基于物聯網的家居控制系統設計

王斌 付曉豹 張思卿 張寧博

摘 要：為了實現家居的智能化與便捷化，設計一種基于物聯網的智能家居控制系統。該系統采用嵌入式技術、ZigBee通信技術、語音識別技術及WiFi通信技術實現智能居家模式與遠程控制模式兩種控制模式。最后制作智能家居控制系統模型，實驗表明，該系統能夠通過語音及移動終端對家電進行有效的控制，不僅具有智能、便捷等特點，還具有廣泛的適用性。

關鍵詞：嵌入式技術;語音識別;移動終端;智能家居;ZigBee;物聯網

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

各種各樣的家電改變了現代人的生活方式。近年來，隨著物聯網技術的不斷發展，人們所需求的家居生活越來越偏向便捷化、智能化與舒適化[1-2]，而達到智能化的關鍵在于改變家居家電的控制系統。目前，大多數家庭用到的依然是傳統的機械開關。機械開關是一種觸控開關，存在兩方面問題：一方面，當對家電設備（下文簡稱設備）進行控制時需要移動到開關按鈕;另一方面，在遠距離無法查看設備狀況，出門考慮是否關設備是一個普遍的困惑。而另一種普遍存在的遙控器是采用紅外技術實現控制功能，這種方式控制距離短、控制的目標單一，且不夠便捷。近年來，國內外市場上出現了很多新型的智能控制系統[3-5]，主要分為兩大類：一種控制模式是語音控制系統，它在一定的程度上帶來了方便，但對遠距離的控制束手無策[6-7];另外一種控制模式是移動終端控制，較好的實現了遠程的控制與監控，但在近距離情境中，就像紅外遙控器一樣需要手動設置，不夠便捷[8-9]。針對這些問題，結合具有效率高、實時性好及處理能力強等特點的嵌入式技術[10-11]，提出基于物聯網的智能家居控制系統。該可以通過語音模塊控制設備，也可以通過WiFi模塊遠程查看設備狀態或控制設備，很好地解決了目前家居設備所存在的控制問題。

1 家居控制系統原理

基于物聯網的智能家居控制系統是近程控制與遠程控制的融合。遠程控制采用的通信方式是技術成熟、應用廣泛的無線網技術WiFi。近程控制的通信方式主要分為有線和無線兩大類，結合在系統中的具體應用，在主控板各模塊間采用簡單、有線的串口通信[12]，在主控板與設備間采用低功耗、低成本及數據傳輸可靠的ZigBee通信方式。

智能家居控制系統是以STM32處理器為核心，主要擴展了語音識別模塊、WiFi模塊和ZigBee模塊三大模塊。語音識別模塊實現語音控制功能;WiFi模塊實現移動終端控制功能;ZigBee實現了STM32系統對家居設備的無線控制。該系統總體原理圖，如圖1所示。

該系統在保留傳統機械控制的基礎上，增加了兩大控制模式：智能居家模式與遠程控制模式。外出時，使用遠程控制模式;居家時，可以選擇使用智能居家模式或遠程控制模式，兩種模式通過一個機械開關進行切換。

在智能居家模式下，語音識別模塊采集用戶發出的語音信號，再將轉換為的數字信號經處理器傳送到ZigBee協調器，然后ZigBee協調器通過ZigBee無線通信技術把信號傳送到對應的ZigBee節點，進而控制對應的家居設備。

在遠程控制模式下，移動終端發出的控制信號通過WiFi傳送到處理器，再由處理器把指令信號傳送給ZigBee協調器，然后ZigBee協調器通過無線通信技術把信號傳送到對應的ZigBee節點，進而控制對應的家居設備。

2 硬件設計

通過對智能家居控制系統進行功能分析，本文處理器選擇的是RT5350，ZigBee通信模塊選擇的是CC2530F256，語音識別識別模塊選擇的是ASR TMS-A。

RT5350是Ralink公司生產的一款單芯片，它內部集成了基帶處理器、射頻、射頻功率放大器，僅需很少的外圍器件就可以實現低成本2.4 GHz IEEE 8.2.11n無線產品，并且可以提供更大覆蓋范圍和更高的無線吞吐量。在此次設計中，RT5350通過WiFi技術獲取移動終端的指令信息，然后通過TTL串口把指令信息傳送到CC2530F256。

