面向中小學生的智能家居系統

摘 要：在現有的智能家居系統中，鮮有針對中小學生個性化需求的設計。針對這一問題，基于物聯網等先進技術，設計了一種面向中小學生的智能家居系統。該系統不僅具備環境監測、語音識別、遠程控制等現有智能家居的基本功能，還通過視頻監控和圖像處理技術，實現了對不良坐姿的實時監測，并及時進行語音提醒，以保護中小學生的視力健康。此外，基于指紋識別技術，設計了隱私物品柜和管控物品柜，分別用于保護中小學生的隱私以及幫助家長有效管控特定物品。通過日程安排與提醒系統的設計，培養中小學生的自主管理能力，同時結合視頻監控系統，方便家長對中小學生的行為進行監督。該系統的實現，能夠為中小學生提供舒適、安全、健康的家居和學習環境，同時為家長提供有效的管理手段。

關鍵詞：智能家居；物聯網；中小學生；隱私保護；物品管控；日程安排

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-05

0 引 言

隨著科技的進步和人們對高品質生活的追求，智能家居逐漸進入越來越多的家庭，成為現代生活中不可或缺的一部分。中小學生居室作為一個兼具休息、學習、娛樂等多種功能的空間，引入智能家居設備已成為一種趨勢。

智能家居的發展大致經歷了智能單品階段、智能互聯階段和全屋智能階段，目前主要處于智能互聯階段。通過將傳統家居產品與物聯網、人工智能、大數據等前沿技術緊密結合，實現家居設備的互聯互通、智能控制和個性化服務。構建全屋智能家居是未來的發展趨勢[1]，盡管在智能家居發展的各個階段涌現出眾多設計方案[2-6]，但鮮有針對中小學生在生活、學習、管理等方面的個性化需求進行專門設計。

本文針對中小學生的視力保護、隱私保護、日程提醒以及家長對中小學生手機等物品管控的個性化需求，在現有基于物聯網的智能家居框架下，設計了不良坐姿實時監測與語音提醒子系統、隱私物品柜、管控物品柜、日程安排提醒子系統等，構建了一套面向中小學生的個性化智能家居系統。該系統旨在為中小學生提供舒適、安全、健康的家居和學習環境，同時為家長提供有效的管理手段。

1 系統架構

本文參照物聯網的三層體系架構，設計了面向中小學生的智能家居系統，其系統架構如圖1所示。

（1）感知/控制層

通過對面向中小學生智能家居系統的需求分析，感知/控制層需要設計多種感知/控制終端節點，以實現不同的感知與控制功能。主要包括以下幾種終端節點：

環境監控節點（主控節點）：該節點負責對空氣溫濕度、光照強度、空氣質量、雨滴等環境參數進行全面感知。根據感知數據和系統設計的控制策略，結合用戶設置的控制參數，自動控制調控設備（如空調、排氣扇、加/抽濕器、照明燈、電動窗戶、電動窗簾等）的工作狀態，以調節居室環境，為中小學生提供舒適、安全、健康的家居環境。

環境監控節點作為主控節點，配備有OLED顯示屏、語音識別模塊和按鍵矩陣，分別實現信息顯示、語音控制與語音播報以及手動控制等功能。

視頻監控節點：通過網絡攝像頭采集中小學生居室的視頻數據，結合日程安排表，在非睡眠模式下對中小學生的行為進行實時監控。

視力保護節點：該節點負責實時采集書桌的光照強度以及中小學生的坐姿視頻。根據光照強度感知數據，按照國家標準的建議（學生書桌照度范圍為300～500 lx），調節RGB護眼燈的亮度，以確保學習時的舒適度，緩解用眼疲勞。同時，通過坐姿視頻圖像實時檢測不良坐姿，并發出語音提示信息，以降低近視發生的概率。

隱私物品柜和物品管控柜節點：通過指紋識別技術完成身份認證，實現開鎖功能。隱私物品柜僅本人可以打開，家長無法開啟；物品管控柜則需要家長指紋驗證或遠程開鎖才能打開。

（2）網絡層

終端節點通過家庭WiFi無線路由接入云平臺，采用MQTT協議將感知數據傳輸至云端。用戶終端（如智能手機）通過WiFi無線路由或移動通信網絡（3G/4G/5G）接入云平臺，使用MQTT或TCP協議將控制指令從應用層傳遞至終端節點。

