遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳誠(chéng)斌，蘇凱雄，趙 陽，劉 夢(mèng)，邱 瑾

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350100)

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遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳誠(chéng)斌，蘇凱雄，趙 陽，劉 夢(mèng)，邱 瑾

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350100)

本設(shè)計(jì)致力于解決家庭安防、智能家居控制、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、自動(dòng)清潔控制問題。機(jī)器人集成自動(dòng)巡航、自動(dòng)清潔、遠(yuǎn)程陌生人報(bào)警、煙霧報(bào)警、火焰報(bào)警、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程云臺(tái)控制、遠(yuǎn)程機(jī)器人遙控、家電遙控學(xué)習(xí)以及家電遙控等功能。使用C/S模擬P2P技術(shù)，搭建服務(wù)器、客戶端，進(jìn)行Socket通信。通過在家居中建立各種形式的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有家庭網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)施的控制和維護(hù)；其次，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信方式構(gòu)成與外界的通信通道，以實(shí)現(xiàn)與外部世界的信息溝通，滿足遠(yuǎn)程控制的需要。

智能家居；機(jī)器人；C/S模擬P2P; Socket

0 引言

目前智能家居系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和使用過于復(fù)雜，功能綜合型的就更加復(fù)雜，這將制約智能家居產(chǎn)品從研發(fā)產(chǎn)品向消費(fèi)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化[1]。遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)旨在于搭建一種動(dòng)態(tài)的家庭智能家居生態(tài)圈，能以機(jī)器人為核心，對(duì)新、老房屋進(jìn)行智能化升級(jí)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將所有數(shù)據(jù)和信息上傳到云端，使業(yè)主能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地控制家庭內(nèi)部，了解家庭信息，再配合其他家庭節(jié)點(diǎn)和家庭智能設(shè)備，更好地把握家庭內(nèi)一舉一動(dòng)。

1 遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

智能家居護(hù)衛(wèi)系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端(手機(jī))和家庭護(hù)衛(wèi)(機(jī)器人)組成，可以對(duì)家庭的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。監(jiān)控終端可以選擇多種模式對(duì)家庭護(hù)衛(wèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控或者讓其自行巡邏，可以從家庭護(hù)衛(wèi)調(diào)取實(shí)時(shí)的監(jiān)控畫面，接收異常報(bào)警，對(duì)紅外家居進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控等操作。家庭護(hù)衛(wèi)集成多種智能家居功能，如自動(dòng)避障防跌落、集成紅外學(xué)習(xí)遙控、入侵者檢測(cè)、明火煤氣檢測(cè)、路由節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控回傳等模塊，實(shí)現(xiàn)智能家居不用改造家庭，即買即用的工作特點(diǎn)。在公司工作的間隙，可以拿出你的手機(jī)，帶上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，隨手打開空調(diào)，看看電視，獲得如同在家中的體驗(yàn)[2]。

系統(tǒng)交互概述圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)交互概述圖

2 遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 手機(jī)客戶端控制系統(tǒng)模式設(shè)計(jì)

有個(gè)友好的交互方式是解決機(jī)器人和人本身交互的必要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)使用Android手機(jī)客戶端為設(shè)計(jì)的顯示單元，共三種模式：控制模式、巡航模式、清潔模式，可選擇打開視頻，在視頻界面的基礎(chǔ)上可選擇打開控制面板、遙控面板。

控制面板：主要包括家庭智能終端運(yùn)動(dòng)控制面板和攝像頭云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制面板，可分別控制智能終端和攝像頭云臺(tái)的前、后、左、右和停止動(dòng)作。

遙控面板：兩種模式，一個(gè)是學(xué)習(xí)模式，一個(gè)是遙控模式。當(dāng)處于學(xué)習(xí)模式時(shí)，按鍵將會(huì)發(fā)送學(xué)習(xí)指令和按鍵碼值；當(dāng)處于遙控模式時(shí)，會(huì)發(fā)送遙控指令和按鍵碼值。

2.2 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能終端機(jī)器人掛載了許多紅外避障傳感器，根據(jù)用戶端的設(shè)置可以處于受控模式、自動(dòng)巡邏模式和清潔模式。處于受控模式時(shí)，將根據(jù)用戶端的指令進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，例如整體運(yùn)動(dòng)、云臺(tái)運(yùn)動(dòng)和紅外學(xué)習(xí)控制。處于自動(dòng)巡邏模式時(shí)，通過掛載的紅外避障傳感器判斷自身所處的狀態(tài)，自動(dòng)規(guī)避障礙物和臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)防碰撞和防跌落，并通過巡邏算法自動(dòng)調(diào)整路線使得能巡邏范圍能夠覆蓋整個(gè)家庭范圍。處于清潔模式時(shí)，智能終端機(jī)器人將開啟掛載的清潔裝置進(jìn)行地面除塵清潔。

