基于信息融合的智慧家庭管理系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：智慧家庭發(fā)展前景廣闊，智慧家庭的建設(shè)是打造數(shù)字家庭、創(chuàng)建智慧城市的重要部分，文中針對家庭管理系統(tǒng)智能聯(lián)動性不足等問題，以STM32F103ZET6為主控芯片，設(shè)計了包括智能門禁、智能監(jiān)控、室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測、智能控制、智能顯示、智能語音等在內(nèi)的智能家庭管理演示系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠有效獲取室內(nèi)外多節(jié)點的環(huán)境信息，通過語音系統(tǒng)和無線系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制，通過智能門禁和監(jiān)控系統(tǒng)保證居家環(huán)境的安全，通過智能顯示和語音系統(tǒng)提高用戶的使用體驗。在不同場景下對系統(tǒng)功能進行測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定、識別成功率高、成本低，能夠滿足智慧家庭管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：信息融合；智慧家庭；STM32；智能門禁；環(huán)境監(jiān)測；WiFi；智能控制

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）08-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.08.031

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息與通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于多源信息融合的智慧系統(tǒng)逐漸在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。2021年4月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質(zhì)的指導(dǎo)意見》，提出到2025年底，構(gòu)建比較完備的數(shù)字家庭標準體系[1]；2022年1月，國務(wù)院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，提出：“新型智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)工程”，旨在分類推進新型智慧城市建設(shè)[2]。智慧家庭的建設(shè)成為打造數(shù)字家庭、創(chuàng)建智慧城市的重要部分。

目前，中國已成為全球最大的智能家居市場消費國，市場發(fā)展前景好，發(fā)展空間廣闊，預(yù)計到2030年中國智慧家庭市場規(guī)模將達到15 700億元[3]。但隨著智慧家庭產(chǎn)品向生態(tài)化、場景化、多元化發(fā)展[4]，市場現(xiàn)有的智慧家庭產(chǎn)品多為單品設(shè)備[5-6]，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)功能組合，但設(shè)備之間無交互，無法實現(xiàn)智能聯(lián)動，智能性不足[7]；其次，雖然存在定制化的智慧家庭管理方案，但成本高、施工難度大。文中設(shè)計了一種基于多源信息融合的智慧家庭管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了門禁系統(tǒng)的智能化管理、居住環(huán)境的智能化監(jiān)控、室內(nèi)外環(huán)境的智能化采集和智能化控制，打造了低成本、集多功能于一體的智慧家庭管理系統(tǒng)。基于多源信息的有效融合，實現(xiàn)了低碳、安全、舒適、健康、智能的全新生活方式，可有效提升居住舒適感，提高生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于多源信息融合的智慧家庭管理系統(tǒng)主要由中央控制器、智能門禁系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、室內(nèi)外環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能顯示系統(tǒng)、智能無線系統(tǒng)、智能語音系統(tǒng)等構(gòu)成。系統(tǒng)融合了OpenMV4人臉識別模塊[8]、指紋識別模塊、矩陣鍵盤模塊、RFID（IC卡）模塊、人臉追蹤模塊、人體傳感器模塊、煙霧氣敏傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、溫度傳感器模塊[9]、雨量傳感器模塊、光照強度監(jiān)測模塊、舵機控制模塊、LED照明模塊、WiFi模塊[10]、語言識別模塊、語音播報模塊、液晶顯示模塊等獲得多源信息，基于STM32中央控制器，應(yīng)用多源信息融合技術(shù)實現(xiàn)了智慧家庭管理系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)總體方案框架如圖1所示。

