基于TRIZ理論的智能家居照明系統設計

(沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159)

照明系統綜合了電子技術、計算機技術、通信技術等多種技術，可以輕松實現利用手機、平板、智能穿戴設備等移動終端對家庭照明系統的控制，也可以通過中央主控器上裝備的語音識別芯片實現對照明系統的語音控制。本產品中央主控器主體設計為床頭臺燈樣式，配備液晶顯示屏幕，以此進行系統更改和設置。同時，本產品也可與當下主流的穿戴設備結合，通過對心跳呼吸的監測判斷用戶是否為醒來狀態，再結合光傳感器感應數據做出是否自動開啟床頭臺燈的決策。

首先，我們通過功能分析，進行解剖和全面分析；再利用TRIZ理論對需要解決的問題提出可實施方案并通過參考TRIZ相關的發明原理制定了一系列的方案；最后實現最終理想的解決方案，找到問題的發展方向。

一、問題描述

(一)項目概述。經濟的發展與技術的進步帶動著人們更加渴望高品質的生活質量，作為當今產業大熱門的智能家居逐漸成為市場關注的焦點，很多科技公司紛紛開發出自己的產品。不過由于浮夸的宣傳，不合理的定位和高昂的價格，導致了消費者紛紛對智能家居產品望而卻步，行業呈現出叫好不叫賣的現象。鑒于此種情況，本次設計定位于智能家居中低端產業，開發設計出一款簡單實用、價格低廉的智能家居照明系統，目的是在于讓普通人也可以享受科技發展的成果。

該照明系統綜合了電子技術、計算機技術、通信技術等多種技術，可以輕松實現利用手機、平板、智能穿戴設備等移動終端對家庭照明系統的控制，也可以通過中央主控器上裝備的語音識別芯片實現對照明系統的語音控制。

(二)發明問題初始形勢分析。系統的工作原理：整個產品可以分為六部分組成：智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端、服務器、中央主控器、協調器、ZigBee控制子模塊。智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端是終端控制器；服務器，語音識別分控制端通過無線與主控器連接，主要由WiFi收發模塊構成，完成家庭內部與外部通信網絡的連接；中央主控器是家庭內部核心控制器；協調器主要由ZigBee模塊構成，負責主控器和各子控制器之間的信息交互。四個部分的有機結合，可以實現對家庭照明的智能控制。

最終理想解：設計一款移動終端通過無線技術控制的智能家居照明系統，能過通過移動智能終端來控制照明設備的開與關。并通過在照明系統中的智能網關系統加入入侵檢測技術，來提高安全系數，來保證用戶的隱私數據。

限制條件：(1)遠程控制方案的設計；(2)基于ZigBee安全協議的調整；(3)認證功能的實現。

二、系統分析

圖1 系統整體架構圖

智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端、服務器、中央主控器、協調器、ZigBee控制子模塊。智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端是終端控制器；服務器，語音識別分控制端通過無線與主控器連接，主要由WiFi收發模塊構成，完成家庭內部與外部通信網絡的連接；中央主控器是家庭內部核心控制器；協調器主要由ZigBee模塊構成，負責主控器和各子控制器之間的信息交互。四個部分的有機結合，可以實現對家庭照明的智能控制。

家居照明控制系統工作原理及具體步驟如下：

Step 1：使用手機的家電控制軟件，相應控制界面上的控制按鍵一經觸發，對應的編碼指令便會通過WiFi網絡發送到無線控制網關的WiFi模塊。在利用語音識別分控制端時，通過固定在臥式，客廳的分控制端，直接提供語音指令，控制端識別語音指令后通過無線模塊將識別后的指令發送到無線控制網關的主控。在利用智能穿戴設備進行控制時，可以分為兩種，一種是在清醒狀態下使用語音發送命令，在穿戴設備對接收的語音信號進行分析轉碼后轉化為相應指令，通過WiFi網絡發送到無線控制網關的服務器；一種是在睡眠狀態下，由穿戴設備采集的用戶心跳與呼吸的數據進行判斷，然后發送相應指令通過WiFi網絡發送到無線控制網關的服務器。

Step 2：服務器通過無線把數據發送到無線控制網關的主控芯片中，主控芯片接收到編碼指令以后會立即在內部對編碼指令進行相應的協議轉換和數據處理，處理完的數據會通過信息內容，加入要發送到Zig Bee終端節點的信息頭，后通過USART串口傳送到協調器中。

Step 3:Zig Bee協調器接收到主控芯片處理后的數據，會把數據按照相應的標準協議對數據進行一定的處理，最后把處理后的數據發送到相應子控制器的Zig Bee終端節點，相應終端節點接到指令后，識別信息信息頭確定是否是對當前家電操作的信息，如信息頭匹配，則根據指令對家電操作；如不匹配，則不作處理。ZigBee模塊也不斷發送控制模塊的當前狀態。

Step 4:與此同時，主控芯片也會定時通過ZigBee模塊查詢聯網的子控制模塊控制的狀態，如果哪一個子系統狀態發生了變化被主控芯片檢測到，主控芯片便會經過數據處理和協議轉換把變化的子系統狀態傳送到控制終端與家電控制軟件。

最后將整個家庭電器通過WiFi和控制終端連接在了一起，同時在無線網關的管理和檢測下，對其可以進行集中化、智能化、遠程化的管理，最終實現了智能化的家庭燈光照明控制。

三、技術方案整理與評價

(一)全部技術方案及評價。方案1：把傳統照明設備換成智能照明設備，不再需要人工直接接觸開關，比如通過聲音打開照明設備等等。方案2：隨著智慧城市的來臨，可以通過5G技術控制照明設備。

(二)最終確定方案。通過TRIZ分析方法最終確定可實施方案，成功的完成了本次設計，在主控器的設計上，選用意法半導體公司生產的一款基于Cortex-M3 核心的32位增強型ARM微處理器STM32F103RCT6 作為智能家居網關的核心處理器，設計出一款簡單實用、價格低廉的智能家居照明系統，目的是在于讓普通人也可以享受科技發展的成果。系統選擇STM32F103RCT6芯片作為主控器主要具有以下幾種優勢：(1)成本低；(2)功能強大；(3)技術成熟；(4)功耗相對較低。

四、結束語

根據Analysys易觀發布的《中國智能家居市場趨勢預測報告2017-2019》數據顯示，2016年中國智能家居市場規模達到1140億元人民幣，2017年預計規模將達到1404億元人民幣，同比增長23.2%，增長較為迅速。智能家居涵蓋了智能終端、物聯網等相關技術，是科技創新的集大成者，市場前景廣闊。隨著技術的成熟和設備的智能化，一場電子革命即將到來，到2019年，中國智能家居市場規模預計達1950億元人民幣，市場發展潛力巨大，為公司提供更廣闊的市場空間。