基于TRIZ理论的智能家居照明系统设计

(沈阳理工大学 辽宁 沈阳 110159)

照明系统综合了电子技术、计算机技术、通信技术等多种技术，可以轻松实现利用手机、平板、智能穿戴设备等移动终端对家庭照明系统的控制，也可以通过中央主控器上装备的语音识别芯片实现对照明系统的语音控制。本产品中央主控器主体设计为床头台灯样式，配备液晶显示屏幕，以此进行系统更改和设置。同时，本产品也可与当下主流的穿戴设备结合，通过对心跳呼吸的监测判断用户是否为醒来状态，再结合光传感器感应数据做出是否自动开启床头台灯的决策。

首先，我们通过功能分析，进行解剖和全面分析；再利用TRIZ理论对需要解决的问题提出可实施方案并通过参考TRIZ相关的发明原理制定了一系列的方案；最后实现最终理想的解决方案，找到问题的发展方向。

一、问题描述

(一)项目概述。经济的发展与技术的进步带动着人们更加渴望高品质的生活质量，作为当今产业大热门的智能家居逐渐成为市场关注的焦点，很多科技公司纷纷开发出自己的产品。不过由于浮夸的宣传，不合理的定位和高昂的价格，导致了消费者纷纷对智能家居产品望而却步，行业呈现出叫好不叫卖的现象。鉴于此种情况，本次设计定位于智能家居中低端产业，开发设计出一款简单实用、价格低廉的智能家居照明系统，目的是在于让普通人也可以享受科技发展的成果。

该照明系统综合了电子技术、计算机技术、通信技术等多种技术，可以轻松实现利用手机、平板、智能穿戴设备等移动终端对家庭照明系统的控制，也可以通过中央主控器上装备的语音识别芯片实现对照明系统的语音控制。

(二)发明问题初始形势分析。系统的工作原理：整个产品可以分为六部分组成：智能穿戴与移动控制端、语音识别分控制端、服务器、中央主控器、协调器、ZigBee控制子模块。智能穿戴与移动控制端、语音识别分控制端是终端控制器；服务器，语音识别分控制端通过无线与主控器连接，主要由WiFi收发模块构成，完成家庭内部与外部通信网络的连接；中央主控器是家庭内部核心控制器；协调器主要由ZigBee模块构成，负责主控器和各子控制器之间的信息交互。四个部分的有机结合，可以实现对家庭照明的智能控制。

最终理想解：设计一款移动终端通过无线技术控制的智能家居照明系统，能过通过移动智能终端来控制照明设备的开与关。并通过在照明系统中的智能网关系统加入入侵检测技术，来提高安全系数，来保证用户的隐私数据。

限制条件：(1)远程控制方案的设计；(2)基于ZigBee安全协议的调整；(3)认证功能的实现。

二、系统分析

图1 系统整体架构图

智能穿戴与移动控制端、语音识别分控制端、服务器、中央主控器、协调器、ZigBee控制子模块。智能穿戴与移动控制端、语音识别分控制端是终端控制器；服务器，语音识别分控制端通过无线与主控器连接，主要由WiFi收发模块构成，完成家庭内部与外部通信网络的连接；中央主控器是家庭内部核心控制器；协调器主要由ZigBee模块构成，负责主控器和各子控制器之间的信息交互。四个部分的有机结合，可以实现对家庭照明的智能控制。

家居照明控制系统工作原理及具体步骤如下：

Step 1：使用手机的家电控制软件，相应控制界面上的控制按键一经触发，对应的编码指令便会通过WiFi网络发送到无线控制网关的WiFi模块。在利用语音识别分控制端时，通过固定在卧式，客厅的分控制端，直接提供语音指令，控制端识别语音指令后通过无线模块将识别后的指令发送到无线控制网关的主控。在利用智能穿戴设备进行控制时，可以分为两种，一种是在清醒状态下使用语音发送命令，在穿戴设备对接收的语音信号进行分析转码后转化为相应指令，通过WiFi网络发送到无线控制网关的服务器；一种是在睡眠状态下，由穿戴设备采集的用户心跳与呼吸的数据进行判断，然后发送相应指令通过WiFi网络发送到无线控制网关的服务器。

Step 2：服务器通过无线把数据发送到无线控制网关的主控芯片中，主控芯片接收到编码指令以后会立即在内部对编码指令进行相应的协议转换和数据处理，处理完的数据会通过信息内容，加入要发送到Zig Bee终端节点的信息头，后通过USART串口传送到协调器中。

Step 3:Zig Bee协调器接收到主控芯片处理后的数据，会把数据按照相应的标准协议对数据进行一定的处理，最后把处理后的数据发送到相应子控制器的Zig Bee终端节点，相应终端节点接到指令后，识别信息信息头确定是否是对当前家电操作的信息，如信息头匹配，则根据指令对家电操作；如不匹配，则不作处理。ZigBee模块也不断发送控制模块的当前状态。

Step 4:与此同时，主控芯片也会定时通过ZigBee模块查询联网的子控制模块控制的状态，如果哪一个子系统状态发生了变化被主控芯片检测到，主控芯片便会经过数据处理和协议转换把变化的子系统状态传送到控制终端与家电控制软件。

最后将整个家庭电器通过WiFi和控制终端连接在了一起，同时在无线网关的管理和检测下，对其可以进行集中化、智能化、远程化的管理，最终实现了智能化的家庭灯光照明控制。

三、技术方案整理与评价

(一)全部技术方案及评价。方案1：把传统照明设备换成智能照明设备，不再需要人工直接接触开关，比如通过声音打开照明设备等等。方案2：随着智慧城市的来临，可以通过5G技术控制照明设备。

(二)最终确定方案。通过TRIZ分析方法最终确定可实施方案，成功的完成了本次设计，在主控器的设计上，选用意法半导体公司生产的一款基于Cortex-M3 核心的32位增强型ARM微处理器STM32F103RCT6 作为智能家居网关的核心处理器，设计出一款简单实用、价格低廉的智能家居照明系统，目的是在于让普通人也可以享受科技发展的成果。系统选择STM32F103RCT6芯片作为主控器主要具有以下几种优势：(1)成本低；(2)功能强大；(3)技术成熟；(4)功耗相对较低。

四、结束语

根据Analysys易观发布的《中国智能家居市场趋势预测报告2017-2019》数据显示，2016年中国智能家居市场规模达到1140亿元人民币，2017年预计规模将达到1404亿元人民币，同比增长23.2%，增长较为迅速。智能家居涵盖了智能终端、物联网等相关技术，是科技创新的集大成者，市场前景广阔。随着技术的成熟和设备的智能化，一场电子革命即将到来，到2019年，中国智能家居市场规模预计达1950亿元人民币，市场发展潜力巨大，为公司提供更广阔的市场空间。