劉鵬飛， 張微風(fēng)， 吳晨旭， 孫曉明

(哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與儀器黑龍江省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引 言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)與科技水平的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷深入發(fā)展和成熟，物聯(lián)網(wǎng)開始逐漸步入社會大眾的視野。早在2009年的8月，溫家寶總理就提出了“感知中國”這一重要的戰(zhàn)略，在國家的“十二五”規(guī)劃中物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為新興的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)得到了大力的扶持與培育，人們將不單單實(shí)現(xiàn)人與物體之間的感應(yīng)與通信，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)物體與物體之間的自主交流、控制、協(xié)同工作[1]。智慧家居系統(tǒng)是現(xiàn)代電子科學(xué)、通訊技術(shù)與自動化互相結(jié)合、相輔相成的科技產(chǎn)物，其中的智能家庭控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)就是供應(yīng)高效、合理的生活環(huán)境，用以保護(hù)戶主的生命財(cái)產(chǎn)安全，為戶主創(chuàng)造出放松、溫馨的家居生活環(huán)境。

從世界范圍的角度來看智能家居的發(fā)展，其提出到現(xiàn)在已經(jīng)有很多年了。法國的Marie Chan[2]等人通過對老年人生活習(xí)慣的觀察進(jìn)而研制了老年人在家庭生活中密切需要的各種智能裝置設(shè)備，并且可以根據(jù)不同人群的生活需要給與適合他們的可穿戴或者在室內(nèi)裝置植入式的智能系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。Johari[3]等人研究了利用GSM模塊通信的智能家居電子控制系統(tǒng)，意圖通過此技術(shù)減少家居電能的無端浪費(fèi)。但通常來講傳統(tǒng)的智能家居是依靠復(fù)雜的布線來實(shí)現(xiàn)用戶的控制，但是所面臨的后果就是功能的單一性和難以維修性。通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠促成設(shè)備之間的基礎(chǔ)無線通信與長距離監(jiān)控，因此大幅減弱了智能家居的局限性[4]。

從國內(nèi)的角度來看智能家居的發(fā)展，目前存在許多問題。首先是不同公司所采用的研發(fā)技術(shù)不盡相同，導(dǎo)致對同一種智能產(chǎn)品的控制也大相徑庭。不同廠商生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不互相兼容，甚至有時(shí)相同廠商生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也是互相獨(dú)立，不能夠進(jìn)行集中控制，用戶體驗(yàn)差，不利于智能家居向更深層次的發(fā)展。其次由于我國智能家居發(fā)展時(shí)間比較短，目前很多技術(shù)還處于起步階段，從而導(dǎo)致部分能夠進(jìn)行集中控制的智能家居系統(tǒng)安裝和使用成本都很高，一般只有高檔住宅區(qū)才有能力安裝此產(chǎn)品，普通用戶難以接受。

針對上述問題與不足，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易實(shí)用的家庭系統(tǒng)，相比于目前市面上各功能相互獨(dú)立的智能家居系統(tǒng)，例如采用不同系統(tǒng)控制的防盜系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)等，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將人臉識別自動開門、室內(nèi)CO濃度檢測與處理、室內(nèi)光照度檢測與控制照明、室內(nèi)溫度檢測顯示、室內(nèi)離人安防檢測報(bào)警等功能有序地實(shí)現(xiàn)在一套系統(tǒng)中，無需多系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)，安全可靠。并且相比于同種市面上能夠?qū)崿F(xiàn)集中控制的智能家居系統(tǒng)，本系統(tǒng)的成本低廉，使普通用戶也能夠享受到智能家居帶來的便捷生活。

2 系統(tǒng)方案的選取與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6芯片作為主控，并調(diào)用OPEN MV實(shí)現(xiàn)人臉辨認(rèn)，利用溫度傳感器、光電開關(guān)、熱釋電模塊、舵機(jī)、CO傳感器、光敏傳感器與直流電機(jī)等模塊相配合用以實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測并處理家居環(huán)境信息。部分采集數(shù)據(jù)與處理結(jié)果會在TFT_LCD顯示屏上進(jìn)行對應(yīng)的顯示。如果檢測到異常CO值則自動啟動風(fēng)扇以提供換氣功能。如果在戶主離開的情況下有外人闖入則 GSM 無線報(bào)警模塊將發(fā)送報(bào)警短信至戶主手機(jī)端。自動采集室內(nèi)環(huán)境光照度，在低于正常生活需要標(biāo)準(zhǔn)時(shí)則自動開啟燈光，高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)關(guān)閉燈光，以起到節(jié)能作用。最后通過無線保真(Wireless-Fidelity,WIFI)方式從手機(jī)端傳輸開門指令自動開關(guān)門。

