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发布时间：2021-06-19 15:58所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：为了使人们享受更加放松、安全、简易、实用的家居生活环境，本文建立了集人脸识别自动开门、室内CO浓度检测与处理、室内光照度检测与控制照明、室内温度检测显示、室内离人安防检测报警等功能于一体化的智能家居系统。通过建立TCP客户端与服务器进行相
摘要：为了使人们享受更加放松、安全、简易、实用的家居生活环境，本文建立了集人脸识别自动开门、室内CO浓度检测与处理、室内光照度检测与控制照明、室内温度检测显示、室内离人安防检测报警等功能于一体化的智能家居系统。通过建立TCP客户端与服务器进行相互通信，实现手机一键轻松出门、自动关门。采用基于STM32F765VI芯片的Open-MV摄像头，利用线性反投影算法计算采集到的人脸数据与人脸数据库进行对比，实现人脸识别自动开门。在系统不断运行时通过CO气体传感器、温度传感器、光照传感器、红外传感器、光电传感器等外部设备采集回的各种指标数据传输到MCU之中并利用编译好的程序进行相应处理，用以完成对应的检测与处理功能。最后通过搭载硬件模型对整个系统进行功能查验，实验结果表明基于STM32的智慧家庭系统能够准确地实现各项功能指标的监测。
关键词：物联网;智慧家庭;人脸识别;传感器
1引 言
随着现代经济与科技水平的迅猛发展，互联网技术的不断深入发展和成熟，物联网开始逐渐步入社会大众的视野。早在2009年的8月，温家宝总理就提出了“感知中国”这一重要的战略，在国家的“十二五”规划中物联网产业作为新兴的战略性产业得到了大力的扶持与培育，人们将不单单实现人与物体之间的感应与通信，更重要的是能够实现物体与物体之间的自主交流、控制、协同工作[1]。
智慧家居系统是现代电子科学、通讯技术与自动化互相结合、相辅相成的科技产物，其中的智能家庭控制系统的主要目标就是供应高效、合理的生活环境，用以保护户主的生命财产安全，为户主创造出放松、温馨的家居生活环境。
从世界范围的角度来看智能家居的发展，其提出到现在已经有很多年了。法国的MarieChan[2]等人通过对老年人生活习惯的观察进而研制了老年人在家庭生活中密切需要的各种智能装置设备，并且可以根据不同人群的生活需要给与适合他们的可穿戴或者在室内装置植入式的智能系统和辅助系统。
Johari[3]等人研究了利用GSM模块通信的智能家居电子控制系统，意图通过此技术减少家居电能的无端浪费。但通常来讲传统的智能家居是依靠复杂的布线来实现用户的控制，但是所面临的后果就是功能的单一性和难以维修性。通过使用物联网技术，能够促成设备之间的基础无线通信与长距离监控，因此大幅减弱了智能家居的局限性[4]。
从国内的角度来看智能家居的发展，目前存在许多问题。首先是不同公司所采用的研发技术不尽相同，导致对同一种智能产品的控制也大相径庭。不同厂商生产出来的产品不互相兼容，甚至有时相同厂商生产出来的产品也是互相独立，不能够进行集中控制，用户体验差，不利于智能家居向更深层次的发展。其次由于我国智能家居发展时间比较短，目前很多技术还处于起步阶段，从而导致部分能够进行集中控制的智能家居系统安装和使用成本都很高，一般只有高档住宅区才有能力安装此产品，普通用户难以接受。
针对上述问题与不足，本文设计了一个简易实用的家庭系统，相比于目前市面上各功能相互独立的智能家居系统，例如采用不同系统控制的防盗系统、环境检测系统等，本文设计的系统将人脸识别自动开门、室内CO浓度检测与处理、室内光照度检测与控制照明、室内温度检测显示、室内离人安防检测报警等功能有序地实现在一套系统中，无需多系统互相协调，安全可靠。并且相比于同种市面上能够实现集中控制的智能家居系统，本系统的成本低廉，使普通用户也能够享受到智能家居带来的便捷生活。
2系统方案的选取与设计
2.1系统总体结构
本文采用基于Cortex-M3内核的STM32F103RCT6芯片作为主控，并调用OPENMV实现人脸辨认，利用温度传感器、光电开关、热释电模块、舵机、CO传感器、光敏传感器与直流电机等模块相配合用以实现智能监测并处理家居环境信息。部分采集数据与处理结果会在TFT_LCD显示屏上进行对应的显示。如果检测到异常CO值则自动启动风扇以提供换气功能。
如果在户主离开的情况下有外人闯入则GSM无线报警模块将发送报警短信至户主手机端。自动采集室内环境光照度，在低于正常生活需要标准时则自动开启灯光，高于标准值时关闭灯光，以起到节能作用。最后通过无线保真(Wireless-Fi-delity，WIFI)方式从手机端传输开门指令自动开关门。
2.2人脸识别系统
