面向中小學(xué)生的智能家居系統(tǒng)

摘 要：在現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)中，鮮有針對中小學(xué)生個性化需求的設(shè)計。針對這一問題，基于物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計了一種面向中小學(xué)生的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具備環(huán)境監(jiān)測、語音識別、遠(yuǎn)程控制等現(xiàn)有智能家居的基本功能，還通過視頻監(jiān)控和圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了對不良坐姿的實時監(jiān)測，并及時進(jìn)行語音提醒，以保護(hù)中小學(xué)生的視力健康。此外，基于指紋識別技術(shù)，設(shè)計了隱私物品柜和管控物品柜，分別用于保護(hù)中小學(xué)生的隱私以及幫助家長有效管控特定物品。通過日程安排與提醒系統(tǒng)的設(shè)計，培養(yǎng)中小學(xué)生的自主管理能力，同時結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便家長對中小學(xué)生的行為進(jìn)行監(jiān)督。該系統(tǒng)的實現(xiàn)，能夠為中小學(xué)生提供舒適、安全、健康的家居和學(xué)習(xí)環(huán)境，同時為家長提供有效的管理手段。

關(guān)鍵詞：智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；中小學(xué)生；隱私保護(hù)；物品管控；日程安排

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-05

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步和人們對高品質(zhì)生活的追求，智能家居逐漸進(jìn)入越來越多的家庭，成為現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分。中小學(xué)生居室作為一個兼具休息、學(xué)習(xí)、娛樂等多種功能的空間，引入智能家居設(shè)備已成為一種趨勢。

智能家居的發(fā)展大致經(jīng)歷了智能單品階段、智能互聯(lián)階段和全屋智能階段，目前主要處于智能互聯(lián)階段。通過將傳統(tǒng)家居產(chǎn)品與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)緊密結(jié)合，實現(xiàn)家居設(shè)備的互聯(lián)互通、智能控制和個性化服務(wù)。構(gòu)建全屋智能家居是未來的發(fā)展趨勢[1]，盡管在智能家居發(fā)展的各個階段涌現(xiàn)出眾多設(shè)計方案[2-6]，但鮮有針對中小學(xué)生在生活、學(xué)習(xí)、管理等方面的個性化需求進(jìn)行專門設(shè)計。

本文針對中小學(xué)生的視力保護(hù)、隱私保護(hù)、日程提醒以及家長對中小學(xué)生手機(jī)等物品管控的個性化需求，在現(xiàn)有基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居框架下，設(shè)計了不良坐姿實時監(jiān)測與語音提醒子系統(tǒng)、隱私物品柜、管控物品柜、日程安排提醒子系統(tǒng)等，構(gòu)建了一套面向中小學(xué)生的個性化智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在為中小學(xué)生提供舒適、安全、健康的家居和學(xué)習(xí)環(huán)境，同時為家長提供有效的管理手段。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文參照物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架構(gòu)，設(shè)計了面向中小學(xué)生的智能家居系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

（1）感知/控制層

通過對面向中小學(xué)生智能家居系統(tǒng)的需求分析，感知/控制層需要設(shè)計多種感知/控制終端節(jié)點，以實現(xiàn)不同的感知與控制功能。主要包括以下幾種終端節(jié)點：

環(huán)境監(jiān)控節(jié)點（主控節(jié)點）：該節(jié)點負(fù)責(zé)對空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量、雨滴等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全面感知。根據(jù)感知數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)計的控制策略，結(jié)合用戶設(shè)置的控制參數(shù)，自動控制調(diào)控設(shè)備（如空調(diào)、排氣扇、加/抽濕器、照明燈、電動窗戶、電動窗簾等）的工作狀態(tài)，以調(diào)節(jié)居室環(huán)境，為中小學(xué)生提供舒適、安全、健康的家居環(huán)境。

環(huán)境監(jiān)控節(jié)點作為主控節(jié)點，配備有OLED顯示屏、語音識別模塊和按鍵矩陣，分別實現(xiàn)信息顯示、語音控制與語音播報以及手動控制等功能。

視頻監(jiān)控節(jié)點：通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集中小學(xué)生居室的視頻數(shù)據(jù)，結(jié)合日程安排表，在非睡眠模式下對中小學(xué)生的行為進(jìn)行實時監(jiān)控。

視力保護(hù)節(jié)點：該節(jié)點負(fù)責(zé)實時采集書桌的光照強(qiáng)度以及中小學(xué)生的坐姿視頻。根據(jù)光照強(qiáng)度感知數(shù)據(jù)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)的建議（學(xué)生書桌照度范圍為300～500 lx），調(diào)節(jié)RGB護(hù)眼燈的亮度，以確保學(xué)習(xí)時的舒適度，緩解用眼疲勞。同時，通過坐姿視頻圖像實時檢測不良坐姿，并發(fā)出語音提示信息，以降低近視發(fā)生的概率。

