基于雙目視覺的無障礙智能家居控制系統設計

鄭鈺瑩 袁傲冰

摘? 要： 針對傳統控制系統在運行過程中控制指令數據損失量過大，導致控制系統控制范圍過小的問題，設計一種基于雙目視覺的無障礙智能家居控制系統。硬件部分采用ARM處理器，處理控制數據，內設一個無線數傳模塊，滿足系統多點通信控制要求;重新定義單片機管腳功能，在單片機每對VCC和GND管腳上放置一個短引線的電容，完成主控電路的設計。軟件部分使用神經網絡層處理控制系統中不同的家居單元，計算出控制指令數據損失量，利用Java編程控制各個控制指令，完成控制系統的軟件設計。實驗結果表明，與傳統控制系統相比，基于雙目視覺的無障礙智能家居控制系統可控制的范圍更大，更適合實際推廣使用。

關鍵詞： 智能家居; 控制系統; 雙目視覺; 數據處理; 軟件設計; 指令控制

中圖分類號： TN929?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）18?0067?04

Abstract： In allusion to the problem that the control range of the control system is too small because of the excessive loss of the control instruction data in the operation process of the traditional control system， an accessible intelligent home control system based on binocular vision is designed. In the hardware part， ARM processor is used to process the control data， in which a wireless data transmission module is set to meet the requirements of multi?point communication control of the system. The pin function of the single?chip microcomputer （MCU） is redefined. A capacitance with short lead is placed on each pair of VCC and GND pins of MCU to complete the design of the main control circuit. In the software part， the neural network layer is used to deal with different household units in the control system， the loss of control instruction data is calculated， and each control instruction is programmed with JAVA to complete the software design of the control system. The experimental results show that， in comparison with the traditional control system， the accessible intelligent home control system based on binocular vision has a wider control range， and is more suitable for promotion and practical application.

Keywords： intelligent home; control system; binocular vision; data processing; software design; instruction control

0? 引? 言

無障礙智能家居系統是一項針對老年人或是視覺、聽覺出現障礙的用戶所設計[1]的，通過構建高效的智能住宅設施與家庭事務管理系統[2]，將其安置于居住環境，智能化的操作方式解決了老年人日常生活中的家居問題[3]。傳統的智能家居控制系統采用總線組網的方式，將設備通信和控制全部基于一條總線上，導致布線工程與現場施工任務過重，后期發展的擴展性差，不適合實際推廣使用[4]。雙目立體視覺（Binocular Stereo Vision）是機器視覺的一種重要形式，它基于視差原理并利用成像設備從不同的位置獲取被測物體的2幅圖像，通過計算圖像對應點間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息，具有較強的擴展性。隨著我國人口老齡化程度不斷加深，智能家居需求增大，將雙目視覺技術應用于無障礙智能家居控制系統，是時代發展的必要[3]。將移動終端與家居設備連接起來，集中控制、遠程操作家用電器與安防設施，可以更好地保證老年人或是殘疾人士的日常需求，保護他們的人身安全。

1? 控制系統硬件設計

1.1? 設計控制開發板

開發板處理器選擇ARM處理器，利用其32位的精簡指令集處理器架構，兼容多個8位和16位器件。芯片使用S3C2440微處理器，其內部集成ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，支持主頻[5]400 MHz，最高至522 MHz。使用一個LCD顯示，連接以太網RJ 45接口。將3個串口接口，分別連接USB Host，USB Slave B型接口以及PWM控制蜂鳴器。將攝像頭接口連接開發板的拓展接口34 Pin GPIO引腳，最終接入到40 Pin系統的總線接口。實際的開發板如圖1所示。

開發板的射頻模塊使用有效工作范圍為433 MHz/868 MHz/915 MHz開放的ISM頻段，利用nRF905芯片自身內部集成的頻率調制器，調制不同家居的工作指令，利用芯片自身帶有解調器的接收器接收不同控制指令的頻率[6]。使用功率放大器實現同指令控制不同功率的家居設備，防止因功率轉換不當，導致安全事故的發生。利用調節器收發控制指令的32 B數據，調整發射速率為50 Kb/s，外置一個433 MHz天線。

