论文总字数：29047字

摘 要

这次项目是针对智能家居环境提出人机交互设计系统的整合设计。在把握智能家居的各部分控制终端的人性化服务设计特点基础上，以用户为中心，进行细致的分析和设计规划，完成智能家居场景搭建和交互流程。强调交互界面的可用性、易用性和交互系统的融合，同时针对不同人群进行具体的功能细分，并实现各种功能之间的良好贯通，争取能够设计一款人性化良好的app交互界面和深入的情景、控制状态细节的系统模型架构。

本次项目的主要工作，在软件的界面设计方面，重新进行了人性化的交互设计，在美化界面，优化功能结构的同时，加入人性化与智能化的功能组合，构成特定的场景，使软件使用更加方便快捷。同时，搭建了基于Arduino的硬件用于演示交互场景并验证功能实现的方式。在此基础之上，还与智能家居方案提供商进行了交流合作，了解了市场用户的意见与需求，并在其帮助下拍摄了视频短片更加形象完整地展示了本次交互系统方案的实现场景。

主要创新点是通过对人群的调查以及和智能家居厂商的交流，深入了解了智能家居的现状以及用户痛点，针对市场上普遍软件界面不够易用，智能化功能联动不多，缺少人性化分类等方面进行了针对性设计，并且制作了硬件模型进行演示，涉及知识较多，最后成功完成了项目预期。

关键词：智能家居系统，人性化，Arduino

Abstract

This project is an integrated design of the human-computer interaction design system for the smart home environment. Based on the humanized service design features of each part of the smart home control terminal, the user-centered, detailed analysis and design planning, complete the smart home scene construction and interaction process. Emphasis on the availability of interactive interfaces, ease of use, and integration of interactive systems. At the same time, specific functional subdivisions for different groups of people are performed, and various functions are well-connected. It strives to be able to design a user-friendly app interaction interface. In-depth scenarios, system model structures that control state details.

The main work of the project, in the interface design of the software, has been redesigned with human interaction. While beautifying the interface and optimizing the functional structure, the user-friendly and intelligent functions have been combined to form a specific scenario and make the software Use more convenient and faster. At the same time, Arduino-based hardware was built to demonstrate the interactive scenario and verify the implementation of the function. On this basis, it also communicated and cooperated with the smart home solution providers to understand the opinions and needs of market users, and with the help of the video clips, it showed the realization scenario of the interactive system program more vividly and completely. .

The main innovation is through the investigation of the crowd and the exchanges with smart home manufacturers, in-depth understanding of the status of smart homes and user pain point, for the market is generally not easy to use the software interface, intelligent function linkage is not much, the lack of humane classification In this regard, targeted design was carried out, and a hardware model was produced for demonstration. This involved more knowledge and successfully completed project expectations.

KEY WORDS:Smart home system, User-friendly, Arduino

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.1.1 课题研究的背景 1

1.1.2 课题研究的意义 1

1.2智能家居国内外发展现状 2

1.2.1 国外发展和研究现状 2

1.2.2 国内发展和研究现状 3

1.2.3 当前问题及解决方案 3

1.3交互系统发展设计现状 3

1.4本课题的研究内容及目的 4

1.5本课题的关键问题及难点 4

1.6本章小结 5

第二章 系统结构介绍 6

2.1系统结构组成 6

2.2系统的基本功能 6

2.3系统的工作流程 7

2.4 本章小结 7

第三章 硬件控制模块 8

3.1 硬件设计 8

3.1.1蓝牙模块 8

3.1.2 Ardiuno Uno控制模块 8

3.2 Arduino控制平台 10

3.1.1Arduino介绍 10

3.1.2 Arduino的应用 10

3.3 单片机控制程序编写 11

3.2.1安装 Arduino 集成开发环境 11

3.2.2添加新硬件和设置开发环境 11

3.2.3编写程序 11

3.4 本章小结 17

第四章 APP交互界面设计及理念 18

4.1 以用户为中心的设计 18

4.2交互系统功能设计 19

4.2.1 用户需求 19

4.2.2预期的功能设计： 20

4.2.3 程序流程分析 20

4.3交互软件设计 20

4.3.1主要功能按钮 20

4.3.2 APP启动设计 22

4.3.3 APP页面说明 23

4.4本章小结 28

第五章 模型制作 29

5.1模型格局 29

5.2功能实现 29

5.3本章小结 32

第六章 课题总结 33

6.1课题总结 33

6.1.1课题结果 33

6.1.2 课题特点 33

6.2不足和展望 33

6.2.1 不足之处 33

6.2.2 未来展望 34

6.3 本章小结 34

1. 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1 课题研究的背景

近年来，随着互联网与信息技术的不断发展和经济水平的提高，特别是网络技术和计算机技术的发展，人们向往着更加轻松高效的生活，也更加注重家居生活的智能化和人性化，基于物联网技术的产品也悄悄进入我们的生活中^[1]。而移动手机由于成为现代居民最常用的电子设备，通过移动端等对家用电器进行操纵和智能化控制，让人们的生活越来越方便快捷。