本文采用LBP(LinearBackProjection)特征值提取用来分辨不同的人脸，LBP俗称累加法，是很早开始利用ECT图像重建的成像算法，其通过将固定一点包含在内的所有投影光线进行叠加，再通过反向的计算加估算从而得出这一固定点的密度值。从成像的原理来看，这种做法属于不完全雷登逆变换[5]，完整的雷登逆变换需要包含反投影、归一化、微分、希尔伯特变换等步骤。
在数字图像处理逻辑和智能识别领域内，该方法后来又提升为一种比较合理的描述算子，在其提取特定图像局部纹理信息时，不受图像光照强度的影响，即光照强弱对结果具有不变性。LBP也有很多的变种和改进，单纯的LBP算法是获得固定点的像素和其周围像素值的对比程度，通常来讲就是检测其两者的对应差异度，在其控制范围内根据LBP值统计其直方图，把直方图作为判别特性的依据。这样做的益处是在特定程度上规避了图像没有100%瞄准的问题，也对LBP特征做了降维处理。对于获得的直方图特性，有多种方式可以判别其相似性。
2.3WIFI无线传输开门指令
本文选用的WIFI通信模块为ESP8266模块。ESP8266模块是一个完整的而且可以自搭体系的WIFI网络方案模块，也能够搭配相应的软件进行开发。在其搭载应用并是其中唯一的处理器时，该模块可以利用外部FLASH启动，内置的高速存储器可以更有利于系统的性能提升，并且能够使内存的要求降低。
其实还有另外一种情况，当无线网接入了WIFI适配器任务时，任何的包含微控制器的设计均可以添加该模块，从配置上来讲该模块的连接方式很简单，只需要串行外设接口(SerialPeripheralInterface，SPI)或高级高性能总线(AdvancedHighPerformanceBus，AHB)桥接口即可。ESP8266的芯片内集成了非常多的模块，其中有像电源管理转换器、天线的开关等等，所以其应用十分简单，对外部电路的要求也很低。在平时PCB设计时其占用的空间也十分可观，其强大的存储能力与SOC处理能力使得调用GPIO口集成传感器或是应用其他设计提供了最少占用资源的益处[7]。
总之，配备有ESP8266的系统具有的特征为低功率操作的自适应无线电偏置、睡眠/唤醒模式之间的快速切换、前端信号处理功能等。在穿戴电子设计与物联网应用中，ESP8266可与其他几项技术一起配合使用以获得最低功耗的机器状态。而节能状态共分为3种模式：深睡眠模式、睡眠模式和激活模式。可以通过编程，使得ESP8266在发现某种特定情况时自觉唤醒工作，也可以通过程序使得时钟在固定的时间内唤醒ESP8266进行工作。
在某些移动SOC上面该特性具有很大的作用，例如SOC在启动WIFI之前处于低功耗状态，为了满足设备对电子产品功率的需求，ESP8266在比较短的距离之内可以通过利用编程来降低输出功率进而降低整体系统的功耗，用来适应不同的设计方案。需要注意的是本次下载好固件的模块的AT指令波特率为115200、8位数据位和1位停止位。模块支持STA+AP/STA/AP等3种工作模式，常用的AP模式也就是将ESP8266模块自己配置成WIFI热点，用以电脑或者手机移动终端通过互联网进行直接接入，最后实现无线网络控制。
而常用的STA模式为由该模块直接连接到由其他路由器所建立起来的局域网内，同时将手机等移动终端连接到相同的局域网之内，需要了解到每个设备自身的固定IP，这样之后通过配置AT指令将处于相同局域网内的移动终端与ESP8266模块互相连接，完成信息的传输。最后的STA+AP模式也就是上述两种模式功能的共存模式。本文主要采用串口无线模式进行工作，也就是STA(COM-STA)模式。ESP8266作为无线STA连接进手机开启的热点内，与手机进行数据互传，可以认为手机相当于TCP的服务器，模块相当于TCP的客户端，最后通过透传模式完成数据传输通道的建立[8]。
3主控系统总体编程
在编写主控程序的开始需要给所引用的所有函数进行头文件引用。完成该项任务后，开始进入主程序的编写，在main主函数里先把本次设计所用到的所有变量进行逐一复制或定义，以便接下来的函数能够正常应用这些变量。设置室内报警短信内容为“Yourhomewasstolen”，并赋值给p1指针变量，设定室内CO浓度阈值为370，赋值给bb变量，设定接收变量ReadValue、短字节变量temperature、以及系统初次采集回来的ADC电压值赋值变量adcx，然后开始初始化函数，例如初始化中断NVIC_Configuration()，初始化USMART函数usmart_dev.init(72)，初始化串口、延时函数、ADC函数、内存池、LCD调用函数、DS18b20调用函数、光敏电阻传感器调用函数等。
在初始化完本次设计的主程序所有调用函数之后，首先展开while函数进行不断的大循环，该循环用以保证系统的正常工作。进入大循环函数内，首先检测系统是否接入了DS18b20模块，如果正常从GPIOA0引脚引入了该模块的信号线，则系统调用LCD屏幕显示函数用来在LCD屏幕上显示“DS18B20OK”字样，否则就会显示“DS18B20Error”用来表达此模块没有正常的接入系统或是系统无法正常识别模块。然后调用LCD函数显示设计者姓名信息、日期等消息，接下来进入新的while循环。
