一種新型多功能智能家居控制器設(shè)計(jì)

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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