語音識別與藍(lán)牙通信的智能水溫控制系統(tǒng)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 金新人 劉 穎 王皓南 徐麒麟 高茂華

針對目前家居環(huán)境中人們對家電采用語音控制及手機APP實時顯示與控制的需求，開發(fā)了一款基于語音識別與藍(lán)牙通信的智能水溫控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控芯片，具有語音控制和手機APP控制的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對水溫的實時監(jiān)測、顯示及精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)能夠滿足家庭洗浴、廚房用水、魚缸用水等多種水溫控制場合的需要，有較好的應(yīng)用前景。

水溫控制在家居環(huán)境中扮演著非常重要的角色，其中家用洗浴熱水器、廚寶熱水器、魚缸恒溫系統(tǒng)及保溫杯等都是常見的水溫控制應(yīng)用場景。在這些水溫控制應(yīng)用場景中，采用語音控制方式以及手機APP實時顯示與控制方式，能夠更大程度地提高用戶使用的舒適性與便捷性，也更適應(yīng)目前人們的生活現(xiàn)狀與需求。然而，目前具有這些控制功能的家用智能水溫控制系統(tǒng)較少，無法滿足普通用戶的廣泛需求。本系統(tǒng)基于這一特點，基于STM32芯片設(shè)計了一款具有語音控制、主控板按鍵控制和手機APP控制三種控制方式的智能化家用水溫控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制水溫，提高了用戶使用操作的自由度和便捷性。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要由STM32主控芯片、語音識別模塊、藍(lán)牙通信模塊、繼電器控制模塊、溫度感應(yīng)模塊及電源模塊所組成。語音識別模塊實現(xiàn)外部語音輸入功能，可通過設(shè)定的“喚醒詞”喚醒語音輸入功能，然后通過語音達(dá)到對溫度值的設(shè)定。藍(lán)牙模塊實現(xiàn)手機APP對系統(tǒng)溫度設(shè)定和上水等基本控制，手機與藍(lán)牙模塊通過藍(lán)牙實現(xiàn)通信功能，藍(lán)牙模塊再將接收到的信息通過串口傳遞到主控芯片。蓄水艙溫度控制部分主要實現(xiàn)對水溫的實時監(jiān)測、加熱、散熱及溫度顯示等功能。指令輸入部分包括語音交互輸入、旋鈕調(diào)節(jié)輸入、手機APP輸入三種方式，實現(xiàn)對所需溫度指令的輸入。在溫度控制的過程中利用PID算法實現(xiàn)對溫度的穩(wěn)定控制。本智能溫控系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊采用STM32F103C8T6作為控制芯片，該單片機I/O接口豐富，可對外圍電路功能進(jìn)行拓展，且對于本套系統(tǒng)可適用的芯片范圍內(nèi)，價格合理，性能強大。它擁有強大的運算功能和控制功能，對IO口傳送回來信號的處理速度較快。該芯片還具有復(fù)位功能，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，可通過復(fù)位鍵令STM32主控芯片回歸初始狀態(tài)。

2.2 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊的核心器件是一個經(jīng)過防水處理的DS18B20溫度傳感器，該溫度傳感器的傳輸方式為單總線的接口方式，測量范圍為-55℃～+125℃，測量精度滿足設(shè)計目標(biāo)且能夠?qū)囟刃盘柤皶r準(zhǔn)確的傳回主控制器。在溫度檢測模塊的應(yīng)用程序設(shè)計中，首先進(jìn)行DS18B20溫度傳感器的初始化設(shè)置，判斷溫度檢測模塊是否已在工作狀態(tài)，然后讀取蓄水艙內(nèi)的溫度，轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)通過命令BEH讀取，并送到顯示程序進(jìn)行顯示，與此同時通過判斷語句來控制加熱棒對水溫進(jìn)行加熱、恒溫保持或散熱降溫的操作。

