基于Arduino 的智能家居系統的設計與實現

劉正業，李震，常新峰

（平頂山學院信息工程學院，河南平頂山 467000）

艾瑞咨詢在其2018 年中國智能家居行業研究報告中指出：物聯網、云計算和人工智能是智能家居領域的三大關鍵技術[1]。國家十三五規劃綱要明確提出“加強現代信息基礎設施建設，推進大數據和物聯網發展，建設智慧城市”，可見物聯網已成為行業應用的前景，并開始向各行業飛速滲透，未來在智能家居、醫療健康、智能可穿戴設備等重點消費領域，融入物聯網創新元素，不僅可能催生一系列新產品、新服務和新業態，同時會開辟巨大的產業提升空間[2]。為了迎接未來的生活，響應時代的大潮流，利用物聯網技術來改善人們生活的做法已被人們廣泛接受。目前，智能家居的研究主要以搭載STM32 芯片的硬件設備為中心控制器[3]，文中主要利用交互式可擴展的開源硬件平臺Arduino[4]，并且將語音識別和人臉識別這兩項新技術和傳統的智能家居系統相結合，讓語言成為人機交互的橋梁，使人們的實際體驗變得更便捷、更人性化。

1 系統設計架構

1.1 系統工作原理

智能家居從宏觀角度來說，相當于一個平臺，它服務的對象主要是個人住宅。利用現代化先進的科學技術，構建一套完善的智能家居系統，將住宅內與生活相關的各類用電設備進行連接，形成智能化、環?；墓芾眢w系[5]。基于Arduino 的智能家居管理系統按照物聯網的體系架構自上而下分為3 個主要層次：感知層、網絡層和應用層[6]，其物理結構如圖1所示。

圖1 智能家居物理結構圖

1.2 感知層

感知層的作用是“感知”環境參數以及相關連接的設備工作狀態，并根據用戶的需要對電器設備的工作狀態進行改變[7]。該層主要設備有溫濕度傳感器、光照傳感器、可燃氣體傳感器、人體紅外傳感器、土壤濕度傳感器、智能燈控、智能插座、澆花設備、電動門窗、指紋模塊、攝像頭以及音頻監聽設備等。其中，Arduino 開發板負責收集傳感器設備狀態數據以及根據命令對相關設備的狀態調控工作[8]。

1.3 網絡層

網絡層主要設備組成是物聯網網關以及云服務器。它主要負責將眾多感知控制層的終端接入到互聯網中[9]。物聯網是指通過各種傳感器及掃描器等各種裝置與技術，實時地采集環境信息，通過網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知[10]。一方面，它將本地的智能硬件數據匯集到中控設備之中進行整合，另一方面，本地中控設備將數據通過互聯網發送給其他終端，如手機、平板電腦等。依賴互聯網，終端之間最終實現了數據的互聯互通，為后續人工智能技術的普遍應用奠定了堅實基礎。

1.4 應用層

應用層主要包括便攜式電腦、平板電腦、智能手機等各種智能設備。其主要功能是對感知層傳輸來的數據進行分析處理。首先，采集攝像頭所記錄的圖像數據以及麥克風記錄的語音數據，系統對用戶的人臉、手勢、環境、語言進行識別，實現了用戶與家居的自然交互；其次，用戶可以使用PC 軟件以及APP軟件對家庭中的設備進行遠程控制，同時用戶可以通過軟件設置家庭合適的溫濕度、光照強度以及可燃氣體濃度等數據范圍，制定自己的家庭設備控制規則，讓相關設備在特定情形下觸發；最后，應用人工智能技術，軟件將會采集用戶對于家庭設備的行為狀態數據，通過邏輯回歸算法為用戶的行為數據建立一系列權重，并推導出用戶在相應情形下可能的狀態，主動為用戶控制設備，達到人性化服務的目的[11]。

2 系統硬件設計

控制端是控制系統的核心，系統基于開源硬件平臺Arduino 進行設計開發。D1-UNO R3 WiFi 基于ESP8266EX 的單片機開發板，自帶WiFi 模塊，開源性強，非常適合小型的輸入輸出接口控制的對象[12]。引腳說明如圖2 所示。

