智能家居自动化——安全集成语音控制系统的用例外文翻译资料

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智能家居自动化——安全集成语音控制系统的用例

摘要：随着物联网 (IoT) 的发展，智能家居自动化有望提高生活水平，从而促进家用电器的远程控制。然而，要获得更广泛的成功的消费者采用，需要注意以下几个因素。本文重点关注三个关键障碍：(i) 不同的底层技术需要集成基于语音的控制以方便使用，(ii) 由于安全和隐私问题而缺乏信任，以及 (iii) 不了解机器智能的使用而无法充分利用智能的潜力。使用正在商业部署的基于云的解决方案可以实现语音控制的家庭环境。然而，由于非标准语音通道和命令在满足实时服务所需的响应时间方面存在延迟，因此存在缺陷。还需要采用来满足简单、安全和集成的预期目标。为了解决这些障碍，我们提出了一种集成物联网服务和无线技术的模型，用于开发具有语音控制人工智能系统的安全智能家居自动化。我们通过实施一个安全且智能的基于语音的系统来无缝集成控制多个家庭设备，从而在各种实际用例中演示该模型的应用。

关键词：智能家居自动化；物联网（IoT）；语音控制系统；安全和隐私；综合解决方案

1.引言

物联网 (IoT) 的重大发展使未来智能家居的实现成为可能[1]。理想情况下，智能家居环境 中的物联网设备可以通过互联网相互无缝通信，并具有基于大数据决策的智能能力[2,3]。虽然人类生活质量有望得到改善，但目前实际实施方面的差距在家庭环境中采用智能设备形成了障碍[4,5]。

研究表明，如果物联网系统之间的互操作性、安全和隐私问题以及物联网数据差距的可用性等现有障碍得到解决，智能家居的潜在价值就可以实现[6,7]。此外，缺乏充分利用不同物联网设备的能力来使用机器智能实现基于语音的集成智能家居自动化的意识[8,9]。目前，用户认为健康和健身是物联网成功采用的两大主要应用类别，并且一系列设备和电器仍在不断涌现，以建立未来的智能家居[10,11]。办公环境中的人类生产力以及工作场所自动化的工厂或工作场所的安全性都给予了更大的经济考虑。因此，研究和商业开发的重点是企业对企业应用程序，而不是消费者应用程序[12]。然而，互联恒温器设备、自导式真空吸尘器、自动照明、⻔禁/安全系统、厨房和洗衣设备的一些智能可用于在家庭环境中实现家务自动化、能源效率和其他具有经济价值的领域[13]。在家庭自动化系统中拥有一个能提供客户关注的任何智能服务以提高用户采用率是很重要的[14]。这构成了本文的主要动机。我们的目标是使用基于语音的命令和控制提出一个安全和集成的智能家居自动化模型。此外，为了实现消费者的感知价值，重要的是实施任何建议的模型，并带有典型的用例。我们考虑使用这种方法来演示如何实现易于使用的基于语音的智能家居环境。

近年来，用户更喜欢使用语音作为一种有效且自然的通信方式与数字设备进行交互[3,9]。语音技术已经出现，采用机器智能对家用电器进行智能控制，提供免提和免眼操作，同时更有效地使用物联网普遍环境[15,16]。然而，商业上可用的语音辅助技术缺乏个性化、标准化、安全性和集成性，因为它们只关注特定的应用程序。这种现成的解决方案无法为包括老年人在内的所有类型的用户提供一个通用平台，以在家庭环境中与多个不同的物联网设备进行交互[17‒19]。最近的研究讨论了设计含义和语音辅助功能的要求，以满足视障人士和老年人更好地采用智能家居技术的需求。[20,21]。此外，当今的智能家居在隐私规范方面存在差距，因为部署了几种可能超越家庭边界的第三方智能服务，从而导致安全和隐私威胁[22]。

在本文中，我们采取了适度的步骤来填补文献中的空白，旨在实现具有未来可持续发展的基本功能的智能家居自动化系统。我们提出了一个安全和集成的模型，连接物联网设备和电器，通过基于语音的命令和控制方法实现智能家居自动化。我们的系统利用物联网平台的无缝连接，通过安全部署的网络自动识别设备。提出系统模型的主要考虑是允许用户通过他们的语音进行远程操作，解决与可用性、信任以及在典型家庭环境中管理多个物联网设备的开销相关的问题。此外，通过实现具有各种用例的系统原型。总体而言，我们工作的主要贡献如下:
(i)提出一种结合了低成本、可扩展和易于配置的独特模型确保物联网的端到端安全性以及智能家居中各种设备的语音控制命令操作。
(ii)使用Raspberry应用定制的虚拟专用网络(VPN)带有传感器的Pi开发平台，作为单个嵌入式系统，可通过个性化用户身份验证安全连接授予对智能家居物联网网络中授权设备的访问权限。
(iii)开发语音控制系统以识别语音命令，使用认证用户的智能手机，通过定制的VPN将Raspberry Pi平台连接到智能家居中的物联网设备，智能安全地操作智能设备。
(iv)展示我们提出的模型的实施和实际可行性与照明系统、音乐播放器、计算机和水箱等设备一起执行不同的语音命令以打开/关闭某些传感器、播放特定歌曲、执行基于语音的在线搜索甚至监控并在家庭环境中远程控制水箱的水流。
本文的其余部分组织如下:2提供了背景，突出了这项工作的先前研究和贡献。在部分3，我们描述了我们为支持语音的安全家庭自动化系统提出的模型。在部分4，我们展示了我们提出的系统的用例及其实现。最后，我们在章节中提供了结束语和未来的研究方向5。