隱私物品柜和物品管控柜節(jié)點：通過指紋識別技術(shù)完成身份認(rèn)證，實現(xiàn)開鎖功能。隱私物品柜僅本人可以打開，家長無法開啟；物品管控柜則需要家長指紋驗證或遠(yuǎn)程開鎖才能打開。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

終端節(jié)點通過家庭WiFi無線路由接入云平臺，采用MQTT協(xié)議將感知數(shù)據(jù)傳輸至云端。用戶終端（如智能手機(jī)）通過WiFi無線路由或移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G/4G/5G）接入云平臺，使用MQTT或TCP協(xié)議將控制指令從應(yīng)用層傳遞至終端節(jié)點。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層設(shè)計了一款面向中小學(xué)生的智能家居應(yīng)用軟件（手機(jī)APP），用于實時監(jiān)測中小學(xué)生居室的環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)及行為舉止，并對受控設(shè)備（如照明燈、護(hù)眼燈、電動窗戶、電動窗簾、空調(diào)、排氣扇等）進(jìn)行控制管理?？刂品绞桨ㄒ韵滤姆N：

①自動控制：根據(jù)控制策略、情景模式以及用戶設(shè)置的控制參數(shù)，結(jié)合感知數(shù)據(jù)，自動調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)。

②手動控制：通過主控節(jié)點的鍵盤，對受控設(shè)備進(jìn)行手動控制和調(diào)整。

③語音控制：通過語音識別技術(shù)解析控制指令，對受控設(shè)備進(jìn)行語音控制和調(diào)整。

④遠(yuǎn)程控制：使用智能手機(jī)對受控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和調(diào)整。

2 終端節(jié)點設(shè)計

2.1 終端節(jié)點硬件電路一般組成框圖

從圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，需要設(shè)計的硬件主要是感知/控制終端節(jié)點，本文均以STM32單片機(jī)和WiFi模塊為核心器件進(jìn)行設(shè)計，其一般組成框圖如圖2所示（各終端節(jié)點選用的傳感器及執(zhí)行器的型號和數(shù)量不同）。

2.2 終端節(jié)點硬件的選取

各終端節(jié)點的MCU均選用STM32F103C8T6，WiFi模塊均選用EPS8266，傳感器、執(zhí)行器等硬件的選擇見表1。

2.3 終端節(jié)點軟件設(shè)計

2.3.1 環(huán)境監(jiān)控節(jié)點（主控節(jié)點）軟件設(shè)計

（1）軟件總體功能

環(huán)境監(jiān)控節(jié)點同時作為主控節(jié)點，其軟件總體功能框圖如圖3所示。

①初始化：包括GPIO、系統(tǒng)時鐘等系統(tǒng)初始化，外部中斷和定時器中斷初始化，傳感器、顯示器、WiFi模塊等外設(shè)初始化，控制變量、控制參數(shù)默認(rèn)值初始化等。

②系統(tǒng)設(shè)置：包括終端節(jié)點ID、名稱、密碼設(shè)置，WiFi名稱、密碼設(shè)置，自動控制、手動控制、語音控制和遠(yuǎn)程控制方式設(shè)置，各種受控設(shè)備的自動控制參數(shù)設(shè)置等。

③設(shè)備控制：根據(jù)控制方式和控制策略，對照明燈、電動窗戶、電動窗簾、空調(diào)、加/抽濕器、排氣扇等進(jìn)行控制管理。各種受控設(shè)備在手動、語音、遠(yuǎn)程控制模式下，直接響應(yīng)控制指令并完成相關(guān)操作。自動控制模式下的控制策略見表2。

（2）主控程序流程

根據(jù)環(huán)境監(jiān)控節(jié)點總體功能框圖，畫出其主控程序流程，如圖4所示。

（3）中斷程序流程

手動（鍵盤）控制采用外部中斷，語音控制、遠(yuǎn)程控制和自動控制采用軟中斷。其中，手動控制、語音控制和遠(yuǎn)程控制中斷程序流程如圖5所示。

手動控制中斷的處理流程如下：首先進(jìn)行鍵盤掃描，判斷按鍵號。如果按下的是情景模式設(shè)置按鍵，則進(jìn)行當(dāng)前情景模式的設(shè)置，包括學(xué)習(xí)模式、睡眠模式、娛樂模式和自由支配模式四種，并將當(dāng)前情景模式上傳至云端，更新日程安排。如果按下的是設(shè)備控制按鍵，則根據(jù)按鍵號生成與遠(yuǎn)程控制和語音控制相同的控制指令格式，后續(xù)流程與遠(yuǎn)程控制和語音控制一致，如圖5虛線框部分所示。

