基于雙目視覺(jué)的無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭鈺瑩 袁傲冰

摘? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中控制指令數(shù)據(jù)損失量過(guò)大，導(dǎo)致控制系統(tǒng)控制范圍過(guò)小的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于雙目視覺(jué)的無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)。硬件部分采用ARM處理器，處理控制數(shù)據(jù)，內(nèi)設(shè)一個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊，滿足系統(tǒng)多點(diǎn)通信控制要求;重新定義單片機(jī)管腳功能，在單片機(jī)每對(duì)VCC和GND管腳上放置一個(gè)短引線的電容，完成主控電路的設(shè)計(jì)。軟件部分使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層處理控制系統(tǒng)中不同的家居單元，計(jì)算出控制指令數(shù)據(jù)損失量，利用Java編程控制各個(gè)控制指令，完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，基于雙目視覺(jué)的無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)可控制的范圍更大，更適合實(shí)際推廣使用。

關(guān)鍵詞： 智能家居; 控制系統(tǒng); 雙目視覺(jué); 數(shù)據(jù)處理; 軟件設(shè)計(jì); 指令控制

中圖分類號(hào)： TN929?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）18?0067?04

Abstract： In allusion to the problem that the control range of the control system is too small because of the excessive loss of the control instruction data in the operation process of the traditional control system， an accessible intelligent home control system based on binocular vision is designed. In the hardware part， ARM processor is used to process the control data， in which a wireless data transmission module is set to meet the requirements of multi?point communication control of the system. The pin function of the single?chip microcomputer （MCU） is redefined. A capacitance with short lead is placed on each pair of VCC and GND pins of MCU to complete the design of the main control circuit. In the software part， the neural network layer is used to deal with different household units in the control system， the loss of control instruction data is calculated， and each control instruction is programmed with JAVA to complete the software design of the control system. The experimental results show that， in comparison with the traditional control system， the accessible intelligent home control system based on binocular vision has a wider control range， and is more suitable for promotion and practical application.

Keywords： intelligent home; control system; binocular vision; data processing; software design; instruction control

0? 引? 言

無(wú)障礙智能家居系統(tǒng)是一項(xiàng)針對(duì)老年人或是視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)出現(xiàn)障礙的用戶所設(shè)計(jì)[1]的，通過(guò)構(gòu)建高效的智能住宅設(shè)施與家庭事務(wù)管理系統(tǒng)[2]，將其安置于居住環(huán)境，智能化的操作方式解決了老年人日常生活中的家居問(wèn)題[3]。傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)采用總線組網(wǎng)的方式，將設(shè)備通信和控制全部基于一條總線上，導(dǎo)致布線工程與現(xiàn)場(chǎng)施工任務(wù)過(guò)重，后期發(fā)展的擴(kuò)展性差，不適合實(shí)際推廣使用[4]。雙目立體視覺(jué)（Binocular Stereo Vision）是機(jī)器視覺(jué)的一種重要形式，它基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測(cè)物體的2幅圖像，通過(guò)計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，來(lái)獲取物體三維幾何信息，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。隨著我國(guó)人口老齡化程度不斷加深，智能家居需求增大，將雙目視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)，是時(shí)代發(fā)展的必要[3]。將移動(dòng)終端與家居設(shè)備連接起來(lái)，集中控制、遠(yuǎn)程操作家用電器與安防設(shè)施，可以更好地保證老年人或是殘疾人士的日常需求，保護(hù)他們的人身安全。

1? 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1? 設(shè)計(jì)控制開(kāi)發(fā)板

開(kāi)發(fā)板處理器選擇ARM處理器，利用其32位的精簡(jiǎn)指令集處理器架構(gòu)，兼容多個(gè)8位和16位器件。芯片使用S3C2440微處理器，其內(nèi)部集成ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，支持主頻[5]400 MHz，最高至522 MHz。使用一個(gè)LCD顯示，連接以太網(wǎng)RJ 45接口。將3個(gè)串口接口，分別連接USB Host，USB Slave B型接口以及PWM控制蜂鳴器。將攝像頭接口連接開(kāi)發(fā)板的拓展接口34 Pin GPIO引腳，最終接入到40 Pin系統(tǒng)的總線接口。實(shí)際的開(kāi)發(fā)板如圖1所示。