2.背景及前期工作

在过去的几十年里，无线通信技术发展迅速[23‒26]。在2000年代后期，我们实施了一个远程控制灌溉系统，该系统在位于澳大利亚古尔伯恩山谷广泛分布的三个不同农场(葡萄园、苹果园和洪水灌溉牧场)之间建立了无线通信[27]。在此期间，我们开发了3G无线技术，并将我们的遥控灌溉系统部署在新的3G网络基础设施中。如此大规模部署的实时通信和远程访问是通过端口3389 使用远程桌面会话实现的。随后，随着技术的发展，我们⻅证了安全漏洞和缺陷，这种类型的远程访问和控制不再被认为是安全的。在最近的一项工作中，我们部署了一个远程控制的水箱系统，它允许通过智能手机访问物联网设备，并通过虚拟专用网络(VPN)与多个水箱的传感器进行安全通信，作为大规模部署[28]。除了经济性和稳健性之外，此类智能技术的可持续发展和成功的用户接受度在很大程度上取决于易用性、操作集成和信任的建立。因此，本文考虑了我们在开发集成语音控制系统方面的研究进展，该系统为消费者提供安全和个性化的服务。随着本文中智能家居自动化系统的开发，我们朝着这个方向迈出了第一步。

对最近研究的文献回顾表明，语音技术与能够无缝连接物联网设备的最新无线技术相结合，正朝着成功的消费者采用趋势发展[9,10,14,29]。其应用最流行的上下文是智能家居自动化，作为个性化助手[30]。最近，研究了一种基于云数据存储实现的智能家居语音控制系统[31]。该系统基于在云环境中连接到Amazon Echo的Alexa语音服务。Alexa“永远在线”并记录了家中的所有语音活动，即使它不打算被激活。此类数据收集可能会引发隐私问题，即使这符合用户点击并同意的使用协议条款。此外，还发生了这些语音数据的泄露。一段时间以来，技术进步开辟了许多途径，可以访问和使用这种源源不断的个人语音信息，而不是以用户想要的方式，并且滥用的可能性已经开始引起信任问题[32,33]。此外，人工智能(AI)与大数据技术一起解释大量个人声音的最新能力已经引起了人们对如何使用这些信息的真正担忧[34]。一种影响可能是推动直接有针对性的营销活动，以影响个人的购买选择。人工智能诱导的语音识别使许多银行和政府组织能够转向在线语音识别。语音分析和将这种生物特征数据与个人资料一起存储甚至可能导致身份盗用。总的来说，我们发现这种基于云的系统中“永远在线”的语音数据收集已经引起了公众舆论的关注和关注[5,15,35]。
上述问题的解决方案是利用基于语音的人工智能引擎的积极方面，这些引擎在软件开发方面变得非常高效，现在可以由本地处理元素而不是在云数据中心运行。由于与商业工业自动化系统不同，家庭自动化系统只需要小规模部署，因此语音命令数据集相对较小，甚至可以由Raspberry Pi等设备运行[7]。这是有利的，因为它将控制权带回给个人用户并减少了个人语音信息的泄漏。因此，该研究项目旨在开发一个语音控制的AI应用程序，在Raspberry Pi 上运行，以在安全的家庭环境中使用手机控制互联网上的各种物联网设备，包括远程后院位置的水箱。本文汇集了早期工作中的几个关键要素[27,28]。在这项研究中，我们进一步推进以无线方式在家中安全地集成各种物联网设备以及轻量级语音辅助AI系统的增强功能。因此，我们开发了初始步骤，为可持续和可接受的家庭自动化铺平道路，以在本地家庭计算级别启用远程命令和控制功能，而无需来自云环境的大规模人工智能功能。

3.安全智能家居自动化系统的建议模型

智能家居的技术[1,3]。然而，安全和隐私(和信任)构成了预期采用的关键障碍。虽然研究显示了在物联网环境中实现安全的几种方法，但主要问题是智能家居环境中缺乏简单性、适应性、集成性和低成本部署。我们提出了一个安全和集成的智能家居自动化系统，作为解决这些现有限制的一个适度的初始步骤。建议的模型旨在:

