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第五届新兴无障碍系统和渗透网络国际会议(EUSPN-2014)
基于神经网络的残疾人智能家居设计
摘要
为了方便残疾人的日常生活，研究将计算、网络和电信等技术放在一个称为智能家居的环境中。使残疾人能够克服他们的障碍，提供一个取代他们所缺乏的系统是使这样一项工作有趣和重要的原因。我们通过超前于以往的研究开发了这样一个空间，不仅达到了预先编程的自动家庭，而且还达到了学习和自适应的智能家庭。这是通过将两种类型的神经网络集成到我们的系统中来实现的。为了显示系统的有效性，我们开发了第一个原型，涵盖了理论设计的部分。进一步的工作可以通过实际转换我们的原型到一个实际的房子，残疾人可以受益。
关键词：智能家居、人工智能、前馈神经网络、递归神经网络、自动适应、Insteon、ZigBee。
1.导言
为了使残疾人在其环境中独立自主，应具备行动自由、方便出入和控制等特点。这个项目的目标不仅仅在于这最后一点，还包括将所有这些辅助参数集成到一个完全完整的智能家居设计中。从很长一段时间以来，研究人员一直对这个话题感兴趣，因为它在生命进化中的重要性和必要性。过去的一些研究集中在如何使一个家庭自动化并使其能够远程操作，另一些研究则集中在如何使它成为一个安全的地方，最近的研究人员很少引入人工智能来了解用户每天做什么和预测他们的行动。在我们的项目中，我们试图考虑到智能家居的不同方面，如家庭自动化、舒适、安全和健康。它在两种类型的神经网络（前馈和递归）上中继，这将在本文中进一步详细介绍。第一个目的是学习人们的习惯和活动，以便能够预测他们的下一步行动，并代表用户采取行动。第二个将与安全和安保系统相结合，计算预警警报，以实现对周围所有人的高度认识。此外，该系统还与外界连接，用于远程控制、维护和报警。
与主管当局的沟通。需求因残疾不同而不同；目的是建立一个能够承受各种残疾的系统，并具有易于访问的接口。在接下来的章节中，我们回顾了相关的工作，介绍了研究理论，并从分析和技术特征方面讨论了我们的系统。
2.相关工作
智能家居的领域并不是新的，因为有许多研究和项目已经看到了光明。在2000年，第一个智能家居之一，在博尔德（科罗拉多）开发，被称为“适应屋”，它使用基于神经网络的监测，为老年人创造一个房子。这所房子很舒适，但实现的人工智能功能是有限的，并没有使用所有的神经网络可能提供的这一领域。2004年，位于阿灵顿的德克萨斯大学为行动不便和经常性记忆丧失的人开发了“MavHome”概念，该概念利用数据收集来学习模式和检测不规则模式。该项目没有使用人工智能来尝试预测用户的下一步移动，也没有使用它来开发智能报警系统。此外，房子缺乏与用户与系统的互动，忽视了他们的行动选择，使它成为一个自动的房子。许多其他项目也以同样的方式研究了这一领域的智能住宅的主要特征。2006年，澳大利亚墨尔本大学进行了改进，并在其智能住宅系统中引入了人工神经网络，但再次忽略了用户和系统之间的交互，使得所有的东西都是自动的，用户别无选择。此外，他们既没有使用人工神经网络来开发智能感觉和警报系统，也没有改进他们的系统，使其能够针对残疾人。2009年，“a2o”原型交互式体系结构试图将这些特性结合在一起，但仍然限制了人工智能的使用，以学习很少的规则并将它们应用于智能家居系统。
3.理论
当这一领域的项目开始增加前进的意愿并引入更先进的技术时，智能HOE是人们投入金钱和时间来达到完美智能的想法之一。提出了一系列广泛的技术并进行了试验。它们主要是在智能系统的目的和目标上有所不同。大多数在marthomes中使用的技术最初都是在其他领域使用的；其他的技术是为了满足marthome系统的期望而专门开发的。在开发过程中，设计人员已经进入了家庭自动化、安全和医疗保健的高级阶段。然而，在智能、自动控制和设计智能家居方面出现了限制，其功能范围广泛，可以满足用户的不同需求。我们的研究项目使设计能够在同一系统中结合上述大部分内容。开发的原型由软件界面组成，使用户能够管理、控制和访问整个系统，集成在软件中的是神经网络和系统的其他方面，本文将进一步详细介绍。在硬件方面，原型包括控制和监测单元、智能报警系统和项目中使用的m个传感器。
3.1系统设计
作为一个总体概述，系统设计由两个内部网络骨干组成，第一个是作为主网络和第二个作为主网络的备份。这些网络的目的是连接整个系统的不同元素。与内部网络相似的是两个外部网络，使房屋与主管当局之间能够通信，并用于其他行政和远程访问目的。对于自适应学习，两个人工神经网络是可用的。他们负责预测事件的可能性，这样环境就可以适应用户的需要，并预测他的下一步行动。神经网络将使用从传感器和摄像机收集的数据来完成它们的学习过程。
