一個基于語音控制的老年人智能家居系統(tǒng)

摘 要：物聯(lián)網和大數據的發(fā)展催生了新一代智能家居系統(tǒng)。面對老年人面臨的數字鴻溝問題，文章提出了基于語音識別控制方式的智能家居系統(tǒng)，以STM32作為中控微處理器，以ZigBee作為通信網絡。智能語音模塊將語言命令轉換為設備控制指令，通過ZigBee網絡傳遞信息，實現系統(tǒng)控制。中控設備通過ESP8266 WiFi模塊及MQTT協(xié)議將數據上傳至服務器，通過Android的APP連接服務器，實現遠程控制。通過實驗室制作系統(tǒng)原型并進行實驗測試，證明系統(tǒng)可行、可靠。

關鍵詞：語音控制；ZigBee；老年人；智能家居；MQTT協(xié)議；STM32

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.022

0 引 言

物聯(lián)網和大數據的發(fā)展掀起了新一輪人工智能的浪潮，智能家居、智慧農業(yè)、智慧城市等智能應用系統(tǒng)得到蓬勃發(fā)展，人們正不斷享受人工智能的便利與紅利。然而，老年人卻被這個智能的時代所“拋棄”，他們正面臨著巨大的數字鴻溝[1-2]。“國家應對人口老齡化戰(zhàn)略研究”課題組數據顯示：我國2025年老年人將達到3.08億，占比21.1 %；到2050年將增長到4.83億，占比34.1 %，之后將進入較為穩(wěn)定的重度老齡化平臺期[3]。這表明我國將迎來并長期處于養(yǎng)老產業(yè)發(fā)展的重要時期。為解決老年人對智能應用系統(tǒng)操作存在障礙等問題，本文以STM32為核心，整合語音控制、ZigBee組網和ESP8266等技術，設計了面向老年人的智能家居系統(tǒng)。經過實驗驗證，系統(tǒng)具有較好的運行效果，可為商業(yè)化的智能家居系統(tǒng)提供一定參考。

1 智慧家居與養(yǎng)老產業(yè)的發(fā)展

1984年，美國哈特佛市的City Place Building成為首棟智能型建筑，隨后各國逐漸開始智能家居理念的革新和實際應用[4]。隨著物聯(lián)網和人工智能的發(fā)展，智能家居產品進入了蓬勃發(fā)展期，系統(tǒng)具有高度的智能化識別與處理功能。例如美國Nest公司出品的Nest Cam系列攝像頭能夠通過自主學習實現人員警報、跟蹤特寫、人臉識別和智能警報等功

能[5]。我國智能家居雖然起步較晚，但是在我國大數據產業(yè)的驅動下，技術水平迅速提升，已經處于世界前列，具有研發(fā)優(yōu)勢和重大影響力[6]?！禝DC 中國智能家居設備市場季度跟蹤報告》顯示[7]，2021年上半年，中國智能家居設備市場出貨量約1億臺，預計未來五年中國智能家居設備市場出貨量將以21.4%的復合增長率持續(xù)增長，2025年市場出貨量將接近5.4億臺，全屋智能解決方案在消費市場的推廣將成為市場增長的重要動力之一。

我國養(yǎng)老服務市場始于20世紀90年代，在社會主義市場經濟的帶動下，養(yǎng)老市場逐步產業(yè)化。得益于國家相關政策和大數據、物聯(lián)網等技術的支持，智能家居和智慧養(yǎng)老等得以迅速發(fā)展。2017年，我國公布了智慧健康養(yǎng)老應用試點示范名單，其中智慧養(yǎng)老示范企業(yè)53家，示范街道或鄉(xiāng)鎮(zhèn)82個，示范基地19個。2019年，國務院辦公廳印發(fā)《關于推進養(yǎng)老服務發(fā)展的意見》，明確推進智慧健康養(yǎng)老產業(yè)發(fā)展，促進人工智能、物聯(lián)網、云計算、大數據等新一代信息技術和智能硬件等產品在養(yǎng)老服務領域深度應用[8]。伴隨著物聯(lián)網技術迅速興起及廣泛應用，智能家居領域得到了更好的提升與發(fā)展。我國人口老齡化形勢日益嚴峻，智能產品如何更好地為老年人居家生活提供服務是一個值得思考的問