2.3 繼電器控制模塊

為了實現(xiàn)易拆卸安裝的功能，本系統(tǒng)設(shè)計采用繼電器控制電路，分別控制加熱、水溫中和及散熱降溫等功能，以完成艙內(nèi)溫度的準(zhǔn)確控制。當(dāng)主控芯片STM32F103 C8T6接收到來自用戶下達(dá)的指令后，吸合控制加熱器的繼電器，對加熱器供電加熱水溫。當(dāng)水溫臨近目標(biāo)溫度時吸合控制攪拌扇葉的繼電器，令艙內(nèi)整體水溫一致，水溫達(dá)到用戶要求后利用芯片內(nèi)寫入的PID算法，對水溫進(jìn)行實時控制，保持水溫恒定。若輸入目標(biāo)水溫低于當(dāng)前溫度時，主控芯片通過吸合控制散熱器的繼電器，使散熱扇葉工作，達(dá)到快速散熱降溫功能。當(dāng)蓄水艙內(nèi)溫度達(dá)到用戶目標(biāo)溫度后，再次利用PID算法對溫度達(dá)到實時控制。

系統(tǒng)中使用繼電器的實際電路如圖2所示，其中選用NPN型三極管利用三極管開關(guān)電路作為開關(guān)使用，當(dāng)基極端為高電平時集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，進(jìn)而使繼電器內(nèi)部線圈發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，使繼電器由常閉端吸合至常開端。因為只需要在工作時給加熱器等上電，所以繼電器選擇常開端，且為防止繼電器斷電后線圈的感應(yīng)電動勢擊穿三極管進(jìn)而損壞其它電路，在繼電器外部反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管。

圖2 繼電器控制電路

（1）攪拌電機的控制：當(dāng)溫度臨近目標(biāo)時，控制攪拌電機的繼電器接收主控芯片指令、開始工作，使蓄水艙內(nèi)各處溫度達(dá)到一致。

（2）加熱棒的控制：當(dāng)用戶通過藍(lán)牙將需要的溫度信號傳回主控制器時，將目標(biāo)溫度與實時溫度進(jìn)行比較，若低于當(dāng)前溫度，吸合控制加熱器的繼電器，對加熱器供電，加熱水溫。若高于目前溫度，則將信號傳達(dá)給控制風(fēng)扇的繼電器，令風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，對水溫進(jìn)行降溫。當(dāng)達(dá)到指定溫度后啟動控制攪拌電機的繼電器，當(dāng)水溫達(dá)到用戶要求后利用芯片內(nèi)寫入的PID算法，對水溫進(jìn)行實時控制，保持水溫恒定。

（3）風(fēng)扇降溫的控制：當(dāng)模塊接收到主控芯片降溫指令后，控制風(fēng)扇的繼電器開始工作，起到降溫作用。當(dāng)達(dá)到指定溫度后，啟動控制攪拌電機的繼電器，并利用芯片內(nèi)寫入的PID算法，動態(tài)的吸合控制加熱器的繼電器，對水溫進(jìn)行實時控制，保持水溫恒定。

3 軟件設(shè)計

此設(shè)備在運行過程中有許多參數(shù)，如語音信號、移動端APP與設(shè)備的通信信號、蓄水艙內(nèi)水量等，對這些參數(shù)實時、精準(zhǔn)的接收及主控所做出的相應(yīng)反應(yīng)，我們設(shè)計此套設(shè)備基于STM32F103芯片，具有較強的運算能力，處理速度較快，能實時的接收、掌控各個模塊的數(shù)據(jù)，使整個系統(tǒng)能夠有條不紊的工作。主控芯片實時監(jiān)測狀態(tài)水溫，并通過編程寫入的算法對控制加熱器的繼電器的開合達(dá)到精準(zhǔn)控制，以保證水溫能在要求范圍內(nèi)動態(tài)變化，系統(tǒng)主程序設(shè)計流程如圖3所示。在外部通信系統(tǒng)中，主控芯片通過串口對語音模塊接收并發(fā)送的信息進(jìn)行分析，對于不同指令做出不同的處理動作，并在艙內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)值時做出語音提醒，同時通過藍(lán)將信息第一時間傳送到用戶移動端APP中，串口通信子程序的設(shè)計流程如圖4所示。

圖3 程序設(shè)計總流程圖

圖4 串口通訊子程序設(shè)計流程圖

本套智能水溫控制系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控芯片，并采取語音識別和藍(lán)牙通信模塊，實現(xiàn)了穩(wěn)定、準(zhǔn)確的水溫控制功能，并能夠?qū)崟r數(shù)據(jù)通過多方式、高效、智能的方式傳輸給用戶。本系統(tǒng)所采用的語音控制功能和手機APP藍(lán)牙通信功能，提升了用戶操作的便捷性，為用戶提供了更大的操作自由度和良好的使用體驗，具有良好的應(yīng)用前景。