基于TRIZ理論的智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計

(沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159)

照明系統(tǒng)綜合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等多種技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)利用手機、平板、智能穿戴設(shè)備等移動終端對家庭照明系統(tǒng)的控制，也可以通過中央主控器上裝備的語音識別芯片實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的語音控制。本產(chǎn)品中央主控器主體設(shè)計為床頭臺燈樣式，配備液晶顯示屏幕，以此進行系統(tǒng)更改和設(shè)置。同時，本產(chǎn)品也可與當下主流的穿戴設(shè)備結(jié)合，通過對心跳呼吸的監(jiān)測判斷用戶是否為醒來狀態(tài)，再結(jié)合光傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)做出是否自動開啟床頭臺燈的決策。

首先，我們通過功能分析，進行解剖和全面分析；再利用TRIZ理論對需要解決的問題提出可實施方案并通過參考TRIZ相關(guān)的發(fā)明原理制定了一系列的方案；最后實現(xiàn)最終理想的解決方案，找到問題的發(fā)展方向。

一、問題描述

(一)項目概述。經(jīng)濟的發(fā)展與技術(shù)的進步帶動著人們更加渴望高品質(zhì)的生活質(zhì)量，作為當今產(chǎn)業(yè)大熱門的智能家居逐漸成為市場關(guān)注的焦點，很多科技公司紛紛開發(fā)出自己的產(chǎn)品。不過由于浮夸的宣傳，不合理的定位和高昂的價格，導致了消費者紛紛對智能家居產(chǎn)品望而卻步，行業(yè)呈現(xiàn)出叫好不叫賣的現(xiàn)象。鑒于此種情況，本次設(shè)計定位于智能家居中低端產(chǎn)業(yè)，開發(fā)設(shè)計出一款簡單實用、價格低廉的智能家居照明系統(tǒng)，目的是在于讓普通人也可以享受科技發(fā)展的成果。

該照明系統(tǒng)綜合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)等多種技術(shù)，可以輕松實現(xiàn)利用手機、平板、智能穿戴設(shè)備等移動終端對家庭照明系統(tǒng)的控制，也可以通過中央主控器上裝備的語音識別芯片實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的語音控制。

(二)發(fā)明問題初始形勢分析。系統(tǒng)的工作原理：整個產(chǎn)品可以分為六部分組成：智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端、服務(wù)器、中央主控器、協(xié)調(diào)器、ZigBee控制子模塊。智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端是終端控制器；服務(wù)器，語音識別分控制端通過無線與主控器連接，主要由WiFi收發(fā)模塊構(gòu)成，完成家庭內(nèi)部與外部通信網(wǎng)絡(luò)的連接；中央主控器是家庭內(nèi)部核心控制器；協(xié)調(diào)器主要由ZigBee模塊構(gòu)成，負責主控器和各子控制器之間的信息交互。四個部分的有機結(jié)合，可以實現(xiàn)對家庭照明的智能控制。

最終理想解：設(shè)計一款移動終端通過無線技術(shù)控制的智能家居照明系統(tǒng)，能過通過移動智能終端來控制照明設(shè)備的開與關(guān)。并通過在照明系統(tǒng)中的智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)加入入侵檢測技術(shù)，來提高安全系數(shù)，來保證用戶的隱私數(shù)據(jù)。

限制條件：(1)遠程控制方案的設(shè)計；(2)基于ZigBee安全協(xié)議的調(diào)整；(3)認證功能的實現(xiàn)。

二、系統(tǒng)分析

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端、服務(wù)器、中央主控器、協(xié)調(diào)器、ZigBee控制子模塊。智能穿戴與移動控制端、語音識別分控制端是終端控制器；服務(wù)器，語音識別分控制端通過無線與主控器連接，主要由WiFi收發(fā)模塊構(gòu)成，完成家庭內(nèi)部與外部通信網(wǎng)絡(luò)的連接；中央主控器是家庭內(nèi)部核心控制器；協(xié)調(diào)器主要由ZigBee模塊構(gòu)成，負責主控器和各子控制器之間的信息交互。四個部分的有機結(jié)合，可以實現(xiàn)對家庭照明的智能控制。

