。

3.3九屏圖分析

我們對現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)進行了九屏分析，其分析結(jié)果如下圖所示：

根據(jù)九屏圖可以找出一些或許可以用到的資源，我們從當前系統(tǒng)的子系統(tǒng)入手，針對前面智能家居所存在的問題，我們提出如下的解決方案：

4.TRIZ工具

4.1最終理想解

我們獲得的最終理想解是：智能家居系統(tǒng)能夠自己進行調(diào)控，不需要人為干涉。

4.2技術(shù)矛盾

通過手機APP顯示和控制的同時，家居系統(tǒng)的裝置復雜度就要提高，所以它的改善參數(shù)為自動化程度，惡化參數(shù)為裝置的復雜性。由矛盾矩陣表查到發(fā)明原理為（見表9）

（15）動態(tài)原則——物體（或外部介質(zhì)）的特性的變化應(yīng)當在每一工作階段都是最佳的；

（24）中介原則——利用可以遷移或有傳送作用的中間物體；把另一個（易分開的）物體暫時附加給某一物體；

（10）預(yù)先作用原則——預(yù)先將物體安放妥當，使它們能在現(xiàn)場和最方便地點立即完成所需要的作用；

我們采用發(fā)明原理10（預(yù)先作用原則），我們將各個單獨的模塊安裝在所需要的地方，然后通過手機來查看環(huán)境數(shù)據(jù)，通過手機實現(xiàn)控制。

技術(shù)矛盾Ⅱ

為提高智能家居系統(tǒng)的自動化程度，通過手機APP實現(xiàn)智能控制，其制造的可行性和復雜度就隨之提升。構(gòu)成自動化程度與可制造性之間的矛盾。改善的參數(shù)為自動化程度，惡化的參數(shù)為可制造性。由矛盾矩陣表查得發(fā)明原理為（見表10）。

（1）分割原則——將物體分成容易組裝和拆卸的部分；

（26）復制原則——用簡單而便宜的復制品代替難以得到的、復雜的、昂貴的、不方便的或易損壞的物體；

（13）逆向原則——不實現(xiàn)課題條件規(guī)定的作用而實現(xiàn)相反的作用。

我們采用發(fā)明原理1（分割原則），將家居系統(tǒng)分割成每個獨立的模塊，每一個模塊可以單獨完成任務(wù)，然后在通過網(wǎng)絡(luò)連接。

5.最終確定方案

經(jīng)過綜合比較，我們決定采用方案3。利用TRIZ原理設(shè)計一個適用于各個不同的環(huán)境的智能家居系統(tǒng)。具體解決方案如下：

通過傳感器采集當前環(huán)境中各種信息，送到采集模塊中進行轉(zhuǎn)換，處理芯片對其進行分析處理?？刂菩酒⑻幚砥鲿⒉杉降囊恍?shù)據(jù)發(fā)送到手機。同時通過手機APP來實現(xiàn)遠程控制。整個系統(tǒng)包括智能網(wǎng)關(guān)，溫度濕度檢測系統(tǒng)，人體移動監(jiān)測防盜系統(tǒng)，家電控制系統(tǒng)等四個部分，通過四個部分實現(xiàn)各自的功能，通過網(wǎng)關(guān)的整合處理所有信息，同時將信息發(fā)送至手機，同時用戶可以通過手機APP發(fā)送指令來控制家庭環(huán)境中的家電。

同時也可以通過PC攝像頭對人手進行捕捉，進行一系列的視頻處理，濾波，HSV空間轉(zhuǎn)化，二值化，形態(tài)學濾波，輪廓提取，畫凸包絡(luò)等操作，將人手從周圍環(huán)境中提取出來，并設(shè)立閾值，限定人手在一定范圍內(nèi)識別，有效降低誤觸發(fā)。通過MFC與51單片機建立接口，將信息傳給51單片機，用nrf24ll0射頻模塊遠程通信。通過左揮手控制燈的亮滅及右揮手液晶屏的亮滅，實現(xiàn)了人機交互。