開(kāi)發(fā)板的射頻模塊使用有效工作范圍為433 MHz/868 MHz/915 MHz開(kāi)放的ISM頻段，利用nRF905芯片自身內(nèi)部集成的頻率調(diào)制器，調(diào)制不同家居的工作指令，利用芯片自身帶有解調(diào)器的接收器接收不同控制指令的頻率[6]。使用功率放大器實(shí)現(xiàn)同指令控制不同功率的家居設(shè)備，防止因功率轉(zhuǎn)換不當(dāng)，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。利用調(diào)節(jié)器收發(fā)控制指令的32 B數(shù)據(jù)，調(diào)整發(fā)射速率為50 Kb/s，外置一個(gè)433 MHz天線。

控制開(kāi)發(fā)板內(nèi)設(shè)置一個(gè)S003nRF905無(wú)線數(shù)傳模塊，調(diào)節(jié)數(shù)傳模塊的工作頻率范圍在422.4～473.5 MHz之間，內(nèi)置512個(gè)通信頻道滿足多點(diǎn)通信、調(diào)頻分組控制方式[7]。使用SMA接口連接外置天線，增強(qiáng)控制信號(hào)的發(fā)送接收功能，連接圖如圖2所示。

系統(tǒng)硬件的芯片STM32和nRF905以及家電設(shè)備組成了設(shè)備節(jié)點(diǎn)，射頻與STM32經(jīng)過(guò)I/O口相連，模擬出SPI總線連接方式的穩(wěn)定效果。控制開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)主控電路，實(shí)現(xiàn)線路主控功能[8]。

1.2? 設(shè)計(jì)主控電路

按照不同家居功能設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，重新定義單片機(jī)的引腳功能，將晶振電路的總線位與芯片位置于同一層，并使用“地”網(wǎng)絡(luò)包圍，避免晶振下面鋪地[9]。在每個(gè)電源管腳處接入一個(gè)0.1 μF的去耦陶瓷電容，消除I/O口開(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的高頻噪聲。在單片機(jī)每對(duì)VCC和GND管腳上放置一個(gè)短引線電容，內(nèi)部集成64 KB ROM和8 KB RAM。最終的晶振電路、復(fù)位電路以及電源去耦電路如圖3所示。

由圖3可知，將晶振電路盡量靠近芯片管腳，采用包地敷銅的連接方式，消除高頻噪聲，完成硬件部分的設(shè)計(jì)[10]。

2? 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 計(jì)算控制指令數(shù)據(jù)損失量

計(jì)算控制指令數(shù)據(jù)損失量，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層處理控制系統(tǒng)中不同的家居單元[11]。將控制系統(tǒng)控制的一個(gè)種類的家居單元看作一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理單元，設(shè)此時(shí)的家居處理單元為[Xi]，連接的權(quán)值為[Wi]，此時(shí)的內(nèi)部處理閾值為[θ]，此時(shí)處理單元的輸入方式為：

式中：[Xi]表示第[i]個(gè)參數(shù)輸入值;[Wi]表示此次控制家居單元和接下來(lái)控制第[i]個(gè)處理單元的連接權(quán)值;[f]表示應(yīng)用函數(shù)或是激活函數(shù);[θ]表示隱含控制層神經(jīng)節(jié)點(diǎn)的閾值。為了降低系統(tǒng)在日常過(guò)程中的損耗，設(shè)[hθ（x）]為假設(shè)函數(shù)，[x]為激勵(lì)參數(shù)，[y]為響應(yīng)參數(shù)，則損失函數(shù)為：