(i) 结合低成本、可扩展、易于配置的端到端的安全性;

(ii) 应用定制的虚拟专用网络;

(iii) 采用语音控制的人工智能系统来识别语音命令;

(iv) 通过智能家居环境中的典型用例，通过易于使用的实施来展示实际可行性。

对于智能家居中的每个设备，所提出的模型旨在提供集成语音控制系统，并与物联网网络安全连接。这是通过使用独特定制的VPN技术建立端到端的安全性来实现的。实际可行的部署是通过基于智能手机的语音识别实现的，用于命令和控制设备。更重要的是，我们的目标是通过在典型的家庭环境中实施智能家居自动化系统来展示该模型的实际应用，其中包含选定的电器和物联网设备，以安全地连接和使用语音辅助命令进行操作。

建议的智能家居自动化系统通过使用OpenVPN连接和配置物联网设备以及使用智能手机控制设备来确保每个用户的安全和隐私，增强了我们之前的工作[28]。用户将能够使用机器智能软件平台与非英语母语的系统进行交互。这是用Python语言编写的，带有API命令，可以与不需要复杂语音系统的简单手机进行通信。

我们使用开源库来开发系统所需的语音识别组件。这用于检测不同的语音和基于语音的命令来操作各种物联网设备，以实现兼具便利性和安全性的独特优势。低成本嵌入式控制器处理每个命令，然后通过其中继控制器将其发送到智能家居环境中的适当设备。我们使用Raspberry Pi平台，因为它提供了多种选项以简单有效的方式连接IoT设备、家用电器和传感器。图1 这显示了如何部署定制的VPN以将手机安全地无线连接到Raspberry Pi以发送用户的语音命令。所提出的集成语音识别系统执行用户命令来操作、监控和控制智能家居中的各种设备。

如图1，建议的智能家居架构由三个主要组件组成:

(i)定制的安全VPN将智能设备连接到Raspberry Pi，将端到端的安全性建立为智能家居中的一个嵌入式单元;

(ii) 集成式智能家居、通过继电器驱动器直接连接树莓派面包板，通过互联网控制传感器和设备，如照明系统、音乐 播放器、水箱、空调、计算机和其他外部智能系统;

(iii) 带有基于语音的识别模块的移动接口，供授权用户通过其智能手机的⻨克⻛发出语音命令，从而与智能家居设备进行安全通信。 这些组件通过使用 Raspberry Pi 平台建立的安全物联网网络协同工作，以满足基于用户的命令和控制系统。

图1 建议智能家居自动化

4.安全智能家居自动化系统的实施

我们展示了该系统在智能家居环境中可扩展物联网基础设施的独特环境中的应用。隐私和安全是家庭自动化系统实际实施的主要障碍，一些研究已经确定了物联网安全的关键要求[36, 37]。在对物联网网络的漏洞和安全攻击进行全面研究的背景下，我们进一步推进这项研究工作以解决这些[38‒40]。首先，我们实现了我们之前开发的端到端安全模型[28]，增强它以在这项工作中为智能家居用例使用独特定制的VPN技术。我们通过使用智能移动应用程序来解决OpenVPN的高开销和复杂配置，这些应用程序易于支持VPN客户端接口，以安全身份验证的方式立即访问智能家居设备，如图所示2;我们以家庭环境中的水箱用例为例，展示了与物联网设备的安全连接。

下一步，树莓派控制器通过安全VPN连接到显示设备和物联网设备，如温度传感器、照明系统、音乐播放器、手机、水箱和其他智能家电。图3显示了Raspberry Pi面包板和选定的传感器和IoT设备的实际部署。如图3，我们将中继通道、湿度和温度传感器、距离传感器和语音输入传感器与Raspberry Pi面包板集成在一起。它说明了我们的系统与物联网服务器的连接，以便通过VPN无线技术控制这些设备。

在这项工作中，所需的编程代码可用作控制连接到Raspberry Pi的传感器的移动应用程序。数字4展示了在初始原型测试阶段通过面包板连接到Raspberry Pi的水箱传感器和阀

⻔的部署。我们使用名为NodeRed的开源软件工具使用NodeJS和JavaScript代码测试了

这些代码。使用移动应用程序，我们可以控制进出水箱的水流。一旦水箱在我们的安全家庭智能自动化系统中成功部署和测试，我们使用面包板扩展 Raspberry Pi 上的端口数量以连接其他智能家居设备。我们为每个传感器定制代码，并使用Python开发的基于语音的命令来操作智能家居中的各种设备。随后，用于语音识别的人工智能引擎接受了学习各种家庭用户声音的训练，使家庭自动化系统个性化。

图2 用于远程智能

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