基于上述功能論述的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure diagram

2.2 人臉識別系統(tǒng)

本文采用LBP(Linear Back Projection)特征值提取用來分辨不同的人臉，LBP俗稱累加法，是很早開始利用ECT圖像重建的成像算法，其通過將固定一點(diǎn)包含在內(nèi)的所有投影光線進(jìn)行疊加，再通過反向的計(jì)算加估算從而得出這一固定點(diǎn)的密度值。從成像的原理來看，這種做法屬于不完全雷登逆變換[5]，完整的雷登逆變換需要包含反投影、歸一化、微分、希爾伯特變換等步驟。在數(shù)字圖像處理邏輯和智能識別領(lǐng)域內(nèi)，該方法后來又提升為一種比較合理的描述算子，在其提取特定圖像局部紋理信息時(shí)，不受圖像光照強(qiáng)度的影響，即光照強(qiáng)弱對結(jié)果具有不變性。LBP也有很多的變種和改進(jìn)，單純的LBP算法是獲得固定點(diǎn)的像素和其周圍像素值的對比程度，通常來講就是檢測其兩者的對應(yīng)差異度，在其控制范圍內(nèi)根據(jù)LBP值統(tǒng)計(jì)其直方圖，把直方圖作為判別特性的依據(jù)。這樣做的益處是在特定程度上規(guī)避了圖像沒有100%瞄準(zhǔn)的問題，也對LBP特征做了降維處理。對于獲得的直方圖特性，有多種方式可以判別其相似性。設(shè)想已知人臉直方圖為Mi，待匹配人臉直方圖為Si，那么可以通過直方圖交叉核方法或者卡方統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出來：

(1)直方圖交叉核方法：

(1)

(2)卡方統(tǒng)計(jì)方法：

(2)

本文選用的是OpenMV嵌入式圖像處理攝像器，簡單來說，它是一個(gè)可編程的攝像頭，通過 MicroPython程序庫，可以很方便地調(diào)用部分機(jī)器視覺開源算法。在MicroPython函數(shù)庫中，對所捕獲的圖像的LBP鍵點(diǎn)的提取有固定的函數(shù)從roi輸入圖像中提取局部二值模式(LBP)特征值。然后，通過編寫采集人臉 LBP 特征值的函數(shù)進(jìn)行建立家庭成員的人臉函數(shù)庫，攝像頭實(shí)時(shí)采集的圖像的 LBP 鍵值跟圖像庫里的每個(gè)人臉圖片一一進(jìn)行比對，計(jì)算出每個(gè)的特征差異度值，一旦發(fā)現(xiàn)正在檢測的人臉是包含在人臉數(shù)據(jù)庫里的，則傳遞信號給單片機(jī)(Microcontroller Unit,MCU)，MCU立即啟動舵機(jī)自動開門。

在做好攝像頭檢測的同時(shí)，還要兼顧節(jié)約資源，因?yàn)閿z像頭安置在系統(tǒng)模型的房屋門上，所以只需考慮當(dāng)有人靠近門口一定距離之后才自動識別人臉，故本文選用熱釋電模塊HC-SR501來完成檢測人體的任務(wù)。由參考文獻(xiàn)[6]可知該傳感器輸出高電平有延遲時(shí)間，其工作原理通常為熱輻射原理。人體在體溫恒定的情況下所發(fā)出的紅外射線均為10 μm左右，如果人體活動在模塊感應(yīng)范圍內(nèi)，則輸出將始終保持高電平，直到人們離開時(shí)才延遲高電平變低(傳感器模塊在每次人體自動活動后被檢測到)，以上一次活動為延遲時(shí)間的起點(diǎn))，而高低電平的結(jié)果反饋給攝像頭，如果為高電平則喚醒攝像頭的人臉識別功能開始工作，如果為低電平則攝像頭休眠節(jié)約能源。

