基于STM32 單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊恒敏

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003)

1 概述

當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度日新月異，隨之通信技術(shù)也不斷得到發(fā)展，5G通信技術(shù)已經(jīng)到來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也更加成熟，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們希望每一個(gè)物件入網(wǎng)并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能化，而智能家居正是受到信息化影響的一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,智能家居就是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將日光燈、電風(fēng)扇、空調(diào)和窗簾等各種設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到一起，實(shí)現(xiàn)照明控制、風(fēng)扇控制、空調(diào)控制、窗簾控制等多種智能功能[1]，這些功能使智能家居技術(shù)在生活中應(yīng)用更加廣泛，并向不同領(lǐng)域滲透和延伸，人們期望在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動之下，生活能夠更加節(jié)能、環(huán)保和高效，因此智能家居走進(jìn)人們的生活，并給人們的生活帶來了很大改變，智能生活方式也將成為今后人們居家生活的主流方向。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)核心處理器、語音識別電路、環(huán)境信息感知電路、藍(lán)牙通信電路、液晶顯示電路和電氣設(shè)備控制電路等組成，主要功能是利用語音識別系統(tǒng)和手機(jī)APP 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)有人闖入自動警報(bào)、照明控制、溫度和濕度控制、空氣質(zhì)量檢測、家用電器控制和自動窗簾等的控制。主控是STM32F103RCT6 單片機(jī)，連接到每一個(gè)傳感器，當(dāng)系統(tǒng)采集到聲音信號時(shí)，經(jīng)過電路處理后送入LD3320 語音識別模塊，處理結(jié)果通過并行端口傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到LD3320 語音識別模塊的處理結(jié)果后，進(jìn)行分析，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制各電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的啟動或停止[2]，另外也可以利用環(huán)境信息感知模塊(溫濕度傳感器、煙霧傳感器和人體光學(xué)傳感器)實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，發(fā)出相關(guān)指令，控制燈光、插座、風(fēng)扇和窗簾的打開或者關(guān)閉，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過預(yù)定值或者在安防模式下有人闖入時(shí)，播放語音報(bào)警信息，為了方便用戶了解狀態(tài)，還還可以通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)展示各個(gè)電路模塊的具體工作狀態(tài)，系統(tǒng)整體框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制模塊。本系統(tǒng)采用STM32F103RCT6 單片機(jī)控制外部電路和設(shè)備，STM32F103RCT6 型單片機(jī)是嵌入式的微型控制器的集成電路(Integrated Circuit)，擁有32 位的Cortex-M3 內(nèi)核處理器，CPU 的最高速度可以達(dá)到72 兆赫茲，程序存儲器的容量為256 千字節(jié)，程序存儲器類型是FLASH(閃存)，隨機(jī)存取存儲器的容量是48K，采用LQFP64 封裝形式，因此封裝體積小，高速低功耗，相比8 位而言單片機(jī)性能更優(yōu)，是本電路中控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器之間通訊及解碼。

單片機(jī)最小系統(tǒng)是由單片機(jī)芯片外加時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源和地構(gòu)成的，它是單片機(jī)工作的最小的組成部分，也是單片機(jī)工作的必要條件。其中，電源電路的作用是提供合適的供電電壓，保證單片機(jī)能夠正常工作，時(shí)鐘電路可通過外接晶振和電容等來產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘脈沖信號，從而為芯片工作提供穩(wěn)定的頻率，而復(fù)位電路的作用是恢復(fù)單片機(jī)內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)遇到異常不能正常工作時(shí)，可以把單片機(jī)的特殊功能寄存器的數(shù)據(jù)恢復(fù)到默認(rèn)的數(shù)據(jù)，使程序能夠重新開始運(yùn)行。

3.2 語音識別模塊。語音識別模塊主要包括語音芯片LD3320 及其相關(guān)電路，語音芯片LD3320 是一種非特定人的芯片，主要作用是采集環(huán)境中的語音信號，而且也能夠識別特定語音信號，通過口令觸發(fā)方式和垃圾詞語吸收模式，可以提前設(shè)定好要識別的關(guān)鍵詞語，為了降低誤識別率，進(jìn)一步提高語音識別的準(zhǔn)確程度，可以添加一些其他的詞語到識別列表中，用來吸收錯誤的識別，此外，LD3320 工作時(shí)不需要預(yù)先進(jìn)行訓(xùn)練或者錄音，語音識別的準(zhǔn)確率可以高達(dá)百分之九十五以上，是一款使用非常廣泛的語音識別類芯片。設(shè)計(jì)中采用的是串口通信方式，芯片直接與STM32F103RCT6 的RXD信號相連接[3]，麥克風(fēng)采集到語音信號，當(dāng)LD3320 模塊識別出語音信號時(shí)，將識別到的語音信號與識別列表中的關(guān)鍵詞匯進(jìn)行比較，找到最佳匹配的詞語，芯片LD3320 便會發(fā)出一個(gè)中斷信號，然后將這個(gè)信號通過電路傳送給STM32 單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，語音識別流程如圖2 所示。

