DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.043
摘 要：为了探究智能家居控制系统的设计，文章在结合语音交互和人脸识别技术的基础上，对系统进行总体设计，之后深入设计硬件和软件系统，硬件系统包括电源、最小系统、电路和控制终端;软件系统包括报警、监控、语音、人脸和智能控制系统。最后在完成设计的基础上，对系统进行测试。测试结果显示，系统性能满足需求且具有较高的稳定性。
关键词：智能家居控制系统;系统设计;系统实现
中图分类号：TN929.5;TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）09-0167-04
Design and Implementation of Smart Home Control System
GENG Yuju
（College of Mathematics and Computer Science，Hengshui University，Hengshui 053000，China）
Abstract：In order to explore the design of smart home control system，based on the combination of voice interaction and face recognition technology，this paper makes an overall design of the system，and then the hardware and software system are deeply designed. The hardware system includes power supply，minimum system，circuit and control terminal;the software system includes alarm，monitoring，voice，face and intelligent control system. Finally，on the basis of completing the design，the system is tested. The test results show that the system performance meets the requirements and has high stability.
Keywords：smart home control system;system design;system implementation
0 引 言
随着人们生活质量的不断提升，对于家居生活的需求也呈现逐渐提升的趋势，智能家居系统相对较为复杂，在人工智能以及物联网技术的影响下，为人们提供了舒适和智能化的生活环境[1]。并且，物联网以及人工智能技术不断发展，为智能家居控制系统的设计提出了改进的技术支撑[2]。在智能家居系统的设计与实现中，目前主要以树莓派的芯片为主要设计内容，实现对智能家居的监控和控制。但是在远程操控、人脸识别以及语音交互方面，虽然在与人工智能技术不断结合，但是仍然存在一定的不足。基于此，本文则主要探究智能家居控制系统的设计与实现，且探索云平台应用时的语音交互以及人脸识别系统的创新。
1 系统需求
智能家居系统的整体设计，需要考虑以下几点需求：
第一，对环境参数的监控。在系统设计中，要求对温度、湿度、PM以及其他电气化使用进行动态化的监控[3]。
第二，加强对电器设备的控制，要求通过手机，即可实现语音和触屏操控。
第三，远程报警。如果系统出现异常，如温度升高等情况，通过手机可以将相关信息发送给客户。
第四，人脸识别功能需求，要求智能家居系统的操控，由房主独自完成或者授权操作，避免其他人操作而产生影响[4]。
2 系统总体设计
智能家居的总体设计中，包括客户端、云服务以及具体设备操控。远程监控客户端的设计，主要包括移动端和PC端[5]。云服务环节，包括物联网平台。设备环节，包括采集终端设备以及控制终端设备。采集终端由传感器和STM32单片机构成。控制终端设备由单片机、按钮以及蓝牙设备构成。系统总体架构如图1所示。
3 硬件系统设计
3.1 终端硬件设计
3.1.1 电源设计
本次研究的电源系统设计选择12 V直流电源作为供电电源，单片机通常为3.3 V，电源选择为TPS62160电池能源，将12 V直流电转换成为3.3 V的需求电源。电源的开关频率为2.25 MHz，通过DCS拓扑技术，实现对电压的转换。
3.1.2 最小系统及采集电路设计
智能终端负责数据信息的采集以及控制，对算法的要求相对较低[6]，本次设计中，选择ST的ARM处理器，型号为STM32F103C8T6，额定频率为72 MHz，通信接口达到37个，RAM的存储空间达到20 K，电压为2～3.6 V，具有省电和高安全性的特征[7]。
采集电路的设计中，需要通过终端电路，实现对温度、湿度以及PM等信息的采集，温湿度传感器选择AM2303，在传感器内部，设计单片机。PM2.5的传感器型号选择SDS011。