（3）應用層

應用層設計了一款面向中小學生的智能家居應用軟件（手機APP），用于實時監測中小學生居室的環境、設備狀態及行為舉止，并對受控設備（如照明燈、護眼燈、電動窗戶、電動窗簾、空調、排氣扇等）進行控制管理?？刂品绞桨ㄒ韵滤姆N：

①自動控制：根據控制策略、情景模式以及用戶設置的控制參數，結合感知數據，自動調整設備的工作狀態。

②手動控制：通過主控節點的鍵盤，對受控設備進行手動控制和調整。

③語音控制：通過語音識別技術解析控制指令，對受控設備進行語音控制和調整。

④遠程控制：使用智能手機對受控設備進行遠程控制和調整。

2 終端節點設計

2.1 終端節點硬件電路一般組成框圖

從圖1所示的系統架構可以看出，需要設計的硬件主要是感知/控制終端節點，本文均以STM32單片機和WiFi模塊為核心器件進行設計，其一般組成框圖如圖2所示（各終端節點選用的傳感器及執行器的型號和數量不同）。

2.2 終端節點硬件的選取

各終端節點的MCU均選用STM32F103C8T6，WiFi模塊均選用EPS8266，傳感器、執行器等硬件的選擇見表1。

2.3 終端節點軟件設計

2.3.1 環境監控節點（主控節點）軟件設計

（1）軟件總體功能

環境監控節點同時作為主控節點，其軟件總體功能框圖如圖3所示。

①初始化：包括GPIO、系統時鐘等系統初始化，外部中斷和定時器中斷初始化，傳感器、顯示器、WiFi模塊等外設初始化，控制變量、控制參數默認值初始化等。

②系統設置：包括終端節點ID、名稱、密碼設置，WiFi名稱、密碼設置，自動控制、手動控制、語音控制和遠程控制方式設置，各種受控設備的自動控制參數設置等。

③設備控制：根據控制方式和控制策略，對照明燈、電動窗戶、電動窗簾、空調、加/抽濕器、排氣扇等進行控制管理。各種受控設備在手動、語音、遠程控制模式下，直接響應控制指令并完成相關操作。自動控制模式下的控制策略見表2。

（2）主控程序流程

根據環境監控節點總體功能框圖，畫出其主控程序流程，如圖4所示。

（3）中斷程序流程

手動（鍵盤）控制采用外部中斷，語音控制、遠程控制和自動控制采用軟中斷。其中，手動控制、語音控制和遠程控制中斷程序流程如圖5所示。

手動控制中斷的處理流程如下：首先進行鍵盤掃描，判斷按鍵號。如果按下的是情景模式設置按鍵，則進行當前情景模式的設置，包括學習模式、睡眠模式、娛樂模式和自由支配模式四種，并將當前情景模式上傳至云端，更新日程安排。如果按下的是設備控制按鍵，則根據按鍵號生成與遠程控制和語音控制相同的控制指令格式，后續流程與遠程控制和語音控制一致，如圖5虛線框部分所示。

虛線部分的流程如下：首先進行控制指令解析。如果解析成功，判斷指令是參數設置指令還是設備控制指令。如果是參數設置指令，則執行參數設置操作；如果是設備控制指令，則根據解析結果對相應的設備進行操控[7-8]。

自動控制中斷程序的流程圖依據表2的控制策略，結合采集的數據，自動調整受控設備的工作狀態。具體流程此處省略。

2.3.2 視頻監控節點軟件設計

視頻監控節點從云端獲取日程表。當前日程處于非睡眠模式時，系統自動接通網絡攝像頭電源，家長可以通過手機APP啟動第三方軟件，對居室進行視頻監控，幫助家長掌握中小學生的學習狀態和玩手機等娛樂行為。當中小學生出現“違規”行為時，系統可以進行語音提示與警告。當前日程處于睡眠模式時，系統自動切斷攝像頭電源，家長無法進行視頻監控，以保護中小學生的隱私。視頻監控節點程序流程如圖6所示。