2.3 WIFI無線傳輸開門指令

本文選用的WIFI通信模塊為ESP8266模塊。ESP8266模塊是一個(gè)完整的而且可以自搭體系的WIFI網(wǎng)絡(luò)方案模塊，也能夠搭配相應(yīng)的軟件進(jìn)行開發(fā)。在其搭載應(yīng)用并是其中唯一的處理器時(shí)，該模塊可以利用外部FLASH啟動，內(nèi)置的高速存儲器可以更有利于系統(tǒng)的性能提升，并且能夠使內(nèi)存的要求降低。其實(shí)還有另外一種情況，當(dāng)無線網(wǎng)接入了WIFI適配器任務(wù)時(shí)，任何的包含微控制器的設(shè)計(jì)均可以添加該模塊，從配置上來講該模塊的連接方式很簡單，只需要串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)或高級高性能總線(Advanced High Performance Bus,AHB)橋接口即可。ESP8266的芯片內(nèi)集成了非常多的模塊，其中有像電源管理轉(zhuǎn)換器、天線的開關(guān)等等，所以其應(yīng)用十分簡單，對外部電路的要求也很低。在平時(shí)PCB設(shè)計(jì)時(shí)其占用的空間也十分可觀，其強(qiáng)大的存儲能力與SOC處理能力使得調(diào)用GPIO口集成傳感器或是應(yīng)用其他設(shè)計(jì)提供了最少占用資源的益處[7]?？傊鋫溆蠩SP8266的系統(tǒng)具有的特征為低功率操作的自適應(yīng)無線電偏置、睡眠/喚醒模式之間的快速切換、前端信號處理功能等。

在穿戴電子設(shè)計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，ESP8266可與其他幾項(xiàng)技術(shù)一起配合使用以獲得最低功耗的機(jī)器狀態(tài)。而節(jié)能狀態(tài)共分為3種模式：深睡眠模式、睡眠模式和激活模式?？梢酝ㄟ^編程，使得ESP8266在發(fā)現(xiàn)某種特定情況時(shí)自覺喚醒工作，也可以通過程序使得時(shí)鐘在固定的時(shí)間內(nèi)喚醒ESP8266進(jìn)行工作。在某些移動SOC上面該特性具有很大的作用，例如SOC在啟動WIFI之前處于低功耗狀態(tài)，為了滿足設(shè)備對電子產(chǎn)品功率的需求，ESP8266在比較短的距離之內(nèi)可以通過利用編程來降低輸出功率進(jìn)而降低整體系統(tǒng)的功耗，用來適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)方案。

需要注意的是本次下載好固件的模塊的AT指令波特率為115 200、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。模塊支持STA+AP/STA/AP等3種工作模式，常用的AP模式也就是將ESP8266模塊自己配置成WIFI熱點(diǎn)，用以電腦或者手機(jī)移動終端通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行直接接入，最后實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)控制。而常用的STA模式為由該模塊直接連接到由其他路由器所建立起來的局域網(wǎng)內(nèi)，同時(shí)將手機(jī)等移動終端連接到相同的局域網(wǎng)之內(nèi)，需要了解到每個(gè)設(shè)備自身的固定IP，這樣之后通過配置AT指令將處于相同局域網(wǎng)內(nèi)的移動終端與ESP8266模塊互相連接，完成信息的傳輸。最后的STA+AP模式也就是上述兩種模式功能的共存模式。

本文主要采用串口無線模式進(jìn)行工作，也就是STA(COM-STA)模式。ESP8266作為無線STA連接進(jìn)手機(jī)開啟的熱點(diǎn)內(nèi)，與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳，可以認(rèn)為手機(jī)相當(dāng)于TCP的服務(wù)器，模塊相當(dāng)于TCP的客戶端，最后通過透傳模式完成數(shù)據(jù)傳輸通道的建立[8]。

配置模塊具體的AT指令步驟如表1所示。

表1 串口無線模式手機(jī)端配置Tab.1 Serial port wireless mode mobile phone configuration

2.4 室內(nèi)CO濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測與處理系統(tǒng)

本文選用的CO濃度氣體檢測模塊為MQ-7 一氧化碳?xì)怏w傳感器。該氣體傳感器的氣敏材料是用電導(dǎo)率很低的二氧化錫，采用循環(huán)的檢測方式來檢測一氧化碳。也就是說如果空氣中的一氧化碳?xì)怏w濃度不斷增加[9]，那么氣體傳感器的電導(dǎo)率也跟隨著不斷增加。傳感器的表面電阻Rs是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為:

RS/RL=(VC-VRL)/VRL.

