基于智能云控的智能家居交互系統

蔣文杰 聶盼紅 張展

摘要：智能家居的發展逐漸進入深水區，基礎應用在生活中比較常見，這種將多種家居設備連接起來統一管理的模式也將繼續發展。該篇文章介紹了智能家居的概念以及管理系統的組成，闡述了所涉及的基本技術，提出了一套能夠提供第三方兼容的統一云平臺智能家居交互系統。

關鍵詞：智能家居;Web;智能音箱;管理平臺

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0045-03

Abstract： The development of smart home gradually into the deepwater area， the basic application in life is more common， this will be connected to a variety of home equipment unified management mode will continue to develop. This paper introduces the concept of smart home and the composition of the management system， describes the basic technology involved， and puts forward a set of unified cloud platform intelligent home interaction system that can provide third-party compatibility.

Key words： smart home; Web; smart speakers; management platform

1 背景

隨著WIFI技術和藍牙技術的發展，短距離、遠距離通信設備的成本降低，功耗降低，性能增強，為智能家居提供了技術基礎。再加上互聯網的發展，利用硬件設備將各種家居進行設置，連接到管理平臺，進而實現對設備的統一管理、遠程監控，成為大趨勢。根據對世界物聯網的研究，盡管世界的物聯網智能家居在不停地發展，但不同國家和地區的發展方向和特點都不一樣，不是都符合我國的發展方向，我們需要遵循低碳、環保和開源節流的理念，從而獲得更長久的發展。

目前我們面臨的問題是，由于各個廠家沒有達成統一合作，導致不同的品牌都大概率有自己的平臺，對普通民眾不太友好，平臺過多導致智能家居發展受限，多個平臺讓日常操作過于煩瑣。再加上傳統家電的智能化覆蓋還是問題，由第三方提供一個完整成熟統一的云平臺，提供對各個品牌設備的兼容是市場下一階段可能的發展目標。

針對上述問題，本文設計了一個能夠提供第三方兼容的統一云平臺智能家居交互系統。通過單片機和各種模塊與家電相結合，實現傳統家電智能化，然后通過統一平臺進行設備的無線連接管理。同時，該系統可以通過Web網頁和智能音箱實現對家居的控制。

2 系統總體設計

本系統由控制部分，設備管理部分，設備部分組成，該系統的整體框架如圖1所示。

控制部分為兩塊，一塊是Web控制，另一塊是智能音箱控制，Web部分使用的是基于asp.net搭建的網頁，智能音箱是基于樹莓派使用Python借助網絡API實現的。

設備管理部分負責控制部分和硬件部分的連接。起到存儲信息，收集信息，轉發命令的作用。通過它可以實現設備的動態管理。

硬件部分利用到了WIFI模塊來無線連接和控制，根據不同的電器設備選擇不同的控制方法，讓設備具有通用性，方便對傳統家電進行智能化改造。

3 控制系統設計

該系統主要提供設備控制的入口，由兩部分獨立模塊組成，第一部分是一個基于樹莓派的智能音箱，可以通過語音下達控制指令。第二部分是一個網頁，通過驗證用戶名和密碼實現登錄，可以獲取各個硬件設備的狀態，對可操作設備下達指令。

智能音箱使用Python作為開發語言，Python是目前很流行的一種解釋型編程語言。Python的語法十分簡潔、易讀，其傾向于讓開發者使用更少的代碼來實現預期的功能，所以相比別的高級語言它在開發速度和開發效率方面有著顯著的優勢，同時也不可避免地導致運行效率的下降。因為其語言特性，在開發復雜的程序時有許多的包可以調用，可以較為輕松地實現復雜的功能。音箱處理器使用樹莓派，樹莓派（Raspberry Pi）是英國樹莓派基金會設計發售的基于Linux的單片機電腦，每一代樹莓派均使用博通（Broadcom）的ARM架構處理器，配備豐富的接口，安裝有支持以太網，WLAN，Bluetooth等協議的模塊，具備一臺PC所有基本的功能，同時可拓展性也極強。

網頁構建使用ASP.NET，ASP.NET是開源的。這是一種跨平臺、高性能、輕量級的 Web 應用構建框架。這里使用Web From傳統事件驅動開發模型，對于每一個功能控件，都可以先在HTML頁面設計好后，在后臺使用C#實現服務器端對應的交互功能。微軟將控件與后臺事件代碼的綁定過程透明化，使Web From的開發與Win From非常類似，將一些底層的原理部分類似于請求-處理-響應忽略了。

