智能寢室的設(shè)計(jì)與制作

歐陽朝煌+王治發(fā)+沈豐逸+劉芳

摘 要：近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，“智能”逐漸走入人們的視野，同時(shí)也給人們生活中的產(chǎn)品帶來機(jī)遇和挑戰(zhàn)。使用熱釋電、攝像頭、門禁IC卡檢測學(xué)生的作息，遙控器、手機(jī)APP、觸屏等輸入信息，ARMcotex-M4處理器處理信息，安全數(shù)字輸入輸出卡存儲信息，語音模塊、顯示模塊輸出信息，讓“智能”融入學(xué)生生活的寢室，使學(xué)生的寢室擁有生命，帶給我們無限的精彩。

關(guān)鍵詞：ARMcotex-M4處理器；TFT顯示；IC卡門禁；智能軟硬件

1 智能寢室的設(shè)計(jì)目的

智能，不應(yīng)該只處于實(shí)驗(yàn)室，而應(yīng)該進(jìn)入生活。而智能寢室這個(gè)設(shè)計(jì)就是通過電子硬件和微處理器編程技術(shù)，結(jié)合學(xué)生生活習(xí)慣，將智能應(yīng)用到學(xué)生身邊，減少學(xué)生生活煩惱，提升學(xué)生生活品質(zhì)。本次課題研究的是如何將智能控制融入到學(xué)生生活習(xí)慣當(dāng)中，通過床上壓力傳感器和微處理器的協(xié)調(diào)保證學(xué)生一定時(shí)間的睡眠，通過顯示器和語音提示成為在學(xué)生離開寢室時(shí)的私人秘書，通過IC卡門禁系統(tǒng)保證在學(xué)生沒帶鑰匙時(shí)照常進(jìn)入寢室，夜間寢室燈光自適應(yīng)調(diào)節(jié)保證學(xué)生作息。

2 智能寢室的系統(tǒng)構(gòu)架（如圖1）

ARMcotex-M4處理器建立多個(gè)任務(wù)，在uC/OS操作系統(tǒng)中的調(diào)度下，將熱釋電、攝像頭、門禁IC卡、控器、手機(jī)APP、觸屏、語音模塊、顯示模塊等融入生活，讓學(xué)生寢室進(jìn)入智能化時(shí)代。

3 智能寢室的硬件設(shè)計(jì)

3.1 處理芯片

STM32系列單片機(jī)，基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-MX內(nèi)核，擁有比8位單片機(jī)更高的數(shù)據(jù)處理速度，更豐富的外設(shè)。而且可以用STM公司提供的固件庫，簡化了配置寄存器控制單片機(jī)的操作，使開發(fā)變得更簡單。而且stm32還有SysTick系統(tǒng)時(shí)鐘滴答專門提供給uC/OS作為基準(zhǔn)時(shí)鐘中斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。而且有DMA將數(shù)據(jù)從存儲器到外設(shè)和存儲器到存儲器的雙向傳輸，減輕了單片機(jī)CPU由于大量數(shù)據(jù)傳輸造成的工作負(fù)荷。

在本項(xiàng)目中使用STM32f407VET6作為主控芯片，其擁有最高高達(dá)168MHz的主頻、512Kb的flah、192Kb的RAM，支持92個(gè)中斷，其中每個(gè)IO口都可以用作中斷，14個(gè)定時(shí)器，擁有大量的外設(shè)，包括USART、SPI、I2C、ADC、DAC、SDIO等，以及擁有中速USB、高速USB、以太網(wǎng)等外設(shè)的接口，內(nèi)部集成RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的操作。

另外用多個(gè)STC公司的STC12C5A60S2芯片作為從機(jī)。

3.2 語音解碼芯片

在本課題中，需要用智能系統(tǒng)報(bào)告當(dāng)前狀態(tài)信息以及播放音樂，選用VS1003作為語音的播放與錄制。其用于完成在攝像頭錄制視頻的時(shí)候能夠同時(shí)錄制音頻，當(dāng)單片機(jī)的SPI傳輸音頻數(shù)據(jù)至此模塊時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)語音的播放，實(shí)現(xiàn)語音提示、mp3播放的效果。

3.3 語音識別芯片

在本課題中，需要實(shí)現(xiàn)通過語音開關(guān)燈、語音讓智能系統(tǒng)進(jìn)入安防模式、錄像模式等。選用ld3320作為本次課題的語音識別芯片，此芯片通過快速而穩(wěn)定的優(yōu)化算法，完成非特定人語音識別。

