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

徐光進(jìn)，肖勁松

（百色學(xué)院，廣西百色，533000）

0 引言

智能家居系統(tǒng)集單片機(jī)原理、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)等多種系統(tǒng)于一體，成為提高居家生活質(zhì)量的一項(xiàng)多功能產(chǎn)品。家居的核心設(shè)備實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能化是為了使用起來(lái)更加方便，符合現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)家電自動(dòng)化的需求，家居系統(tǒng)的多功能設(shè)定和操作方式?jīng)Q定了用戶(hù)的體驗(yàn)感，為此，各企業(yè)都在爭(zhēng)相設(shè)計(jì)出一款功能更多、更便捷的智能化全自動(dòng)家居控制系統(tǒng)，智能自動(dòng)化系統(tǒng)不僅包括基礎(chǔ)的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)燈光控制和家中智能電器控制、家庭的環(huán)境安全檢測(cè)，還包括對(duì)室外設(shè)備遠(yuǎn)程控制及安全防盜控制等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭室內(nèi)、室外的全方位控制與安全監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)工作原理探討

一款智能家居控制系統(tǒng)的制作，需要以單片機(jī)設(shè)備為硬件芯片基礎(chǔ)，本文選用STM32類(lèi)型單片機(jī)作為主電路板控制芯片，外接各模塊電路，通過(guò)USB接口為主芯片燒錄入操作各功能的程序。主系統(tǒng)集成電路外接模塊有Wi–Fi無(wú)線通訊模塊、人類(lèi)語(yǔ)音識(shí)別模塊等[1]。設(shè)計(jì)的每個(gè)模塊都是有指定功能的，主控模塊通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)和用戶(hù)終端實(shí)現(xiàn)操作指令的獲得，后經(jīng)串口通訊模塊和檢測(cè)與控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)家電設(shè)備的指令下達(dá)，同時(shí)可將對(duì)家電設(shè)備的監(jiān)控和檢測(cè)以同樣方式逆向傳給用戶(hù)終端，獲取家中狀況信息。

在本系統(tǒng)控制中，為實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)更智能化，對(duì)室內(nèi)光亮、溫度、濕度等控制調(diào)節(jié)，主要通過(guò)語(yǔ)音形式實(shí)現(xiàn)，可以隨時(shí)隨地經(jīng)語(yǔ)音識(shí)別模塊經(jīng)檢測(cè)和識(shí)別以后，發(fā)送客戶(hù)需求的特定指令來(lái)控制智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境中物聯(lián)網(wǎng)終端的操作。例如，在居家可檢測(cè)范圍內(nèi)，大聲說(shuō)：“小智，請(qǐng)打開(kāi)所有燈光”，此時(shí)等待中的系統(tǒng)語(yǔ)音輸入模塊就會(huì)盡快將錄入的語(yǔ)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制相應(yīng)終端的數(shù)字指令信號(hào)，經(jīng)導(dǎo)線傳輸給STM32主控模塊，經(jīng)核心解析處理后，通過(guò)Wi–Fi模塊發(fā)送特定指令到家中燈光終端，打開(kāi)所有燈光開(kāi)關(guān)。這個(gè)智能控制的操作首先需要語(yǔ)音輸入模塊通過(guò)串口通信與STM32主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，之后STM32通過(guò)Wi–Fi轉(zhuǎn)串口通訊與終端建立聯(lián)系，傳遞數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)制定功能。完善的家居控制系統(tǒng)首先要保證整個(gè)系統(tǒng)的硬件的良好組成和供電，確保各模塊間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后將各子模塊與主控模塊集成，最后通過(guò)對(duì)終端軟件不斷測(cè)試、實(shí)驗(yàn)，將得到的反饋數(shù)據(jù)用來(lái)完善系統(tǒng)的功能，以做到每一個(gè)指令都快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。智能家居的控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)示意圖