ASR TMS-A是非特定人語音識別模塊，具有識別率高、串口輸出、USB虛擬串口和兼容TF卡等特點。在此次設計中，ASR TMS-A把采集到的語音信號轉換成特定的指令信息，然后通過TTL串口把指令信息傳送到CC2530F256。

CC2530F256是基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，具有低功耗、處理器性能強及兼容多種外設等優點。在本次設計中，CC2530F256協調器通過串口獲取RT5350或語音識別模塊傳來的指令信息;再通過ZigBee技術傳輸到對應節點;然后通過節點控制繼電器進而控制家電設備。

智能家居控制系統主要由微控制器、語音識別及ZigBee通信組成，該系統信號處理示意圖，如圖2所示。該系統通過排針P1實現兩種模式切換。在遠程控制模式下，控制信號從移動終端的WiFi模塊發出，然后被RT5030的RFOIN_GO引腳接收，之后通過串口引腳MCU_TX發送給CC2530，最后通過ZigBee通信引腳RF_P發送給對應的ZigBee節點。在居家控制模式下，語音識別模塊ASR把語音信號轉換為特定的數字信號，通過串口引腳ASR_TX發送給CC2530，然后通過ZigBee通信引腳RF_P發送給對應的ZigBee節點。

3 軟件設計

軟件方面主要設計了RT5350的信息處理、語音模塊的信息轉換、WiFi模塊的通信、ZigBee模塊通信及移動終端的界面。

軟件設計流程如圖3所示。開始判斷系統運行在居家模式或遠程模式，對應的語音識別模塊或移動終端模塊把控制命令轉換成特定的7個字節，然后傳送給ZigBee協調器，ZigBee協調器把指令傳送給對應的節點，最后執行相應的操作。

RT5350開發基于Keil5集成開發環境，主要配置了串口通信模塊、WiFi通信模塊及信息處理模塊。WiFi模塊接收移動終端發出的信號后，通過信息處理模塊處理成特定字符，再通過串口發送給ZigBee模塊。移動終端界面是基于jdk-8u集成開發環境開發的，主要設計了4個按鈕，燈的開關、窗簾的開關、風扇的開關以及LCD的開關，按下開關向RT5350發出信號。

4 實驗與分析

本文根據智能家居控制系統的原理及設計思路，設計了硬件電路圖、印制PCB板、設計程序代碼，并制作了家居模型。該系統的實物圖如圖4、圖5所示。圖4為系統模型的正面，包含語音識別模塊、燈、風扇、窗簾及LCD。圖5為系統模型的背面，包含主控板、ZigBee協調器與節點、繼電器。對該系統通電后，分別進行了語音測試和移動終端測試。

（1）語音測試。在居家模式下，通過語音對該系統下達命令，如打開/關閉電燈、打開/關閉風扇、打開/關閉窗簾、打開/關閉LCD，對應的繼電器能夠響應，進而接通或斷開相應電器。

（2）移動終端測試。切換到遠程控制模式下，在手機端通過設計的程序，對該系統進行控制，如打開/關閉電燈、打開/關閉風扇、打開/關閉窗簾、打開/關閉LCD，對應的繼電器能夠響應，進而接通或斷開相應電器。

經過測試，智能家居控制系統能夠通過語音和手機端有效的控制相應的電氣設備，實現了近距離及遠距離與家居電器的智能交互。

5 結 語

隨著科技的發展，人們的生活越來越趨向于便捷化、智能化、舒適化，本文的智能家居控制系統就是本著這一需求設計的。在居家模式下，只需用簡短的語音可以控制電器;在遠程模式下，消除了距離的限制，通過移動終端可以隨時隨地的控制電器，這在一定程度上實現了居家的智能性。智能家居控制系統主控芯片采用的是RT5350，該芯片具有良好的擴展性，利于后期的研發和創新，在該系統的基礎上，可以增加控制指令和傳感器，實現控制的多樣化和系統的自動化。

參 考 文 獻

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