智能家居的一个常规功能是自动化，它允许控制和监控家里的所有设备。另一个特点是安全，可以使用主门窗上的访问代码、运动传感器、具有人脸识别的智能摄像机来识别房屋周围的移动、智能火灾报警和与警察部门的可靠连接。
住宅内用户的保健和安全也是必不可少的特点；例如，这些任务是使用跌倒检测机制、湿度传感器、氧气传感器以及不断监测生命体征和监测用户日常活动的异常事件，如缺乏食物或行动缓慢。此外，该系统将监测他的医疗问题，并为他的药物制定一个时间表，并提醒他什么时候服用或他几乎没有药了。最重要的是，与急救人员和医疗队建立了可靠的联系。一个特性的活动有时可能依赖于另一个特性，这就是为什么智能住宅系统通过骨干网络完全连接，因此特征可以交互和交换信息以获得更好的决策和合作。
3.2分析
用户的主要特点是为他们提供一种合适的交互方法，具有完整的接口，与他们的家庭环境进行通信。这种接口应与他们的残疾相一致，使他们能够互动，而不让他们的残疾阻碍他们。例如，身体残疾的人可能需要一个轻量级的移动接口，盲人或没有手的人需要语音识别软件。在我们的系统中，设计了四个主要的交互装置：
bull; 一台主计算机，它将作为系统的服务器和数据存储。
bull; 一款手持windows7平板。
bull; 用于语音识别的无线麦克风。
bull; 一台智能电视。
这些接口设备提供了易于访问和控制的系统持久。它们都可以使用MicrosoftVisualStudio2008Asp与C#程序交互。网络平台。它安装在主服务器上，是用户与智能家居系统之间的核心环节。
服务器的屏幕可以使用HDMI连接扩展到家里的所有智能电视，因此主软件可以在第四个设备上使用遥控器访问。语音识别软件使用户能够在不移动的情况下访问软件。它通过学习用户的音调来工作，因此它只接受来自这个特定用户的命令。特殊的命令是必要的，在说话问题，如改变语气。在每个房间的天花板上将安装一个无线接收器和一个扬声器。无线麦克风可以配备一个位置检测机制，使用每个房间的接收器，因此系统的声音反馈将跟踪用户，无论他们去哪里的房子。语音控制机制还可以为用户提供一种选择，即向系统询问每个人每天可以向另一个人提出的预定数的问题，如时间、日期、天气、当地新闻等。这将给独居、独立和陪伴的残疾人。此外，语音控制可以用来控制主服务器和访问互联网，这将为用户和技术团队成员提供。当用户输入命令时，如果需要三秒以上的时间才能完成，调度员将负责向用户提供连续的反馈（语音或视觉），直到命令返回确定/失败的结果或中止为止。语音识别软件正处于研究和仿真阶段..视觉和语音用户界面是分开的，这样用户就可以依赖一个或两者。一个中可用的所有功能和特性都在另一个中找到。这可以帮助身体残疾的人和视力低下的人，甚至是盲人或听不见或说不出话的人。
智能家居的背骨是将所有参数与灵活可靠的网络联系在一起的。取决于只有一个网络协议从来不是100%可靠的，。在我们的设计中，我们考虑使用Insteon技术，这是一种无线网络与电力线通信(PLC)相互冗余的结合。我们系统的骨干可以依靠一个主无线ZigBee连接的双网格网络和一个备用的PLC网络。选择ZigBee协议是因为它的灵活性和可靠性，因为它由网格连接组成。因此，消息到达目的地的方法不止一种。如果该网络因任何原因暂时或永久性故障，系统将自动切换到PLC网络，并对第一个网络进行诊断。
3.3技术特征
家庭自动化是任何智能家居的主要特征。为此，电气设备配备了一个控制板，它是Arduino微控制器的组合，执行器将主要是继电器和差分放大电路作为功率监测模块。所有的控制板都有能力连接到我们的两个网络系统。控制板用于开关设备的开/关，功耗读数也将被发送回主服务器。为了更好和更舒适的视觉光控制使用相同的控制板与轻微的修改，这是一个调光器。
受控屋是一个有感觉的房子，在那里，关键区域，如主入口，后门和主房间被监控，并安装传感器，为系统提供任何检测到的变化..传感器主要用于触发信号或监视部分系统。在第二种情况下，传感器的输出将是关于周围环境的可读信息。一个房间的所有传感器都连接到一个监视板上，该板将连接到我们的两个网络。监控板将是系统和传感器之间的纽带。每个房间都可以安装温度控制系统。本系统可由用户根据编程标准手动或自动控制。每个房间的湿度传感器可以设置为给系统提供湿度水平。还可以使用运动传感器，不仅是为了安全，而且还可以激活灯，以防半夜有人通过，并且还可以检测用户在每个房间的存在。坠落检测机构也可以使用运动安装。