2.3 OpenWrt通信模塊設(shè)計(jì)

通信的信息轉(zhuǎn)發(fā)中心與攝像頭進(jìn)行USB通信，與手機(jī)客戶端通過WiFi進(jìn)行Socket通信，與51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制板進(jìn)行UART通信。OpenWrt模塊是中心服務(wù)器，采用mjpg-stream進(jìn)行視頻采集，生成視頻流可以提供網(wǎng)頁形式的調(diào)用。手機(jī)客戶端只要獲得該服務(wù)器的地址，就可以從服務(wù)器上面提取視頻流或者圖片。

OpenWrt同時(shí)采用ser2net對(duì)來自手機(jī)客戶端的Socket數(shù)據(jù)和來自51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制板的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換交互，使得來自51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制板的串口數(shù)據(jù)能夠以Socket的形式上傳到手機(jī)，同樣使來自手機(jī)的Socket數(shù)據(jù)能夠以串口數(shù)據(jù)的形式下達(dá)到51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制板。

3 遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 C/S模擬P2P

與傳統(tǒng)的智能家居點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信不同，本設(shè)計(jì)使用C/S模擬P2P技術(shù)，即機(jī)器人端以及手機(jī)APP端都為客戶端，監(jiān)聽服務(wù)器，當(dāng)用戶通過APP登錄時(shí)[3-4]，才建立雙向連接通信，用戶離線時(shí)斷開連接并繼續(xù)監(jiān)聽連接信息，避免了傳統(tǒng)的IP攝像頭容易被人知道IP地址侵入的隱患。同時(shí)本設(shè)計(jì)建立了服務(wù)器連接，可以將更多的安防信息通過服務(wù)器進(jìn)行傳輸。本設(shè)計(jì)的文本傳輸以及視頻傳輸都使用了這項(xiàng)技術(shù)。

3.2 Server端實(shí)現(xiàn)

公網(wǎng)上的Server開啟9999端口監(jiān)聽APP端基于UDP協(xié)議的指令；開啟9998端口監(jiān)聽APP端基于TCP協(xié)議的指令，同時(shí)監(jiān)聽Car的請(qǐng)求指令的連接。來自9999的UDP指令和來自9998的TCP指令經(jīng)由處理統(tǒng)一經(jīng)9998端口轉(zhuǎn)發(fā)給Car。同時(shí)Server開啟9996端口監(jiān)聽接收來自Car的視頻數(shù)據(jù)，開啟9997端口監(jiān)聽來自PX2的請(qǐng)求視頻數(shù)據(jù)的連接，將來自9996的數(shù)據(jù)經(jīng)由9997轉(zhuǎn)發(fā)給APP實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控。服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 家庭安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搭載在移動(dòng)機(jī)器人上面的中央控制器輪詢火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器和人體傳感器等搭載傳感器的輸出狀態(tài)，實(shí)時(shí)地對(duì)家庭的安全情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，控制單元調(diào)用串口向手機(jī)用戶發(fā)送有信號(hào)輸出的傳感器代號(hào)，手機(jī)端判斷Socket接收到的數(shù)據(jù)后檢測(cè)傳感器代號(hào)從而判斷出相對(duì)應(yīng)的安全事件，并調(diào)用蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音，輸出報(bào)警提示信息，延遲一段時(shí)間后重新檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)。

3.4 智能家居控制

機(jī)器人除了能夠自主移動(dòng)，還可以由用戶手動(dòng)控制，用于查看家中感興趣的區(qū)域，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程紅外遙控家電。進(jìn)入遙控模式后，手機(jī)用戶端可以啟動(dòng)視頻并打開機(jī)器人遙控面板，對(duì)機(jī)器人和視頻云臺(tái)進(jìn)行前后左右控制。同時(shí)為了滿足能不對(duì)家電進(jìn)行改造完成遠(yuǎn)程遙控，機(jī)器人配備了紅外學(xué)習(xí)功能，如圖3所示。在對(duì)遙控鍵值進(jìn)行學(xué)習(xí)后，可以將機(jī)器人通過視頻控制到相應(yīng)家電區(qū)域?qū)译娺M(jìn)行控制[5]。

