劉子聞胡威黃從貴
摘要: 以Arduino模塊為核心設(shè)計(jì)一種新型多功能智能家居控制器??刂破鞣謩e選用LD3320模塊進(jìn)行語(yǔ)音的采集、識(shí)別和報(bào)警;選用WIFI模塊、Zigbee模塊進(jìn)行信號(hào)的無(wú)線通訊和控制;選用HR911105A網(wǎng)口接口模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的智能控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備不受地域、多種方式、智能化地遠(yuǎn)程控制。
關(guān)鍵詞: Arduino單片機(jī);LD3320模塊;Zigbee模塊;HR911105A模塊
中圖分類號(hào):TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
doi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.11.146
1引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步及對(duì)生活質(zhì)量的要求不斷提高,人們?cè)谶x擇和使用家用電器時(shí),已從單一功能的傳統(tǒng)家電轉(zhuǎn)向智能化家電。利用智能家居控制器可以提供多種家電智能控制方案,使家居的主人更加享受家庭生活,且使他們處理家庭事務(wù),更快、更方便,為他們提供更加適宜的生活空間。然而智能家居市場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜,現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能性,再加上智能設(shè)備的多樣性、智能系統(tǒng)的兼容性、價(jià)格不菲等諸多因素使得智能家居很難真正走入大眾的生活。
本文根據(jù)現(xiàn)代生活對(duì)居住環(huán)境的便捷性、安全性、舒適性等方面的需求,設(shè)計(jì)一種新型多功能智能家居控制器,實(shí)現(xiàn)家居電器的低功耗、高可靠性、可擴(kuò)展性、靈活性的無(wú)線傳輸和遠(yuǎn)程控制。
2總體方案
智能家居控制器總體方案框圖如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)主要由主控制器、無(wú)線傳輸模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和無(wú)線發(fā)射/接收模塊組成。
主控制器選用性價(jià)比較高的Arduino單片機(jī)模塊;語(yǔ)音識(shí)別模塊負(fù)責(zé)語(yǔ)音指令的采集、識(shí)別以及語(yǔ)音報(bào)警;網(wǎng)絡(luò)接口模塊負(fù)責(zé)手機(jī)終端與主控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通信;無(wú)線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收室內(nèi)溫濕度、可燃?xì)鈧鞲衅鞯膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào),并上傳給主控制器;無(wú)線發(fā)射模塊負(fù)責(zé)發(fā)射主控制器發(fā)出的家居電器控制命令,無(wú)線接收模塊則接收命令并傳給執(zhí)行模塊。
3硬件設(shè)計(jì)
3.1主控制器模塊
主控制器模塊Arduino Mega2560是美國(guó)Atmel公司2013年最新推出的一款易用型開源控制器,以ATmega2560-16AU單片機(jī)為核心。
主控制器模塊電路主要包括:?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)和下載程序接口。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括:?jiǎn)纹瑱C(jī)、電源電路和復(fù)位電路。
ATmega2560-16AU單片機(jī)資源豐富、性價(jià)比高,16MHz的晶振,處理速度可達(dá)20MIPS,同時(shí)具有54路I/O口、256KB Flash Memory、8KB SRAM、4KB EEPROM、4路UART接口。主控制器模塊可以通過(guò)3種途徑自動(dòng)選擇供電方式(外部直流電源供電、電池供電和USB接口供電),同時(shí)提供了自動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì),可以通過(guò)Arduino軟件下載程序自動(dòng)復(fù)位。
主控制器模塊上的單片機(jī)已經(jīng)預(yù)置了bootloader程序,可以直接通過(guò)單片機(jī)上ICSP header直接下載程序。
3.2語(yǔ)音識(shí)別模塊
系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別模塊采用ICRoute公司的高性能LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片,它集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和外部電路,可對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行捕捉、識(shí)別、處理和播報(bào)。
LD3320芯片內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器、16位D/A轉(zhuǎn)換器和和功放電路等接口,且不需要外接任何輔助的Flash芯片,RAM芯片和A/D芯片等,可直接實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲控和人機(jī)對(duì)話功能。識(shí)別的種類包括單字,詞組等,語(yǔ)音識(shí)別率比較穩(wěn)定,準(zhǔn)確率也比較高。