3.1.3 电路的设计
在通信电路的设计中，选择ZHY8611无线组网模块，工作状态仅仅为15 mA左右，通过AT接口，可以实现对接口的连接。通信接口的电路图如图2所示。
在按钮输入电路的设计中，GPIO的引脚电压为3.3 V，STM32F103C8T6的引脚电压为3.3 V，需要采用光耦隔离的方式来实现操作。
在输出电路的设计中，通过继电器来实现对空点设备的操作。电源电压为12 V。继电器的型号选择CMA51H-DC12 V。
3.2 PCB及控制终端设计
在PCB设计中，将其螺丝孔径设计为3 mm，整体尺寸设计为87.6×47.6 mm，通常情况下，系统会连接家庭220 V的电源，因而需要将继电器与弱电部分隔离处理。在智能终端的设计中，要通过继电器来实现控制，通过继电器的触点，实现对照明灯的控制。
3.3 运行环境的构建及智能网关的设计
在环境的测试中，软件选择Autodesk Revit进行设计，包括卧室、厨房、洗衣间、阳台以及起居室等环境[8]。在智能网关的设计中，采用云服务和树莓派的方式来实现智能化的连接。选择树莓派的3B作为核心部件，CPU为Cortex-A53，RAM为1 GB，GPIO为40PIN，网络可以连接10/100 M。
4 智能家居自动控制系统设计
4.1 远程监控和报警系统设计
远程监控系统的设计中，采用MQTT协议以及Iot Hub连接[9]。协议通过Topic的数据实现传输，支持服务端以及客户端的运行。本次设计的系统，主要的功能包括网络连接、接收消息、处理客户端信息以及转发订阅消息等。客户端需要实现的功能包括发布应用消息、请求接受消息、取消订阅以及断开服务器等方式。
应用Python实现对项目进行开发，通过pip的安装以及扩展包，可以实现MQTT协议。在本次设计格式的选择中，应用JSON格式，name表示指令名称，messageId表示信息的长度，namespace表示指令的类型。在设备操作中，Turn On表示开启设备，Turn Off表示关闭设备，SetupScene表示场景的设定。以下为远程监控部分代码：
"header"： {
"namespace" ： "Home Keeper.Control"，
"name" ： "Turn On Request"，
"message Id" ： " "，
"payload Version" ： "1"
远程报警功能的设计中，在出现异常状况时，系统可以进行远程报警，通过云服务的模式，每天可以推送的消息达到5亿条以上，并且通过API的调用来完成。目前，Jpush主要提供通知、自定义、本地通知以及富媒体四种类型的信息。通知信息则置于收集状态栏，对用户进行提示;自定义信息根据开发者自己定义来实现;富媒体则支持图文信息;本地通知则通过pip的方式来实现。
4.2 语音交互系统设计
在语音智能交互模块的设计中，应用阿里云的云平台，以及天猫精灵等智能化的操控设备，实现对系统的人性化以及智能化的操控。在语音模块的设计中，主要包括语音采集、语音识别、智能对话、语音合成和播放等几个功能流程。在语音采集环节，连接树莓派的USB，实现麦克风操控，在采集语音后，会以Wav的格式保存。在语音识别和转化环节，通过特征提取、模糊匹配和语音播报的方式，实现对语音模块的设计，近场识别的准确率在98%以上。
在操控系统设计中，采用REST API，此模块负责智能对话，在人机对话环节，则通过智能合成的方式来进行操控，之后生成mp3的语音文件。在播放环节，程序选择Sox，通过树莓派的音频转换，形成控制文件。在语音操作模块的设计中，要建立语音唤醒功能，根据唤醒词进行训练。以下为语音交互部分代码：
response = urllib2.urlopen（request ，timeout = 3）
content = response.read（）
logger.info（UNIT returned：{}.format（content））
if self.__end UNITCallback is not None and callable（self.__end UNITCallback）：
self.__end UNITCallback（）
return json.loads（content）
except Exception as e：
logger.exception（e）
4.3 家居控制系统设计
家居控制系统的设计主要是通过温度、湿度以及PM的监控等方式来实现对室内环境的统一调节。在本次系统的设计中，考虑了多方面的因素。在温度适合的环境下，湿度对人体的影响相对较小，这主要是由于湿度影响人体的热代谢以及水代谢，在温度过高或者过低的环境下，湿度才会产生一定的影响。如在25 ℃的环境下，空气湿度越低，人体散热越快，但是当湿度超过80%或者低于30%时，则会对舒适度产生影响，因此需要对温湿度进行综合控制。根据科学统计，25 ℃为人体舒适的标准温度，空气湿度则为45%～65%之间。在系统的控制流程中，会对空气的温度和湿度信息进行采集，确定温度是否低于24 ℃或者超过27 ℃，如果低于24 ℃或者超过27 ℃，则会打开或者关闭加热和通风设备操作，将温度控制在合理的区间。如果温度达到要求，则会检测湿度是否在40%～70%之间，如果在区间外，则会考虑打开或者关闭加湿器装置，在达到标准设定后结束流程。