(3)

然后采用STM32F103RCT6主控的一個(gè)ADC進(jìn)行CO傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得轉(zhuǎn)換后的量化值。在系統(tǒng)主程序中設(shè)定一個(gè)室內(nèi)CO濃度存在的最大閾值，將ADC通道采集并轉(zhuǎn)換后的量化值與該閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)對比，一旦獲得的量化值超過閾值，MCU就立即給直流電機(jī)所接引腳低電平，啟動直流電機(jī)帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)換氣。直到CO濃度低于設(shè)定的安全值時(shí)，風(fēng)扇自動停止換氣。

2.5 室內(nèi)光照度實(shí)時(shí)監(jiān)測與自動照明系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的光敏傳感器為基于光敏電阻而設(shè)計(jì)的光敏電阻傳感器。光敏電阻俗稱光導(dǎo)管，硫化鎘通常作為其制作材料，也有硫化鉍、硫化鋁、硫化鉛等作為材料制作的。其原理可以概括為特殊材料在某一種特殊波長的光照下，其阻值立即降低[10]。本次設(shè)計(jì)的光敏模塊PCB 尺寸為3.2 cm×1.4 cm，工作電壓為3.3～5 V，配備有LM393比較器，輸出信號干凈，波形完美，并且驅(qū)動能力也很強(qiáng)，單峰電流超過了15 mA，其中還內(nèi)嵌了一個(gè)可調(diào)電位器進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，檢測光線照度。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進(jìn)行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，電路原理圖如圖3所示。

圖2 光敏電阻傳感器電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of photoresistor sensor circuit

圖3 光敏電阻傳感器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of photosensitive resistance sensor circuit

通過該光敏傳感器模塊將室內(nèi)的實(shí)時(shí)光照度轉(zhuǎn)換成高低電平進(jìn)行輸出，通過引腳傳輸?shù)組CU內(nèi)部，再由程序判斷電平的高低來決定是否驅(qū)動外置的LED燈的亮滅來補(bǔ)充室內(nèi)光照，如果室內(nèi)光照度充足，則LED燈自動熄滅，起到節(jié)約電能的作用。

2.6 室內(nèi)安防監(jiān)測與自動報(bào)警系統(tǒng)

本文采用BKF-DS300C1型號的光電傳感器與SIM800C GSM/GPRS模塊來完成該部分功能。這款光電傳感器是一款集接收與發(fā)射于一體的光電傳感器，其發(fā)射的光通過漫反射被設(shè)備的接收部分所感知，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)制輸出。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，傳感器的最遠(yuǎn)檢測距離是3 m，在保持室內(nèi)擁有適宜的光照度的情況下，正常房屋臥室內(nèi)窗戶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1.2 m×1.5 m左右，室內(nèi)客廳窗戶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1.5 m×1.8 m左右，衛(wèi)生間內(nèi)的窗戶尺寸為0.6 m×0.9 m左右，采用兩個(gè)BKF-DS300C1型號的傳感器對稱分布，則傳感器所覆蓋的監(jiān)測寬度最大為6 m，滿足正常情況下室內(nèi)不同房間窗戶的寬度，具有很強(qiáng)的適用性[11]。將光電傳感器分別放置在窗戶的兩側(cè)，可以判斷是否有人通過翻窗戶強(qiáng)行闖入室內(nèi)的情況發(fā)生。當(dāng)有物體遮擋在該傳感器前面時(shí)該傳感器的信號線輸出低電平，該信號通過與MCU相連的引腳傳入主控，進(jìn)而MCU根據(jù)得到的信號繼續(xù)控制與SIM800C GSM/GPRS模塊相連的引腳以驅(qū)動該模塊的運(yùn)行。它是一款高性能的工業(yè)級GSM/GPRS模塊，其中搭載了SIMCOM公司的工業(yè)級四頻模塊，工作頻段為850/900/1 800/1 900 MHz，所以可以實(shí)現(xiàn)小功耗的語音、短信、藍(lán)牙和彩信等數(shù)據(jù)傳輸功能[12]，通過簡單的串口AT指令的配置，就可以實(shí)現(xiàn)模塊給戶主人手機(jī)上發(fā)送短信的功能，用以提示戶主室內(nèi)有人非正常闖入。短信的讀取與發(fā)送將用到的指令配置步驟如表2所示。

