智能家居的概念自提出以來，近幾十年得到了迅速的發(fā)展。由于軟硬件技術(shù)的限制，智能家居的研究有一定的時(shí)間局限性。

    隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平不斷提高，人們在追求舒適化的基礎(chǔ)上開始追求智能家居的可視化和人性化^[1]，這就為智能家居人機(jī)交互方案^[2]提出了更高的要求，用戶友好互動(dòng)型的人機(jī)界面已經(jīng)呼之欲出。因此，可與用戶友好互動(dòng)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)^[3-4]技術(shù)找到了市場應(yīng)用前景。

    本文借助Flash 3D引擎，使用ActionScript 3.0語言構(gòu)建三維虛擬場景，并通過Web實(shí)現(xiàn)三維界面與家居設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與實(shí)時(shí)控制，從而在家居智能化的前提下，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的人性化和互動(dòng)性，提高了用戶的沉浸感和漫游感。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

    隨著智能家居的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了許多智能家居系統(tǒng)構(gòu)建方案^[5-6]。本文提出的系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

    此系統(tǒng)構(gòu)架采用4層獨(dú)立分層模式，分別為客戶端層、服務(wù)器層、智能終端層和家居設(shè)備層。其中，用戶的遠(yuǎn)程操作通過Web的HTTP/TCP協(xié)議傳送到服務(wù)器；服務(wù)器響應(yīng)請求并向智能終端發(fā)送命令；安裝在家里的智能終端接收并分析該命令，通過無線網(wǎng)絡(luò)直接控制家居設(shè)備來響應(yīng)各項(xiàng)指令；家居設(shè)備執(zhí)行命令后，又將數(shù)據(jù)反饋給智能終端，智能終端再通過服務(wù)器反饋給用戶端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

1.2 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)

1.2.1 智能終端

    系統(tǒng)中的室內(nèi)智能終端是智能家居的核心設(shè)備。家庭安裝的所有傳感器模塊和電器控制模塊都是通過與智能終端進(jìn)行通信來完成各自的功能，并且服務(wù)器也通過與智能終端通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)置、監(jiān)測各傳感器模塊和控制各種電器的功能。智能終端硬件主要由主板、液晶屏、攝像頭、無線模塊、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等組成。

1.2.2 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

    本系統(tǒng)通過智能終端內(nèi)設(shè)的無線接發(fā)模塊與各電器實(shí)現(xiàn)無線通信，具體布局如圖2所示。安裝在室內(nèi)的智能終端通過無線局域網(wǎng)將從Web網(wǎng)絡(luò)接收到的信息傳遞給各個(gè)用電模塊和傳感器，傳感器也通過無線傳輸設(shè)備將檢測到的數(shù)據(jù)反饋到智能終端。室內(nèi)無線局域網(wǎng)絡(luò)可以減少室內(nèi)布線帶來的成本問題與維護(hù)問題，同時(shí)也使系統(tǒng)構(gòu)架更加簡單、靈活，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展和改進(jìn)，便于現(xiàn)有家居安裝。

1.2.3 傳感器模塊

    本智能家居控制系統(tǒng)涉及大量的信息采集，如室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、安防傳感器狀態(tài)等，這些狀態(tài)都要通過無線方式上傳到智能終端。因此，本系統(tǒng)配備了各式各樣的無線傳感器模塊，用于采集家居的各種信息，并實(shí)時(shí)上傳到智能終端。

2 基于Web的三維虛擬實(shí)現(xiàn)方案

2.1 3D平臺(tái)的搭建

    為了搭建3D平臺(tái)，需通過三維設(shè)計(jì)軟件構(gòu)造出3D虛擬場景中的各種實(shí)體。隨著三維軟件功能的擴(kuò)展，三維設(shè)計(jì)已經(jīng)變得越來越容易，現(xiàn)在比較流行的三維軟件有Pro/E、Solidworks、3DS Max等。由于3D模型不能直接嵌入到Web中，因此，必須要將繪制的3D模型導(dǎo)入到Flash引擎中并由Flash來完成對(duì)模型的控制。目前市場上存在的如Away3D 、Sandy3D等各種3D Flash開源軟件，基本上都具備相當(dāng)強(qiáng)大的支持三維界面的功能。將由Flash 引擎處理后的三維界面導(dǎo)出后嵌入所設(shè)計(jì)的Web 網(wǎng)站，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)3D 平臺(tái)從實(shí)體創(chuàng)建、設(shè)計(jì)調(diào)控到網(wǎng)絡(luò)使用的搭建過程，如圖3所示。

2.1.1 3DS Max設(shè)計(jì)三維模型

    本系統(tǒng)使用3DS Max軟件構(gòu)建家居實(shí)體，并導(dǎo)出其.obj格式，這將是所需要的標(biāo)準(zhǔn)格式。另外，還可以利用軟件具有的貼圖功能，將家庭實(shí)物的平面圖粘貼在三維模型表面，以提高虛擬實(shí)體與家居物體的相似度，進(jìn)一步提高虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。

    考慮到Flash軟件的性能限制，三維模型的大小是必須要注意的問題。房間的三維模型設(shè)計(jì)圖如圖4所示。當(dāng)智能家居的各個(gè)虛擬實(shí)體畫好后，構(gòu)架三維場景的基本材料就全部準(zhǔn)備好了。

2.1.2 Flash對(duì)三維界面的支持 

    這里選用Flash 11.0來支持3D平臺(tái)的構(gòu)建與展示。Flash 11自帶的stage 3D API 大大提高了其處理三維場景的能力，并使三維開發(fā)變得更加簡單易行。本設(shè)計(jì)基于Flash Builder開發(fā)平臺(tái)，利用ActionScript 腳本語言實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的配置和控制，將各個(gè)分散的三維模型整合成一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)的家居場景，使用戶可以通過操縱鍵盤和鼠標(biāo)在三維虛擬實(shí)景中漫游。經(jīng)Flash 平臺(tái)開發(fā)后的三維虛擬實(shí)景局部如圖5所示。

