家用智能裝置系統的研究與設計

陳健豪 王祖吉 歐陽兆國 陳 瑜 高 遠（指導老師）

（廣西科技大學，廣西 柳州545006）

1 研究的主要內容

以STM32 為控制核心，結合家居使用場景，用履帶式移動平臺作為家用智能裝置的系統載體，根據家居的安全性和環境舒適度參數要求，以及考慮一定的娛樂性功能要求，擬開展如下的主要研究內容：

1.1 設計家居環境濕度、煙霧、可燃氣體、PM2.5 和陌生人非法入戶情況的多傳感檢測電路，家用電器電源的無線控制電路和環境狀態異常的報警電路。

1.2 研究語音識別技術和自動充電技術，設計家用智能裝置的語音識別控制電路和自動充電電路。

1.3 研究制定出家用智能裝置室內自動巡檢路徑的循跡方法，家用智能裝置與用戶終端間的遠程通信技術方案。

1.4 設計家用智能裝置行進運動的控制電路，包括自動避障電路、行進運動（含跟蹤用戶行進、自動巡檢）的控制電路。

1.5 研究與實現家用智能裝置的娛樂功能，包括語言交流，自動跟隨。

2 家用智能裝置系統設計

本裝置結合家居使用場景，利用履帶式移動平臺作為家用智能裝置的系統載體，主要設計了電子寵物狗的路徑規劃、建立家庭環境的無線傳感器采集網絡、異響檢測和人臉識別技術對陌生人非法入戶情況檢測、建立遠程控制家庭電器設備網絡、自動充電功能以及基于AI 人工智能一定的娛樂功能。

2.1 家用智能裝置的結構原理

所提出基于STM32 的家用智能裝置的結構原理，物聯網服務器采用ONENET 與訊飛云平臺，擬定STM32F103ZET6 微處理器為核心，SD 卡實現數據的存儲;ESP8266 通信實現無線傳輸,將數據傳送至云端，通過終端接收數據；采用樹莓派3B+與激光雷達，通過SLAM算法實現家用智能裝置的路徑規劃；采用訊飛AI 人工智能開發平臺下的語音模塊實現語音控制技術的應用，提高家用智能裝置與主人的互動和娛樂。如圖1 所示。

2.2 移動巡檢的路徑規劃

采用樹莓派3B+與激光雷達通過SLAM 算法進行家用智能裝置的同步定位與地圖構建從而實現移動巡檢路徑的規劃，并通過樹莓派3B+串口與STM32 串口建立通信，激光雷達與樹莓派3B+處理得到的地形數據來判斷家用智能裝置的路徑預設，通過樹莓派串口下發指令給STM32 進而控制電機驅動模塊完成移動巡檢。

圖1 家用智能裝置的結構原理

如圖2，EKF 原理，用對環境的激光掃描糾正機器人位置。EKF 跟蹤機器人位置的不確定估計以及環境中的不確定地標，負責更新機器人原始的狀態位置。結合激光三角測距技術和SLAM 算法，家用智能裝置進行掃描建筑，建立全局地標，最終實現地圖構建、室內自主定位和自主導航（路徑規劃）。

圖2 EKF 測距原理

2.3 家庭環境的無線傳感器采集網絡

結合家庭在不同時間段對溫度、濕度、有害氣體含量、空氣中PM2.5 含量等居住條件的需求，以及監控有效區域條件，采用定時巡控模式，擬選擇PM2.5 傳感器、DHT11 溫濕度傳感器，構建無線檢測傳感器網絡，并以驅動設備和WIFI 遠程控制模塊搭建無線傳感器采集網絡，對用戶居住環境狀態進行實時的數據采集并傳送到云端，用戶可在終端實時查看。