3.1 智能音箱

使用樹莓派為中心處理器[1-2]，為了滿足需求，樹莓派需要外接麥克風和揚聲器，并連接網絡，樹莓派外部連接如圖2。

樹莓派作為一臺微型計算機，工作潛力很大，在上面運行的系統為官方系統Raspbian，程序整體是通過Python編寫的，首先運行的是SNOWBOY，這是KITT.AI開發的人工智能軟件工具包，它會檢測所設置的喚醒詞，如果沒有檢測到，就會堵塞程序。如果檢測到，會有一個反饋音頻被播放出來，然后開始執行所安排的python程序入口函數，該函數會先啟動錄音功能，借助所安裝的麥克風，錄制5秒的音頻，將音頻通過百度提供的API發送過去，返回一個字符串，實現了語音轉文字的功能，再根據關鍵詞實現對文字的分解并生成指令，最后將生成的指令寫入到所設置的MYSQL數據庫中[3]，最后根據指令運行反饋，通過揚聲器進行結果反饋，完整流程如圖3。

3.2 網頁服務

該部分使用ASP.NET和C#構建網頁，網頁使用三層結構[4]。

總體功能體系如圖4。

其中修改函數和查詢函數的主要功能是通過使用上層提供的參數，生成對應的SQL語句，提交給下層運行，下層運行SQL后將結果返回，然后查詢函數返回布爾信息，查詢函數需要對返回數據進行進一步處理，然后返回字符串信息。

網頁操作需要登錄，在驗證用戶名密碼登錄后，頁面主要分為兩個部分，一部分是顯示設備的基本信息，另一部分是對設備的控制。

顯示的設備基本信息主要是設備編號、設備描述、設備狀態。網頁后臺通過查詢函數從數據庫獲取設備狀態描述信息和設備在線狀態，在前端網頁上顯示。為了確保能及時更新設備狀態，這里采用頁面的局部刷新。

控制設備時，根據不同的設備，控制選項也不同，其中最復雜的是空調的控制。后臺會先通過查詢函數，獲取設備的詳細狀態信息，不同類型的設備所列出來的信息不同，然后只顯示出可操作設備，為了方便操作，這里可以使用多選的操作，同時對多個設備進行控制。確認修改后后臺會根據具體的修改，使用對應的修改函數，將數據更新到數據庫中，根據后臺的指令運行結果，會有對應的彈窗進行反饋，同時進行頁面的刷新。

4 數據庫

本次項目使用的是MySQL數據庫，MySQL是一種開源的關系型數據庫，由瑞典MySQL AB 公司開發，屬于 Oracle 旗下產品。MySQL 是最流行的關系型數據庫管理系統之一，在 Web應用方面，MySQL是最好的 RDBMS （Relational Database Management System，關系數據庫管理系統） 應用軟件之一。

在數據庫中，每個設備都有自己的編號作為唯一標識，使用了多張表，通過設備編號進行關聯，將中文描述例如“開”“關”等，與實際的數字數據分隔開來，使設備管理獲取指令更加便捷，增加兼容性。另一方面，為了降低網頁端SQL語句的復雜度，使用視圖來生成更方便的數據，用來提供給網頁查詢函數使用。

5 設備管理設計

該部分主體是一個C++程序，程序結構如圖7。

該程序在Linux服務器上運行，通過Socket[5]與硬件設備建立TCP連接。監聽端口后，函數會堵塞在這里，直到有新的連接。獲得新的連接并驗證成功后，將生成的Socket作為參數創建新的線程，每個連接成功的設備都會有一個對應的線程。線程創建之前，程序會將設備“上線”的信息更新到數據庫[6]中，如果設備出現問題，TCP連接斷開，程序會及時發現并將設備“下線”的信息更新到數據庫中，最后主動關閉線程，實現了對設備基本信息的維護。同時，程序也將從數據庫中獲取到的指令信息發送給設備，設備接收后會自行處理。線程創建完成后，主程序會回到監聽端口的部分，繼續堵塞，直到有新的連接。

