家庭智能終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□濮家樂(lè) 宋萬(wàn)洋 郝作欣

隨著社會(huì)的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生活水平有了越來(lái)越高的要求，智能家居概念應(yīng)運(yùn)而生并得到大力發(fā)展。智能家居系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集家庭中的環(huán)境信息，控制家中互聯(lián)設(shè)備，處理分析數(shù)據(jù)從而為人們提供舒適、便捷、智能的家庭生活環(huán)境[1]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的以樹(shù)莓派為控制中心[2]、用ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)[3]的家庭智能終端，它除了智能家居系統(tǒng)普遍具有的特點(diǎn)外，還可以利用多種方式與人們進(jìn)行交互，提高家庭的智能性、舒適性。

一、家庭智能終端系統(tǒng)的需求分析及功能介紹

家庭智能終端系統(tǒng)定位于面向普通家庭用戶(hù)，具有功能全面、安裝部署簡(jiǎn)便、操作使用方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)是一個(gè)具有較高智能程度的、具有以下主要功能的一套軟硬件結(jié)合的智能家居系統(tǒng)。

(一)采集家庭環(huán)境信息功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)采集家庭中的溫濕度、二氧化碳濃度、空氣污染程度等數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)通過(guò)控制中心上傳至云服務(wù)器，用戶(hù)可以在任意地點(diǎn)通過(guò)手機(jī)查看家庭中的基本環(huán)境信息。

(二)家電控制功能。一方面結(jié)合家庭環(huán)境信息數(shù)據(jù)，自動(dòng)判定是否需要開(kāi)閉空調(diào)、空氣凈化器等家電，以保證家庭中時(shí)刻具有舒適的生活環(huán)境；另一方面，可以根據(jù)用戶(hù)手機(jī)端制定控制計(jì)劃或者實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家電的功能。

(三)危險(xiǎn)信號(hào)警報(bào)功能。系統(tǒng)要對(duì)家庭中的危險(xiǎn)因素，主要是有毒有害氣體和火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境中的有毒有害氣體濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值，或者家中有濃煙或者火光出現(xiàn)時(shí)，需要在家中播放警報(bào)信號(hào)并及時(shí)將險(xiǎn)情推送手機(jī)端，降低危險(xiǎn)情況發(fā)生的概率。

(四)語(yǔ)音交互功能。系統(tǒng)通過(guò)話(huà)筒和音響實(shí)現(xiàn)交互功能。語(yǔ)音交互指令分為控制類(lèi)指令和問(wèn)答類(lèi)指令兩種，當(dāng)檢測(cè)到用戶(hù)的語(yǔ)音指令之后，對(duì)指令進(jìn)行分析，如果指令是控制類(lèi)指令的話(huà)，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，否則判定為問(wèn)答類(lèi)指令，將指令的內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索最接近的答案，并且將答案轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音通過(guò)音響播放，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互功能，提高系統(tǒng)易用性和實(shí)用性。

(五)視頻監(jiān)控功能。系統(tǒng)可以?huà)燧d攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)端實(shí)時(shí)查看家庭中的視頻信息，并設(shè)定自動(dòng)看家模式。開(kāi)啟看家模式之后，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)家中視頻，如果有檢測(cè)到移動(dòng)物體，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟錄像模式，記錄下一段時(shí)間的視頻信息，并在手機(jī)端推送警告通知。

二、系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

家庭智能終端系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：安卓手機(jī)端、云端服務(wù)器、家庭微型控制中心和ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。系統(tǒng)正常工作時(shí)，由分布在家庭不同位置的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式，將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳送到控制中心，控制中心將數(shù)據(jù)匯總，并將所有數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給云端服務(wù)器，由云端服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和保存，并且將經(jīng)過(guò)處理后的部分?jǐn)?shù)據(jù)返回給控制中心，在控制中心的顯示屏顯示。而當(dāng)安卓手機(jī)端使用時(shí)，直接從云端數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，并將控制指令發(fā)送給云端服務(wù)器，由云端服務(wù)器作為手機(jī)客戶(hù)端和家庭微型控制中心的“中介”進(jìn)行工作。