因此智能家居的概念也逐渐为人所重视。智能家居起源于欧美，一般被称为SmartHome，在中国，也被称为智能化住宅。20世纪80年代，随着家用电器中大量使用电子化技术，住宅电子化（HE）概念最先被提出^[2]，1984年智能家居的概念被提出。它通过整合计算机、嵌入式设备、传感器等技术并将家电系统与多媒体娱乐等功能于进行融合，通过组建家庭网络的形式将家庭里的各种家用电器和设备连接起来，通过统一的控制管理，形成智能家居控制系统，为用户提供了温馨舒适、安全便利的生活条件^[3]。

目前，苹果、谷歌等各大互联网公司都在使用各种技术和研究手段开发不同的智能家居产品，宜家等家居公司也对该领域做出了许多的探索。从智能锁智能电器到远程控制再到智能桌面的实现，家居智能化正在变得愈发具体和多样，智能家居也正在逐渐从概念变为现实。

而作为人与智能家居系统实现交互的重要中间环节，手机APP的界面是直接与用户接触的媒介。用户通过界面上功能按钮的点击，来实现对智能系统的控制，因此其人性化的程度对于用户的使用体验显得尤为重要。APP交互的开发也正在得到行业的重视。

1.1.2 课题研究的意义

作为新兴事物的智能家居领域近年逐渐引起人们的兴趣和研究，并且由于其直接关乎人们的衣食住行，作为居民生活水平的直接表现，可以说是关乎国民幸福度的重要领域，因此可以预见该领域还会有更大的发展空间。再者科技的进步和社会的发展必然会引起人们对其生活水平的愈发关注，因此智能家居领域有着非常广阔的研究前景。

但是在技术层面，目前的智能家居产品多使用的是利用某个平台进行有线通信，还未完全实现远程无线通信。在我国由于设计行业的新近发展，人们也对家居的舒适性和人性化有了更多的要求，但是在专业领域还未形成统一的行业规范和技术规格，市场上已有的产品在质量上参差不齐，价格方面也较为昂贵。这些问题导致了为智能家居行业的发展带来了许多的阻力。因此切实解决这些问题对于智能家居的发展和满足居民要求也有着很大的意义。我们需要的是智能化并且能对生活产生便利影响的产品，这也是智能家居行业所需要解决的当务之急。

从用户使用的角度来看，智能家居系统，不应只是源自技术层面的体验，而是源自用户需求层面的体验。在享受智能化带来的技术性便利的同时，更应该注重用户的实际需求和情感体验，因此很有必要对智能家居的交互系统进行更合理的设计。同时对于智能家居这种未来可能拥有百万用户的产品，设想用户如果能通过这些交互界面便捷的完成操作，那么这个产品所产生的社会价值定然也是不可估量的。如果用户能在顺利完成目标的同时还能感受到喜悦，这对于社会会有更大的意义吗？例如苹果公司的一系列产品甚至达到了改变世界的地步。更可以见得发展智能家居系统交互界面也有着重大的意义。

1.2智能家居国内外发展现状

1.2.1 国外发展和研究现状

1997年以前家居领域的智能化主要是照明、电梯、语音等局部智能化的实现，还算不上是完整的智能化体系。直到1997年出现了第一个智能家居的应用实例，即比尔盖茨位于华盛顿的智能住宅，堪称是智能家居的经典之作。其中所有的家居设备都通过计算机服务器控制和管理，并且它拥有一个十分强大的控制系统，可以实时感知环境信息，并且当人在其中移动时，也会被感知从而不需要额外的命令或者操作便能根据人的位置提供服务。

千禧年前后，智能家居的网络技术、设计概念、技术开发等各个方面都得到了进一步的发展。并且智能家居对于日常生活中支持和帮助我们的承诺也比以往更高了^[4]。美国、新加坡、德国等发达国家都投入了大量的研究，取得了显著成果。如微软的“梦幻之家”、Motorola 的“居所之门”、IBM 的“家庭主任”等，它们都已占据了一定的市场^[3] 。