題[9]。學術界和實驗室也掀起了智能家居研發(fā)的浪潮，尤其考慮了老年人這一特殊群體。比如，首鋼技師學院的孫衛(wèi)華等人設計了基于ZigBee的智能家居照明系統(tǒng)[10]；田鈺彬等對語音交互的智能家居系統(tǒng)做了研究[11]；顧家誠等對家居中的照明系統(tǒng)進行了設計與體驗[12]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計目標

（1）方便性

系統(tǒng)應提高智能化水平，以方便各類用戶使用。鑒于老年人面臨的數字鴻溝問題，系統(tǒng)在提供按鍵操作的基礎上，還增設了語言控制功能，通過語音指令控制系統(tǒng)運行。

（2）可擴展性

智能家居運行過程中，對終端設備提出擴展性需求，比如增加設備數量。為了便于擴展，系統(tǒng)采用無線傳感器網絡（ZigBee）實現數據通信，在協(xié)調器節(jié)點采用動態(tài)綁定技術，解決新設備靈活入網問題。

（3）可靠性

單節(jié)點數據采集可能因節(jié)點誤差、位置偏離、節(jié)點故障等問題，導致系統(tǒng)獲取數據的真實性、準確性等方面存疑。為此，系統(tǒng)采用傳感器陣列，比如采用多傳感器采集溫濕度數據，將不同溫濕度傳感節(jié)點部署在監(jiān)控區(qū)域的不同位置，經過數據融合，判斷監(jiān)控區(qū)域的真實溫濕度。或者檢測相關節(jié)點的運行狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的可

靠性。

2.2 系統(tǒng)架構設計

對系統(tǒng)感知層、網絡層和應用層的物聯(lián)網標準架構進行設計。系統(tǒng)架構如圖1所示。

（1）感知層主要負責數據采集。對于家居環(huán)境而言，溫濕度和光照是最關鍵的影響因素。因此，溫濕度和光照數據是系統(tǒng)采集的主要數據。同時，為確保數據的準確性，系統(tǒng)采用傳感器陣列，在不同位置部署多個溫濕度和光照采集節(jié)點，通過數據融合技術，判斷室內的真實溫濕度和光照度，從而更好地調節(jié)室內環(huán)境。為了更好實現溫濕度和光照度的調節(jié)，系統(tǒng)設置了基于舵機的窗戶控制節(jié)點和基于繼電器的風扇、燈光控制節(jié)點。為了增加系統(tǒng)控制的靈活性，解決老年人的數字鴻溝問題，系統(tǒng)設置了語音控制節(jié)點。

（2）網絡層負責終端節(jié)點與網關節(jié)點的通信。NB-IoT、LoRa和ZigBee是該層的核心技術。與NB和LoRa技術相比，ZigBee更適用于100 m以內的短距離傳輸。因此，系統(tǒng)采用ZigBee進行網絡數據傳輸，即終端2節(jié)點通過ZigBee網絡將數據傳至網關。網關進一步通過ESP8266 WiFi模塊將數據上傳至云平臺，與應用層建立連接。

（3）應用層負責業(yè)務邏輯處理和人機交互。系統(tǒng)在網關節(jié)點設置了OLED模塊，可實時顯示系統(tǒng)運行和操作狀態(tài)；系統(tǒng)提供移動遠程管理APP，通過ESP8266官方提供的云平臺，手機移動終端可以實現遠程連接與控制。

2.3 溫濕度數據采集節(jié)點的設計

溫濕度數據采集節(jié)點由溫濕度傳感器DHT11和CC2530無線傳感器構成，節(jié)點通過CC2530 P0 A/D接口讀取DHT11溫濕度數據，通過ZigBee協(xié)議上傳至協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器通過UART0將數據傳送給STM32微處理器，并在STM32微處理器中進行數據融合處理。