首先通过GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA，GPIO_Pin_15)函数调用接收从GPIOA15引脚输入进来的电平值，并赋给变量ReadValue。接下来需要经过一个if判断，如果ReadValue的值为1，则通过函数GPIO_SetBits(GPIOA，GPIO_Pin_4)使GPIOA4引脚输出高电平，此引脚外接一个LED灯，15脚接的是光敏传感器的信号线，也就是说如果光敏传感器接受到外接光强低于正常阈值时反馈高电平，主控采集之后做出决定，通过高电平点亮外接LED进行补光，类似开启外接电灯，起到自动开灯的功能，之后进入下一个环节。如果DS18b20已经正确接入系统，那么开始每100ms读取一遍模块内部的数据寄存器，从而取得温度的具体数值，读取成功之后调用LCD显示函数显示温度数值。
延时10ms之后开始通过函数Get_Adc_Average()读取ADC1通道1采集回的电压值，并将值赋给变量adcx，然后再次调用LCD显示函数进行ADC电压值显示，并做好后期调用准备。接下来是几个if判断语句，当然判断的条件就是adcx与之前设定的CO阈值变量bb，如果adcx的值大于bb，则打开风扇进行换气功能，如果adcx的值小于bb，则在LCD屏幕上显示“Airqualified”。最后就是判断是否有外接闯入者进入室内的问题，通过光电开关判断是否有物体闯入，如果有则通过GPIO引脚反馈信息，之后主控开始调用短信发送函数进行发送短信工作。这就是本文设计主控芯片系统编程的总体内容。
4系统测试结果
4.1人脸识别测试在测试整体系统运行过程中，我们选取了3个不同的实验室进行测试，分别将本文设计的智能家居系统安装在实验室1、实验室2和实验室3 中，并且在每个实验室的系统中都提前录入同一组由30人组成的人脸数据，进而在每个实验室中30人每人测试2次人脸识别功能，共计测试60次，记录识别成功次数与失败次数，并由成功次数比上测试总次数从而获得该测试实验室下人脸识别系统的成功率。
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5结 论
通过综合调试与供电，系统的总体运行比较顺利，各个传感器模块的信息采集也非常准确稳定，各个部分之间的工作搭配协调有序，当室内CO浓度过高时可以实现自动换气，WIFI数据传输也很精准，系统整体调用传感器的采回值准确，短信报警功能也很正常，将人脸识别自动开门、室内CO浓度检测与处理、室内光照度检测与控制照明、室内温度检测显示、室内离人安防检测报警等功能成功地实现在一套系统中。整个系统的成本费用为500元左右，而目前市场上销售的智能家居系统整体价格一套最少也在1～2万元之间，经此对比本文成功设计了一个成本低廉、价格能够被普通用户所接受的功能比较齐全的智能家居系统。
参考文献：
[1]吴晨宇.智慧家庭信息系统原理剖析[J].科技传播，2019，11(12)：118-119.WUCY.Analysisofprinciplesofsmarthomeinformationsystem[J].PublicCommunicationofScience&Tech-nology，2019，11(12)：118-119.(inChinese)
[2]CHANM，ESTVED，ESCRIBAC，etal.Areviewofsmarthomes—Presentstateandfuturechallenges[J].ComputerMethodsandProgramsinBiomedicine，2008，91(1)：55-81.
[3]WAHABMHA，ABDULLAHN，JOHARIA，etal.GSMbasedelectricalcontrolsystemforsmarthomeappli-cation[J].JournalofConvergenceInformationTechnology，2010，5(1)：33-39.
[4]ARTHANATS，WILCOXJ，MACUCHM.Profilesandpredictorsofsmarthometechnologyadoptionbyolderadults[J].OTJR：Occupation，ParticipationandHealth，2019，39(4)：247-256.
[5]MODARRESIA，SYMONSJ.Modelingandgraphanalysisforenhancingresilienceinsmarthomes[J].ProcediaComputerScience，2019，160：197-205.
作者：刘鹏飞，张微风，吴晨旭，孙晓明*
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《基于STM32的智慧家庭设计》