基于Triz理论的智能家居系统

陆胤亨+郝留磊+李嘉琦+刘畅+张若豪

1.项目介绍

1.1项目来源

随着科学技术的不断进步及对人们生活质量的要求不断提高，人们在选择和使用电器时，已从单一功能的家电转向智能化家电。通过信息技术和家电控制技术的结合，实现现代家庭生活的信息化和自动化，满足人们不断提升的生活要求。智能家居系统还可以提供舒适的健康环境，通过配置相应的传感器可以有效监视室内的温度、湿度和亮度，进而控制空调、照明等系统的运行，从而提供更加适宜的生活空间。

1.2问题描述

根据人们对生活居住环境的便捷性、安全性、舒适性等方面的要求，以及智能家居技术发展的方向，智能家居系统会有以下几大特点：

（1）具有功耗低，功能强大的嵌入式微处理器，通过嵌入式操作系统平台，使智能家居系统成为智能监控，电器控制的智能家居平台；

（2）传输方式将多网合一，统一以网络连接，多网合一将会减少安装的复杂程度，同时提高了传输的可靠性；

（3）模块化，可根据不同的家庭的习惯采用不同的组合方式，使智能家居系统更好的为大家提供服务。

2.发明问题初始形势分析

智能家居可以定义为一个目标或者一个系统。利用先进的计算机、网络通信、自动控制等技术，将与家庭生活有关的各种应用子系统有机地结合在一起，通过综合管理，让家庭生活更舒适、安全、有效和节能。目前市场上的智能家居分类如下：

经分析发现目前的智能家居存在如下限制条件：

（1）模块较为单一，没有把多种功能整合在一起，操作不方便：

（2）目前的智能家居功耗較大；

（3）安装较为复杂，不能实现多网合一；

（4）需要借助外部的设备进行控制。

通过对问题的思考，我们得到如下几个解决方向：

【说明】在方案汇总表，我们把可行性指标分为五级，其定义分别为：Ⅰ级——非常可行；Ⅱ级——可行；Ⅲ——一般可行；Ⅳ——可能可行；Ⅴ——不可行。

3.系统分析

3.1S曲线分析

根据智能家居的发展现状，我们做了S形曲线族，如下图所示：

从进化趋势图可以看出，智能家居正处在进化中段。由于我们的公司刚起步，正处在发展的初级阶段，正处在婴儿期，如下图所示：

针对婴儿期的战略如下：

（1）消除妨碍系统市场成功的瓶颈；

（2）充分利用现有的基础设施和资源；

（3）与当前的主流系统结合（集成）。

针对于公司产品的研发和推广，我们提出如下方案：

3.2系统完备性法则

接着我们用系统完备性法则对公司的产品——智能家居系统进行了分析，分析结果如下：

通过系统完备性法则可以分析：系统整体动力装置、传输装置、执行装置、控制装置齐全，下一步目标是优化目前已有的装置，使其效果更好。

3.3九屏图分析

我们对现有的智能家居系统进行了九屏分析，其分析结果如下图所示：

根据九屏图可以找出一些或许可以用到的资源，我们从当前系统的子系统入手，针对前面智能家居所存在的问题，我们提出如下的解决方案：

4.TRIZ工具

4.1最终理想解

我们获得的最终理想解是：智能家居系统能够自己进行调控，不需要人为干涉。

4.2技术矛盾

通过手机APP显示和控制的同时，家居系统的装置复杂度就要提高，所以它的改善参数为自动化程度，恶化参数为装置的复杂性。由矛盾矩阵表查到发明原理为（见表9）

（15）动态原则——物体（或外部介质）的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的；

（24）中介原则——利用可以迁移或有传送作用的中间物体；把另一个（易分开的）物体暂时附加给某一物体；

（10）预先作用原则——预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所需要的作用；

我们采用发明原理10（预先作用原则），我们将各个单独的模块安装在所需要的地方，然后通过手机来查看环境数据，通过手机实现控制。

技术矛盾Ⅱ

为提高智能家居系统的自动化程度，通过手机APP实现智能控制，其制造的可行性和复杂度就随之提升。构成自动化程度与可制造性之间的矛盾。改善的参数为自动化程度，恶化的参数为可制造性。由矛盾矩阵表查得发明原理为（见表10）。

（1）分割原则——将物体分成容易组装和拆卸的部分；

（26）复制原则——用简单而便宜的复制品代替难以得到的、复杂的、昂贵的、不方便的或易损坏的物体；

（13）逆向原则——不实现课题条件规定的作用而实现相反的作用。

我们采用发明原理1（分割原则），将家居系统分割成每个独立的模块，每一个模块可以单独完成任务，然后在通过网络连接。

5.最终确定方案

经过综合比较，我们决定采用方案3。利用TRIZ原理设计一个适用于各个不同的环境的智能家居系统。具体解决方案如下：

通过传感器采集当前环境中各种信息，送到采集模块中进行转换，处理芯片对其进行分析处理。控制芯片微处理器会将采集到的一些数据发送到手机。同时通过手机APP来实现远程控制。整个系统包括智能网关，温度湿度检测系统，人体移动监测防盗系统，家电控制系统等四个部分，通过四个部分实现各自的功能，通过网关的整合处理所有信息，同时将信息发送至手机，同时用户可以通过手机APP发送指令来控制家庭环境中的家电。

同时也可以通过PC摄像头对人手进行捕捉，进行一系列的视频处理，滤波，HSV空间转化，二值化，形态学滤波，轮廓提取，画凸包络等操作，将人手从周围环境中提取出来，并设立阈值，限定人手在一定范围内识别，有效降低误触发。通过MFC与51单片机建立接口，将信息传给51单片机，用nrf24ll0射频模块远程通信。通过左挥手控制灯的亮灭及右挥手液晶屏的亮灭，实现了人机交互。