基于STM32F407ZGT6的智能鏡子設計

肖培+胡天立+曹源+祝蓓+李璇

摘 要：以STM32F407ZGT6為主控制器，利用原子鏡的半透效果，設計了一種可實現查看天氣、穿衣建議、語音識別、語音播報、音樂播放、鬧鐘提醒、火災報警、室內溫濕度檢測以及自動調光等功能的智能鏡子。鏡子移植了UCOS-II嵌入式操作系統，同時設置了看門狗，能夠保證系統的正常運行；鏡子的顯示部分則是由一塊60cm×45cm的原子鏡和兩塊7寸LCD顯示屏組成。

關鍵詞：智能鏡子；STM32F407ZGT6；UCOS-II；語音識別；語音合成

當今社會時代發展迅速，而快節奏的生活讓大多數人都無法享受屬于自己的信息世界。為此設計了一種可以在洗漱過程中獲取當天信息的智能鏡子，通過鏡子我們可以查看當天的天氣情況以及對應的穿衣建議，除此之外，該鏡子還具有語音識別、語音播報、音樂播放、鬧鐘提醒、自動調光等功能。同時利用鏡子獲取信息也為人們提供了一種全新而又便捷獲取信息的方法。

1 系統結構及相關功能

圖1為系統的總體框圖，系統的主控制器為STM32F407ZGT6，系統的顯示部分由兩塊7寸LCD顯示屏組成。利用人體紅外感應模塊可以判斷鏡子前是否有人，從而控制顯示器的亮滅；利用溫濕度模塊可以獲取室內溫濕度；把光照強度傳感器采集到的數據通過轉換公式可以用來控制LED燈組的亮暗；而煙霧傳感器用于實現火災報警的功能。系統的人機交互部分除了LCD顯示屏外，還有用來實現對系統進行相關操作的電容按鍵模塊，用來進行語音識別和語音播報的語音識別模塊和語音合成模塊。最后的WIFI模塊則是用連接服務器進行信息交換。

2 系統硬件設計

2.1 STM32F407ZGT6控制器介紹

STM32F407ZGT6采用Cortex_M4內核，具有192KB SRAM、1024KB FLASH、3個12位ADC、2個12位DAC、1個RTC（帶日歷功能）、以及112個通用IO口等。通過查閱資料，該控制器能夠很好的完成系統的各項功能。

2.2 ASR M08-A語音識別模塊

ASR M08-A支持5～á8V的外置電壓供電，模塊通過串口與主控制器相連，同時模塊自帶功放電路輸入，可直接連接8歐姆0.5瓦（8？贅 0.5W）的揚聲器。

該模塊具有兩種檢測模式，即普通檢測模式和口令檢測模式。口令檢測模式需要先驗證對應口令，才能進行語音識別，因此每響應一個動作需要講兩個關鍵詞，這兩個模式的切換主要是通過一句指令來完成，所以我們通過軟件可以實現只需要第一次驗證口令，之后就進入普通檢測模式。

2.3 SYN6658語音合成模塊

SYN6658中文語音合成芯片是北京宇音天下科技有限公司于2012年最新推出的一款性/價比更高，效果更自然的一款高端語音合成芯片。SYN6658通過UART接口或SPI接口通訊方式，接收待合成的文本數據，實現文本到語音（或TTS語音）的轉換。

2.4 其他模塊介紹

除了以上幾個主要模塊之外，整個系統還由以下幾個模塊協同工作，從而實現相關功能：

（1）ATK-ESP8266WIFI模塊：該模塊是一款高性能的UART-WiFi（串口-無線）模塊，模塊支持STA/AP/STA+AP三種工作模式。

（2）ATK-7' LCD顯示屏：該模塊屏幕分辨率為800*480，16位真彩顯示，模塊自帶LCD控制器，擁有多達8MB的顯存，能提供8頁的顯存，并支持任意點顏色讀取。

（3）HC-SR501人體紅外感應模塊：具有不可重復和可重復兩種觸發方式。

（4）MQ-2煙霧氣體傳感器模塊：通過采集其輸出模擬信號可以檢測是否發生火災。

（5）光敏電阻傳感器模塊：采用靈敏型光敏電阻傳感器，具有DO數字開關量輸出（0和1）和AO模擬電壓輸出兩種輸出模式。

（6）DHT-11溫濕度模塊：該模塊采用單總線通信模式，溫度檢測范圍為0℃-50℃，濕度檢測范圍為20%-95%（0℃-50℃環境下）。

（7）電容按鍵模塊：該模塊是一個基于觸摸檢測IC（TTP223B）的電容式點動型觸摸開關模塊。

（8）LED燈組：利用PWM來調節LED燈的明暗情況。

3 系統軟件設計

3.1 UCOS-II操作系統移植

UCOS-II是一個可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式、實時多任務內核，它的性能能和很多商業操作系統相媲美，它具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，為了提供最好的移植性能，UCOSII最大程度上使用ANSI C語言進行開發，并且已經移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU（包括DSP）。

從圖2可以看出，UCOSII的移植，我們只需要修改：os_cpu.h、os_cpu_a.asm 和os_cpu.c 等三個文件即可，其中：os_cpu.h，進行數據類型的定義，以及處理器相關代碼和幾個函數原型；os_cpu_a.asm，是移植過程中需要匯編完成的一些函數，主要就是任務切換函數；os_cpu.c，定義一些用戶HOOK函數。