6 硬件控制

由于不同的家電設備需要不同的控制裝置，所以難以統一化，需要具體設備具體安排，這里實現了對燈、空調、窗簾的控制作為例子展示。WIFI模塊這里使用的是ai-thinker公司推出的一款無線WIFI模塊ESP8266，由于其體積小、操作簡單、功能強大等特點，現在常見于可穿戴設備和物聯網應用中，在物聯網領域被廣泛使用。可以通過AT指令配置，和單片機上的串口進行通信，利用WIFI進行數據傳輸。開發WIFI的編譯器使用的是ArduinoIDE，因為它對于NodeMCU（基于esp8266系列）的良好支持，這里使用它來開發固件。

6.1 燈

燈的控制主要是在電源方面，這里使用的是12V的LED燈，采用了繼電器來控制，通過WIFI模塊獲取命令后通過引腳3.3V的電平實現高電平開燈，低電平關燈，以實現以低電壓驅動高電壓。

6.2 空調

空調控制大體分兩種，一種是通過內部線路控制，另一種是通過外部的紅外線控制。內部線路控制實施煩瑣，走線也是問題，但是穩定性好，紅外控制設置方便，但是容易被干擾，穩定性也有一定的問題，這里使用紅外控制。空調通過用紅外模塊來進行控制，先學習遙控器的紅外信號，進行分類編碼，溫度、風速等信息都存在于編碼中，軟件部分發送信息時，會將數據庫中的信息進行編碼后發送，然后WIFI模塊接收信號驗證編碼的完整性后通過串口向紅外模塊發送信號編碼，紅外模塊根據編碼發送紅外信號，進而實現對空調的控制。

6.3 窗簾

窗簾控制模塊使用兩個減速電機來帶動窗簾的移動，這需要實時檢測窗簾的開關狀態。這里通過微動開關來感知窗簾的開合狀態，WIFI收到指令后會根據微動開關[8]的返回結果來進行判斷，確認是否需要運行電機，電機的運行不能依靠單片機提供電源，這里使用H橋，連接額外電源，由NodeMCU提供的兩個引腳來實現電機正反轉的控制，開始運行后，實時監測微動開關的反饋，并在窗簾達到預定位置后，根據微動開關的反饋停止操作。

6.4 硬件控制小結

這些模塊通過WIFI[7]統一的鏈接到服務器上的接口程序，進而實現統一的通信和操作管理。而通過接口程序的中轉，網頁和智能音箱都能實現控制的操作。通過WIFI的便利性，基本上大部分的家具都能夠搭配合適的控制模塊，實現智能化控制，有效的兼容不同平臺的設備。添加已有類型的新設備時，只需要在數據庫中添加相應數據，不需要更新其他部分即可完成。

7 總結

為了適應性，一套完整的智能家居交互系統是需要兼顧硬件部分的兼容性和控制部分的兼容性，所以本文實現了以設備管理部分為核心的交互系統，通過硬件的多樣性，增強普適性，可以實現對傳統家電的智能化改造，再通過平臺統一管理，可以在控制端進行統一的管理，而且控制的手段自由添加。雖然本文實現的系統還很粗糙，但是它具有未來更完備的智能家居系統的雛形。可以設想到，未來的智能家居還會進一步發展，依靠技術的進步和創新的想法，在這個雛形上可以發展得更加完善、方便、強大。

參考文獻：

[1] 童曉渝，房秉毅，張云勇.物聯網智能家居發展分析[J].移動通信，2010，34（9）：16-20.

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[3] 鄭嵐.Python訪問MySQL數據庫[J].電腦編程技巧與維護，2010（6）：59-61.

[4] 毛德祥，羅榮閣.基于ASP.net技術的Web應用程序三層設計模型[J].微型電腦應用，2002，18（3）：26-28，56-3.

[5] 郭東升，田秀華.Linux環境下基于Socket的網絡通信[J].軟件導刊，2009，8（1）：116-118.

[6] 張麗.基于C語言訪問的MySQL數據庫[J].電子技術與軟件工程，2016（22）：165-166.

[7] 邱宏斌.一種基于ESP8266模塊的物聯網設計思路[J].電子世界，2017（7）：157.

[8] 張富正.行程開關中的結構應用[J].中國新技術新產品，2012（24）：76-77.

【通聯編輯：謝媛媛】