2.4 異響檢測和人臉識別技術對陌生人非法入戶情況檢測

當用戶不在家的時，用戶開啟無人自主安全巡檢功能。當有陌生人非法進入室內時，家用智能裝置便會通過聲音采集傳感器采集異常響動和開啟人臉識別安全檢測功能，當所識別的入戶人員的人臉信息為陌生人的信息時，便會觸發警報系統。通過郵箱警報發送到用戶的手機端同時拉響警報。

2.5 建立遠程控制家庭電器設備網絡

采用ESP8266 聯網微處理器與物聯網云端建立無線通信。并通過ESP8266 來控制繼電器的常開和閉合狀態從而實現遠程控制家庭電器。用戶可通過對家用智能裝置下達相關控制家庭電器狀態的語音指令，家用智能裝置通過對語音指令的識別，將識別的指令通過聯網模塊發送到物聯網云端，并通過云端下發到相應的ESP8266 聯網微處理器構成的遠程控制電器開關進而控制繼電器的開關狀態或者用戶可以直接通過終端下發指令從而達到遠程控制家庭電器的功能。圖3 為遠程控制電路開關的工作原理圖。

圖3 為遠程控制電路開關的工作原理圖

2.6 設計家用智能裝置自動充電電路

當家用智能裝置檢測到自身電量過低時，家用智能裝置打開藍牙模塊與充電端的藍牙模塊進行通訊。本項目采用藍牙定位模塊，通過藍牙制造的定位系統測量信號的強度來定位。它的功率比較低、體積比較小、非常容易集成在家用智能裝置的電路中。采用這種技術，家用智能裝置不容易受視距的影響，也就是即便有障礙物阻擋，也能夠在直線距離內實現定位，從而實現自動尋找充電點進行充電的功能。

2.7 實現家用智能裝置的娛樂功能

本裝置在傳統的智能家居管理系統上為了滿足現在大眾的更高需求。家用智能裝置在智能家居管理基礎上增加一定的娛樂功能：

①人工智能語音交流功能

結合現在的人工智能AI 技術，采用訊飛AI 人工智能開發平臺下的語音模塊通過與STM32 建立串口通信、網絡共用來實現語音控制技術的應用。在人機交互上采用先進的AI 技術實現家用智能裝置能通過云平臺調用數據，與用戶進行一定的語言交流，增加家用智能裝置與主人的互動和提高娛樂性。

②家用智能裝置自動跟隨功能

家用智能裝置通過使用訊飛AI 人工智能開發語音模塊與聯網模塊共用網絡連接到訊飛平臺并且通過與STM32 建立的串口通信調用平臺相應的數據完成智能對話、語音識別的功能。同時用戶可通過發出語音跟隨指令，家用智能裝置在識別相應指令后開啟自動跟隨模式，通過紅外避障模塊實現與用戶之間進行保持一定距離的跟隨功能。從而在我國現有的家居管理系統中體現出更多的人工智能，提高了娛樂性。

3 特色與創新點

3.1 結合樹莓派3B+與SLAM激光雷達的應用，家用智能裝置可進行室內定位和自動避障，實現移動巡檢功能，相比現有基于固定點布置的家居管理系統，具有更好工作機動靈活性。

3.2 采用藍牙定位的自動充電技術，保障家用智能裝置不間斷工作，可實現無人供電管理。

3.3 語音控制技術的應用，不僅家用智能裝置可跟隨用戶行進，還能進行一定的語言交流，提高人機間的互動性和娛樂性。

3.4 在居所無戶主的情況下，可通過異響檢測和人臉識別技術對陌生人的非法入戶情況進行實時檢測，并可以遠程警報，提高居所的安全保障性。

4 結論

設計的家用智能裝置具有較強的行進機構，相比其他的環境監測系統具有更高的機動靈活性；同時，人性化的語音交互系統能給用戶帶來娛樂性，無線通信能讓用戶更加方便的了解到家居環境，為用戶提供舒適的家居環境。相比傳統的智能家居管理系統，可望大大提高了系統工作靈活性以及具有一定的娛樂性，更能滿足人們對智能化家居管理系統在功能上的更高需求。