2 智能家居控制系統(tǒng)主要模塊簡(jiǎn)介

■2.1 主控芯片選擇

本系統(tǒng)具體選用STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合各專(zhuān)業(yè)硬件實(shí)現(xiàn)整體功能設(shè)計(jì)。用于集成的外接子模塊包括用于傳遞信息的Wi–Fi模塊和用于采集信息的非特定人語(yǔ)音識(shí)別模塊等[2]。選擇的主控芯片STM32F103ZET6是STM32單片機(jī)系列當(dāng)中的一款144引腳的芯片。片內(nèi)FLASH支持在線編程以供今后功能的完善，數(shù)據(jù)、指令在單片機(jī)內(nèi)存中分開(kāi)存放，讀取數(shù)據(jù)時(shí)也分別走不同的流水線，以確保CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化節(jié)省智能系統(tǒng)操作等待時(shí)間。其構(gòu)成的最小系統(tǒng)的工作電路圖如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)工作電路圖

■2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊選用訊飛語(yǔ)音識(shí)別方案XFMT101，此方案具備語(yǔ)連續(xù)語(yǔ)音斷句識(shí)別、語(yǔ)義理解、置信度輸出、多識(shí)別結(jié)構(gòu)等技術(shù)，完美展現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)對(duì)聲音處理的作用，為用戶(hù)提供便捷的語(yǔ)音輸入操作。語(yǔ)言識(shí)別模塊首先收集大量的聲音素材，經(jīng)過(guò)音頻預(yù)處理后去除噪音，提取聲波特征，得到特征參數(shù)，對(duì)特征參數(shù)建模組成語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)，將常用語(yǔ)音關(guān)鍵詞儲(chǔ)存在內(nèi)存中，以供更好地識(shí)別語(yǔ)音指令。當(dāng)檢測(cè)到有聲音輸入的時(shí)候，經(jīng)預(yù)處理提取特征參數(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中提前錄入的參考模型進(jìn)行全方位多次對(duì)比，最后將與數(shù)據(jù)庫(kù)特征相似度最高的語(yǔ)音指令作為最終識(shí)別結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別功能。

■2.3 Wi-Fi模塊

模塊集中器RAK831在發(fā)射和接收方面具有多方向高效率的優(yōu)點(diǎn),它的作用是同時(shí)接收多個(gè)數(shù)據(jù)包，以空氣為媒介，在8個(gè)通道上使用不同的擴(kuò)頻因子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Wi–Fi技術(shù)的無(wú)線電波覆蓋范圍廣，半徑在一百米左右，且傳輸速度快，可靠性高，完全可以支持家居控制系統(tǒng)使用。模塊內(nèi)部編寫(xiě)了OpenWrt程序。OpenWrt系統(tǒng)的軟件包加入可以提供允許自定義待編輯的文件系統(tǒng)，以適應(yīng)應(yīng)用程序的使用，為今后的升級(jí)優(yōu)化提供預(yù)存條件。

■2.4 煙霧傳感器模塊

選擇對(duì)煙霧等氣體靈敏度較高的MQ–2型煙霧傳感器。加熱電壓在5V左右，工作電壓在24V以下均可，主要檢測(cè)家庭常見(jiàn)的CO、CH4、C3H8等多種廚房或者家用電器使用不當(dāng)產(chǎn)生的可燃性危險(xiǎn)氣體，可燃?xì)怏w濃度上升會(huì)導(dǎo)致氣敏元件的導(dǎo)電率增加，輸出電阻變小，通過(guò)氣敏元件與空氣中可燃?xì)怏w的占比變化，監(jiān)測(cè)室內(nèi)的空氣質(zhì)量和家庭的環(huán)境安全。圖3所示為煙霧傳感器的電路圖。