圖2 開發板引腳說明

網絡控制需要客戶端和控制端處于網絡暢通情況下才能運行控制指令，需要搭載服務器，對控制端及客戶端傳輸來的數據指令進行交互，這樣才能滿足智能家居的要求[13]。Arduino 開發板的主要功能是對I/O 端口連接的傳感器獲取的數據進行網絡轉發，以及根據應用端發來的命令對相應設備進行管理，ESP8266WiFi 的連接圖如圖3 所示。

圖3 ESP8266WiFi模塊硬件連接圖

整個家居的自動控制由Arduino 開發板完成，對接收到的各種模塊數據、指令等進行處理，完成相應的控制要求[14]。

該設計使用了兩個Arduino 開發板，分別作為數據板、控制板。數據板主要工作內容是收集數據，數據板上連接了溫濕度傳感器、光敏傳感器、人體紅外傳感器、土壤濕度傳感器、可燃氣體檢測傳感器、PM2.5 傳感器、攝像頭以及麥克風。數據板將會收集這些傳感器的信息，為軟件提供數據支撐，并且通過網絡發送給中控設備?？刂瓢搴蛿祿宓牟煌幵谟诳刂瓢鍖ζ渖厦娼虞d的設備具有狀態感知以及控制能力。其中，指紋模塊用來識別身份，而門、澆花、窗簾、燈、智能插座的工作狀態將會接受Arduino的調控，硬件工作原理如圖4所示。

圖4 硬件工作原理圖

3 系統的軟件設計

為實現智能終端的人性化控制，軟件分為兩個部分：一是手機APP 的設計，二是PC 端的中控軟件設計。其中，由于PC 強大的處理能力，對于設備的管理主要在PC 上實現，并封裝成可以調用的功能接口；APP 端只需發送相關命令即可將功能交由PC 處理，簡化控制流程。PC 軟件運行流程如圖5 所示，APP 端軟件流程如圖6 所示。

圖5 PC端軟件流程圖

圖6 APP端軟件流程圖

3.1 PC端軟件模塊

PC 端軟件采用Python 語言編寫，系統簡單易操作，屬于應用層。在PC 端軟件中可以實時對各種指標數值進行檢測以及智慧化的人機交互。應用層是針對圖形用戶而設置的，它是一個界面接口，與用戶之間進行直接式交互，用戶可以通過應用層獲取更加個性化的服務，用戶可以登錄系統或者軟件，然后執行個人權限，實現對設備的刪除、添加[15]。

3.1.1 建立機器學習模型

邏輯回歸又稱logistic 回歸分析，是一種廣義的線性回歸分析模型，常用于數據挖掘、疾病自動診斷、經濟預測等領域。邏輯回歸的目的是根據幾個已知數據來預測目標的未知數據值，通過logistic 回歸分析，可以得到自變量的權重，從而以概率學的方法推斷出結果的可能情況。目前，該算法已廣泛用于機器學習領域。

用戶在使用該系統的過程中將會產生大量的行為交互數據，與此同時，環境數據也在不斷地更新，同時影響著用戶的行為。該系統通過收集相關行為數據，使用邏輯回歸算法分析用戶行為數據并為用戶建模，最終實現對用戶行為狀態的預測。

收集的信息維度為：環境溫度、環境濕度、空氣質量、光照強度、當天日期（月、日、時、分）、窗簾狀態、燈光狀態，目的為根據以往的用戶開關窗戶以及燈光的行為數據，實現符合用戶習慣的燈光與窗簾的自動控制，據相關數據驗證，其正確率在93%左右。

3.1.2 圖像識別模塊

百度AI(Artificial Intelligence)開放平臺提供了語音識別、合成與喚醒、車輛分析與圖像識別、人臉識別與行為分析等較為豐富的開放能力項目,普通用戶可以根據實際需要來免費使用[16]。

BaiDu 的圖像識別API 接口可以實現對于用戶的人臉、手勢的注冊、識別、刪除以及對于環境數據的分析與推測功能，因此，PC 軟件端以3 s 間隔的頻率對PC 軟件所收集的圖像數據進行識別，可以實現用戶對于家居的手勢控制，以及陌生人入侵、環境異常的檢測，其流程如圖7 所示。

