智能家居控制系统

申报人：张瑞洋申报日期：2025-01-08

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

智能家居控制系统学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

电子信息类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

本课题应用传感器和微控制器组成数据采集单元，设计开发一款智能家居控制系统，实时采集家庭室内温度、湿度、可燃气体含量等环境参数数据，实现环境参数采集、显示、监测、阈值报警、语音控制等功能，完成包含功能模块主板及电源供电板在内的环境监测系统硬件平台设计。借助物联网技术，结合MQTT协议和WIFI无线通信技术、单片机控制，将传感器数据无线传输到服务器云平台，通过访问API接口，将数据显示到设计的简易APP中，从而实现环境参数可视化。完成语音等形式对部分家居进行智能控制，保障家庭舒适化和安全性。

负责人曾经参与科研的情况:

曾参与“基于STM32的出门自动语音提醒系统”项目的研究，并取得一定成果。

指导教师承担科研课题情况:

主持国家自然科学基金应急管理项目1项、广西自然基金面上项目1项，广西嵌入式技术与智能系统重点实验室项目1项、以及博士启动基金、高层次人才培养计划和自主资助支持等高校科研项目3项，参与兵团科技攻关项目2项。

指导教师对本项目的支持情况:

指导教师对该研究领域具有一定的科研经历和科研能力，在相关领域取得了一定的研究成果，曾指导国家级和省部级大创项目，能够透彻理解和正确把握该课题相关理论知识和程序，有相关的项目来源和经费支持，具有较强的工作责任心、认真负责的工作态度，能够尽职尽责的引导学生并提供必要的技术指导和帮助。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	张瑞洋	物理与电子信息工程学院	通信工程	2023	总体项目开发	第一主持人
2	孙林汇	物理与电子信息工程学院	通信工程	2024	电路硬件设计及测试	成员
3	刘瀚琦	物理与电子信息工程学院	通信工程	2024	APP开发与设计	成员
4	陈佳欣	物理与电子信息工程学院	电子信息工程（应用）	2024	单片机编程与测试	成员
5	王凯	物理与电子信息工程学院	通信工程	2024	云平台运作	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	刘效勇	物理与电子信息工程学院	否	第一指导教师
2	卢佩	计算机科学与工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

随着物联网技术的蓬勃发展，智能家居系统作为其重要应用领域，正逐渐走进人们的生活，改变着传统的家居模式。它通过将各类家居设备连接到网络，实现智能化的控制与管理，为人们带来便捷、舒适且高效的居住体验。本研究旨在对物联网智能家居系统的相关研究进行综合梳理，涵盖其关键技术、应用场景、面临的挑战及发展趋势等方面。物联网智能家居系统有着广阔的发展前景，但目前仍处于不断完善的阶段，需要克服诸多技术和非技术方面的挑战。随着相关研究的深入以及各方面条件的成熟，相信智能家居系统未来将成为人们家居生活中不可或缺的一部分，为人们打造更加智能、舒适、安全的居住环境。

本课题应用传感器和微控制器组成数据采集单元，设计开发一款智能家居控制系统，实时采集家庭室内温度、湿度、可燃气体含量等环境参数数据，实现环境参数采集、显示、监测、阈值报警、语音控制等功能，完成包含功能模块主板及电源供电板在内的环境监测系统硬件平台设计。

研究内容:

1、以单片机为微控制器，以温、湿度传感器、电源模块、无线模块等为硬件，开发可以检测家庭环境，如湿度、温度等，利用传感器检测室内相关温湿度，并能显示具体数值。

2、配置烟雾报警系统，有火灾隐患时发出声音提醒，达到保障用户私人空间的安全。

3、设计软件，用户可通过app查看家中环境温度、湿度及电器工作状态，可以通过远程控制实现开启或关闭。利用音频等对部分家居实现声控。

4、利用WIFI模块将单片机获取到的数据上传到云平台。通过空调等自动调整温湿度环境。

5、完成系统总体方案设计、硬件电路设计和软件流程设计。

国、内外研究现状和发展动态:

1、国外研究现状

（1）技术应用广泛

美国、日本、德国等国智能家居发展较早且迅速，如美国2016年家居市场容量达97亿美元，并以年均约30亿美元速度增长，家庭普及率约在不断的升高，智能恒温器、摄像头、门铃等产品创新力和易用性强，与其他智能家居产品兼容性好。

