智慧家庭
(1.华中科技大学，湖北 武汉 430000;2.桂林市桂林电子科技大学，广西 桂林 541000;3.杭州电子科技大学，浙江 杭州 310000)
摘要：本文围绕智能家居的实用性和便捷性展开研究，提出一种基于SoC阿里云智能家居系统设计方案。以Cotex-M3内核为基础，定制一款适用于智能家居SoC;以阿里云为平台，设计了配套的Web客户端，可方便地通过终端如电脑、手机、平板等，对家用电器进行远程访问，如开关电灯、开关窗帘、烟雾火灾报警等;另外，开发了语音识别功能，可本地化实现人机间的语音交互，真正解放了人的双手。
随着人工智能的到来，万物互联已成为不可阻挡的发展潮流，智能家居成为物联网的一个重要应用领域。物联网作为全球关注的热点，被认为是继互联网之后最重大的科技创新。物联网通过 ZigBee、RFID、GSM/GPRS、红外感应器等信息传感设备，按照约定的协议在物品与物品之间，物品与互联网之间进行信息传递。基于物联网的智能家居系统，表现为将家居生活有关的各种设备进行组网并与互联网连接在一起，进行实时监控和管理，其包括：智能家居控制管理系统、终端(家居传感器终端、)、家庭网络、外联网络、信息中心等。
目前国内的智能家居系统存在着许多问题，如：功能实用性不强、成本高昂、人机交互性差等。针对这些问题，本文提出一种基于SoC和阿里云的智能家居系统设计方案，设计基于Cortex-M3的SoC，并在阿里云服务器上进行了Web客户端软件的设计。最终系统实现了智能家电的远程控制，具有实用性强、成本低和灵活的人机交互等优点。
整个系统分为两大部分：下位机和上位机。下位机以片上系统为核心，各外设接口均基于AHB-Lite总线结构，接入到片上系统。外设接口有：LED模块、触发检测模块、温度检测模块、电灯与蜂鸣器模块以及步进电机模块。上位机部分：主要由服务器与Web客户端界面两大部分组成。整个客户端运行在阿里云服务器上，客户端与下位机交互的数据存放于MySQL数据库中。Web客户端，可以便捷地通过手机、电脑、平板等，对下位机进行访问。系统整体框图如图1所示。
系统硬件主要由下位机SoC组成。整个下位机片上系统架构是基于AHB-Lite总线搭建而成的，片上系统主要包括：1) 主设备。即ArmCortex-M3DesignStart处理器。2) 地址译码器。用于选择主设备所要访问的从设备。3) 从设备多路复用器。主要用于从多个从设备中所要读取的数据和相应信号。4) 多个从设备。从设备均包含AHB-Lite接口，主设备通过该接口可以访问所有的从设备。此外，系统还包括必要的时钟和复位单元。时钟模块为整个SoC系统提供时钟源;复位模块用于为整个SoC系统提供复位信号。通过各模块的协同配合，实现片上系统的正常有序工作。下位机SoC架构原理示意图如图2所示。
系统软件设计分为下位机SoC驱动程序的设计和Web客户端的设计。其中，下位机SoC驱动程序使用keil开发工具进行开发，实现了对SoC对各传感器的参数采集、处理、发送以及对智能家电的精准控制。具体分为以下几个部分：
3)对智能家电的控制。分为两个部分：一是通过语音指令控制智能家电;二是通过解析客户端下传的控制指令，完成对智能家电的控制。下位机软件流程图如图3所示。
Web客户端软件主要由通信模块、数据库和Web展示三个部分构成。通信模块通过TCP/IP协议接收以太网模块上传的数据包，该模块采用C#语言编写，用来建立与下位机SoC的通信。数据库采用的是MySql，用来存储网络数据。Web展示为用户提供网页形式的客户端。Web客户端采用J2EE技术、Web开发技术以及网络爬虫技术等实现了该智能家居平台的参数展示和远程控制。使用java语言编写程序获取并过滤网页(中国天气网)数据。通过html和css编写展示界面，前台ajax获取后台数据，最终并在展示界面呈现。该客户端数据的展示全部依靠一个数据中心，包括下位机SoC上传的数据和网络爬虫获得的数据。在数据中心平台，运行数据接收模块，接收SoC终端上传的数据，对采集数据解包处理后，存储到数据库中，并实现Web监控平台，将数据类型多样监测数据以及监测终端位置信息进行存储并统一管理。Web客户端的软件框图如图4所示。
上下位机的交互数据存放在MySQL数据库中，该系统设计了一张表，为mytable，用来存放室内智能家电的运行状态以及控制指令，以及室外天气信息，包括温度、湿度、风速和PM2.5。mytable的结构如表1所示。
整个上位机软件运行在阿里云服务器上，通过提供的IP地址，可以在任何时间任何地点对Web客户端进行远程访问。测试环境如下：
此次测试主要验证上下位机的通信是否成功，实现对上传数据进行接收和数据的下传发送。测试结果如图5所示。
由图5可知，下位机SoC与服务器数据库成功建立链接，实现了上下位机数据的传输。该系统以百度地图为基础，在地图上展示了三个室外地点，分别是武汉市区、蔡甸区和江夏区。下位机模块对应室内监测点。地图中，每一个标注对应一个监测点，点击监测点，界面右侧将弹出该监测点的实时监控界面。界面左上方为菜单栏，点击对应按钮可以实现对室内智能家电的远程控制。该系统Web客户端的整体展示效果如图6所示。
该系统涉及电路、软件、机械等多交叉学科的知识，把SoC和Web前端技术相结合，实现对智能家居的远程监控。该平台融合了网络通信、数据库、网络爬虫以及html网页设计等技术，共同实现了基于SoC和阿里云的智能家居系统设计。该系统是一套操作便捷、界面直观、交互式和可视化的智能家居系统，实现了对室内智能家电状态以及室外周边天气环境的实时监测，具有较大的实用价值。
当然，该系统还存在进一步完善的地方，比如交互界面的优化、数据智能分析等。该系统可以与当前的人工智能相结合，通过对数据的智能分析，为主人提供合适的居家建议;该系统也可以同大数据技术相结合，分析居室周边环境，为主人提供合适的出行向导等等。这将是我们团队下一步研究的重点。
[2]刘同法,肖志刚,彭继卫. ARM Cortex-M3内核微快速入门与应用[M].北京航空航天大学出版社, 2009.
[6]安德鲁斯.ARM SoC设计的软件和硬件协同验证[M].北京航空航天大学出版社,2006.
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