面向老年人的智能家居控制實驗裝置

蘇思偉，翁 哲，陳群元，蘇益宗，鄭仲航，唐小煜

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

隨著21世紀高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，智能技術(shù)越來越滲透到生活的方方面面，方便和改善生活. 近些年來，國內(nèi)的一些大企業(yè)，如海爾、美的等都相繼研發(fā)出智能家居產(chǎn)品，并面市銷售. 市面上的產(chǎn)品絕大多數(shù)是面向青年人群或中年人群設(shè)計的，鮮有面向老年人的智能家居控制系統(tǒng)[1]，而我國老年人群體日趨龐大，老年人的智能家居控制系統(tǒng)已然成為重要的研究課題. 為此，本文提出了改良之后能讓老年人避免使用復(fù)雜的手機APP和WIFI聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的、基于STM32單片機和STC89C51單片機等價格實惠的電子器件、具有穩(wěn)定性高的智能家居控制實驗裝置. 高校學(xué)生可通過該實驗裝置，掌握對多種實用傳感器的使用以及對常見家居家電的控制，進一步加深對智能家居方向的認識.

1 實驗裝置整體設(shè)計方案

1.1 實驗裝置硬件體系結(jié)構(gòu)

面向老年人的智能家居控制系統(tǒng)采用分層控制的設(shè)計思路，主要分為4部分的體系結(jié)構(gòu)：傳感器感知部分、中心主控制部分、交互通信部分和家具家電部分. 硬件體系結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 實驗裝置硬件體系結(jié)構(gòu)圖

傳感器感知部分主要包括光敏電阻傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、雨滴傳感器、煙霧傳感器等，中心控制部分包括主控STM32單片機和輔控STC89C51單片機，交互通信部分主要包括LD3320語音識別[2]、手機APP和TFLCD液晶屏，家具家電部分主要包括老年人家居生活中常見的各類家具和家電，如燈泡、門、窗、窗簾和空調(diào)等.

1.2 實驗裝置軟件設(shè)計方案

1.2.1 總體方案設(shè)計

該實驗裝置的軟件設(shè)計采用中斷函數(shù)處理的方式. 主控單片機STM32通過中斷的方式同時監(jiān)視各類傳感器、藍牙和輻控單片機STC89C51的輸出數(shù)據(jù). 如果主控單片機有正確的信號幀輸入，其將進行解析，并將各個家具家電設(shè)為必要狀態(tài).

為方便解釋，本文將從主控單片機作為主體把軟件結(jié)構(gòu)分為3個線程：信號接收中斷函數(shù)、信號處理中斷函數(shù)和信號輸出中斷函數(shù). 多線程處理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 中斷函數(shù)處理結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 信號接收中斷函數(shù)

信號接收中斷函數(shù)就是接收信號輸入的中斷函數(shù)程序. 其中主控單片機STM32接收的信號主要來自于各類傳感器和單片機STC89C51，而STC89C51的信號源產(chǎn)生是由于LD3320語音模塊的識別[2].

接收中斷函數(shù)流程圖如圖3所示. 硬件初始化是設(shè)置連接STM32單片機的各類傳感器和STC89C51的IO口為輸入，且初始為高電平. 檢測信號即檢測信號是否發(fā)生跳變，而判斷信號是否正確利用消抖算法判斷.

圖3 接收中斷函數(shù)流程圖

1.2.3 信號處理中斷函數(shù)

處理中斷函數(shù)使用了Bang-Bang控制算法、單神經(jīng)元PID控制算法和其他的數(shù)值處理算法[3]，Bang-Bang控制算法和單神經(jīng)元PID控制算法相結(jié)合[4]有效地控制室內(nèi)的燈光亮度和門、窗、窗簾等的開關(guān).

PID控制算法是最早發(fā)展起來且應(yīng)用最為廣泛的自動控制算法，目前多應(yīng)用工業(yè)控制和船舶自動舵等方面. 它具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高、參量整定方式簡便的特點. Bang-Bang控制又稱為起停式控制，是一種特殊的時間最優(yōu)控制算法. 利用Bang-Bang控制算法與PID控制算法相結(jié)合不僅能完成利用PID算法對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)，還能較傳統(tǒng)的PID控制大幅度地縮短了調(diào)節(jié)時間. 利用Bang-Bang控制和PID控制相結(jié)合的算法，可以極大地改善老年人的室內(nèi)環(huán)境，及時感受智能家居帶來的便利.

以本裝置中的室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)為例，將PID算法應(yīng)用于室內(nèi)亮度的自動調(diào)節(jié). 雖然僅僅依靠PID算法就有精確的控制效果，但為了縮短室內(nèi)亮度的穩(wěn)定時間，在亮度偏差的絕對值大于設(shè)定閾值時引入Bang-Bang控制，反之進入PID控制環(huán)節(jié)[4]. 圖4所示為結(jié)合Bang-Bang控制算法和PID控制算法的室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖.