2.3.3 視力保護節點軟件設計

（1）程序流程

視力保護節點從云端獲取日程表，在當前日程處于學習模式時，系統自動接通護眼燈電源。若需要手動打開護眼燈，則通過主控節點改變當前日程為學習模式即可。視力保護節點程序流程如圖7所示。

（2）坐姿檢測算法

調整K210攝像頭，使中小學生坐下時人臉剛好處于攝像區域中央。

攝像頭模塊先判斷圖像中是否包含人臉區域，如果圖片中存在人臉，將人臉的位置用紅色矩陣方框標記出來，并獲取人臉位置的四個頂點坐標，如圖8所示。

若左頂點坐標或右頂點坐標與圖像邊框最短距離小于圖像寬度的25%，或上頂點坐標或下頂點坐標與圖像邊框最短距離小于圖像高度的25%，則可以判定此時中小學生的坐姿可能出現了問題[9-10]，如圖9所示。

2.3.4 隱私物品柜和管控物品柜節點軟件設計

隱私物品柜和管控物品柜節點從云端獲取日程表。當前日程處于非學習模式時，中小學生可以通過指紋識別打開隱私物品柜；當前日程處于娛樂模式時，中小學生可以向家長申請打開管控物品柜。家長收到申請后，可以通過指紋開鎖或手機遠程開鎖的方式打開管控物品柜，并啟動計時功能。當計時結束時，系統會在本地發出語音提示，同時向中小學生和家長的手機發送文字和語音提示，提醒中小學生歸還管控物品。隱私物品柜和管控物品柜節點程序流程如圖10所示。

3 用戶終端應用程序設計

家長和中小學生均使用智能手機作為用戶終端，手機APP的基本框架一致，但功能有所不同。家長手機APP僅具備日程表查看功能，不具備編輯功能，但增加了視頻監控和管控物品柜遠程開鎖功能，而中小學生手機APP則不具備這些功能。限于篇幅，本文僅展示家長手機APP的首頁界面，如圖11所示。

4 結 語

本文設計的基于物聯網的智能家居系統，不僅具備環境監測、語音識別、遠程控制等現有智能家居的基本功能，還針對中小學生的個性化需求，新增了不良坐姿實時監測與語音提醒、隱私物品柜和管控物品柜、日程安排與提醒、視頻監控等功能。該系統旨在為中小學生提供舒適、安全、健康的家居和學習環境，同時為家長提供有效的管理手段。

注：本文通訊作者為周開利。

參考文獻

[1]李紅蓮.搶抓機遇智慧社區與智能家居行業發展前景可期—中安協智慧社區與智能家居專業委員會成立[J].中國安防，2024（10）：1-4.

[2]朱麗敏. 基于ZigBee技術的智能家居環境信息監測系統設計[J]. 電視技術，2023，47（11）：73-79.

[3]胡端堅. 面向單片機微控制下物聯網智能家居系統的開發研究[J]. 電子制作，2020（24）：8-11.

[4]蔣志偉，王偉，劉姍，等. 基于ARM的智能家居系統的設計與實現[J]. 現代電子技術，2023，46（4）：177-181.

[5]雷賽楠，章文俊，李昊.基于STM32和ZigBee網絡的智能家居系統[J].電子設計工程，2023，31（7）：109-112.

[6]吳承鑫，余澤涵，何芳.基于樹莓派的全屋智能家居系統研究[J].物聯網技術，2023，13（5）：110-112.

[7]李丹.面向物聯網技術的智能家居系統設計[J].電子技術與軟件工程，2021（11）：13-14.

[8]柴欣欣，商亞東，秦曉坤.基于物聯網的智能家居系統設計與實現[J].物聯網技術，2024，14（2）：66-68.

[9]鄧昀，程小輝.面向物聯網的智能家居系統設計[J].桂林理工大學學報，2012，32（2）：259-264.

[10]尹力辰，楊開語，趙露露，等.基于機器學習的智能家居系統的設計與實現[J].物聯網技術，2023，13（1）：129-133.