家居照明控制系統(tǒng)工作原理及具體步驟如下：

Step 1：使用手機的家電控制軟件，相應(yīng)控制界面上的控制按鍵一經(jīng)觸發(fā)，對應(yīng)的編碼指令便會通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線控制網(wǎng)關(guān)的WiFi模塊。在利用語音識別分控制端時，通過固定在臥式，客廳的分控制端，直接提供語音指令，控制端識別語音指令后通過無線模塊將識別后的指令發(fā)送到無線控制網(wǎng)關(guān)的主控。在利用智能穿戴設(shè)備進行控制時，可以分為兩種，一種是在清醒狀態(tài)下使用語音發(fā)送命令，在穿戴設(shè)備對接收的語音信號進行分析轉(zhuǎn)碼后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)指令，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線控制網(wǎng)關(guān)的服務(wù)器；一種是在睡眠狀態(tài)下，由穿戴設(shè)備采集的用戶心跳與呼吸的數(shù)據(jù)進行判斷，然后發(fā)送相應(yīng)指令通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線控制網(wǎng)關(guān)的服務(wù)器。

Step 2：服務(wù)器通過無線把數(shù)據(jù)發(fā)送到無線控制網(wǎng)關(guān)的主控芯片中，主控芯片接收到編碼指令以后會立即在內(nèi)部對編碼指令進行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，處理完的數(shù)據(jù)會通過信息內(nèi)容，加入要發(fā)送到Zig Bee終端節(jié)點的信息頭，后通過USART串口傳送到協(xié)調(diào)器中。

Step 3:Zig Bee協(xié)調(diào)器接收到主控芯片處理后的數(shù)據(jù)，會把數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的標準協(xié)議對數(shù)據(jù)進行一定的處理，最后把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)子控制器的Zig Bee終端節(jié)點，相應(yīng)終端節(jié)點接到指令后，識別信息信息頭確定是否是對當前家電操作的信息，如信息頭匹配，則根據(jù)指令對家電操作；如不匹配，則不作處理。ZigBee模塊也不斷發(fā)送控制模塊的當前狀態(tài)。

Step 4:與此同時，主控芯片也會定時通過ZigBee模塊查詢聯(lián)網(wǎng)的子控制模塊控制的狀態(tài)，如果哪一個子系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生了變化被主控芯片檢測到，主控芯片便會經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和協(xié)議轉(zhuǎn)換把變化的子系統(tǒng)狀態(tài)傳送到控制終端與家電控制軟件。

最后將整個家庭電器通過WiFi和控制終端連接在了一起，同時在無線網(wǎng)關(guān)的管理和檢測下，對其可以進行集中化、智能化、遠程化的管理，最終實現(xiàn)了智能化的家庭燈光照明控制。

三、技術(shù)方案整理與評價

(一)全部技術(shù)方案及評價。方案1：把傳統(tǒng)照明設(shè)備換成智能照明設(shè)備，不再需要人工直接接觸開關(guān)，比如通過聲音打開照明設(shè)備等等。方案2：隨著智慧城市的來臨，可以通過5G技術(shù)控制照明設(shè)備。

(二)最終確定方案。通過TRIZ分析方法最終確定可實施方案，成功的完成了本次設(shè)計，在主控器的設(shè)計上，選用意法半導體公司生產(chǎn)的一款基于Cortex-M3 核心的32位增強型ARM微處理器STM32F103RCT6 作為智能家居網(wǎng)關(guān)的核心處理器，設(shè)計出一款簡單實用、價格低廉的智能家居照明系統(tǒng)，目的是在于讓普通人也可以享受科技發(fā)展的成果。系統(tǒng)選擇STM32F103RCT6芯片作為主控器主要具有以下幾種優(yōu)勢：(1)成本低；(2)功能強大；(3)技術(shù)成熟；(4)功耗相對較低。

四、結(jié)束語

根據(jù)Analysys易觀發(fā)布的《中國智能家居市場趨勢預測報告2017-2019》數(shù)據(jù)顯示，2016年中國智能家居市場規(guī)模達到1140億元人民幣，2017年預計規(guī)模將達到1404億元人民幣，同比增長23.2%，增長較為迅速。智能家居涵蓋了智能終端、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)，是科技創(chuàng)新的集大成者，市場前景廣闊。隨著技術(shù)的成熟和設(shè)備的智能化，一場電子革命即將到來，到2019年，中國智能家居市場規(guī)模預計達1950億元人民幣，市場發(fā)展?jié)摿薮?，為公司提供更廣闊的市場空間。