表2 短信發(fā)送配置AT指令步驟

短信的內(nèi)容在編譯主控程序時(shí)已經(jīng)設(shè)置為固定的字符串，由固定的指針變量對應(yīng)，在發(fā)送完最后一條AT指令后由系統(tǒng)直接發(fā)送給模塊，再由模塊發(fā)送到對應(yīng)的手機(jī)號里，完成短信傳輸工作。

3 主控系統(tǒng)總體編程

在編寫主控程序的開始需要給所引用的所有函數(shù)進(jìn)行頭文件引用。完成該項(xiàng)任務(wù)后，開始進(jìn)入主程序的編寫，在main主函數(shù)里先把本次設(shè)計(jì)所用到的所有變量進(jìn)行逐一復(fù)制或定義，以便接下來的函數(shù)能夠正常應(yīng)用這些變量。設(shè)置室內(nèi)報(bào)警短信內(nèi)容為“Your home was stolen”，并賦值給p1指針變量，設(shè)定室內(nèi)CO濃度閾值為370，賦值給bb變量，設(shè)定接收變量 ReadValue、短字節(jié)變量 temperature、以及系統(tǒng)初次采集回來的ADC電壓值賦值變量adcx ，然后開始初始化函數(shù)，例如初始化中斷NVIC_Configuration()，初始化USMART函數(shù)usmart_dev.init(72)，初始化串口、延時(shí)函數(shù)、ADC 函數(shù)、內(nèi)存池、LCD調(diào)用函數(shù)、DS18b20 調(diào)用函數(shù)、光敏電阻傳感器調(diào)用函數(shù)等。

在初始化完本次設(shè)計(jì)的主程序所有調(diào)用函數(shù)之后，首先展開while函數(shù)進(jìn)行不斷的大循環(huán)，該循環(huán)用以保證系統(tǒng)的正常工作。進(jìn)入大循環(huán)函數(shù)內(nèi)，首先檢測系統(tǒng)是否接入了DS18b20模塊，如果正常從GPIOA0引腳引入了該模塊的信號線，則系統(tǒng)調(diào)用LCD屏幕顯示函數(shù)用來在LCD屏幕上顯示“DS18B20 OK”字樣，否則就會顯示“DS18B20 Error”用來表達(dá)此模塊沒有正常的接入系統(tǒng)或是系統(tǒng)無法正常識別模塊。然后調(diào)用LCD函數(shù)顯示設(shè)計(jì)者姓名信息、日期等消息，接下來進(jìn)入新的while 循環(huán)。

首先通過GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_15)函數(shù)調(diào)用接收從GPIOA15引腳輸入進(jìn)來的電平值，并賦給變量ReadValue。接下來需要經(jīng)過一個(gè)if判斷，如果ReadValue的值為1，則通過函數(shù)GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4)使GPIOA4引腳輸出高電平，此引腳外接一個(gè)LED燈，15腳接的是光敏傳感器的信號線，也就是說如果光敏傳感器接受到外接光強(qiáng)低于正常閾值時(shí)反饋高電平，主控采集之后做出決定，通過高電平點(diǎn)亮外接LED進(jìn)行補(bǔ)光，類似開啟外接電燈，起到自動開燈的功能，之后進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。如果DS18b20已經(jīng)正確接入系統(tǒng)，那么開始每100 ms讀取一遍模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器，從而取得溫度的具體數(shù)值，讀取成功之后調(diào)用LCD顯示函數(shù)顯示溫度數(shù)值。

延時(shí)10 ms之后開始通過函數(shù)Get_Adc_Average()讀取ADC1 通道1采集回的電壓值，并將值賦給變量adcx，然后再次調(diào)用LCD顯示函數(shù)進(jìn)行ADC電壓值顯示，并做好后期調(diào)用準(zhǔn)備。接下來是幾個(gè)if判斷語句，當(dāng)然判斷的條件就是adcx與之前設(shè)定的CO閾值變量 bb，如果adcx 的值大于bb，則打開風(fēng)扇進(jìn)行換氣功能，如果adcx的值小于bb，則在LCD屏幕上顯示“Air qualified”。最后就是判斷是否有外接闖入者進(jìn)入室內(nèi)的問題，通過光電開關(guān)判斷是否有物體闖入，如果有則通過GPIO引腳反饋信息，之后主控開始調(diào)用短信發(fā)送函數(shù)進(jìn)行發(fā)送短信工作。這就是本文設(shè)計(jì)主控芯片系統(tǒng)編程的總體內(nèi)容，程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart diagram