圖3 MQ—2型煙霧傳感器模塊電路原理圖

■2.5 人體熱釋電紅外傳感器模塊

HC–SR501工作電壓在4.8V到20V之間，與我們?cè)O(shè)定的模塊電壓相近。人體的溫度在37攝氏度左右，發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)固定在10μm左右，當(dāng)有人闖入家庭領(lǐng)域時(shí)，人體紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡增強(qiáng)后聚集到紅外線感應(yīng)源上，會(huì)使感應(yīng)源的熱釋電元件打破原本的電荷平衡，向外釋放帶正負(fù)電的基本粒子，經(jīng)后續(xù)電路處理就會(huì)觸動(dòng)報(bào)警信號(hào)。此型號(hào)紅外傳感器價(jià)格較低，靈敏度高，市場(chǎng)上應(yīng)用較為普遍。

■2.6 溫濕度傳感器模塊

濕度檢測(cè)選擇GZBJ–WX330傳感器，工作電壓在12V，可檢測(cè)的濕度在0到100%RH之間，是普遍用來(lái)檢測(cè)室內(nèi)濕度的智能化監(jiān)控模塊，檢測(cè)量程滿足一年四季的空氣濕度的變換，濕度誤差在3%RH以?xún)?nèi)。溫度傳感器選擇體積較小的單線智能DS18B20型號(hào)數(shù)字傳感器，測(cè)量溫度在零下10℃到85℃范圍內(nèi)，適合家庭使用。將設(shè)備檢測(cè)溫度由人類(lèi)可識(shí)別數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算語(yǔ)言數(shù)字信號(hào)輸出，讀寫(xiě)溫度數(shù)據(jù)及溫度變換數(shù)據(jù)的功率損耗不需要額外電源的支持，僅靠一根數(shù)據(jù)線就可以實(shí)現(xiàn)。

3 典型接口設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

■3.1 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

3.1.1 溫度控制接口

智能家居控制系統(tǒng)的溫度控制采用的DS18B20溫度傳感器。在此設(shè)計(jì)中采用的電路連接方式是寄生電源供電，DS18B20溫度傳感器從單線信號(hào)線上獲取檢測(cè)溫度過(guò)程所需能量，這一實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：當(dāng)信號(hào)線DQ持續(xù)為高電平時(shí)，內(nèi)部電容持續(xù)儲(chǔ)存小部分能量，處于低電平期間時(shí)，電容上的能量大于電路的能量，由于電路所需電容會(huì)充當(dāng)電源，直到高電平再次到來(lái)，電容不再釋放能量而是作為寄生電源又重新備電。這種可儲(chǔ)存電能又可以釋放電能的電容作為寄生電源，可保證設(shè)備的良好運(yùn)行，可以在沒(méi)有電源供應(yīng)的條件下仍然依靠提前存儲(chǔ)的電能讀取內(nèi)存中ROM單元里的數(shù)據(jù)；電路更加簡(jiǎn)單，使用更加方便，僅用一根I/O口數(shù)據(jù)線便可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先會(huì)檢查到室內(nèi)的溫度，再語(yǔ)音識(shí)別用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)溫度，將當(dāng)下溫度與目標(biāo)溫度對(duì)比，經(jīng)STM32主控系統(tǒng)解析處理后，將指令傳輸?shù)铰?lián)網(wǎng)終端，打開(kāi)空調(diào)制冷或制熱模式。當(dāng)溫度達(dá)到以后，就自動(dòng)控制空調(diào)結(jié)束執(zhí)行命令。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與用戶(hù)設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比，如果經(jīng)消耗以后，溫度相差達(dá)到一定數(shù)值，則發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令，聯(lián)網(wǎng)終端重新開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，直到與設(shè)定的溫度在允許偏差范圍內(nèi)，再進(jìn)行中斷停止，從而形成連環(huán)控制，確保完成用戶(hù)要求。