系統(tǒng)基于多源信息融合和多傳感器驅(qū)動控制技術(shù)，當(dāng)有人靠近門禁時，智能監(jiān)控系統(tǒng)會結(jié)合人體傳感器信息及人臉追蹤模塊實現(xiàn)人體的實時監(jiān)測；當(dāng)需要通過門禁時，OpenMV4模塊可以通過人臉識別模塊實現(xiàn)快速解鎖，同時可通過指紋識別、刷門禁IC卡、按鍵密碼等方式實現(xiàn)門禁解鎖；室內(nèi)外環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)中，煙霧氣敏傳感器監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境中的煙霧、液化氣等有害氣體濃度，當(dāng)上述氣體濃度超標時，發(fā)出報警信號，提醒用戶及時采取措施；火焰?zhèn)鞲衅鳈z測家庭環(huán)境中是否有火源，當(dāng)有火源時發(fā)出警報并觸發(fā)應(yīng)急措施，保證用戶安全；溫度傳感器實時采集室內(nèi)溫度，根據(jù)設(shè)定閾值執(zhí)行溫控系統(tǒng)相關(guān)操作；光照強度傳感器通過光照強度結(jié)合天氣、時間等信息進行燈光及窗簾的控制；雨量傳感器控制窗戶的打開及關(guān)閉；智能顯示系統(tǒng)將收集的信息及智能推送信息實時顯示在液晶屏上，以便用戶了解室內(nèi)情況；智能語音系統(tǒng)將人類語音轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過處理輸出相應(yīng)的指令實現(xiàn)智能語音控制；語音播報模塊通過語音合成，實現(xiàn)智能語音提示；智能無線模塊通過WiFi實現(xiàn)移動端遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸。通過該系統(tǒng)可有效提高家庭環(huán)境的智能化水平，實現(xiàn)智慧家庭管理，改善居住環(huán)境，提升居家幸福

指數(shù)。

1.1 系統(tǒng)硬件總體方案設(shè)計

智慧家庭管理系統(tǒng)總體硬件設(shè)計方案如圖2所示。系統(tǒng)以STM32F103ZET6為中央控制器，通過驅(qū)動外圍傳感器模塊實現(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境的信息收集，基于有效的信息融合實現(xiàn)智能控制；基于智能門禁管理及監(jiān)測硬件方案，保證家庭環(huán)境的安全；基于液晶顯示及無線WiFi實現(xiàn)家庭環(huán)境信息本地智能顯示及遠程監(jiān)控；基于智能語音控制和語音播報提升用戶使用體驗。

1.2 系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計

基于STM32F103ZET6處理芯片，應(yīng)用Keil μVision5軟件開發(fā)平臺進行設(shè)計。首先，基于室內(nèi)外各傳感器實現(xiàn)多節(jié)點環(huán)境信息采集，結(jié)合多源信息融合判斷，當(dāng)環(huán)境異常時觸發(fā)語音報警機制并通過WiFi實現(xiàn)遠程上報，結(jié)合遠程端下發(fā)的命令觸發(fā)智能控制模塊啟動應(yīng)急機制；其次，當(dāng)門口的人體傳感器感應(yīng)到人體存在時，啟動人臉追蹤識別裝置，實現(xiàn)智能監(jiān)控；需要開鎖時，系統(tǒng)觸發(fā)智能門禁識別系統(tǒng)，可通過人臉識別、指紋、IC卡、密碼等形式實現(xiàn)快捷安全開鎖；身份識別成功后，室內(nèi)智能顯示屏?xí)崟r顯示家庭環(huán)境的各項信息，結(jié)合語音識別模塊接收到的指令，實現(xiàn)開關(guān)窗、開關(guān)燈等智能控制，同時也會通過語音播報模塊實現(xiàn)狀態(tài)切換的報告。智慧家庭管理系統(tǒng)軟件設(shè)計方案如圖3所示。