2011年Google推出了Android@Home智能家居控制方案，2014年，Google收购了智能家居公司 Nest Labs，随着此次收购事件，智能家居市场再次备受瞩目。2013年，新加坡已经有超过30个社区近5000户家庭采用了“家庭智能化系统”，美国有近4万户家庭安装了此类系统^[23]。此外值得一提的是澳大利亚的全自动化智能家居系统。即使是开关也可以由智能系统自动激活。还有日本的生物认证自动门识别系统可以自动认证来人是否为公寓住户，而无需额外操作。可见智能家居在国外的应用已经越来越多，并且由于国外的智能家居研发起步早，配套技术发展成熟，市场竞争有效等因素，相对发展的也较为成熟。

智能家居可以被认为是一个过程或者一个系统，即要想实现智能化，必须分三个阶段过程来实现，首先是家庭电子化（Home Electric），其次是住宅自动化（Home Automation），最后才是实现住宅智能化（Home Intelligent）^[5]。目前很多公司也都在进行最后一步的研发，智能家居品牌市场也涌现出了美国的快思聪、法国的罗格朗、施耐德等知名智能家居品牌。

1.2.2 国内发展和研究现状

我国的智能家居由于起步较晚，配套技术也有所限制，因而整体的研发水平不高，并且市场发展也不够充分，整体消费水平不足。20世纪90年代末期，香港永泰峰公司研发推出了“ApBus”智能家居，并参加了首届深圳高交会，这标志着中国智能家居产品研发的起步^[5]。之后中国电力科学研究院、海尔集团等单位也相继开始了对智能家居的研发。

2011年，华南理工大学设计了一款基于Android的移动视频监控系统^[6],经过十几年的发展，目前形成了小米、清华同方、紫光物联、联想等几个知名品牌，在家用电器的智能化、智能穿戴设备等方面取得了一定的成果，但是整体上网络互动不够有效，难以形成完整的交互网络。

整体来看，家居要实现系统化的智能首先要实现单个产品的智能化和不同产品之间的智能化联动。而我国目前的发展水平也主要是处于前两个阶段。其中第一个阶段的产品都已进入许多家庭，包括智能化的电视、空调、灯光等家庭生活常见设备。这个阶段也是目前我国发展比较集中的阶段。而不同产品之间的联动，在我国涉及这方面的研究还比较少。目前bong公司的智能手环等硬件产品之间能够实现联动，并且在麦开公司的手机app上查看各硬件状态。这两家公司的合作也是我国智能家居领域逐渐向第二阶段过渡的一个开始。而至于系统化智能的实现则是更高的要求。它需要更严格的标准化、规范化，从而能根据命令对整个系统进行统一的调控。

1.2.3 当前问题及解决方案

在研究了目前存在于我国市场上的各类智能家居产品后，归纳得出当前智能家居产品所存在的一些问题包括价格偏高、概念性较大而实用性不足、电器之间互联互通效果较差等。整体来看处于一个不够成熟的阶段。

而面对这些问题，各方面要做的事还有很多。首先在产品方面随着自动化的发展，产品的成本越来越低相应的自动化产品的价格也不能为了利益而人为抬高。在智能家居的普及阶段，硬件产品的售价应该尽量为一般居民所能接受。增加使用者的数量才能逐渐扩大市场和影响力。同时在用户研究方面也应该加大投入，真正解决的问题的设计才是好的设计，才会被一代一代完善进而成为人们离不开的好产品。再者在销售和宣传方面也要加紧力度。

1.3交互系统发展设计现状

由于目前我国智能家居行业整体发展水平不高，首先在技术层面的研发潜力还没有完全被发掘，加上我国整体的工业氛围浓厚，对于设计的重视也不够，因而智能家居交互界面目前也存在着一些问题。

目前国内外交互设计正处于蓬勃发展的阶段，特别是互联网下交互界面的设计，它牵涉到设计心理学、人因工程、用户体验等领域，在广为人使用的APP界面的设计中已经有了一套较为成熟的经验^[7]，即：Affordance、Context、Accessibility、Distance、Emotion。

（1）在进行界面设计时，首先要考虑整体视觉的目标性,思考视觉元素对用户的引导作用；

（2）根据深泽直人的无意识设计，可以考虑将设计贴合用户日常习惯，遵循用户行为，通过合理的布局使用户的使用体验更加舒适，减少其认知负担；

（3）信息可视化；

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