3.1.2 Wi-Fi控制接口

Wi–Fi模 塊 功 能實(shí) 現(xiàn) 主 要依 靠Wi–Fi模塊 的 四 個(gè)串 口（VCC、RX、TX、GND）功能。Wi–Fi模塊的作用就是將串口轉(zhuǎn)化成無(wú)線Wi–Fi信號(hào)。單片機(jī)上的Wi–Fi模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、電源、地線端點(diǎn)分別連接到對(duì)應(yīng)的STM32主控系統(tǒng)的異步接受、異步發(fā)送、3.3V的電源、地線引腳，專(zhuān)門(mén)設(shè)定RESET復(fù)位引腳與STM32連接，便于緊急時(shí)刻或者修復(fù)期間對(duì)模塊進(jìn)行復(fù)位操作，從頭開(kāi)始，正常工作狀態(tài)下，此復(fù)位引腳懸空，不參與電路。可以將WiFi設(shè)置成用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議廣播模式，智能終端即家用電器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式接入Wi–Fi模塊提供的家用網(wǎng)絡(luò)。

■3.2 電源電路設(shè)計(jì)

在電源部分的設(shè)計(jì)中，輸入主電源為12，1路5V輸出，兩路12V輸出，總電流設(shè)定為5A，為主控芯片、Wi–Fi模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊煙霧傳感器模塊和溫濕度傳感器等模塊供電。也可以通過(guò)USB接口為主控板連入外部電源。部分電路如圖4所示。

圖4 電源電路示意圖

■3.3 智能家居控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用戶(hù)需要幫助時(shí)，做出相應(yīng)的控制指令,家居控制系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為蘇醒狀態(tài),并進(jìn)行信號(hào)處理，STM32單片機(jī)擁有很強(qiáng)的串口通訊能力，因此可以采用串口實(shí)現(xiàn)與WiFi模塊的通信和其他模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)串口相關(guān)模塊傳遞給STM32主控系統(tǒng)，經(jīng)解析后發(fā)出相應(yīng)的指令，完成對(duì)用戶(hù)控制指令的識(shí)別后,在STM32單片機(jī)當(dāng)中采用實(shí)際輪訓(xùn)機(jī)制依次完成用戶(hù)需求操作。系統(tǒng)中設(shè)置了基于嵌入式的指令優(yōu)先執(zhí)行順序規(guī)則，按信號(hào)與系統(tǒng)原理中斷的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理，由外部設(shè)備產(chǎn)生請(qǐng)求中斷指令，施加到主控系統(tǒng)引腳上產(chǎn)生中斷響應(yīng)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷響應(yīng)周期，中斷運(yùn)行完成以后，系統(tǒng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，將會(huì)返回中斷以前的操作繼續(xù)執(zhí)行，要隨時(shí)檢測(cè)家庭狀態(tài)和安全環(huán)境,若沒(méi)有不良風(fēng)險(xiǎn)和待辦指令，則停止運(yùn)行進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待用戶(hù)的需求。實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)語(yǔ)音控制物聯(lián)網(wǎng)終端家電和環(huán)境的控制。當(dāng)串口接收到相應(yīng)的語(yǔ)音輸入時(shí)，將緩沖區(qū)內(nèi)存入的數(shù)據(jù)與語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比判斷是否為某一指令信息，則按照語(yǔ)音中要求的執(zhí)行時(shí)間送入系統(tǒng)完成相應(yīng)的控制操作[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于STM32單片機(jī)的智能家居全自動(dòng)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了日常生活中多種便捷功能，具有精準(zhǔn)、全面的指令識(shí)別功能，同時(shí)操作簡(jiǎn)單便于老人小孩使用，可以很輕松地對(duì)居家范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)家用電器、家居溫度和濕度環(huán)境、安全防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行智能的自動(dòng)控制。智能家居控制系統(tǒng)不僅被普遍用來(lái)提升生活質(zhì)量，還輔助攝像頭設(shè)備，方便照顧家里老人和小孩，在系統(tǒng)的升級(jí)方面，像系統(tǒng)耗電量和家庭隱私情況加密等功能還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，從而為智能家居控制系統(tǒng)的完善提供技術(shù)支撐，為人們對(duì)更高層次生活的追求提供物質(zhì)基礎(chǔ)條件。