2 系統(tǒng)核心模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 智能門禁系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計中，智能門禁系統(tǒng)主要包括人臉識別、指紋、IC卡、按鍵等多種開鎖方式，同時具備管理員模式及普通用戶模式。人臉識別功能采用OpenMV4模塊實現(xiàn)，通過攝像頭采集人臉信息并與采集的人臉模板進行特征匹配，匹配成功后即可開鎖；指紋識別功能采用AS608光學(xué)指紋識別模塊，基于光的反射和折射原理實現(xiàn)指紋圖像獲取，通過指紋特征提取與模板數(shù)據(jù)對比，實現(xiàn)指紋識別；IC卡采用MFRC522感應(yīng)模塊，當(dāng)IC卡接近感應(yīng)模塊后，感應(yīng)模塊產(chǎn)生的電磁波與IC卡電路耦合，通過二者之間的電路實現(xiàn)握手協(xié)議，從而對扇區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫功能解鎖；按鍵功能采用矩陣鍵盤，利用按鍵掃描原理及按鍵消抖實現(xiàn)外部密碼的寫入。管理員模式下可以實現(xiàn)系統(tǒng)指紋的刪除或添加，以及IC卡數(shù)據(jù)、密碼等的修改，普通用戶模式下檢測不同開鎖方式下輸入的信息是否正確，密碼正確則開鎖。智能門禁系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

2.2 室內(nèi)外環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為基于多源信息實現(xiàn)家庭環(huán)境的智能控制，采用煙霧氣敏傳感器、溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒂炅總鞲衅鞯葘崿F(xiàn)室內(nèi)外環(huán)境信息的多源、多節(jié)點收集。煙霧氣敏傳感器的重點是半導(dǎo)體氣敏元件MQ-2，當(dāng)檢測到煙霧、可燃氣體超過濃度閾值時，數(shù)字接口輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑M接口輸出非線性模擬信號，單片機根據(jù)數(shù)字接口信號判定氣體濃度是否超標，通過片內(nèi)ADC采集模擬接口輸出的信號得到氣體濃度信息；溫度傳感器采用LM75A模塊，該模塊可以實現(xiàn)溫度的寬范圍、高精度采集，擁有高速I2C通信接口，設(shè)置多個器件地址可以實現(xiàn)多節(jié)點溫度采集，便于使用者實時掌握家庭環(huán)境中的溫度信息；火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧嬷械募t外波長十分敏感，單片機可以通過模塊數(shù)字端口信號判定是否發(fā)生火災(zāi)，模擬端口可以通過ADC判斷火焰強度，將其安裝在特定位置可有效預(yù)防家庭環(huán)境中火災(zāi)的發(fā)生及蔓延。系統(tǒng)中各傳感器的硬件接口如圖5

所示。

2.3 智能語音系統(tǒng)設(shè)計

智能語音系統(tǒng)主要包括語音識別模塊和語音播報模塊。語音識別功能采用LU-ASR01模塊實現(xiàn)，當(dāng)用戶需要發(fā)送控制指令時，可以通過特定詞喚醒該模塊，預(yù)先配置詞條指令進行遠程控制，圖形化配置簡單、識別率高；語音播報功能應(yīng)用語音合成模塊SYN6288，當(dāng)需要進行語音播報時，配合喇叭可以實現(xiàn)中、英文語音合成播報，提高用戶的使用體驗。2個模塊配合工作可以實現(xiàn)智慧家庭中多模塊聯(lián)動控制，有效提升家庭管理的智能化程度。

3 平臺搭建及測試

3.1 平臺搭建

應(yīng)用嘉立創(chuàng)EDA設(shè)計開發(fā)平臺，基于智慧家庭管理系統(tǒng)總體設(shè)計方案，選擇合適的傳感器及控制模塊，根據(jù)常規(guī)家庭環(huán)境布局，設(shè)計了智慧家庭管理演示系統(tǒng)的原理圖及PCB，并通過制板、焊接、調(diào)試完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計與制作?；诙嘣葱畔⑷诤系闹腔奂彝ス芾硌菔鞠到y(tǒng)硬件實物如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)功能測試

