家庭智能終端系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

□濮家樂 宋萬洋 郝作欣

隨著社會的進步和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對生活水平有了越來越高的要求，智能家居概念應運而生并得到大力發(fā)展。智能家居系統(tǒng)通過實時采集家庭中的環(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)計并實現(xiàn)的以樹莓派為控制中心[2]、用ZigBee無線組網(wǎng)[3]的家庭智能終端，它除了智能家居系統(tǒng)普遍具有的特點外，還可以利用多種方式與人們進行交互，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，具有功能全面、安裝部署簡便、操作使用方便等特點。系統(tǒng)是一個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自動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)通過控制中心上傳至云服務器，用戶可以在任意地點通過手機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)，自動判定是否需要開閉空調(diào)、空氣凈化器等家電，以保證家庭中時刻具有舒適的生活環(huán)境；另一方面，可以根據(jù)用戶手機端制定控制計劃或者實時控制，實現(xiàn)遠程控制家電的功能。

(三)危險信號警報功能。系統(tǒng)要對家庭中的危險因素，主要是有毒有害氣體和火災進行實時監(jiān)控。當監(jiān)測到環(huán)境中的有毒有害氣體濃度超過預設(shè)值，或者家中有濃煙或者火光出現(xiàn)時，需要在家中播放警報信號并及時將險情推送手機端，降低危險情況發(fā)生的概率。

(四)語音交互功能。系統(tǒng)通過話筒和音響實現(xiàn)交互功能。語音交互指令分為控制類指令和問答類指令兩種，當檢測到用戶的語音指令之后，對指令進行分析，如果指令是控制類指令的話，進行相應的控制操作，否則判定為問答類指令，將指令的內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)搜索最接近的答案，并且將答案轉(zhuǎn)換成語音通過音響播放，從而實現(xiàn)語音交互功能，提高系統(tǒng)易用性和實用性。

(五)視頻監(jiān)控功能。系統(tǒng)可以掛載攝像頭等監(jiān)控設(shè)備，用戶通過手機端實時查看家庭中的視頻信息，并設(shè)定自動看家模式。開啟看家模式之后，系統(tǒng)自動檢測家中視頻，如果有檢測到移動物體，會自動開啟錄像模式，記錄下一段時間的視頻信息，并在手機端推送警告通知。

二、系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

家庭智能終端系統(tǒng)主要分為四個部分：安卓手機端、云端服務器、家庭微型控制中心和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。系統(tǒng)正常工作時，由分布在家庭不同位置的ZigBee無線傳感器設(shè)備通過無線的方式，將測得的數(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)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給云端服務器，由云端服務器負責數(shù)據(jù)處理和保存，并且將經(jīng)過處理后的部分數(shù)據(jù)返回給控制中心，在控制中心的顯示屏顯示。而當安卓手機端使用時，直接從云端數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，并將控制指令發(fā)送給云端服務器，由云端服務器作為手機客戶端和家庭微型控制中心的“中介”進行工作。

(一)家庭智能終端系統(tǒng)硬件設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計主要集中在微型控制中心和ZigBee無線傳感器設(shè)備兩個模塊。微型控制中心以樹莓派3代作為控制核心，操作系統(tǒng)采用CentOS7系統(tǒng)，通過GPIO口和USB口接收輸入信號，此外，控制中心還包括一塊17英寸1920*1080顯示器，負責顯示系統(tǒng)檢測到的各種家庭數(shù)據(jù)以及提示信息等，ZigBee無線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，主要用來和樹莓派傳遞數(shù)據(jù)，并控制處理ZigBee節(jié)點信息、任務管理等工作；二是ZigBee路由器節(jié)點，同樣使用CC2530芯片，用來跟主控制器進行無線通信，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)計與實現(xiàn)。系統(tǒng)涉及到軟件方面的有：云服務端數(shù)據(jù)存儲和處理程序、家庭微型控制中心程序、手機客戶端控制和顯示程序。

1.云服務端數(shù)據(jù)存儲和處理程序。云服務器租用阿里云服務器，與家庭控制中心通過Socket連接傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用MySQL，由Java Servlet負責接收發(fā)送數(shù)據(jù)，與手機客戶端通過HTTP協(xié)議，JSON格式傳遞數(shù)據(jù)。主要起到以下兩個作用：一是接收并存儲樹莓派發(fā)來的數(shù)據(jù)信息：樹莓派每隔3秒向服務器發(fā)送一次狀態(tài)信息，云服務器接收到數(shù)據(jù)之后根據(jù)預定策略處理并存儲數(shù)據(jù)，并向樹莓派發(fā)送指令數(shù)據(jù)。二是與手機客戶端交互：當檢測到手機客戶端發(fā)送的請求之后，按照需求從數(shù)據(jù)庫系統(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，主要有數(shù)據(jù)通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機交互界面、語音交互模塊。主要負責數(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)，并對數(shù)據(jù)進行簡單處理，發(fā)送給云服務器。語音交互模塊負責接收話筒的波形數(shù)據(jù)，將語音信號轉(zhuǎn)換成文字信號，并提交給控制中心進行命令判定，處理完成之后再經(jīng)過語音交互模塊將文字轉(zhuǎn)換成語音播報給用戶。

3.手機客戶端控制和顯示程序。手機客戶端程序基于安卓平臺，采用Android Studio軟件開發(fā)，主要分為注冊登錄、數(shù)據(jù)顯示、控制按鈕、視頻監(jiān)控四個核心功能。用戶可以在手機端查看家中環(huán)境數(shù)據(jù)，可以控制相應傳感器的開關(guān)，可以查看家庭監(jiān)控畫面，并且可以接收服務器推送的各種緊急信息。

三、結(jié)語

智能家居系統(tǒng)使人們的生活越來越便利，越來越智能。本文設(shè)計并實現(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ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)連接，方便用戶在家庭中部署安裝，系統(tǒng)創(chuàng)新性的實現(xiàn)了語音控制和語音問答的功能，增加了系統(tǒng)的交互性和易用性。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)保存到云服務器，通過對數(shù)據(jù)的分析，可以實現(xiàn)簡單的自動管理功能，用戶還可以通過手機端查看家庭中環(huán)境信息、控制并管理家中傳感器，可以有效提高用戶家庭生活的智能性、舒適性，使用戶享受更加便捷的智能家庭生活。