3.2 相關初始化函數

主控制器與各個模塊進行通信，需要對各個IO口進行配置，通過調用對應初始化函數可以對通信IO口進行配置。以下是主函數相關設置：

NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）；//設置中斷優先級

delay_init（168）； //初始化延時函數

uart_init（9600）； //初始化串口1波特率為9600

usart3_init（9600）； //初始化串口3波特率為9600

LED_Init（）； //LED燈組初始化

LCD_Init（）； //LCD顯示器初始化

Adc_Init（）； //ADC初始化

KEY_Init（）； //電容按鍵初始化

My_RTC_Init（）； //初始化RTC

TIM3_Int_Init（100-1，8400-1）；//10Khz計數頻率，計數100次為10ms

RTC_Set_WakeUp（RTC_WakeUpClock_CK_SPRE_16bits，（））；//配置中斷1m一次

my_mem_init（SRAMIN）； //初始化內部內存池

my_mem_init（SRAMCCM）； //初始化CCM內存池

exfuns_init（）； //為fatfs相關變量申請內存

f_mount（fs[0]，"0："，1）； //掛載SD卡

f_mount（fs[1]，"1："，1）； //掛載FLASH

while（font_init（））{}

ucos_load_main_ui（）； //加載主界面

OSInit（）； //初始化UCOSII

OSTaskCreate（start_task，（void*）0，（OS_STK *）&START_TASK_ST

K[START_STK_SIZE-1]，START_TASK_PRIO ）；//創建起始任務

OSStart（）； //系統開始運行

在起始任務中，我們創建了以下幾個任務：

OS_CPU_SR cpu_sr=0；

OSStatInit（）； //初始化統計任務，會延時1m左右

OS_ENTER_CRITICAL（）；// 進入臨界區（無法被中斷打斷）

OSTaskCreate（main_task，（void*）0，（OS_STK*）&MAIN_TASK_ST

K[MAIN_STK_SIZE-1]，MAIN_TASK_PRIO）； //創建主任務

OSTaskCreate（wifi_task，（void*）0，（OS_STK*）&WIFI_TASK_STK[WIFI_TASK_SIZE-1]，WIFI_TASK_PRIO）； //創建WIFI任務

OSTaskCreate（light_task，（void*）0，（OS_STK*）&LIGHT_TASK_ST

K[LIGHT_TASK_SIZE-1]，LIGHT_TASK_PRIO）； //創建燈光調控任務

OSTaskCreate（iwdog_task，（void*）0，（OS_STK*）&IWDOG_TASK_

STK[IWDOG_STK_SIZE-1]，IWDOG_TASK_PRIO）；//創建看門狗任務

OSTaskCreate（screen_task，（void*）0，（OS_STK*）&SCREEN_TAS

K_STK[SCREEN_STK_SIZE-1]，SCREEN_TASK_PRIO）；//創建屏幕亮滅任務

OS_EXIT_CRITICAL（）； //退出臨界區（可以被中斷打斷）

在主任務中創建了tmr1（1秒觸發一次）、tmr2（一秒觸發一次）、tmr3（一小時觸發一次）三個定時器，分別用來顯示時間、采集傳感器數據、獲取天氣信息。

4 實物功能及測試結果

4.1 實物功能介紹

圖3一共有三張圖片，第一張圖片是無人在鏡子面前的拍攝圖，第二張是有人在鏡子面前，同時光線較暗，系統自動調節LED燈組亮度的拍攝圖，最后一張是界面效果圖。從最后一張圖片可以看出該作品具有時間顯示、室內室外溫濕度顯示、天氣狀況以及穿衣指數顯示，界面右上角的圖標分別表示備忘、鬧鐘、聯網狀態；除了LCD顯示的功能外，系統還具有自動調光功能，它會根據室內光線強弱調節LED燈組亮度；語音識別功能，能夠識別一些簡單的語音口令，例如現在時間、現在天氣情況、播放音樂、打開菜單、設置鬧鐘、關閉自動調光等50條相關語音指令；語音播報功能，例如準點報時，播報天氣情況等；人體紅外感應功能，當鏡子檢測到鏡子面前一段時間內無人時，會關閉LCD顯示屏，該時間可以設置；音樂播放功能，可以播放用戶存儲在SD卡中的音樂，播放音樂時，不具備語音識別功能，此時只能通過電容按鍵進行操作。

4.2 實物測試結果

在測試中，我們利用筆記本電腦搭建服務器，開啟對應熱點，系統通過熱點連接該測試服務器，通過服務器上的Python腳本可以獲取到對應的天氣信息；經過各項測試，該作品也能夠完美的實現上述各項功能。同時為了保證系統的穩定性，我們在室內溫度為20攝氏度左右的環境下進行了24h的“拷機”測試，測試結果表明，整套系統能夠長時間的穩定運行。

5 結束語

通過查閱各項資料，此作品還是具有很大的應用以及開發前景，因此可以進行下一步的改進。首先是系統的主控制器可以進行升級，我們可以選用更高級的基于ARM的微型電腦主板，搭載Linux系統；接下來鏡子的顯示器可以改為大屏液晶顯示器，同時配以紅外觸屏；最后則是語音識別以及語音播報功能可以調用訊飛或者百度的語音識別以及語音合成接口，從而能夠讓智能鏡子更智能。

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作者簡介：肖培（1996-），男，漢族，湖南邵陽，在讀本科生，研究方向：嵌入式開發。