家用智能裝置系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陳健豪 王祖吉 歐陽(yáng)兆國(guó) 陳 瑜 高 遠(yuǎn)（指導(dǎo)老師）

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州545006）

1 研究的主要內(nèi)容

以STM32 為控制核心，結(jié)合家居使用場(chǎng)景，用履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為家用智能裝置的系統(tǒng)載體，根據(jù)家居的安全性和環(huán)境舒適度參數(shù)要求，以及考慮一定的娛樂(lè)性功能要求，擬開(kāi)展如下的主要研究?jī)?nèi)容：

1.1 設(shè)計(jì)家居環(huán)境濕度、煙霧、可燃?xì)怏w、PM2.5 和陌生人非法入戶(hù)情況的多傳感檢測(cè)電路，家用電器電源的無(wú)線控制電路和環(huán)境狀態(tài)異常的報(bào)警電路。

1.2 研究語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和自動(dòng)充電技術(shù)，設(shè)計(jì)家用智能裝置的語(yǔ)音識(shí)別控制電路和自動(dòng)充電電路。

1.3 研究制定出家用智能裝置室內(nèi)自動(dòng)巡檢路徑的循跡方法，家用智能裝置與用戶(hù)終端間的遠(yuǎn)程通信技術(shù)方案。

1.4 設(shè)計(jì)家用智能裝置行進(jìn)運(yùn)動(dòng)的控制電路，包括自動(dòng)避障電路、行進(jìn)運(yùn)動(dòng)（含跟蹤用戶(hù)行進(jìn)、自動(dòng)巡檢）的控制電路。

1.5 研究與實(shí)現(xiàn)家用智能裝置的娛樂(lè)功能，包括語(yǔ)言交流，自動(dòng)跟隨。

2 家用智能裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置結(jié)合家居使用場(chǎng)景，利用履帶式移動(dòng)平臺(tái)作為家用智能裝置的系統(tǒng)載體，主要設(shè)計(jì)了電子寵物狗的路徑規(guī)劃、建立家庭環(huán)境的無(wú)線傳感器采集網(wǎng)絡(luò)、異響檢測(cè)和人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)陌生人非法入戶(hù)情況檢測(cè)、建立遠(yuǎn)程控制家庭電器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)充電功能以及基于AI 人工智能一定的娛樂(lè)功能。

2.1 家用智能裝置的結(jié)構(gòu)原理

所提出基于STM32 的家用智能裝置的結(jié)構(gòu)原理，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器采用ONENET 與訊飛云平臺(tái)，擬定STM32F103ZET6 微處理器為核心，SD 卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);ESP8266 通信實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸,將數(shù)據(jù)傳送至云端，通過(guò)終端接收數(shù)據(jù)；采用樹(shù)莓派3B+與激光雷達(dá)，通過(guò)SLAM算法實(shí)現(xiàn)家用智能裝置的路徑規(guī)劃；采用訊飛AI 人工智能開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制技術(shù)的應(yīng)用，提高家用智能裝置與主人的互動(dòng)和娛樂(lè)。如圖1 所示。

2.2 移動(dòng)巡檢的路徑規(guī)劃

采用樹(shù)莓派3B+與激光雷達(dá)通過(guò)SLAM 算法進(jìn)行家用智能裝置的同步定位與地圖構(gòu)建從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)巡檢路徑的規(guī)劃，并通過(guò)樹(shù)莓派3B+串口與STM32 串口建立通信，激光雷達(dá)與樹(shù)莓派3B+處理得到的地形數(shù)據(jù)來(lái)判斷家用智能裝置的路徑預(yù)設(shè)，通過(guò)樹(shù)莓派串口下發(fā)指令給STM32 進(jìn)而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成移動(dòng)巡檢。

圖1 家用智能裝置的結(jié)構(gòu)原理

如圖2，EKF 原理，用對(duì)環(huán)境的激光掃描糾正機(jī)器人位置。EKF 跟蹤機(jī)器人位置的不確定估計(jì)以及環(huán)境中的不確定地標(biāo)，負(fù)責(zé)更新機(jī)器人原始的狀態(tài)位置。結(jié)合激光三角測(cè)距技術(shù)和SLAM 算法，家用智能裝置進(jìn)行掃描建筑，建立全局地標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建、室內(nèi)自主定位和自主導(dǎo)航（路徑規(guī)劃）。

圖2 EKF 測(cè)距原理

2.3 家庭環(huán)境的無(wú)線傳感器采集網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合家庭在不同時(shí)間段對(duì)溫度、濕度、有害氣體含量、空氣中PM2.5 含量等居住條件的需求，以及監(jiān)控有效區(qū)域條件，采用定時(shí)巡控模式，擬選擇PM2.5 傳感器、DHT11 溫濕度傳感器，構(gòu)建無(wú)線檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并以驅(qū)動(dòng)設(shè)備和WIFI 遠(yuǎn)程控制模塊搭建無(wú)線傳感器采集網(wǎng)絡(luò)，對(duì)用戶(hù)居住環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集并傳送到云端，用戶(hù)可在終端實(shí)時(shí)查看。

2.4 異響檢測(cè)和人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)陌生人非法入戶(hù)情況檢測(cè)

當(dāng)用戶(hù)不在家的時(shí)，用戶(hù)開(kāi)啟無(wú)人自主安全巡檢功能。當(dāng)有陌生人非法進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，家用智能裝置便會(huì)通過(guò)聲音采集傳感器采集異常響動(dòng)和開(kāi)啟人臉識(shí)別安全檢測(cè)功能，當(dāng)所識(shí)別的入戶(hù)人員的人臉信息為陌生人的信息時(shí)，便會(huì)觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)。通過(guò)郵箱警報(bào)發(fā)送到用戶(hù)的手機(jī)端同時(shí)拉響警報(bào)。