語(yǔ)音識(shí)別模塊與單片機(jī)的接口方式采用并行接口,其控制信號(hào)、中斷返回信號(hào)均與單片機(jī)直接相連。語(yǔ)音識(shí)別的工作原理為:首先對(duì)輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析后,再提取語(yǔ)音特征信息,最后將訓(xùn)練模板中的數(shù)據(jù)與特征信息進(jìn)行匹配,輸出識(shí)別結(jié)果。
3.3無(wú)線收發(fā)模塊
本系統(tǒng)中運(yùn)用315M無(wú)線模塊來(lái)完成單片機(jī)與設(shè)備之間的“通信”作業(yè)。通過(guò)315M無(wú)線模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、發(fā)送/接收、傳遞。
315M無(wú)線模塊分為數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和接收模塊。
數(shù)據(jù)發(fā)送模塊具備較寬的工作電壓,最佳工作電壓為12V,可最遠(yuǎn)傳輸至500米。采用ASK方式調(diào)制,可延長(zhǎng)使用期。傳輸距離因?qū)嵉丨h(huán)境不同而不同,主要受調(diào)制信號(hào),發(fā)射電壓,接收機(jī)靈敏度等因素影響。
接收模塊在一定程度上僅僅是一種組件,只有和發(fā)送電路、單片機(jī)組合時(shí)才有效。接收模塊可在電路設(shè)計(jì)中靈活的滲入,以達(dá)到減小干擾,保證信號(hào)的穩(wěn)定性。
3.4無(wú)線傳輸模塊
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中zigbee無(wú)線傳輸模塊用于煙霧、溫濕度傳感器和arduino模塊之間信息“交互”。
Zigbee是一種短距離、低速率的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)。在zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi),設(shè)備之間通信穩(wěn)定,無(wú)需人為設(shè)定,抗干擾能力強(qiáng)。
Zigbee模塊提供SMT與DIP接口,可直接連接TTL接口設(shè)備,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能,通信距離遠(yuǎn)。最大的亮點(diǎn)是zigbee技術(shù)可自組網(wǎng)。通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)可穩(wěn)定傳輸至目的地。
4軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)基于Code Composer Studio IDE集成開發(fā)環(huán)境和Keil C51語(yǔ)言。軟件模塊主要有:主函數(shù)、語(yǔ)音報(bào)警子函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口子函數(shù)、無(wú)線傳輸子函數(shù)和無(wú)線收發(fā)子函數(shù)等。
4.1主函數(shù)流程圖
通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別與播報(bào),模擬信號(hào)通過(guò)arduino模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)給315傳輸模塊,然后繼電器接收,做出指定“動(dòng)作”,見圖2。
4.2語(yǔ)音報(bào)警子函數(shù)
通過(guò)煙霧傳感器收集信息,將信號(hào)經(jīng)zigbee模塊傳輸?shù)絘rduino,進(jìn)而將信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)D3320模塊可識(shí)別的數(shù)字信號(hào),完成語(yǔ)音報(bào)警,如圖3所示。
4.3網(wǎng)絡(luò)接口子函數(shù)
手機(jī)/PC的信號(hào)通過(guò)云端發(fā)送至HR911105模塊,進(jìn)而arduino捕獲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給語(yǔ)音模塊完成報(bào)警工作,如圖4所示。
5總結(jié)
本項(xiàng)目結(jié)合新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)有的多媒體信息化手段,設(shè)計(jì)一種新型多功能智能家居控制器,通過(guò)語(yǔ)音、手機(jī)、PC設(shè)備和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等多種方式來(lái)無(wú)線遠(yuǎn)程控制家用電器,實(shí)現(xiàn)多種方式一體化控制;被控家用電器與總控制器之間采用無(wú)線通訊方式連接;同時(shí),兼?zhèn)浼彝セ馂?zāi)監(jiān)測(cè),語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)警報(bào)功能,真正體現(xiàn)智能家居的內(nèi)涵,讓家用電器與我們?nèi)祟愔g的溝通變得更加簡(jiǎn)單、快捷、高效。
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