(一)家庭智能終端系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要集中在微型控制中心和ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備兩個(gè)模塊。微型控制中心以樹(shù)莓派3代作為控制核心，操作系統(tǒng)采用CentOS7系統(tǒng)，通過(guò)GPIO口和USB口接收輸入信號(hào)，此外，控制中心還包括一塊17英寸1920*1080顯示器，負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)檢測(cè)到的各種家庭數(shù)據(jù)以及提示信息等，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器模塊主要包括三種硬件設(shè)備[4]：一是ZigBee控制器，選用TI公司的CC2530芯片，此芯片集成了射頻模塊、內(nèi)存模塊和微控制器，主要用來(lái)和樹(shù)莓派傳遞數(shù)據(jù)，并控制處理ZigBee節(jié)點(diǎn)信息、任務(wù)管理等工作；二是ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)，同樣使用CC2530芯片，用來(lái)跟主控制器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，接收控制器命令，或者將數(shù)據(jù)傳遞給主控制器：三是具體傳感器，用來(lái)采集家庭中環(huán)境信息，傳遞給控制核心作為原始數(shù)據(jù)，主要包括DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、HC-SR501紅外傳感器、BH1750FVI光照傳感器、電磁繼電器、OV5647攝像頭等采集或控制傳感器。

(二)家庭智能終端系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)涉及到軟件方面的有：云服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理程序、家庭微型控制中心程序、手機(jī)客戶(hù)端控制和顯示程序。

1.云服務(wù)端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理程序。云服務(wù)器租用阿里云服務(wù)器，與家庭控制中心通過(guò)Socket連接傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)使用MySQL，由Java Servlet負(fù)責(zé)接收發(fā)送數(shù)據(jù)，與手機(jī)客戶(hù)端通過(guò)HTTP協(xié)議，JSON格式傳遞數(shù)據(jù)。主要起到以下兩個(gè)作用：一是接收并存儲(chǔ)樹(shù)莓派發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息：樹(shù)莓派每隔3秒向服務(wù)器發(fā)送一次狀態(tài)信息，云服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后根據(jù)預(yù)定策略處理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并向樹(shù)莓派發(fā)送指令數(shù)據(jù)。二是與手機(jī)客戶(hù)端交互：當(dāng)檢測(cè)到手機(jī)客戶(hù)端發(fā)送的請(qǐng)求之后，按照需求從數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)里面查找數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成JSON數(shù)據(jù)返回給手機(jī)APP。

2.家庭微型控制中心程序。家庭控制中心軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要有數(shù)據(jù)通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機(jī)交互界面、語(yǔ)音交互模塊。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳遞和處理，將ZigBee模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可用數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，發(fā)送給云服務(wù)器。語(yǔ)音交互模塊負(fù)責(zé)接收話(huà)筒的波形數(shù)據(jù)，將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成文字信號(hào)，并提交給控制中心進(jìn)行命令判定，處理完成之后再經(jīng)過(guò)語(yǔ)音交互模塊將文字轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音播報(bào)給用戶(hù)。

3.手機(jī)客戶(hù)端控制和顯示程序。手機(jī)客戶(hù)端程序基于安卓平臺(tái)，采用Android Studio軟件開(kāi)發(fā)，主要分為注冊(cè)登錄、數(shù)據(jù)顯示、控制按鈕、視頻監(jiān)控四個(gè)核心功能。用戶(hù)可以在手機(jī)端查看家中環(huán)境數(shù)據(jù)，可以控制相應(yīng)傳感器的開(kāi)關(guān)，可以查看家庭監(jiān)控畫(huà)面，并且可以接收服務(wù)器推送的各種緊急信息。

三、結(jié)語(yǔ)

智能家居系統(tǒng)使人們的生活越來(lái)越便利，越來(lái)越智能。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套比較完善的家庭智能終端系統(tǒng)，系統(tǒng)的家庭控制中心和傳感器通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，方便用戶(hù)在家庭中部署安裝，系統(tǒng)創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制和語(yǔ)音問(wèn)答的功能，增加了系統(tǒng)的交互性和易用性。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)保存到云服務(wù)器，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的自動(dòng)管理功能，用戶(hù)還可以通過(guò)手機(jī)端查看家庭中環(huán)境信息、控制并管理家中傳感器，可以有效提高用戶(hù)家庭生活的智能性、舒適性，使用戶(hù)享受更加便捷的智能家庭生活。