2.5 建立遠(yuǎn)程控制家庭電器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)

采用ESP8266 聯(lián)網(wǎng)微處理器與物聯(lián)網(wǎng)云端建立無(wú)線通信。并通過(guò)ESP8266 來(lái)控制繼電器的常開(kāi)和閉合狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家庭電器。用戶(hù)可通過(guò)對(duì)家用智能裝置下達(dá)相關(guān)控制家庭電器狀態(tài)的語(yǔ)音指令，家用智能裝置通過(guò)對(duì)語(yǔ)音指令的識(shí)別，將識(shí)別的指令通過(guò)聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云端，并通過(guò)云端下發(fā)到相應(yīng)的ESP8266 聯(lián)網(wǎng)微處理器構(gòu)成的遠(yuǎn)程控制電器開(kāi)關(guān)進(jìn)而控制繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)或者用戶(hù)可以直接通過(guò)終端下發(fā)指令從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制家庭電器的功能。圖3 為遠(yuǎn)程控制電路開(kāi)關(guān)的工作原理圖。

圖3 為遠(yuǎn)程控制電路開(kāi)關(guān)的工作原理圖

2.6 設(shè)計(jì)家用智能裝置自動(dòng)充電電路

當(dāng)家用智能裝置檢測(cè)到自身電量過(guò)低時(shí)，家用智能裝置打開(kāi)藍(lán)牙模塊與充電端的藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊。本項(xiàng)目采用藍(lán)牙定位模塊，通過(guò)藍(lán)牙制造的定位系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)定位。它的功率比較低、體積比較小、非常容易集成在家用智能裝置的電路中。采用這種技術(shù)，家用智能裝置不容易受視距的影響，也就是即便有障礙物阻擋，也能夠在直線距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找充電點(diǎn)進(jìn)行充電的功能。

2.7 實(shí)現(xiàn)家用智能裝置的娛樂(lè)功能

本裝置在傳統(tǒng)的智能家居管理系統(tǒng)上為了滿足現(xiàn)在大眾的更高需求。家用智能裝置在智能家居管理基礎(chǔ)上增加一定的娛樂(lè)功能：

①人工智能語(yǔ)音交流功能

結(jié)合現(xiàn)在的人工智能AI 技術(shù)，采用訊飛AI 人工智能開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的語(yǔ)音模塊通過(guò)與STM32 建立串口通信、網(wǎng)絡(luò)共用來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制技術(shù)的應(yīng)用。在人機(jī)交互上采用先進(jìn)的AI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)家用智能裝置能通過(guò)云平臺(tái)調(diào)用數(shù)據(jù)，與用戶(hù)進(jìn)行一定的語(yǔ)言交流，增加家用智能裝置與主人的互動(dòng)和提高娛樂(lè)性。

②家用智能裝置自動(dòng)跟隨功能

家用智能裝置通過(guò)使用訊飛AI 人工智能開(kāi)發(fā)語(yǔ)音模塊與聯(lián)網(wǎng)模塊共用網(wǎng)絡(luò)連接到訊飛平臺(tái)并且通過(guò)與STM32 建立的串口通信調(diào)用平臺(tái)相應(yīng)的數(shù)據(jù)完成智能對(duì)話、語(yǔ)音識(shí)別的功能。同時(shí)用戶(hù)可通過(guò)發(fā)出語(yǔ)音跟隨指令，家用智能裝置在識(shí)別相應(yīng)指令后開(kāi)啟自動(dòng)跟隨模式，通過(guò)紅外避障模塊實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)之間進(jìn)行保持一定距離的跟隨功能。從而在我國(guó)現(xiàn)有的家居管理系統(tǒng)中體現(xiàn)出更多的人工智能，提高了娛樂(lè)性。

3 特色與創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 結(jié)合樹(shù)莓派3B+與SLAM激光雷達(dá)的應(yīng)用，家用智能裝置可進(jìn)行室內(nèi)定位和自動(dòng)避障，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)巡檢功能，相比現(xiàn)有基于固定點(diǎn)布置的家居管理系統(tǒng)，具有更好工作機(jī)動(dòng)靈活性。

3.2 采用藍(lán)牙定位的自動(dòng)充電技術(shù)，保障家用智能裝置不間斷工作，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人供電管理。

3.3 語(yǔ)音控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅家用智能裝置可跟隨用戶(hù)行進(jìn)，還能進(jìn)行一定的語(yǔ)言交流，提高人機(jī)間的互動(dòng)性和娛樂(lè)性。

3.4 在居所無(wú)戶(hù)主的情況下，可通過(guò)異響檢測(cè)和人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)陌生人的非法入戶(hù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并可以遠(yuǎn)程警報(bào)，提高居所的安全保障性。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的家用智能裝置具有較強(qiáng)的行進(jìn)機(jī)構(gòu)，相比其他的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更高的機(jī)動(dòng)靈活性；同時(shí)，人性化的語(yǔ)音交互系統(tǒng)能給用戶(hù)帶來(lái)娛樂(lè)性，無(wú)線通信能讓用戶(hù)更加方便的了解到家居環(huán)境，為用戶(hù)提供舒適的家居環(huán)境。相比傳統(tǒng)的智能家居管理系統(tǒng)，可望大大提高了系統(tǒng)工作靈活性以及具有一定的娛樂(lè)性，更能滿足人們對(duì)智能化家居管理系統(tǒng)在功能上的更高需求。