可以在厨房中设置热量传感器，以监测烹饪过程，并在达到阈值时通知用户。可以在门窗上使用磁性触点来检测它们是否关闭或打开。
安全性是我们系统设计的另一个特性。缩进一个完全连接的摄像系统，以监测用户的安全和安保。如果出现任何可疑迹象，报警通信系统将使用摄像机拍摄情况，并与适当的警报一起发送。人工神经网络程序可以连接到相机上，以了解用户的习惯，并收集可能用于预测事件可能性的环境信息，并使系统能够适应用户的需要和习惯。
在任何智能家居中，保持区域安全是很重要的。所有的门都可以使用自动和手动锁进行远程控制。当有人在门口时，将向用户发送视频提要，以便他们可以远程打开门。离开房子后，系统将通知用户该事件和所有打开的灯和设备。他们可以直接采取行动，或者把事情留给系统来处理。当用户离开房子时，所有的窗户和门都会自动关闭和锁定，除非用户另有决定。
实现了一种基于神经网络的智能火灾报警系统。它被设定为通过不断监测一氧化碳、氧气的水平来预测火灾，然后一旦有什么问题就与消防部门人员沟通，以便他们能够及时到达那里。消防系统甚至可以在火灾开始使用图像处理软件时精确定位，并通知消防部门人员在前往房屋的路上。在火灾开始前一刻，安全系统会通知用户并向他们展示最近的出口，打开门，触发应急照明系统来照明道路。如果用户不能走出家门，系统将把他们的确切位置发送给消防部门。
医疗保健是现代老年人和残疾人智能家居的重要组成部分。在这里系统将使用医疗手镯监测用户的健康，该手镯将用户的生命体征传递给系统。在用户的正常日常活动被系统了解后，他们的运动中的任何异常，即使是说话的声音也可以被识别出来，医疗部门也可以被警告检查他们的健康。该系统负责提醒用户他们的日常健康活动，包括服用药物。因此，该系统将保持可用药物的数量，并通知用户和医务人员，如果它仍然低于预定的最低阈值。使用者可以获得服用药物的时间表，并在时机成熟时触发警报。如果用户超时，将通知医务人员。浴室浴缸可能配备水位传感器，在浴缸被淹没之前关闭水。卫生间、水槽和浴缸可由用户手动和远程控制。当用户进入浴室时，可以设置计时器，当它达到第一个阈值时，系统将尝试与用户交互，如果有响应，计时器将继续到下一个阈值；否则将触发警报并发送到紧急情况。
我们的智能家居系统设计具有自动控制房屋不同区域的特点..可以根据用户的需要和在整个自适应学习过程中设置预先定义的定时器，以打开/关闭灯、交流、咖啡机、音乐、电视和所有其他设备。此外，用户定义的计时器可以为用户提供对他们的房子的控制感。为了提供一个高度独立和舒适的环境，系统可以在采取自动行动之前为用户提供对其日常活动的控制，这只有在非关键情况下才能使用。此外，该系统不断监测用户的行动，并在发生事故时进行控制。如果用户在晚上醒来，智能相机将检测到这一移动，并照亮房间。例如，如果这与去浴室的动作相对应，浴室的灯就会打开。当使用者回到床上时，灯就会关闭。在系统从用户先前所做的改变和他们对先前温度的反应中了解到后，大气情绪会自动调整。
与家庭外部的通信应该是可靠的，因此警报保证交付。由于没有单独的连接是100%可靠的，所以必须使用冗余连接。我们的主要连接是互联网，因为它提供了广泛的使用范围，而不是灵活性。作为冗余连接，固定电话是我们的第二选择。固定电话警报仅限于语音邮件。另一方面，互联网允许图像和视频流的交换，从而能够更好地分析情况，并且更容易和更快地作出反应。此外，语音和文本警报可能被发送到正确的目的地。由于互联网连接可在主服务器上使用，管理人员可以对系统进行远程维护和更新。此外，用户将有能力远程访问他们的房子，并检查它，当他们外出或度假。
4.实验和讨论
4.1软件原型
我们开发的软件原型主要是基于使用C#编程语言编写的Microsoftvisualstudio程序。它是一个易于使用的Web应用程序，有六种Web形式。主页提供了软件用途的清晰图片，并包含了所有可用于控制和监控的智能设备的列表..用户可以很容易地选择任何设备并打开/关闭它。该程序使用UDP（用户数据报协议）连接将正确的代码发送到系统网络，然后传递给目标设备的正确控制单元。从主页面可以访问计时器页面。在此页面中，用户可以为每个设备设置警报，并在特定的时间和日期对其进行开关程序。当设备被打开时，负责该设备的控制和监控单元将立即计算设备的功耗，并使用相同的UDP连接将其与确认一起发送回服务器。所以程序会显示每个设备的功耗。切换过程、报警设置和功耗需要记录，以便将来使用。正是为了这个目的，才制作了第三页。连接到一个SQLSERVER数据库，程序使用关系表来保存用户根据不同参数需要搜索的所有数据。
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