在業(yè)務邏輯上，溫濕度數據采集節(jié)點的核心功能是初始化DHT11接口，定時器定時采集溫濕度數據，然后通過ZigBee AF接口將數據上傳。

2.4 執(zhí)行器節(jié)點設計

執(zhí)行器節(jié)點主要負責窗戶、風扇和燈管等設備的控制，以調整監(jiān)控區(qū)域的溫濕度和光照環(huán)境。它由CC2530和執(zhí)行器控制器構成，其中，執(zhí)行器控制器主要負責舵機、風扇或燈光等繼電器。CC2530接收來自協(xié)調器節(jié)點的控制指令后，通過P1口相關控制線控制執(zhí)行部件。在邏輯實現方面，節(jié)點主要負責執(zhí)行器接口初始化，并入消息隊列，在AF數據接收處理函數中辨析指令類型，通過響應I/O口向執(zhí)行器發(fā)出控制指令。

2.5 語音控制節(jié)點設計

語音控制模塊相當于一個語音遙控器，由CI-03T智能語音芯片和CC2530微處理器構成。智能語音芯片負責接收語音信號，轉換為控制指令并通過UART接口將指令發(fā)送給CC2530，CC2530再通過ZigBee網絡將控制指令上傳到協(xié)調器，最后協(xié)調器將控制指令下達到相應的終端控制節(jié)點。因此，節(jié)點的核心任務是定義好語音指令及控制指令的數據包格式，并實現CI-03T和CC2530的有效通信。

2.6 網關節(jié)點設計

網關節(jié)點是智能家居系統(tǒng)的核心，它由STM32、CC2530和ESP8266組成。其中，CC2530作為ZigBee網絡的協(xié)調器節(jié)點，負責接收終端采集的數據，或負責向終端執(zhí)行器節(jié)點發(fā)出控制指令。ESP8266是一個WiFi模塊，負責將數據送上云平臺，以實現智能家居的遠程控制。STM32負責運行網關核心程序，完成數據融合、數據分析、指令控制以及智能決策等任務。節(jié)點硬件架構如圖2所示，節(jié)點軟件控制業(yè)務如圖3所示。

2.7 移動端設計

移動端是運行于Android手機之上的APP，負責與云平臺連接，可實現智能家居系統(tǒng)遠程控制，其由Win APP程序開發(fā)。APP遠程控制界面如圖4所示。

3 思考與討論

系統(tǒng)通過實驗室研發(fā)與調試，取得了一定成果，但在一些關鍵問題的解決過程中也存在問題，在此將它提出，希望對相關系統(tǒng)的研發(fā)有一定幫助。

（1）終端節(jié)點的動態(tài)入網與地址綁定問題

ZigBee由協(xié)調器發(fā)起組網，之后終端節(jié)點才能加入網絡，一旦網關因故障重啟，則終端節(jié)點難以再次正常入網，導致系統(tǒng)故障。另一方面，ZigBee屬于動態(tài)拓撲結構網絡，終端節(jié)點的16位短地址動態(tài)獲取，因此，難以使用16位短地址與終端設備綁定，這為系統(tǒng)的動態(tài)擴展及設備控制增加了不少技術難度。

（2）傳感器陣列與數據融合問題

在智能家居的檢測空間內，單一的傳感器不僅無法檢測到準確的數據，也可能因設備故障或誤差而影響系統(tǒng)的可靠性。采用多傳感器構成傳感器陣列是最客觀的解決方案，然而，不同位置的傳感器所采集的數據存在差異，比如位于地面的溫濕度傳感器和位于天花板的溫濕度傳感器采集的數據可能不一致，甚至差別很大。因此，傳感器位置分布以及溫度模型的選擇是個值得研究的課題。

4 結 語

本研究運用物聯(lián)網相關知識和技術，在參考相關文獻的基礎上提出了基于ZigBee網絡的系統(tǒng)架構，為解決老年人數字鴻溝問題特引入了語音控制技術。通過系統(tǒng)仿真及實驗室原型產品實驗，取得了一定成果，證明這一解決方案的可行性。研究還提出動態(tài)入網和傳感器陣列的設計理念，盡管沒能很好地解決這一問題，但對后續(xù)產品的研究具有一定的參考價值。

注：本文通訊作者為羅明山。

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收稿日期：2023-05-23 修回日期：2023-06-28

基金項目：百色學院2022年廣西自治區(qū)級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目：“晚年無憂”智能家居系統(tǒng)（202210609220）