控制開發板內設置一個S003nRF905無線數傳模塊，調節數傳模塊的工作頻率范圍在422.4～473.5 MHz之間，內置512個通信頻道滿足多點通信、調頻分組控制方式[7]。使用SMA接口連接外置天線，增強控制信號的發送接收功能，連接圖如圖2所示。

系統硬件的芯片STM32和nRF905以及家電設備組成了設備節點，射頻與STM32經過I/O口相連，模擬出SPI總線連接方式的穩定效果。控制開發板設計完畢后，設計主控電路，實現線路主控功能[8]。

1.2? 設計主控電路

按照不同家居功能設計主控電路時，重新定義單片機的引腳功能，將晶振電路的總線位與芯片位置于同一層，并使用“地”網絡包圍，避免晶振下面鋪地[9]。在每個電源管腳處接入一個0.1 μF的去耦陶瓷電容，消除I/O口開關切換產生的高頻噪聲。在單片機每對VCC和GND管腳上放置一個短引線電容，內部集成64 KB ROM和8 KB RAM。最終的晶振電路、復位電路以及電源去耦電路如圖3所示。

由圖3可知，將晶振電路盡量靠近芯片管腳，采用包地敷銅的連接方式，消除高頻噪聲，完成硬件部分的設計[10]。

2? 控制系統軟件設計

2.1? 計算控制指令數據損失量

計算控制指令數據損失量，使用神經網絡層處理控制系統中不同的家居單元[11]。將控制系統控制的一個種類的家居單元看作一個神經網絡的處理單元，設此時的家居處理單元為[Xi]，連接的權值為[Wi]，此時的內部處理閾值為[θ]，此時處理單元的輸入方式為：

式中：[Xi]表示第[i]個參數輸入值;[Wi]表示此次控制家居單元和接下來控制第[i]個處理單元的連接權值;[f]表示應用函數或是激活函數;[θ]表示隱含控制層神經節點的閾值。為了降低系統在日常過程中的損耗，設[hθ（x）]為假設函數，[x]為激勵參數，[y]為響應參數，則損失函數為：

調用控制系統的PC端應用接口函數*SIGet NumDevices（），將式（3）計算出的控制指令損失數值調整為0，避免控制指令數據在傳輸過程中損失量過高[12]。計算出控制指令的損失量后，利用Java編程，將控制系統中的控制指令編程錄入系統。

2.2? Java編程控制指令

使用Java編程控制指令時，設置請求幀的格式，定義傳輸數據碼結構，利用運行傳輸代碼：

??packed typedef? struct{

u8 Count_433;// TX Time 433? ad time 433[NODE_ CNT];//

}STO R_33_DATA//?packed typedef? struct{

u8 addr 433[2];//

else if（（（temp_I*8/3）

支持運行雙目視覺的控制攝像機，并傳輸數據至芯片的中心數據處理模塊中[13]。使用約束代碼：

about 8266_ send cmd {"AT+CWMODE=3"，"OK"） }

while（about 8266 send_cmd {"AT+CIFSR"，"APIP "，}）;// temperature=wendu shi+0x30;0] 11） =wendu ge+0x30r...L F...L

humidity }0}=shidu_ shi+0x30;