3.4 TFT液晶屏

在本課題中，需要用顯示器實(shí)現(xiàn)顯示課程信息、睡眠時(shí)間信息，以及通過觸屏調(diào)節(jié)燈光亮度等功能。

3.5 攝像頭模塊

選用OV2640，OV2640是 200W 像素高清攝像頭模塊。該模塊具有高靈敏度、低電壓適合嵌入式應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

3.6 其他

超聲波模塊：用于檢測開門角度。選用hc-sr04超聲波模塊，分辨率高達(dá)0.3cm，功耗低，使用簡便。

溫度傳感器：用于檢測室內(nèi)和室外溫度。選用18b20數(shù)字溫度傳感器，具有靈敏度高，體積小功耗低等優(yōu)勢。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 操作系統(tǒng)

在STM32使用的ARM Cortex處理器中，具有主堆棧MSP和進(jìn)程堆棧PSP，具有PendSV和Systick中斷，這些很明顯是配合了uC/OS操作系統(tǒng)，于是我們選擇了uC/OS作為本項(xiàng)目的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

在系統(tǒng)上電后，我們首先要對操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括任務(wù)控制塊、空閑鏈表和就緒鏈表、任務(wù)堆棧，以及初始化事件控制塊等。隨后初始化硬件平臺，包括stm32的時(shí)鐘、DMA、SPI、IO口配置以及OV2640的初始化、RC522、NRF24L01、TFT等的初始化，還有內(nèi)存管理初始化，然后傳遞任務(wù)指針、申請任務(wù)堆棧，創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)，最后用OSStart開啟多任務(wù)。

4.2 主機(jī)主要任務(wù)函數(shù)

4.2.1 燈光調(diào)節(jié)任務(wù)。為每個(gè)LED燈都建立一個(gè)結(jié)構(gòu)體，以管理LED的亮滅、亮度、照明時(shí)間等，在多任務(wù)協(xié)同時(shí)，其他任務(wù)修改結(jié)構(gòu)體參數(shù)，就可以控制LED。

4.2.2 門開關(guān)控制任務(wù)。通過其他任務(wù)發(fā)送過來的消息郵箱判定門為長關(guān)還是長開，通過NRF24L01發(fā)送命令到門控制從機(jī)以控制門的開關(guān)。

4.2.3 攝像頭控制任務(wù)。通過其他任務(wù)發(fā)送過來的消息郵箱判定是否啟動(dòng)攝像，負(fù)責(zé)初始化OV2640以及將OV2640提供的數(shù)據(jù)傳遞到TF卡進(jìn)行存儲，同時(shí)開啟或關(guān)閉VS1003的錄音模式。

4.2.4 NRF24L01管理任務(wù)。由于NRF24L01發(fā)送或接受數(shù)據(jù)資源屬于互斥信號量，只能由一個(gè)任務(wù)控制并使用。并且接受藍(lán)牙、遙控器的指令，給其他任務(wù)發(fā)送消息或郵箱，讓多任務(wù)協(xié)同。

4.2.5 TFT管理任務(wù)。此任務(wù)負(fù)責(zé)控制TFT顯示的開關(guān)，以及通過TFT上的觸摸屏，得到命令，刷新TFT顯示，給其他任務(wù)發(fā)送消息或郵箱，讓多任務(wù)協(xié)同。

4.2.6 LD3320管理任務(wù)。此任務(wù)接受從LD3320過來的語音識別數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后給其他任務(wù)發(fā)送消息或郵箱，讓多任務(wù)協(xié)同。

4.3 從機(jī)主要任務(wù)

4.3.1 門控制從機(jī)。負(fù)責(zé)得到測量超聲波的距離數(shù)據(jù)，通過此數(shù)據(jù)判斷門開關(guān)的角度，以控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并且收集主機(jī)發(fā)送過來的開光門指令，并按照指令運(yùn)行。

4.3.2 風(fēng)扇控制從機(jī)。通過熱釋電判斷風(fēng)扇前方是否有人，并接受主機(jī)發(fā)送過來的開關(guān)風(fēng)扇的指令。

4.3.3 浴室燈控制。通過室外光敏判斷外面光強(qiáng)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)，室內(nèi)光敏判斷浴室燈是否打開，通過紅外光判斷人的進(jìn)出，負(fù)責(zé)打開浴室燈。

5 結(jié)束語

本課題從實(shí)際情況出發(fā)，將“智能”融入學(xué)生生活，使寢室富有生命，讓寢室生活不再單調(diào)。通過團(tuán)隊(duì)成員的一起努力，經(jīng)過軟硬件調(diào)試的智能寢室成功正常運(yùn)行。并且由于智能寢室在硬件上載入語音識別模塊，讓它擁有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和易用性。

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