PM判定优良为75 μg/m?以下，75～115 μg/m?为轻度污染，115～150 μg/m?为中度污染，150 μg/m?以上为重度污染。如果出现PM污染，则需要打开新风系统，包括送风和排风。在PM系统的判定中，采集空气中的PM信息，之后确定PM是否低于115 μg/m?，如果超过该数据，则开启新风系统，实现室内空气的更换，在达到要求后结束系统的运行。
4.4 人脸识别系统设计
在智能家居系统的控制中，为了确保系统应用的安全性，涉及了人脸识别系统，采用阿里云的人脸识别项目，将树莓派的智能控制系统以及阿里云的人脸识别系统结合起来。在获取人脸图片的基础上，实现对格式的转换以及监测，与数据库的信息进行对比和识别，最终完成对系统的解锁控制。
在人脸上传识别后，阿里云系统会设定阈值，通常为80分，如果超过阈值，系统则会判定人脸和数据库的信息为同一人，之后可以进行系统操作。在阿里云的连接中，人机交互界面，可以通过PyQt软件来实现，并且结合UI的设计，确保测试的准确性，最终达到智能化控制的目标。
5 系统测试和应用
5.1 系统具体应用环境设计
本次具体应用设计中，选择121.2平方米的室内环境进行测试，包括厨房、两间卧室、两个卫生间、一个客厅和一个餐厅。系统通过天猫精灵实现室内语音操控。而远程操控则通过手机APP来实现。通过该系统，主要实现对温度、湿度、PM、人脸识别和语音的操控。
5.2 系统应用测试
5.2.1 远程监控系统测试
对于远程监控系统的测试，主要是在设定direct以及event等指标时，通过订阅主题，即可实现对智能家居的远程监控。在通过协议传输的数据与实际数据一致时，会将相关信息传递给控制端，之后实现远程操控。经过对应用环境的100次远程温度、湿度、PM以及设备运行状态的传输，发现系统的准确率达到100%。
5.2.2 性能测试
在性能测试环节，要求测试整个系统的性能是否达到要求，在远程客户端测试时，应用开始计时测试，在超过5 s的情况下，则设定为失败计数增加1，系统会停止计时。在收到正确的回复，且在5 s内完成响应时，则系统记录执行时间，完成对系统的测试。在测试时，通过1 000条指令的发送方式，实现对数据的控制。在语音控制环节，通过录制完成的音频播放，同样按照上述标准。人脸识别测试方面，通过1 000次的测试，完成对人脸识别的成功率进行综合测试。具体测试结果如表1所示。
通过表1的测试结果可以看出，智能家居系统在测试环节，整体满足了使用性能。
5.2.3 稳定性测试
在系统的测试中，采用随机间隔时间的方式对整体展开测试，将控制次数设定在每天1 000次，之后在三天内对系统运行的稳定性进行测试，并且确定测试的成功率。整体稳定性测试结果如表2所示。
通过对系统稳定性的测试，发现系统在3天内的稳定性成功率约为99%，验证了系统的稳定性。
6 结 论
本文探究智能家居控制系统的整体方案设计，首先对系统设计的需求以及总体展开设计，包括终端控制模块、云平台以及设备控制模块。其次，对系统进行硬件设计，包括电源、采集电路、智能控制终端以及网关等环境。再次，对系统控制软件环节进行测试，包括监控模块、报警模块、自动控制系统、语音交互和人脸识别系统的设计。最后，对系统的性能和稳定性进行测试，经验证，系统性能达到了设计要求，且具有较高的稳定性和应用效果。
参考文献：
[1] 孙晓叶，李攀，刘颖.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现 [J].电子技术与软件工程，2019（11）：49-50.
[2] 晓军涂，艳吴.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现 [J].智能城市应用，2020（6）：118-120.
[3] 关超，柴宝仁.基于stm32的智能家居控制系统的设计与实现 [J].轻工科技，2019，35（2）：91-92+95.
[4] 林书句.基于Linux的智能家居系统设计与实现 [J].科技创新与应用，2020（16）：37-39+42.
[5] 王军，孙泽军.基于用户行为分析的物联网智能家居监测控制系统的设计与实现 [J].物联网技术，2020，10（9）：71-74+79.
[6] 卞晓晓，陈宇超.智能家居综合监测系统研究与设计 [J].电脑编程技巧与维护，2020，（11）：117-119.
[7] 张鹤.单片机在智能家居控制系统中的应用 [J].数码设计（下），2019（5）：230.
[8] 肖海峰.带云端决策的分布式智能门锁系统的设计与实现 [J].科学大众，2019（1）：38.
作者简介：耿玉菊（1972.10—），女，汉族，河北深州人，教授，本科，研究方向：计算机应用及控制。
收稿日期：2021-04-25