2.2 三維場景的Web嵌入與數(shù)據(jù)通信

    經(jīng)過Flash處理過的三維場景只是具備了在Flash 平臺(tái)進(jìn)行演示的功能，必須將此產(chǎn)品發(fā)布到網(wǎng)上后，用戶才能直接訪問。這里利用J2EE技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)三維家居的網(wǎng)站，并采用B/S(Browse/Server)模式作為網(wǎng)站的整體構(gòu)架。

    在本系統(tǒng)的構(gòu)架中，用戶通過瀏覽器向分布在網(wǎng)絡(luò)上的許多服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器對(duì)請求進(jìn)行處理，將Flash處理后的三維家居界面返回到瀏覽器。B/S結(jié)構(gòu)簡化了客戶機(jī)的工作，客戶機(jī)只需配置少量的客戶端軟件，服務(wù)器將擔(dān)負(fù)更多的工作，對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問和應(yīng)用程序的執(zhí)行將在服務(wù)器上完成。這些都極大地方便了系統(tǒng)的推廣和維護(hù)。通過得到.swf文件，將此文件配置在服務(wù)器支持的Web工程中，并將此鏈接到網(wǎng)站服務(wù)器支持的一個(gè)JSP頁面，用戶登錄網(wǎng)站后，此JSP頁面便會(huì)呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)好的三維虛擬場景。

    用戶能夠通過對(duì)三維虛擬場景實(shí)現(xiàn)對(duì)家居實(shí)景的控制，這其中不僅涉及復(fù)雜的軟硬件搭配，更重要的是系統(tǒng)包含的相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信過程。系統(tǒng)基于Web的數(shù)據(jù)通信過程如圖6所示。

    用戶打開瀏覽器登錄智能家居網(wǎng)站之后，下載智能家居swf插件，插件通過與服務(wù)器通信獲取XML信息，然后家庭3D場景和實(shí)物庫配置成智能家居虛擬場景。用戶能夠在虛擬場景中漫游，得到對(duì)真實(shí)家庭場景真切的身心體驗(yàn)。同時(shí)，如果用戶對(duì)家電實(shí)施操作， Web網(wǎng)頁上就會(huì)彈出對(duì)話框，然后通過HTTP協(xié)議向服務(wù)器請求數(shù)據(jù)，服務(wù)器通過控制單元獲取用戶請求的XML信息，再通過無線方式控制家電，完成用戶的操作。

    家電完成操作后，反饋給智能終端，智能終端再將信息反饋給服務(wù)器，服務(wù)器實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)就會(huì)被下載到客戶端，這樣，用戶就能在客戶端看到家電的變化。以空調(diào)為例，空調(diào)XML文件的配置信息如圖7所示。

    由于XML語言具有自描述、可擴(kuò)展、便于存儲(chǔ)和傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此采用XML文件來配置家居的各項(xiàng)屬性，其中定義了家居設(shè)備的唯一性標(biāo)識(shí)id、三維空間位置position3d、三維文件上傳路徑path3d、電壓voltage、電流current等。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    利用實(shí)驗(yàn)室搭建好的硬件平臺(tái)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)、白熾燈、窗簾及熱水器等電器設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了很好的效果。這里以空調(diào)和白熾燈的控制為例進(jìn)行說明。登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)開始運(yùn)行，檢測到被控白熾燈未打開，所以燈泡以常色顯示。在三維虛擬場景中單擊燈泡控制按鈕并選擇開燈，隨著繼電器的閉合，實(shí)驗(yàn)室的燈泡打開，并改變數(shù)據(jù)庫里的XML有關(guān)燈泡的狀態(tài)信息。三維場景檢測到燈泡狀態(tài)的改變后將虛擬場景中的燈泡“打開”，并以紅色高光顯示。同樣，空調(diào)的控制過程如圖8所示。在三維場景中單擊空調(diào)，在空調(diào)的控制按鈕中設(shè)置好空調(diào)的各項(xiàng)參數(shù)，單擊確定后系統(tǒng)將根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)通過Web服務(wù)器更改數(shù)據(jù)庫里有關(guān)空調(diào)的配置文件。智能終端檢測到空調(diào)配置信息的改變，模擬空調(diào)的遙控器發(fā)出紅外信號(hào)從而控制空調(diào)做出相應(yīng)的動(dòng)作。安裝在空調(diào)扇葉旁邊的傳感器檢測到扇葉的運(yùn)動(dòng)，將采集扇葉擺動(dòng)角度的數(shù)據(jù)，并更新數(shù)據(jù)庫里的信息。三維場景里的空調(diào)檢測到葉片角度的改變，將角度數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞給控制空調(diào)葉片擺動(dòng)的函數(shù)，扇葉就會(huì)隨著實(shí)際物體的開合而運(yùn)動(dòng)，使用戶恍若身臨其境。

    本文提出的基于Web的智能家居系統(tǒng)和三維人機(jī)交互方案在實(shí)現(xiàn)家居智能化這一前提條件下，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)人性化地創(chuàng)建了三維人機(jī)交互界面，提高了用戶的沉浸感和現(xiàn)實(shí)感，增強(qiáng)了人機(jī)互動(dòng)，為智能家居行業(yè)的發(fā)展提出了一個(gè)新的思路。同時(shí)為方便用戶使用，本文提出了一個(gè)能夠快速布局三維虛擬場景的方案，使系統(tǒng)的擴(kuò)展性和柔性得到了大大提高，為虛擬場景的二次開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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