（2）强调个性化与智能化服务

利用大数据和人工智能技术，智能家居系统可根据用户偏好和习惯提供个性化服务，如智能音响推荐播放列表、智能冰箱提供食谱建议等。

（3）行业发展好

相关企业注重构建开放的生态系统，通过标准化的推进，实现不同品牌和类型设备的互联互通，推出多个系列智能音箱等多种智能家居产品，以完善其智能家居生态。

2、国内研究现状

（1）市场增长迅猛

物联网行业虽起步晚，但发展快，市值从2018年的1.87万亿元上升至2022年的2.33万亿元，且未来市场潜力巨大，2021年国内智能家居市场收入规模达1297亿元，同比增长25.45%.特别是2022年以来，在智能化、互联化、个性化方面呈现飞速发展态势。

（2）技术融合创新

积极探索物联网与人工智能、大数据等技术融合，推动智能家居系统智能化发展，国内企业和科研机构在智能家居系统的集成、控制技术、人机交互等方面进行了大量研究，一些传统家电企业推出了各类智能家电产品，但目前多数智能家居系统仍处于单品智能或简单互联阶段，整体系统的智能化水平还有待提高。

（3）政策支持推动

国家和各部委出台政策推动标准体系建设，促进产业规范化、有序化发展，完善产业链，加强企业合作与创新。

创新点与项目特色:

（1）技术创新持续推进：

智能家居将更加智能化，通过物联网、人工智能、大数据等技术的深度融合，实现设备的自主学习、判断和决策，如智能温控系统可根据用户习惯自动调节温度。5G、人工智能等新兴技术加速落地，将使智能家居产品形态不断创新，应用场景也将持续拓展。

（2）互联互通趋势加强：

不同品牌和类型的设备将实现更好的兼容性和互操作性，形成开放生态系统，用户可通过一个平台控制多种设备，实现真正的智能化家居体验.不同品牌和类型的设备将实现更好的兼容性和互操作性。

（3）安全和隐私保护加强：

随着智能家居普及，数据安全和隐私保护问题凸显，制造商将通过加密技术、身份验证等手段，防止黑客入侵和数据泄露，保护用户隐私.智能家居企业将加大对产品安全性的投入，建立健全安全防护机制，同时加强用户数据的收集、使用和存储规范，以保障用户数据和隐私的安全。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

1、技术路线

（1）感知层设计

依据需求确定所需的各类传感器，像温度传感器、湿度传感器、烟雾报警器等，确保能全面准确地感知家居环境状态和设备运行情况。

选择合适的智能终端设备，如智能家电，使其具备物联网接入能力，方便后续统一管理与控制。

（2）网络层设计

结合家居环境特点和设备分布情况，确定采用连接互联网实现远程控制的Wi-Fi通信设备配对连接。构建家庭局域网，合理布置网络节点，确保网络覆盖范围全面且信号稳定，保障数据传输的及时性与可靠性。

（3）平台层设计

搭建智能家居控制平台，实现数据的存储与计算资源的分配，利用大数据技术对海量的感知数据进行收集、整理、分析，挖掘其中有价值的信息，比如用户的生活习惯、设备使用规律等。根据数据分析结果生成设备控制指令、实现场景联动以及对设备故障进行预判等功能。

（4）应用层设计

开发多样化的用户交互终端手机 APP、智能语音音箱以及智能控制面板等。对手机 APP 界面进行人性化设计，使其操作简单、功能布局合理，方便用户随时地远程控制家居设备、查看设备状态。优化智能语音音箱的语音识别功能，提高识别准确率和指令理解能力，支持自然语言交互，让用户通过语音指令就能轻松操控各类设备。

整体设计如下图：

图1 整体结构图

2、拟解决的问题

（1）用户体验性欠佳问题

现状：一些智能家居产品存在操作复杂、交互不自然、界面设计不合理等情况。比如，语音交互时识别准确率不高，需要用户用特定的、刻板的语句下达指令；手机APP界面功能繁多却布局混乱，用户很难快速找到想要操作的设备或功能；还有部分智能设备的响应速度慢，影响用户的使用感受。

解决思路：优化交互技术，提高语音识别的准确率和对自然语言的理解能力，支持更加口语化、随意的指令下达方式。对手机APP和智能面板的界面进行简洁化、人性化设计，依据用户使用频率合理布局功能模块，方便用户操作。同时通过优化系统的硬件配置、算法效率等提升设备的响应速度，全方位改善用户体验，让不同年龄段、不同技术水平的用户都能轻松上手使用智能家居系统。

