基于物聯網的智能家居系統

薛家峰

隨著無線通信技術的發展推動了ZiBee、wifi、藍牙等技術在日常生活中的廣泛應用，并出現了基于無線通信技術的智能家居應用，即物聯網技術在智能家居中的應用。論文主要探討了如何采用ARM Cortex-M3為內核的STM32處理器作為微處理器，由NRF24L01構成無線通信，融入藍牙、RFID射頻技術構建具有語音識別功能和人機交互功能的智能家居系統，并實現家居設備網絡化、人機交互，解決傳統智能家居僅停留在家居設備獨立子系統獨立運行水平上。

RFID技術智能家居物聯網技術人機交互語音識別

0引言

Internet of things簡稱IoT即物聯網，物聯網是基于互聯網實現物品與物品間的連接，是互聯網技術的擴展，是繼計算機、互聯網應用后的第三次浪潮。物聯網在智能家居中的應用就是要實現家居設備（如：電視機、冰箱、室內溫度計、空調等）設備間的互聯，通過互聯實現遠程監控、遙控、定位、跟蹤以及管理功能，提高家居設備整體工作效率和協調性。本論文主要探討了基于物聯網技術對智能家居設備進行系統研究和設計實現的課題，課題圍繞智能家居設備網絡化（物聯網）與人機界面（語音識別）進行展開分析。家居設備的網絡化主要通過不同種類的通信方式（如Zigbee、紅外通信、藍牙等）實現傳感器與微控制器間和設備各個子系統間的互聯、互通、信息交互；智能家居交互界面指通過界面顯示、觸摸屏幕交互、語音交互等方式實現人機指令交互，目前人機交互界面技術目前主要討論的是語音交互界面（VII）。

1智能家居系統整體結構

在本課題中智能家居系統主要功能有：（1）通過語音控制實現人與智能家居設備間人機交互；（2）家居環境檢測，如發生異常或者有人闖入等自動告警功能；（3）安防門禁系統功能，系統自動識別主人和非主人。其系統整體架構如圖1所示。

智能家居互聯系統中語音信號接收與識別部分由語言識別芯片（ASR）來完成，語音與指令匹配與校驗由STM32微處理器完成，設備與設備間通過無線通信發射與接收器進行指令數據交互，整個智能家居設備最終通過指令執行實現設備控制與響應。

2無線通信模塊設計

2.1無線通信技術選擇

物聯網設備連接是通過無線通信技術進行連接，在物聯網通信技術中廣泛應用的無線通信技術主要有紅外線通信技術、藍牙通信技術、RFID射頻識別技術、NRF24L01技術。在本智能家居系統設計中根據設備類型選擇不同的無線通信技術，例如紅外線通信技術用于具有紅外線控制家電設備中，設備遠程控制則采用NRF24L01通信技術，藍牙則應用于具有藍牙功能的所有設備中。

2.2無線通信單元設計

紅外線通信技術主要通過波段在940nm的紅外線進行傳輸信息，進行紅外線信號發送時發送端將信號碼數按照一定協議轉換成脈沖信號，并通過紅外線發射管發送信息，在智能家居中通過紅外線進行控制設備的主要是電視機、空調、風扇等，這些設備主要通過遙控器中紅外線信號進行控制設備，紅外線設備在接收紅外線信號后通過接收器HS0038解碼為PWM脈沖，設備通過PWM脈沖信號進行控制晶體管設備，從而實現開關控制和調節控制。

手機通信技術主要是指藍牙通信技術和GSM通信技術，目前移動電話、電腦、相機等設備都具有藍牙功能，這部分設備控制則需要通過藍牙通信技術和GSM通信技術進行信息交互。在本課題中對于這類設備的控制主要通過HC-06藍牙通信模塊進行控制。HC-06藍牙通信設備通過串口與微處理器連接實現通信。

NRF無線通信電路則主要用于遠距離數據傳輸。例如數據傳輸需要穿墻功能，則紅外線、RFID是無法實現該功能，NRF通信模塊具有抗干擾、遠程操作的功能。

RFID射頻無線通信技術是一種非接觸式自動識別技術，通過射頻信號自動檢測目標，從而實現物體追蹤和數據交互，本課題中RFID選擇RC522作為射頻識別模塊。

3語音識別單元設計

語音識別單元通過語音直接控制家電，例如通過語音控制電視機開關、調臺等。語音識別原理主要是對于語言信號進行采集，采集后語音分析芯片分析聲波頻幅特征，提取特征信息，在下次語音信號采集時候通過與原來聲波信號進行匹配，若匹配一致則執行相關指令信息。

在語音識別中語音分析芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，例如包括AD、DA、轉換器、麥克風、語音等。在本課題中語音識別模塊主要使用LD3320芯片，其芯片具有穩定的語音優化算法，可以實現非特定人語音識別，其識別率和準確率很高，不需要增加Flash芯片和AD芯片就可以完成語音識別功能。

在具體設計時語音信號的采集和識別通過讀寫寄存器來實現，微處理器則通過軟件、硬件的并行傳輸和軟件模擬SPI傳輸和硬件傳輸方式進行信息交互。

4結束語

本課題主要在分析智能家居發展趨勢基礎上探討了基于STM32以及語音交互界面的智能家居系統研究，提出了其系統軟硬件結構和功能實現方法。

基金項目：國家自然科學基金資助項目。