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 人臉識別測試

在測試整體系統(tǒng)運(yùn)行過程中，我們選取了3個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，分別將本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)安裝在實(shí)驗(yàn)室1、實(shí)驗(yàn)室2和實(shí)驗(yàn)室3中，并且在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)中都提前錄入同一組由30人組成的人臉數(shù)據(jù)，進(jìn)而在每個(gè)實(shí)驗(yàn)室中30人每人測試2次人臉識別功能，共計(jì)測試60次，記錄識別成功次數(shù)與失敗次數(shù)，并由成功次數(shù)比上測試總次數(shù)從而獲得該測試實(shí)驗(yàn)室下人臉識別系統(tǒng)的成功率，測試結(jié)果如表3所示。

表3 人臉識別測試結(jié)果表Tab.3 Face recognition test table

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，該系統(tǒng)的人臉識別成功率基本上穩(wěn)定在百分之百，識別成功率高，功能成功實(shí)現(xiàn)。人臉識別系統(tǒng)運(yùn)行如圖5所示。

圖5 人臉檢測運(yùn)行圖Fig.5 Face detection running graph

4.2 WIFI無線傳輸與移動端控制開門測試

首先在測試手機(jī)等移動端控制開門的功能前需要搭建起室內(nèi)TCP客戶端與服務(wù)器連接網(wǎng)絡(luò)，開啟手機(jī)移動熱點(diǎn)局域網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)名稱與密碼，然后將手機(jī)作為TCP服務(wù)器，而將安置在室內(nèi)的智能家居系統(tǒng)中的ESP8266模塊作為客戶端模式連接進(jìn)手機(jī)開啟的局域網(wǎng)之中。配置完成后，通過電腦端串口助手可視化顯示室內(nèi)家居系統(tǒng)與手機(jī)之間的WiFi通信，如圖6、7所示。

圖6 智能家居客戶端接收手機(jī)服務(wù)器發(fā)來的信息圖Fig.6 Smart home server receives information from the mobile phone server

圖7 手機(jī)服務(wù)器顯示家居系統(tǒng)發(fā)來的信息圖Fig.7 Mobile phone client side displays the information map sent by the home system

經(jīng)檢測，WIFI無線傳輸信息功能成功實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)程序的編寫中已經(jīng)定義手機(jī)一鍵輕松出門、自動關(guān)門實(shí)現(xiàn)的特定指令，在安裝了本家居系統(tǒng)的3個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別用手機(jī)進(jìn)行了實(shí)地測試，在發(fā)送特定開門指令后各實(shí)驗(yàn)室的房間門均按要求自動打開，定時(shí)自動關(guān)門。

4.3 CO傳感器、溫度傳感器工作測試

在測試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)CO濃度時(shí)，為了模擬室內(nèi)CO濃度逐漸升高，在CO濃度傳感器下點(diǎn)燃打火機(jī)，從圖8、圖9、圖10中可以看到實(shí)時(shí)監(jiān)測的CO濃度值在不斷升高，從最開始的2.48×10-4迅速提升到5.61×10-4。

圖8 CO濃度實(shí)時(shí)采集顯示圖1Fig.8 Display chart 1 of CO concentration real-time acquisition

圖9 CO濃度實(shí)時(shí)采集顯示圖2Fig.9 Display chart 2 of CO concentration real-time acquisition

圖10 CO濃度實(shí)時(shí)采集顯示圖3Fig.10 Display chart 3 of CO concentration real-time acquisition

當(dāng)智能家居系統(tǒng)檢測到CO濃度超出所設(shè)定的正常室內(nèi)CO濃度值時(shí)，測試環(huán)境內(nèi)的風(fēng)扇成功自動打開，用以起到換氣功能，降低室內(nèi)CO濃度。在CO濃度低于設(shè)定閾值后自動關(guān)閉風(fēng)扇，成功完成該功能的測試。

在測試系統(tǒng)溫度采集功能時(shí)，我們分別采集3個(gè)測試實(shí)驗(yàn)室各自在早晨6點(diǎn)、中午12點(diǎn)以及晚上6點(diǎn)3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的水銀溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溫度與家居系統(tǒng)采集的溫度值，如表4、表5所示。