圖4 結(jié)合Bang-Bang控制算法和PID控制算法的室內(nèi)亮度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.2.4 信號輸出中斷函數(shù)

經(jīng)過處理中斷函數(shù)對信號的計算后，將得到的計算值輸出給對應(yīng)的家具或者家電，使其做出正確的響應(yīng). 在整個裝置的實時監(jiān)控下、不斷信號處理和計算值不斷輸出的中斷控制下，最終室內(nèi)環(huán)境將達到最為適宜老年居住的狀態(tài).

2 面向老年人的3種必要模式

現(xiàn)在市面上大多的智能家居控制系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)的，需要用到手機APP等高科技，對于老年人來說，熟練地掌握這些應(yīng)用比較困難. 為了增加老年人的對于智能家居的體驗舒適度，研發(fā)不需要手機APP控制的智能家居系統(tǒng)就會顯得尤為重要. 本文考慮了腦電波、眼睛、聲音等器官的生理信號，發(fā)現(xiàn)聲音對于智能家居的控制精確度明顯較高，且也大大降低了研究的難度. 因此，老年人可以使用聲音代替手機APP控制智能家居. 為了更進一步提高老年人對于智能家居系統(tǒng)的體驗舒適度，本系統(tǒng)增加了智能控制方式，即利用各類傳感器替代老年人的感受，智能系統(tǒng)主觀能動地調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，如燈光亮度等，使室內(nèi)環(huán)境達到最好的居住條件.

2.1 聲音控制模式

LD3320語音識別用于識別老年人的語音，老年人指令實驗裝置做操作時，當(dāng)LD3320語音識別正確，發(fā)出信號給輔控單片機STC89C51，經(jīng)過STC89C51的數(shù)據(jù)處理，再將必要的控制信號發(fā)給主控單片機STM32，STM32根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法的計算得出結(jié)果并輸出給老年人想要控制的家具或者家電，滿足老年人的需求.

2.2 智能模式

當(dāng)老年人通過語音指令系統(tǒng)進入“智能模式”時，本系統(tǒng)將開啟智能主動控制模式. 室內(nèi)室外的各類傳感器將被初始化，開啟實時監(jiān)測室內(nèi)外的環(huán)境. 當(dāng)室內(nèi)環(huán)境數(shù)值沒有處在設(shè)定值的可波動范圍內(nèi)時，系統(tǒng)便會利用Bang-Bang控制算法和PID控制算法使室內(nèi)環(huán)境快速達到理想狀態(tài).

2.3 異常模式

為了給老年人及其子女提供更加安心有效的生活[5]，異常監(jiān)控系統(tǒng)如煙霧傳感器等安裝室內(nèi)各區(qū)域和加速度傳感器安裝在老年人身上實時進行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控，一旦出現(xiàn)異常情況，及時觸發(fā)報警系統(tǒng)，如室內(nèi)氣體異常將直接撥打119，老年人跌倒將聯(lián)系老年人的兒女以及撥打120等.

3 實驗裝置的基本性能測試

為了測試面向老年人的智能家居控制實驗裝置的可行性，設(shè)計了如圖5所示的智能家居實驗裝置.

圖5 智能家居實驗裝置圖

3.1 聲音控制的測試

測試員向?qū)嶒炑b置發(fā)出各類指令，實驗裝置在較安靜的環(huán)境下對各類基本指令的識別正確率見表1.

表1 安靜環(huán)境下指令正確率表

測試員向?qū)嶒炑b置發(fā)出各類指令，實驗裝置在較嘈雜的環(huán)境下對各類基本指令的識別正確率見表2.

表2 嘈雜環(huán)境下指令正確率表

3.2 智能的測試

測試員設(shè)定實驗裝置在智能模式下，各項實驗設(shè)定值如實驗裝置亮度等為某一確定的值時，改變實驗裝置周圍或者實驗裝置內(nèi)的環(huán)境因素，多次測定實驗裝置達到穩(wěn)定的值，以及達到該穩(wěn)定值的時間t. 測量結(jié)果見表3. 注意：表3中室外下雨和老年人跌倒都不需要設(shè)定值，只要其對應(yīng)的傳感器檢測到正確信號，系統(tǒng)將進行對應(yīng)的調(diào)整. 室外下雨時，裝置調(diào)整時間指的是室內(nèi)做出關(guān)窗簾和關(guān)窗戶的反應(yīng)，而老人跌倒時，裝置調(diào)整時間指的是報警或通知家屬.

表3 智能模式下的測定表

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了直接面向老年人的智能家居系統(tǒng)，通過硬件和軟件2個層面介紹了面向老年人智能家居控制實驗裝置，加深了對常用傳感器的應(yīng)用以及智能家居系統(tǒng)的模式設(shè)計. 硬件部分是基于多傳感器和單片機控制，軟件部分是中斷函數(shù)的處理，并結(jié)合了Bang-Bang算法和PID算法. 本文還提供了區(qū)別APP模式的適合老年人的幾種智能家居的控制模式，為學(xué)生在智能家居相關(guān)的科研項目中提供新思路.