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摘 要

本文使用了ZigBee通信技术控制多种家庭传感器与执行器协作，以及运用人脸识别技术决定系统行为，构建移动控制端，实现了一个智能家居系统。

通过使用Python编程语言编写相应的驱动模块收发ZigBee数据包，我成功实现了读取传感器数据，控制传感器行为等目的，并将多种传感器整合在树莓派总控模块中。同时使用多线程来保障系统的安全性。然后，通过实现树莓派与服务器之间的通信，经过树莓派处理之后的数据可以成功被传送到服务器，并在服务器端运行人脸识别算法。在经过一定程度的数据集训练后，设定合理的阈值保障算法准确度，得到准确的判断并以此决定系统行为。

最后，通过调用Facebook Messenger 的API接口，实现了手机端的智能家居管理服务聊天机器人。在此过程中，使用自然语言处理算法，识别同一指令的不同表达方式，成功构建合理且高效的人机交互。

该设计运用了业界领先的ZigBee通信协议，以及多种人工智能算法，提升了智能家居系统的安全性与可用性。

关键词：ZigBee，智能家居，人脸识别，多线程

Abstract

In this thesis, a smart home system is designed by using ZigBee communication protocol which controls multiple sensors and actuators to work together as well as facial recognition algorithms which determines system behavior. A mobile control part of the smart home system is also designed.

By writing corresponding modules in Python codes which send and receive ZigBee packets, I managed to read sensor data and control actuators. The sensor modules are integrated in Raspberry Pi main control module. Multi-thread coding is also used to ensure system security. By implementing communication between Raspberry Pi and the server, processed data can then be sent to server successfully and be analyzed with facial recognition algorithms on the server. After data set training to some extent, a confidence threshold can be set to ensure high prediction accuracy in order to get correct recognition and to control system behavior.

A chatbot running on the mobile side which manages the smart home is designed by using Facebook Messenger API interfaces. Natural language processing algorithms are used to recognize multiple expressions of the same order, which achieves reasonable and efficient human-computer interaction.

Industry leading ZigBee communication protocol and multiple artificial intelligence algorithms are used in the design, which promotes security and usability of the smart home system.

KEY WORDS: ZigBee, smart home, facial recognition, multi-threa

目 录

摘要 .................................................................................Ⅰ

Abstract ..............................................................................Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1背景 1

1.2智能家居技术研究现状 1

1.3研究目的和内容 3

第二章 智能家居系统架构设计 4

2.1智能家居系统整体架构设计 4

2.2服务器端架构设计 5

2.3家庭端系统架构设计 6

2.4智能家居系统整体架构垂直分解 6

2.5智能家居系统整体架构设计的安全性探讨 8

第三章 智能家居系统服务器端设计与实现 9

3.1消息推送服务器设计与实现 9

3.1.1消息推送服务器简介 9

3.1.2Mosquittto简介 9

3.1.3消息推送服务器实现 9

3.2聊天机器人服务器设计与实现 9

3.2.1聊天机器人服务器简介 9

3.2.2自然语言处理系统的实现 9

3.2.3控制系统流程设计 11

3.2.4用户请求分类细节 11

3.2.5Webhook接口格式定义 12

3.2.6聊天机器人服务器问题与反思 12

3.3Amazon Web Services云端服务器的使用 13

3.3.1Amazon Web Services服务器简介 13

3.3.2人脸识别系统的实现 13

3.3.4用户信息管理系统简介 18

3.3.5云端服务器问题与反思 19

3.4数据库设计 19

3.4.1数据库简介 19

3.4.2 数据库表单结构设计 19

3.4.3对数据库设计的分析 20

第四章 智能家居系统家庭端设计 22

4.1使用的硬件设备简介及对应模块逻辑 22

4.1.1气体传感器简介与对应模块逻辑 22

4.1.2人体检测传感器简介与对应模块逻辑 22

4.1.3湿度温度传感器简介与对应模块调用 22

4.1.4 摄像头简介与对应模块逻辑 23

4.2使用的开发板与对应模块逻辑 23

4.2.1Arduino模块工作逻辑 23

4.2.2树莓派模块工作逻辑 23

4.3树莓派接口定义 24

4.3.1 GPIO接口定义 24

4.3.2 HTTP Post 接口实现 24

4.4ZigBee硬件与协议实现 24

4.4.1 ZigBee协议简介 24

4.4.2使用的ZigBee硬件设备简介 25

4.4.3ZigBee通信协议实现 25

4.5智能家居系统家庭端工作逻辑 26

4.6智能家居系统家庭端问题与反思 27

第五章 智能家居系统测试结果与总结 28

参考文献（References）.....................................................33

致谢 ......................................................................35

第一章 绪论

1.1背景

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