實現規定控制板遠程控制屋內濕度要求，并根據土壤濕度，設定室內植物澆灌的周期時間[14]。利用循環代碼：

for（j=O;j

{

Receive[j]=Receive[j]<<1; //

if（（（temp_ l/3）

else if（（（temp_I*8/3）

用來運行室內煤氣監測機制。綜合3種控制指令，完成控制系統的軟件設計[15]。

3? 實? 驗

3.1? 實驗準備

實驗準備安裝在室內的傳感器，詳細參數見表1。

準備實驗控制系統控制的智能家居環境如圖4所示。

分別使用2種傳統控制系統與基于雙目視覺的無障礙智能家居控制系統對圖4中的控制環境進行實驗，對比3種控制系統可以控制家居環境的控制范圍。

3.2? 實驗結果分析

規定3種控制系統實驗時所用圖4實驗環境長寬高的面積為20 m×10 m×6 m，將圖4實驗環境轉換為三維立體坐標系。3種控制系統最終的控制范圍見圖5。

由以上3種實驗結果顯示，將圖4控制的家居環境變換成為三維坐標系，傳統控制系統1最終控制的長度控制范圍為0～8 m，寬度控制范圍為0～8 m，高度控制范圍為0～3.5 m;傳統控制系統2最終長度控制范圍為0～14 m，寬度控制范圍為0～9 m，高度控制范圍為0～5 m;而基于雙目視覺的無障礙智能家居控制系統的長度控制范圍為0～20 m，寬度控制范圍為0～10 m，高度控制范圍為0～5.5 m，可監控范圍更大，更適合在實際智能家居中使用。

4? 結? 語

隨著人們對家居的要求逐步向安全舒適的高品位追求發展，將雙目視覺技術應用于無障礙智能家居控制系統，成為熱門研究的方向。本文通過設計控制系統相關軟硬件，完善系統控制電路，計算數據損失量，編程控制指令，針對傳統控制系統的不足，改進傳統控制系統控制范圍小的問題，增加控制系統的實用性，進一步提升用戶的體驗。

注：本文通訊作者為袁傲冰。

參考文獻

[1] 高麗英.融合網聯車輛的智能家居協同監控系統[J].電子技術應用，2018，44（1）：60?64.

[2] 肖丁，王乾宇，蔡銘，等.智能家居場景聯動中基于知識圖譜的隱式沖突檢測方法研究[J].計算機學報，2019，42（6）：1190?1204.

[3] 黃鵬程，楊波，萬新軍，等.基于雙目視覺的多點三維振動測量系統[J].光學技術，2018，44（4）：448?452.

[4] 郭子興，張曉林，高巖.基于雙目視覺的增強現實系統設計與實現[J].電子設計工程，2018，26（23）：1?6.

[5] 黃一凡，楊建業，戚國慶.基于二自由度轉臺的雙目視覺跟蹤技術研究[J].電子設計工程，2018，26（14）：181?185.

[6] 嚴亮，舒志兵，李照.基于SURF+RANSAC的雙目立體視覺目標識別與抓取[J].機床與液壓，2019，47（9）：76?80.

[7] 趙江濤，顧季源，張東亮，等.海洋觀測浮標搖擺姿態視頻測量方法及試驗分析[J].電子設計工程，2019，27（15）：179?183.

[8] 邱佳楷，王然風，付翔.重介質懸浮液密度寬域智能控制系統設計[J].工礦自動化，2019，45（7）：33?37.

[9] 荀艷麗，焦庫，張秦菲.基于物聯網技術的智能停車系統設計與實現[J].電子設計工程，2019，27（3）：59?62.

[10] 劉東波，陳玉娟，黃勇成.核電廠數字化儀表控制系統智能設備接口設計[J].核科學與工程，2019，39（3）：485?491.

[11] 武書彥，朱坤華，王輝，等.人工智能系統設計在園藝栽培生產中的運用[J].農機化研究，2018，40（2）：216?220.

[12] 張景璐，王琳娜，趙妍.一種激光傳感器在智能控制中的設計與應用[J].激光雜志，2018，39（10）：160?164.

[13] 黃瑩，盧秉恒，趙萬華.云計算在智能機床控制體系中的應用探析[J].機械工程學報，2018，54（8）：210?216.

[14] 李亞勇，蔡英鳳，陳龍，等.考慮前后方車輛行駛狀態的ACC系統控制方法[J].汽車工程，2019，41（8）：865?871.

[15] 古磊，竺小松.有源相控“智能蒙皮”波束控制系統的設計與實現[J].火力與指揮控制，2018，43（4）：152?157.