虛線部分的流程如下：首先進(jìn)行控制指令解析。如果解析成功，判斷指令是參數(shù)設(shè)置指令還是設(shè)備控制指令。如果是參數(shù)設(shè)置指令，則執(zhí)行參數(shù)設(shè)置操作；如果是設(shè)備控制指令，則根據(jù)解析結(jié)果對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行操控[7-8]。

自動控制中斷程序的流程圖依據(jù)表2的控制策略，結(jié)合采集的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整受控設(shè)備的工作狀態(tài)。具體流程此處省略。

2.3.2 視頻監(jiān)控節(jié)點軟件設(shè)計

視頻監(jiān)控節(jié)點從云端獲取日程表。當(dāng)前日程處于非睡眠模式時，系統(tǒng)自動接通網(wǎng)絡(luò)攝像頭電源，家長可以通過手機(jī)APP啟動第三方軟件，對居室進(jìn)行視頻監(jiān)控，幫助家長掌握中小學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和玩手機(jī)等娛樂行為。當(dāng)中小學(xué)生出現(xiàn)“違規(guī)”行為時，系統(tǒng)可以進(jìn)行語音提示與警告。當(dāng)前日程處于睡眠模式時，系統(tǒng)自動切斷攝像頭電源，家長無法進(jìn)行視頻監(jiān)控，以保護(hù)中小學(xué)生的隱私。視頻監(jiān)控節(jié)點程序流程如圖6所示。

2.3.3 視力保護(hù)節(jié)點軟件設(shè)計

（1）程序流程

視力保護(hù)節(jié)點從云端獲取日程表，在當(dāng)前日程處于學(xué)習(xí)模式時，系統(tǒng)自動接通護(hù)眼燈電源。若需要手動打開護(hù)眼燈，則通過主控節(jié)點改變當(dāng)前日程為學(xué)習(xí)模式即可。視力保護(hù)節(jié)點程序流程如圖7所示。

（2）坐姿檢測算法

調(diào)整K210攝像頭，使中小學(xué)生坐下時人臉剛好處于攝像區(qū)域中央。

攝像頭模塊先判斷圖像中是否包含人臉區(qū)域，如果圖片中存在人臉，將人臉的位置用紅色矩陣方框標(biāo)記出來，并獲取人臉位置的四個頂點坐標(biāo)，如圖8所示。

若左頂點坐標(biāo)或右頂點坐標(biāo)與圖像邊框最短距離小于圖像寬度的25%，或上頂點坐標(biāo)或下頂點坐標(biāo)與圖像邊框最短距離小于圖像高度的25%，則可以判定此時中小學(xué)生的坐姿可能出現(xiàn)了問題[9-10]，如圖9所示。

2.3.4 隱私物品柜和管控物品柜節(jié)點軟件設(shè)計

隱私物品柜和管控物品柜節(jié)點從云端獲取日程表。當(dāng)前日程處于非學(xué)習(xí)模式時，中小學(xué)生可以通過指紋識別打開隱私物品柜；當(dāng)前日程處于娛樂模式時，中小學(xué)生可以向家長申請打開管控物品柜。家長收到申請后，可以通過指紋開鎖或手機(jī)遠(yuǎn)程開鎖的方式打開管控物品柜，并啟動計時功能。當(dāng)計時結(jié)束時，系統(tǒng)會在本地發(fā)出語音提示，同時向中小學(xué)生和家長的手機(jī)發(fā)送文字和語音提示，提醒中小學(xué)生歸還管控物品。隱私物品柜和管控物品柜節(jié)點程序流程如圖10所示。

3 用戶終端應(yīng)用程序設(shè)計

家長和中小學(xué)生均使用智能手機(jī)作為用戶終端，手機(jī)APP的基本框架一致，但功能有所不同。家長手機(jī)APP僅具備日程表查看功能，不具備編輯功能，但增加了視頻監(jiān)控和管控物品柜遠(yuǎn)程開鎖功能，而中小學(xué)生手機(jī)APP則不具備這些功能。限于篇幅，本文僅展示家長手機(jī)APP的首頁界面，如圖11所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，不僅具備環(huán)境監(jiān)測、語音識別、遠(yuǎn)程控制等現(xiàn)有智能家居的基本功能，還針對中小學(xué)生的個性化需求，新增了不良坐姿實時監(jiān)測與語音提醒、隱私物品柜和管控物品柜、日程安排與提醒、視頻監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)旨在為中小學(xué)生提供舒適、安全、健康的家居和學(xué)習(xí)環(huán)境，同時為家長提供有效的管理手段。

注：本文通訊作者為周開利。

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