圖2 語音識別流程

3.3 環(huán)境信息感知模塊。環(huán)境信息感知模塊主要由DHT11溫濕度傳感器、MQ135 煙霧傳感器和HC-SR501 人體光學(xué)傳感器模塊及其相應(yīng)的電路組成。

DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)信號輸出的數(shù)字溫濕度傳感器，它用的是數(shù)字模塊采集技術(shù)，體積小巧、功耗很低，抗干擾能力較強(qiáng)。溫濕度傳感器DHT11 一共有4 個(gè)引腳，連接到單片機(jī)的方式也比較簡單，1 號引腳接電源，2 號引腳接數(shù)據(jù)輸出端，3 號為懸空腳，無需任何處理，4 號引腳接地，接到STM32 單片機(jī)的其中一個(gè)引腳上，在實(shí)際使用時(shí)，1 號引腳和4號引腳之間可以增加一個(gè)電容以去耦濾波。

MQ135 煙霧傳感器能夠檢測出空氣中多中常見的有害類氣體，是一款適合家庭使用的空氣污染報(bào)警器，它對苯系蒸汽、氨氣和硫化物等的反應(yīng)靈敏度高，對其他一些有害的氣體和煙霧的檢測效果也相當(dāng)好，所使用的的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率很低的二氧化錫(SnO2)，當(dāng)煙霧傳感器檢測周圍的空氣中存在污染氣體時(shí)，傳感器中的電導(dǎo)率會發(fā)生改變，隨著環(huán)境中污染氣體的濃度增加，電導(dǎo)率會隨之增大，只要通過簡易的電路，就可以把電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為所檢測氣體濃度對應(yīng)的輸出信號，實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量以及家庭的環(huán)境安全。

HC-SR501 人體光學(xué)傳感器模塊的工作電壓在4.8V 到20V 之間，與整個(gè)電路的工作電壓相符，人體的體溫在36℃到37℃左右，人體所發(fā)出的紅外線波長大約在10 微米左右，在電路的安防模式之下，一旦有陌生人闖入家庭領(lǐng)域時(shí)，人體產(chǎn)生的紅外線被透鏡增強(qiáng)之后，聚集到傳感器的紅外線感應(yīng)源上，打亂了感應(yīng)元件中熱釋電元件的電荷平衡，釋放出帶電的正負(fù)粒子，在電路處理之后發(fā)出報(bào)警信號[4]，本電路中是在安防模式下，有陌生人闖入時(shí)，防盜報(bào)警指示燈閃爍，蜂鳴器也發(fā)出聲響，向用戶發(fā)出警示。

3.4 藍(lán)牙通信模塊。藍(lán)牙通信模塊使用HC-05, HC-O5 是一款高性能的藍(lán)牙串口模塊，它采用主流的CSR 公司藍(lán)牙芯片，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是藍(lán)牙V2.0，體積小巧，成本低，可以通過兩種模式即命令響應(yīng)工作模式和自動連接模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要適用于短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸，可以非常方便地和上位機(jī)(如手機(jī)、電腦等)的藍(lán)牙設(shè)備相連接，也可以使用兩個(gè)藍(lán)牙模塊進(jìn)行相互數(shù)據(jù)通信，避免了復(fù)雜的電路連接，可以直接代替串口連接線。并且該模塊支持的波特率范圍非常寬，可以從4800 到1382400 Bd，還兼容5V 和3.3V 單片機(jī)系統(tǒng)，硬件的開發(fā)非常容易，配對成功建立藍(lán)牙連接后，使用方式和普通串口一致，可以直接連單片機(jī)，不需要分析內(nèi)部是如何驅(qū)動，適用于GPS 導(dǎo)航，工業(yè)控制等，在本系統(tǒng)中主要用于使系統(tǒng)連接到上位機(jī)APP 端，需要注意的是藍(lán)牙的串口優(yōu)先級要先設(shè)置好，否則會出現(xiàn)信息錯誤。[5]

3.5 手機(jī)端APP 開發(fā)。App Inventor 編程軟件是谷歌公司開發(fā)的，使用簡單，是一款在線并且開放的手機(jī)APP 編程工具，沒有專業(yè)學(xué)習(xí)過的也可以完成手機(jī)App 開發(fā)，其中內(nèi)置了藍(lán)牙服務(wù)器等本次軟件開發(fā)所必需的組件，相較于Android Studio等手機(jī)開發(fā)工具，使用APP Inventor 不需要配置復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境，并且更易于上手，操作簡單，簡單的應(yīng)用使用本軟件足夠可以完成，與智能家居設(shè)計(jì)中軟件部分開發(fā)的要求相吻合。[6]通過藍(lán)牙控制單片機(jī)，從而去控制家用電器等。