（2）系统稳定性与可靠性问题

现状：智能家居系统在长时间运行或面对复杂环境时，可能会出现设备掉线、控制指令延迟或失效、系统崩溃等稳定性问题，影响用户正常使用。

解决思路：优化网络架构增强网络的抗干扰能力和容错性，确保数据传输的稳定性。在硬件设备方面，选用高质量、高可靠性的元器件，并进行严格的质量检测和老化测试，减少硬件故障概率。同时，在软件层面通过完善的异常处理机制、及时发现并解决潜在的问题，保障系统能稳定可靠地运行。

3、预期成果

（1）智能安防与预警

烟雾报警器安防设备构建起严密的家居安防体系。一旦检测到异常情况，未经授权的烟雾状况，系统能立即通过手机推送、语音提示等方式向用户发送警报信息，并实时记录相关数据，方便用户远程查看，保障家居安全。

（2）环境感知与优化调节

温湿度、空气质量等环境数据监测误差控制在±3%以内，基于这些精准数据，每10分钟自动对室内环境进行一次评估，并联动相关设备做出优化调节、可根据不同季节、天气以及家庭成员的健康需求，定制个性化的环境调节方案。

项目研究进度安排:

1、2025年6月-2025年9月，完成项目启动、需求分析和系统框架结构设计方案。

（1）项目启动

① 制定项目目标与计划

根据创新创业大赛的要求以及前期筹备情况，确定项目要实现的功能模块、性能指标、市场目标、财务目标以及社会影响力目标；制定详细的项目进度计划，将项目划分为多个阶段，明确每个阶段的起止时间、关键任务、交付成果以及责任人，确保项目按计划有序推进。

② 撰写商业计划书初稿

按照创新创业大赛的商业计划书模板要求，撰写涵盖项目概述、市场分析、产品或服务介绍、商业模式、营销策略、团队介绍、财务规划、风险分析及应对措施等内容的商业计划书初稿，突出项目的创新性、可行性和市场潜力，初步展示项目的商业价值。

（2）需求分析

① 用户需求调研与分析

采用线上线下相结合的方式，开展大规模的用户需求调研活动，包括问卷调查等形式，深入了解用户对智能家居系统的功能需求、使用痛点、期望的交互方式、愿意支付的价格区间等信息。对调研收集的数据进行整理、分析、挖掘用户的核心需求和潜在需求，为产品功能设计提供精准依据。

② 功能与非功能需求梳理：

基于用户需求分析结果，梳理出智能家居系统应具备的详细功能需求，多种场景模式、远程语音控制，智能家电控制；智能安防监控的实时报警、环境监测与调节。

确定系统的非功能需求，包括性能要求、兼容性要求、安全隐私要求、用户体验要求以及可扩展性要求形成完整的需求规格说明书。

（3）系统框架结构设计方案

① 技术架构设计

确定基于物联网的智能家居系统的整体技术架构，采用分层式架构设计，精心挑选温湿度传感器、烟雾报警器等各类传感器和终端设备，规划其布局与连接方式，运用 Wi-Fi、蓝牙等通信技术构建稳定高效的家庭局域网，搭建具备数据处理、智能决策、设备管理等功能的核心平台，大数据、人工智能等技术实现数据的存储、分析和智能控制逻辑，设计手机 APP、智能语音音箱、智能控制面板等多样化的用户交互终端，优化界面布局与交互功能。

② 关键技术研发

针对项目的创新点和核心竞争力，重点研发关键技术，提高交互的自然性和准确性，运用机器学习、深度学习算法实现根据用户习惯和环境变化的精准设备控制，以及构建安全可靠的隐私保护机制。

2、2025年10月-2026年2月，完成系统开发、系统测试。

（1）系统开发

① 硬件开发与集成

进行智能设备的硬件电路板制作、元器件采购与焊接、硬件调试等工作，确保硬件设备的功能完整性、稳定性以及与其他设备的兼容性，解决硬件开发过程中出现的电路故障、通信异常等问题，使硬件设备符合项目设计要求。建立硬件设备与平台层之间的数据通信，确保传感器采集的数据能够准确无误地传输到平台进行处理，同时平台发出的控制指令也能顺利到达硬件设备执行，实现硬件与软件的协同工作。