為有效驗證系統(tǒng)性能，針對不同功能設(shè)計測試方案。針對人臉識別功能，選取4人為被測對象，選擇自然環(huán)境和陰暗環(huán)境兩種測試場景，錄入人臉信息后在不同環(huán)境下分別進行人臉識別200次，自然環(huán)境下成功率為97.5%，陰暗環(huán)境下成功率為94%；在手指干燥和濕潤的情況下測試指紋識別功能，分別測試100次，干燥環(huán)境下識別成功率為98%，濕潤環(huán)境下識別成功率為86%；在自然環(huán)境下，驗證IC卡和按鍵開鎖功能，分別測試100次，識別成功率均達到100%；在架設(shè)的智能監(jiān)控系統(tǒng)前，被測試人保持不動，檢測系統(tǒng)是否能定位到人臉，測試100次，成功率為95%，被測試人在系統(tǒng)前移動，測試100次，系統(tǒng)可有效追蹤人臉并定位的成功率為88%；在安靜的環(huán)境中對系統(tǒng)語音識別控制功能進行測試，在100次測試中，96次語音被識別并執(zhí)行了相應(yīng)的操作指令，成功率為96%；在相對嘈雜的室內(nèi)環(huán)境進行語音識別控制，成功率為88%。系統(tǒng)總體測試情況見表1所列。

4 結(jié) 語

文中針對家庭管理系統(tǒng)智能聯(lián)動性不足等問題，提出了基于多源信息融合的智能管理系統(tǒng)方案，設(shè)計了涵蓋智能門禁系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、室內(nèi)外環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能顯示系統(tǒng)、智能無線系統(tǒng)、智能語音系統(tǒng)等的硬件演示系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠有效獲取室內(nèi)外多節(jié)點的環(huán)境信息，為信息融合提供了支撐；結(jié)合多源信息融合通過智能語音系統(tǒng)和無線系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制；結(jié)合智能顯示和語音系統(tǒng)提高了用戶的使用體驗；結(jié)合智能門禁和監(jiān)控系統(tǒng)，保證了居家環(huán)境的安全性。針對系統(tǒng)不同的功能，設(shè)計了系統(tǒng)測試方案，通過測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、識別成功率高、系統(tǒng)成本低，將有效促進智能家庭管理產(chǎn)品的應(yīng)用和

發(fā)展。

注：本文通訊作者為彭國生。

參考文獻

[1]佚名.住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等16部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快發(fā)展數(shù)字家庭提高居住品質(zhì)的指導(dǎo)意見》[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2021，18（4）：8.

[2]國務(wù)院《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》摘要[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2022，18（4）：259.

[3]李婷婷，歐陽峰.基于廣電的智慧家庭網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析[J].廣播電視網(wǎng)絡(luò)，2023，30（5）：29-31.

[4]尹德帥，居文軍，馬成東，等.智慧家庭操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（4）：41-45.

[5]嵇柔，鞏淼森.自然交互設(shè)計在智慧家庭中的應(yīng)用研究[J].包裝工程，2019，40（22）：208-213.

[6]歐陽丹，李春，侯軍霞，等.智慧家庭產(chǎn)業(yè)標準化現(xiàn)狀與思考[J].輕工標準與質(zhì)量，2018，29（2）：60-62.

[7]湯敏健，賈夏俊，徐江山，等.基于家庭智能網(wǎng)關(guān)的智慧家庭技術(shù)和業(yè)務(wù)方案[J].廣播電視信息，2018，25（10）：20-26.

[8]曾奕平，張譯.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綠植生長監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（4） ：13-16.

[9]劉鵬飛，張微風(fēng)，吳晨旭，等.基于STM32的智慧家庭設(shè)計[J].液晶與顯示，2021，36（6）：876-885.

[10]肖昌濱，魏云林，黃秀璋，等.基于阿里云的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（4）：26-30.

收稿日期：2023-08-29 修回日期：2023-09-16

基金項目：湖北汽車工業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（DC2022040）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（Q20221805）

作者簡介：劉世杰（2002—），男，研究方向為電子信息。

彭國生（1991—），男，碩士研究生，講師，研究方向為智能控制、汽車電子。

陳 闖（2002—），男，研究方向為電子信息。

彭乾釗（2002—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

左逸林（2001—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。