表4 水銀溫度計(jì)采值表Tab.4 Value table of mercury thermometer

表5 家居系統(tǒng)溫度采值表Tab.5 Temperature acquisition table of household system

由表4、表5中的數(shù)據(jù)對比可知，該智能家居系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)在相同時(shí)間節(jié)點(diǎn)所測的溫度值差值的絕對值不超過0.5 ℃，故證明家居系統(tǒng)的溫度采集合理有效，系統(tǒng)采集溫度運(yùn)行圖如圖11所示。

圖11 室內(nèi)溫度采集顯示圖Fig.11 Display diagram of indoor temperature acquisition

4.4 光照度實(shí)時(shí)監(jiān)測與自動照明系統(tǒng)測試

居住建筑起居室或者餐廳內(nèi)的光照度滿足人們一般活動需求的條件是其內(nèi)部在0.75 m高度水平面上照度值超過150 lx[13-14]，故此分別在所測試的3個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)相距地面高度為0.75 m處采集家居系統(tǒng)所測得的光照度數(shù)值與用標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)測試出的光照度數(shù)值，測試時(shí)間統(tǒng)一選取同一日期的下午5點(diǎn)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 光照度采集值對照表Tab.6 Comparison table of illuminance acquisition values

由表6中的數(shù)據(jù)可知，假定標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)所測得的數(shù)據(jù)均為標(biāo)準(zhǔn)值，家居系統(tǒng)的光照度檢測與標(biāo)準(zhǔn)光照度之間的差值不超過4 lx，系統(tǒng)所測得的光照度值基本準(zhǔn)確。智能家居系統(tǒng)反饋的光照度信息如圖12所示。

圖12 光照度反饋圖Fig.12 Illuminance feedback chart

在測試系統(tǒng)自動照明功能時(shí)，在測試的3個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別觀察智能家居系統(tǒng)反饋光照度值得變化過程，當(dāng)外界自然光照隨著時(shí)間不斷減少時(shí)，系統(tǒng)反饋的光照度值不斷下降，當(dāng)其值低于系統(tǒng)設(shè)定的正?；顒娱撝?50 lx時(shí)，系統(tǒng)自動開啟室內(nèi)LED燈照明，通過實(shí)地驗(yàn)證3個(gè)測試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)智能家居系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了此功能。

4.5 短信提示戶主系統(tǒng)測試

在驗(yàn)證室內(nèi)離人安防短信報(bào)警過程中，在安裝了智能家居系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室中模擬了不法分子通過跳窗戶從而非法進(jìn)入室內(nèi)的場景，如圖13所示。

圖13 模擬非法入侵圖Fig.13 Siulated illegal invasion diagram

當(dāng)不法分子闖入之后，觸發(fā)安裝在窗戶旁邊的傳感器，MCU立即采取響應(yīng)措施，向戶主手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，如圖14所示。

圖14 短信報(bào)警提示圖Fig.14 SMS alarm prompt diagram

經(jīng)實(shí)地檢測，系統(tǒng)成功完成了短信報(bào)警提示功能。

5 結(jié) 論

通過綜合調(diào)試與供電，系統(tǒng)的總體運(yùn)行比較順利，各個(gè)傳感器模塊的信息采集也非常準(zhǔn)確穩(wěn)定，各個(gè)部分之間的工作搭配協(xié)調(diào)有序，當(dāng)室內(nèi)CO濃度過高時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動換氣，WIFI數(shù)據(jù)傳輸也很精準(zhǔn)，系統(tǒng)整體調(diào)用傳感器的采回值準(zhǔn)確，短信報(bào)警功能也很正常，將人臉識別自動開門、室內(nèi)CO濃度檢測與處理、室內(nèi)光照度檢測與控制照明、室內(nèi)溫度檢測顯示、室內(nèi)離人安防檢測報(bào)警等功能成功地實(shí)現(xiàn)在一套系統(tǒng)中。整個(gè)系統(tǒng)的成本費(fèi)用為500元左右，而目前市場上銷售的智能家居系統(tǒng)整體價(jià)格一套最少也在1～2萬元之間，經(jīng)此對比本文成功設(shè)計(jì)了一個(gè)成本低廉、價(jià)格能夠被普通用戶所接受的功能比較齊全的智能家居系統(tǒng)。