圖7 圖像識別流程圖

3.1.3 語音交互模塊

BaiDu 的語音識別與合成API 接口可以實現對于用戶的語音識別以及語音合成反饋的功能。同時使用爬蟲技術，該模塊可以從互聯網中搜尋用戶想要的信息，經格式化處理后反饋給用戶，以此令交互的知識深度大大加深。PC 軟件端可以先以2 s 的間隔周期掃描語音中的喚醒關鍵字以激活命令識別程序，當命令識別程序被激活后以5 s 的間隔等待用戶輸入語音指令，即可以通過關鍵字解析執行用戶的語音命令，語音交互功能流程如圖8 所示。play_sentence()將文字轉化為語音，pc_play_music()播放指定的音頻數據，do_my_thought()根據關鍵字執行指令。

圖8 語音交互模塊流程圖

3.1.4 硬件端控制與數據互聯

通過連接物聯網網關，PC 端軟件可以向硬件端發送預設的控制指令，硬件端接收并執行即可。同時PC 端軟件將會連接一個只負責轉發數據的云服務器，當APP 端同時在線的時候，PC 端軟件將會與APP 端軟件實現數據互聯，節點網絡通訊流程如圖9所示。

圖9 節點網絡通訊流程圖

3.2 客戶端APP

手機APP 使用Android 開發，可以對智能家居當前環境下的檢測數值進行實時監控，APP 端設計流程如圖10 所示。

圖10 客戶端軟件流程圖

1）地圖顯示：根據百度地圖API 的地圖設置函數mBaiduMap.setMapType()可以設置當前地圖控件顯示，包括普通地圖、衛星地圖等。

2）地點提醒：開啟一個線程，循環獲得當前定位的地址，其中使用contains()函數檢測輸入的地點關鍵字，當發現的時候使用振動進行提醒。手機振動使用手機的振動器實現，vib.vibrate(5000)設置一個5 s 的振動時長。

3）今日計劃以及時間提醒：使用intent 調用手機自帶的功能即可。每天制定今日的計劃表后，將其放入手機存儲區即可，打開“今日計劃”功能后，將會調用本機圖庫打開。同理，打開“時間提醒”，將會跳轉到手機的鬧鐘界面。

4）添加、查詢數據：當從“信息錄入”跳轉到此界面，此activity 將會先初始化數據庫，并解析由bundle 傳輸的經緯度、地址信息，用db.insert()函數將編輯框中的數據一同插入到phone_person_info.db數據庫中。

5）查詢、導出數據：使用db.query()函數，將myinfo 表中的數據取出，并組合成字符串，在編輯框中顯示出來，同時寫入到myrecoder 文件中(數據可能會超過2 M,bundle 在activity 中傳輸的數據量有限，因此數據使用文件進行中繼傳輸)。

6）錄音、拍照按鈕：使用intent 調用本機相關應用即可，其功能豐富，滿足要求。

7）數據顯示：客戶端開啟后，服務器將會發送一次硬件的執行狀態信息（對按鈕的狀態進行更新），同時傳感器的數據將會每5 s 進行一次更新，以及更新數據所代表的危險等級（黃色的圖標代表傳感器感知到的環境數據量比預設量低；綠色代表在范圍內；紅色代表超出預設界限）。

8）按鈕控制硬件：服務器已經對執行的硬件的動作控制（比如控制澆花、控制燈、控制窗簾、自動控制）進行了封裝，手機端進行控制只需要向服務器發送相應的指令即可（如open_light,open_curtain 以及open_auto 等）。在控制的同時，也會發送按鈕狀態更新指令（如do_that_curtain_status:01）,服務器接收到指令時，將會更新它界面上的按鈕顯示狀態，達到硬件的實際工作狀態與控制界面顯示一致的效果。

9）開啟個人數據傳送：當從“信息錄入”跳轉的時候，相應的文件中已經寫入了個人的相關數據。此時讀取myrecoder.txt 文件中的數據，以300 個字節作為一個分組進行連續發送，服務器接收到相關數據以后將會存儲用戶提交的統計數據并分析處理。

4 結束語

文中主要設計了一個智能家居管理系統，該系統基于Arduino 開發板將計算機和物聯網進行結合。利用百度API 接口實現了語音識別和人臉識別，同時使用人工智能算法對用戶的行為建模預測[18-19]。對于該系統，Arduino 開發板負責接收各個傳感器模塊的數據信息，ESP8266 網絡模塊負責完成Arduino 開發板和云服務器以及各終端的數據交互。實現了數據經由互聯網在各個終端上的流動，達到智能化、人性化的智能家居管理系統的目的。設計中采用模塊化的思想，該設計方案原理簡單，硬件可靠穩定以及價格低等特點，其實用價值和推廣效益值得肯定。