② 软件开发

按照软件架构设计和功能需求，分模块进行代码开发工作，涵盖感知层的数据采集程序、网络层的通信协议实现程序、平台层的数据分析与智能决策程序以及应用层各交互终端的界面开发与功能实现程序等，确保每个功能模块都能实现预期的功能。定期进行代码冲突解决，确保代码的可维护性和团队协作开发的高效性，及时发现并修复代码中的语法错误、逻辑错误等问题，保证代码质量。

（2）系统测试

① 性能测试

通过模拟大量设备同时接入、频繁操作设备、长时间运行等不同场景，运用专业的性能测试工具对系统的响应时间、设备控制成功率等性能指标进行测试，判断系统是否满足性能要求，是否能够在复杂的实际使用环境下稳定高效运行。记录性能测试数据和优化过程，形成性能测试报告，持续提升系统的性能表现。

② 安全测试

采用专业的安全测试工具模拟攻击行为，对系统的安全防护能力进行全面检测，确保系统能够有效抵御外部网络攻击，保障用户数据安全。

根据安全测试结果，对发现的安全漏洞及时进行修复，强化安全防护措施，制定完善的安全管理制度和应急预案，撰写安全测试报告，明确系统的安全状况以及后续需要持续关注的安全事项，让用户放心使用。

3、2026年3月- 2026年5月，完成系统优化与赛前准备。

（1）项目完善与包装

① 项目优化与完善

根据系统测试阶段反馈的问题，组织团队成员对智能家居系统进行最后的优化完善工作，确保系统在功能、性能、安全等方面都达到最佳状态，满足创新创业大赛的高标准要求。对商业计划书进行最后的润色和完善，更新市场数据、财务预测等内容，突出项目在测试阶段验证的优势和亮点，强化项目的商业可行性和投资价值，使商业计划书更具说服力和吸引力。

② 项目展示材料准备

制作精美的项目展示 PPT，内容涵盖项目背景、团队介绍、产品亮点、市场分析、商业模式、竞争优势、发展规划、财务预测等核心内容，运用图表、图片、视频等多种形式，简洁明了地展示项目的关键信息，吸引评委的关注。

准备项目演示视频，录制一段能够全面展示智能家居系统功能和使用场景的视频，突出系统的创新性、便捷性和实用性，让评委直观地感受到项目的价值，确保在大赛现场能够高效展示项目成果。

（2）参赛与后续跟进

① 参加创新创业大赛

按照大赛的赛程安排，提前做好参赛准备工作，包括熟悉比赛规则、进行模拟答辩、调试展示设备等，确保团队在比赛现场能够以最佳状态展示项目成果，清晰、准确地回答评委的提问，展现项目的优势和团队的实力。

在比赛过程中，认真听取评委的意见和建议，学习其他参赛团队的优秀经验和做法，及时对项目进行反思和总结，为后续项目的进一步优化和推广积累经验。

② 后续跟进与项目推进

在赛后要对项目进行全面的复盘和总结，分析项目在大赛中的表现，找出存在的不足之处，制定改进措施，持续完善项目。如果获得奖项或投资意向，积极与相关机构和投资方进行对接，按照要求推进项目落地实施，将物联网智能家居系统推向市场，实现项目的商业价值和社会价值。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

温湿度数据采集以及语音播报的研究已经取得一定成果，并已做出实物。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

课题组成员已经学习了相关理论学习，并具备了相关项目实践经验；指导老师曾指导过国家级和省部级大创项目，具有丰富的指导经验。

目前仍缺少语音识别，APP运行以及家居控制等方面的技能，相信在课题组成员共同努力和导师指导下，攻克难关，解决问题，完成设计目标。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	10000.00	项目开支	6000.00	4000.00
1. 业务费	4500.00	业务使用	2300.00	2200.00
（1）计算、分析、测试费	500.00	编程研发、模型分析测试费	500.00	0.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	1500.00	国内差旅费、会务费、参加培训费	500.00	1000.00
（4）文献检索费	500.00	文献检索、图书购置、打印复印、资料费	300.00	200.00
（5）论文出版费	2000.00	软著、专利申请、版面费	1000.00	1000.00
2. 仪器设备购置费	1000.00	专用设备购置与维修、租赁	500.00	500.00
3. 实验装置试制费	500.00	实验装置试制	200.00	300.00
4. 材料费	4000.00	电子元器件、计算机类耗材、其他耗材	3000.00	1000.00

结束