3.5 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

搭載在移動(dòng)機(jī)器人上面的攝像頭經(jīng)過路由器將視頻數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)上。路由器使用OpenWrt系統(tǒng)[6]。OpenWrt服務(wù)端通過啟動(dòng)熱點(diǎn)服務(wù)，調(diào)用mjpg-stream獲取攝像頭數(shù)據(jù)，生成視頻流，配置視頻流綁定IP地址，對(duì)外開放服務(wù)；手機(jī)用戶端通過輸入OpenWrt服務(wù)器IP地址連接到服務(wù)器，并等待視頻服務(wù)開啟，從服務(wù)器獲取視頻流從而顯示視頻的圖像。

3.6 自動(dòng)清潔控制

在自動(dòng)清潔模式下，機(jī)器人通過自動(dòng)避障算法確定路線，躲避障礙物和階梯，同時(shí)清潔刷和吸塵器開始工作,并通過實(shí)時(shí)讀取紅外壁障和紅外防跌落傳感器數(shù)值，判斷有效信號(hào)是否觸發(fā)。若沒有有效信號(hào)觸發(fā)則智能家居機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)；若有效信號(hào)觸發(fā)則進(jìn)一步判斷機(jī)器人所處狀態(tài)，遇到障礙物就判斷障礙物方位，調(diào)整機(jī)器人方向進(jìn)行規(guī)避，遇到“懸崖”就調(diào)整機(jī)器人方向離開懸崖的位置。

圖3 紅外學(xué)習(xí)及紅外遙控

4 系統(tǒng)測(cè)試

氣霧傳感器能夠正確感知打火機(jī)里的氣體并報(bào)警，火焰?zhèn)鞲衅髂軌驒z測(cè)到打火機(jī)的火焰并報(bào)警，但在陽光較強(qiáng)的地方會(huì)誤報(bào)。人體紅外傳感器能夠檢測(cè)到移動(dòng)的人體并報(bào)警。紅外學(xué)習(xí)模塊工作正常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宿舍空調(diào)的學(xué)習(xí)和遙控。智能機(jī)器人三種工作模式正常，能夠自動(dòng)壁障和防跌落，提起能夠自動(dòng)停止。手機(jī)端視頻顯示、云臺(tái)和車體控制等功能正常。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)完成了遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了普通通信設(shè)備遠(yuǎn)程控制家中智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過手機(jī)客戶端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人服務(wù)端設(shè)計(jì)、OpenWrt通信模塊設(shè)計(jì)，運(yùn)用智能機(jī)器人解決了家庭安防、智能家居控制、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、自動(dòng)清潔控制等問題，并具備自動(dòng)巡航、自動(dòng)清潔、遠(yuǎn)程陌生人報(bào)警、煙霧報(bào)警、火焰報(bào)警、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程云臺(tái)控制、遠(yuǎn)程機(jī)器人遙控、家電遙控學(xué)習(xí)以及家電遙控等功能，滿足人們對(duì)安全、舒適、方便的需求。

[1] 朱敏玲,李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析[J].電視技術(shù),2015,39(4):82-85.

[2] 汪剛,張福,陳宇航,等.一種遠(yuǎn)程智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子,2010(11):51-53.

[3] 渠淼,牛國(guó)鋒,冒張霄，等.基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(20):83-85.

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[5] 楊雪嬌,郝業(yè),阮軍洲.Android平臺(tái)增加專用無線模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2016,42(7):64-67.

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Design of remote intelligent home control system

Chen Chengbin, Su Kaixiong, Zhao Yang, Liu Meng, Qiu Jin

(School of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350100, China)

The design is committed to solving the problems of home security, intelligent home control, remote video monitoring, and automatic cleaning control. Robot is integrated automatic cruise, automatic cleaning, remote stranger alarm, smoke alarm, flame alarm, remote video monitoring, remote PTZ control, remote robot remote control, remote home appliances and home appliances remote control and other functions. This work uses C/S to imitate P2P technology, to build server and customer end, undertaking Socket communication. Through the establishment of various forms of communication networks in the home, it achieves all the home network facilities on the control and maintenanc. Secondly, through the wireless network communication with the outside world it constitutes a communication channel in order to achieve communication with the outside world to meet the remote control needs.

intelligent home; robot; C/S simulating P2P; Socket

TP311

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.027

陳誠(chéng)斌，蘇凱雄，趙陽，等.遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(14)：89-91，94.

2016-12-02)

陳誠(chéng)斌(1992-)，男，碩士，主要研究方向：智能硬件、數(shù)字通信。

蘇凱雄(1959-)，男，碩士，教授，主要研究方向：無線通信、衛(wèi)星通信、數(shù)字電視廣播、多媒體應(yīng)用系統(tǒng)。

趙陽(1995-)，男，本科，主要研究方向：智能硬件。