智能寢室的設計與制作

歐陽朝煌+王治發+沈豐逸+劉芳

摘 要：近年來隨著科學技術的不斷進步，“智能”逐漸走入人們的視野，同時也給人們生活中的產品帶來機遇和挑戰。使用熱釋電、攝像頭、門禁IC卡檢測學生的作息，遙控器、手機APP、觸屏等輸入信息，ARMcotex-M4處理器處理信息，安全數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”融入學生生活的寢室，使學生的寢室擁有生命，帶給我們無限的精彩。

關鍵詞：ARMcotex-M4處理器；TFT顯示；IC卡門禁；智能軟硬件

1 智能寢室的設計目的

智能，不應該只處于實驗室，而應該進入生活。而智能寢室這個設計就是通過電子硬件和微處理器編程技術，結合學生生活習慣，將智能應用到學生身邊，減少學生生活煩惱，提升學生生活品質。本次課題研究的是如何將智能控制融入到學生生活習慣當中，通過床上壓力傳感器和微處理器的協調保證學生一定時間的睡眠，通過顯示器和語音提示成為在學生離開寢室時的私人秘書，通過IC卡門禁系統保證在學生沒帶鑰匙時照常進入寢室，夜間寢室燈光自適應調節保證學生作息。

2 智能寢室的系統構架（如圖1）

ARMcotex-M4處理器建立多個任務，在uC/OS操作系統中的調度下，將熱釋電、攝像頭、門禁IC卡、控器、手機APP、觸屏、語音模塊、顯示模塊等融入生活，讓學生寢室進入智能化時代。

3 智能寢室的硬件設計

3.1 處理芯片

STM32系列單片機，基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-MX內核，擁有比8位單片機更高的數據處理速度，更豐富的外設。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的操作，使開發變得更簡單。而且stm32還有SysTick系統時鐘滴答專門提供給uC/OS作為基準時鐘中斷，實現系統的實時性。而且有DMA將數據從存儲器到外設和存儲器到存儲器的雙向傳輸，減輕了單片機CPU由于大量數據傳輸造成的工作負荷。

在本項目中使用STM32f407VET6作為主控芯片，其擁有最高高達168MHz的主頻、512Kb的flah、192Kb的RAM，支持92個中斷，其中每個IO口都可以用作中斷，14個定時器，擁有大量的外設，包括USART、SPI、I2C、ADC、DAC、SDIO等，以及擁有中速USB、高速USB、以太網等外設的接口，內部集成RTC實時時鐘，可以實現更多更復雜的操作。

另外用多個STC公司的STC12C5A60S2芯片作為從機。

3.2 語音解碼芯片

在本課題中，需要用智能系統報告當前狀態信息以及播放音樂，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候能夠同時錄制音頻，當單片機的SPI傳輸音頻數據至此模塊時，能夠實現語音的播放，實現語音提示、mp3播放的效果。

3.3 語音識別芯片

在本課題中，需要實現通過語音開關燈、語音讓智能系統進入安防模式、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定的優化算法，完成非特定人語音識別。

3.4 TFT液晶屏

在本課題中，需要用顯示器實現顯示課程信息、睡眠時間信息，以及通過觸屏調節燈光亮度等功能。

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用的優點。

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0.3cm，功耗低，使用簡便。

溫度傳感器：用于檢測室內和室外溫度。選用18b20數字溫度傳感器，具有靈敏度高，體積小功耗低等優勢。

4 系統軟件設計

4.1 操作系統

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

在系統上電后，我們首先要對操作系統進行初始化，包括任務控制塊、空閑鏈表和就緒鏈表、任務堆棧，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，還有內存管理初始化，然后傳遞任務指針、申請任務堆棧，創建多個任務，最后用OSStart開啟多任務。

4.2 主機主要任務函數

4.2.1 燈光調節任務。為每個LED燈都建立一個結構體，以管理LED的亮滅、亮度、照明時間等，在多任務協同時，其他任務修改結構體參數，就可以控制LED。

4.2.2 門開關控制任務。通過其他任務發送過來的消息郵箱判定門為長關還是長開，通過NRF24L01發送命令到門控制從機以控制門的開關。

4.2.3 攝像頭控制任務。通過其他任務發送過來的消息郵箱判定是否啟動攝像，負責初始化OV2640以及將OV2640提供的數據傳遞到TF卡進行存儲，同時開啟或關閉VS1003的錄音模式。

4.2.4 NRF24L01管理任務。由于NRF24L01發送或接受數據資源屬于互斥信號量，只能由一個任務控制并使用。并且接受藍牙、遙控器的指令，給其他任務發送消息或郵箱，讓多任務協同。

4.2.5 TFT管理任務。此任務負責控制TFT顯示的開關，以及通過TFT上的觸摸屏，得到命令，刷新TFT顯示，給其他任務發送消息或郵箱，讓多任務協同。

4.2.6 LD3320管理任務。此任務接受從LD3320過來的語音識別數據，并將數據處理后給其他任務發送消息或郵箱，讓多任務協同。

4.3 從機主要任務

4.3.1 門控制從機。負責得到測量超聲波的距離數據，通過此數據判斷門開關的角度，以控制電機的運行狀態，并且收集主機發送過來的開光門指令，并按照指令運行。

4.3.2 風扇控制從機。通過熱釋電判斷風扇前方是否有人，并接受主機發送過來的開關風扇的指令。

4.3.3 浴室燈控制。通過室外光敏判斷外面光強，并將數據發送至主機，室內光敏判斷浴室燈是否打開，通過紅外光判斷人的進出，負責打開浴室燈。

5 結束語

本課題從實際情況出發，將“智能”融入學生生活，使寢室富有生命，讓寢室生活不再單調。通過團隊成員的一起努力，經過軟硬件調試的智能寢室成功正常運行。并且由于智能寢室在硬件上載入語音識別模塊，讓它擁有極強的可擴展性和易用性。

參考文獻

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