調(diào)用控制系統(tǒng)的PC端應(yīng)用接口函數(shù)*SIGet NumDevices（），將式（3）計(jì)算出的控制指令損失數(shù)值調(diào)整為0，避免控制指令數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中損失量過(guò)高[12]。計(jì)算出控制指令的損失量后，利用Java編程，將控制系統(tǒng)中的控制指令編程錄入系統(tǒng)。

2.2? Java編程控制指令

使用Java編程控制指令時(shí)，設(shè)置請(qǐng)求幀的格式，定義傳輸數(shù)據(jù)碼結(jié)構(gòu)，利用運(yùn)行傳輸代碼：

??packed typedef? struct{

u8 Count_433;// TX Time 433? ad time 433[NODE_ CNT];//

}STO R_33_DATA//?packed typedef? struct{

u8 addr 433[2];//

else if（（（temp_I*8/3）

支持運(yùn)行雙目視覺(jué)的控制攝像機(jī)，并傳輸數(shù)據(jù)至芯片的中心數(shù)據(jù)處理模塊中[13]。使用約束代碼：

about 8266_ send cmd {"AT+CWMODE=3"，"OK"） }

while（about 8266 send_cmd {"AT+CIFSR"，"APIP "，}）;// temperature=wendu shi+0x30;0] 11） =wendu ge+0x30r...L F...L

humidity }0}=shidu_ shi+0x30;

實(shí)現(xiàn)規(guī)定控制板遠(yuǎn)程控制屋內(nèi)濕度要求，并根據(jù)土壤濕度，設(shè)定室內(nèi)植物澆灌的周期時(shí)間[14]。利用循環(huán)代碼：

for（j=O;j

{

Receive[j]=Receive[j]<<1; //

if（（（temp_ l/3）

else if（（（temp_I*8/3）

用來(lái)運(yùn)行室內(nèi)煤氣監(jiān)測(cè)機(jī)制。綜合3種控制指令，完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[15]。

3? 實(shí)? 驗(yàn)

3.1? 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備安裝在室內(nèi)的傳感器，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)控制的智能家居環(huán)境如圖4所示。

分別使用2種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與基于雙目視覺(jué)的無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)對(duì)圖4中的控制環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比3種控制系統(tǒng)可以控制家居環(huán)境的控制范圍。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

規(guī)定3種控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)所用圖4實(shí)驗(yàn)環(huán)境長(zhǎng)寬高的面積為20 m×10 m×6 m，將圖4實(shí)驗(yàn)環(huán)境轉(zhuǎn)換為三維立體坐標(biāo)系。3種控制系統(tǒng)最終的控制范圍見(jiàn)圖5。

由以上3種實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將圖4控制的家居環(huán)境變換成為三維坐標(biāo)系，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)1最終控制的長(zhǎng)度控制范圍為0～8 m，寬度控制范圍為0～8 m，高度控制范圍為0～3.5 m;傳統(tǒng)控制系統(tǒng)2最終長(zhǎng)度控制范圍為0～14 m，寬度控制范圍為0～9 m，高度控制范圍為0～5 m;而基于雙目視覺(jué)的無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)的長(zhǎng)度控制范圍為0～20 m，寬度控制范圍為0～10 m，高度控制范圍為0～5.5 m，可監(jiān)控范圍更大，更適合在實(shí)際智能家居中使用。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

隨著人們對(duì)家居的要求逐步向安全舒適的高品位追求發(fā)展，將雙目視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)障礙智能家居控制系統(tǒng)，成為熱門(mén)研究的方向。本文通過(guò)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)相關(guān)軟硬件，完善系統(tǒng)控制電路，計(jì)算數(shù)據(jù)損失量，編程控制指令，針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的不足，改進(jìn)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制范圍小的問(wèn)題，增加控制系統(tǒng)的實(shí)用性，進(jìn)一步提升用戶的體驗(yàn)。

注：本文通訊作者為袁傲冰。

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