3.6 液晶顯示模塊。顯示部分選用OLED (Organic Light Emitting Diode)，OLED 即有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體二極管, 又稱為有機(jī)電激光顯示二極管，是由特殊的有機(jī)材料制成的，構(gòu)造及制作較簡單，支持眾多芯片，無需背光，顯示單元具有自發(fā)光的特性，通電就能亮，屬于電流型有機(jī)發(fā)光器件，OLED 顯示屏采用非常薄的有極涂料和玻璃基板，厚度比LCD 小很多，這樣更薄的屏幕騰出的空間就可以放入更多的元器件，而且可視角度大，同樣適用于可彎曲性面板。LCD屏容易出現(xiàn)拖影現(xiàn)象，影響視覺觀感，而OLED拖影極小，OLED對比度也比LCD顯示好，相比LCD 有更多的優(yōu)勢，結(jié)合嵌有對比度控制OLED 顯示屏驅(qū)動芯片SH1101A、高效的DC-DC 轉(zhuǎn)換器和顯示存儲振蕩器，有效的減少了元件的消耗和數(shù)量。[7]0.96 寸7 針SPI 通信的OLED顯示屏模塊各接口名稱和管腳說明如表1 所示。

表1 OLED 顯示模塊各接口定義和管腳說明

3.7 電氣設(shè)備控制模塊。電氣設(shè)備控制模塊主要由燈、風(fēng)扇、插座等家用電器和門、窗簾等終端部分組成。在智能家居系統(tǒng)控制時(shí)，燈由發(fā)光二極管來模擬，窗簾用直流電機(jī)來模擬實(shí)現(xiàn)，空調(diào)則有由風(fēng)扇來代替，門由舵機(jī)sg90 模擬，插座由繼電器模擬，安防系統(tǒng)由人體光學(xué)傳感器模擬實(shí)現(xiàn)，煙霧報(bào)警由MQ-135 和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。電路硬件部分的連接關(guān)系如圖3 所示。

圖3 硬件連接關(guān)系圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的軟件部分采用C語言編程，利用Keil μVision5 作為編程環(huán)境。系統(tǒng)主程序主要包括初始化服務(wù)程序、中斷服務(wù)程序和各個(gè)功能模塊子程序等。首先定義好硬件電路的端口，然后進(jìn)行延時(shí)函數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)置好中斷的優(yōu)先級級別，液晶顯示OLED部分初始化、溫濕度傳感器初始化、串口初始化等各個(gè)模塊的初始化函數(shù)，然后定義控制函數(shù)，控制函數(shù)的作用是設(shè)置各個(gè)家電控制部分的工作狀態(tài)，通過簡單的邏輯控制，可以實(shí)現(xiàn)對家用電器設(shè)備等的控制功能，main 主程序部分主要如下：

4.2 液晶顯示子程序設(shè)計(jì)。OLED 液晶顯示屏驅(qū)動軟件程序設(shè)計(jì)基于STM32F103RCT6 型號單片機(jī)，采用常見的C 語言編寫，主要完成配置STM32 單片機(jī)管腳實(shí)現(xiàn)SPI 通信，將所需顯示信息傳輸?shù)絆LED顯示屏驅(qū)動芯片SH1101A，驅(qū)動OLED顯示屏芯片SH1101A完成片選和復(fù)位等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示和清屏等操作。

4.3 語音模塊子程序設(shè)計(jì)。語音模塊首先要設(shè)定好關(guān)鍵詞語，如“開門”、“關(guān)門”、“打開插座”和“打開窗簾”等，以便控制相應(yīng)的智能家居設(shè)備開始工作。在程序流程編寫上，通過程序預(yù)先設(shè)置相應(yīng)語音代碼指令，并對應(yīng)智能家居設(shè)備此時(shí)的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中語音識別分為兩類，第一級用來喚醒智能家居系統(tǒng)，第二級用來控制家用電器以及設(shè)備等，同時(shí)將對應(yīng)的信息通過串口發(fā)送到STM32。

例如在語音模塊端編寫C語言程序進(jìn)行如下設(shè)置：

對照表2 中的指令順序，串口發(fā)送信息5 是開燈，串口發(fā)送信息6 是關(guān)燈，則對應(yīng)執(zhí)行開燈和關(guān)燈的操作，其他設(shè)備也以此類推，便可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

表2 語音指令表

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用STM32 單片機(jī)、各種傳感器模塊和語音識別模塊等實(shí)現(xiàn)了智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠識別用戶發(fā)出的語音指令，并能根據(jù)語音識別結(jié)果，控制家庭電路中電風(fēng)扇、插座、日光燈、門和窗簾等設(shè)備的打開或關(guān)閉；在安防模式已經(jīng)開啟并且有人闖入的情況下發(fā)出預(yù)警信號，并通過環(huán)境中的煙霧濃度和溫濕度參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染氣體，監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量，提高了人們家居生活的品質(zhì)，使得人們輕松實(shí)現(xiàn)便捷又安全的現(xiàn)代智能家居生活。經(jīng)過對該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試，需要注意的是因?yàn)楣β势骷^多，應(yīng)使用開關(guān)電源，而不要使用降壓電源模塊，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，工作性能穩(wěn)定，語音識別率高，能夠完成環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和居家電氣設(shè)備控制的功能。