基于物聯網的智能家居控制系統設計

伍瑩 曾衛華 許智勇 李商顯

摘? 要：本文設計了一種基于物聯網、ZigBee、語音識別的綜合性的智能家居控制系統，系統既可以通過APP對家電進行控制，也可以通過語音進行控制，不僅能實現對智能家居的控制，而且能向下兼容普通家電，還能檢測CO、煙霧、微塵濃度，防止相應安全隱患的發生，有成本低、功耗低等特點，具有一定的應用前景。

關鍵詞：智能家居? 物聯網? 語音識別? ZigBee

中圖分類號：TN929.5;TP391.44;TU855? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0065-04

Design of Intelligent Home Control System Based on Internet of Things

WU Ying1? ZENG Weihua1*? XU Zhiyong2? LI Shangxian2

（1.School of Information Engineering， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing， 100191 China;2.School of Geophysics and Information Technology， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing， 100191? China）

Abstract： This paper designed a based on Internet of things， ZigBee， speech recognition integrated intelligent home control system， the system either through the APP to control household appliances， can also be controlled by voice， can not only realize the smart home control， and can be compatible with ordinary household appliances down， also can detect CO， smoke， dust concentration. It has the characteristics of low cost and low power consumption and has a certain application prospect.

Key Words： Smart home; Internet of Thing; Speech recognition; ZigBee

隨著物聯網技術、自動控制技術、計算機技術和芯片技術等現代科學技術的快速發展及人們生活水平的提高，智能家居行業也獲得了飛速發展，使人們的生活更加便利、安全、舒適、智能。

1984年，智能家居首次出現。此后，各西方國家相繼推出自己的智能家居解決方案。各科技公司，如谷歌公司、蘋果公司、三星公司都相繼開發出自己的智能家居系統，各大科研機構也在智能家居系統的研發中投入更多的時間與精力。國內智能家居行業起步較晚，但近年來，由于政策的積極推進和技術的飛速發展，不斷有企業躋身智能家居行業，如美的、阿里巴巴、小米、華為、京東等，智能家居的市場規模逐漸擴大。

雖然智能家居產品逐漸得到推廣，國內外越來越多公司涉足智能家居行業，但不同公司的產品之間互不兼容，使用不同公司的家居產品就需要使用不同的軟件對其進行操作，給用戶帶來了極大的不便。而且通過手機對家居進行操作的方式，對于不熟悉智能手機的老人與沒有智能手機的孩子而言是具有一定難度的。雖然智能家居行業具有廣闊的市場，但是中國智能家居市場滲透率還很低，這是因為智能家居系統存在成本高、技術不成熟、跨平臺不兼容、沒有通用標準等問題。針對這些問題，本文設計了一種控制接口豐富、成本低、人機交互友好的智能家居控制系統。系統具有2種控制方式，一種是通過手機APP控制，方便用戶進行遠程控制;另一種可通過語音控制，無需智能手機也能方便地控制家電。該系統采用紅外遙控來實現對基于紅外的家電的控制，使用繼電器實現對電子閥門、智能電燈、飲水機等家電的控制。考慮到智能家居目前的普及率很低，這套裝置不僅能對智能家居進行控制，而且它能對普通家電進行向下兼容，能對普通家電及普通插排進行控制。該系統功耗低、成本低，具有實用性和一定的應用前景。

1? 系統總體設計

控制系統總體框圖如圖1所示，本系統由主控芯片STM32L151、語音識別模塊HLK-V20、傳感器、繼電器、ZigBee模塊CC2530、紅外模塊HXD019D、NB-IOT模塊M5310A芯片組成。該智能家居控制系統設計思路是以STM32L151為核心，語音模塊HLK-V20負責監聽用戶命令，采集到語音命令后發送給主控芯片，主控芯片根據命令對指定家電進行相應控制。系統通過ZigBee技術構建了無線通信網，主控芯片通過ZigBee控制繼電器并實現傳感器數據的傳遞，從而實現對家電的控制和對CO、煙霧、粉塵濃度的監測。主控芯片通過NBIoT模塊接入到OneNET[1]云平臺，實現用戶終端與硬件的連接，使得用戶可以通過手機終端對家電進行控制。該系統采用現有家電通常使用的控制方式——紅外遙控來實現對普通的、基于紅外的家電的控制，使用繼電器實現對電子閥門、智能電燈、飲水機等家電的控制。用戶不僅可以用APP對家電進行控制，還可以用語音作為控制方式，在不需要依靠智能手機的情況對家電進行控制。該系統還能對CO、煙霧等進行監控，一旦有發生危險的可能，就向用戶發出警報，并在APP上提醒該用戶，用戶可以在APP上對危險源進行處理，避免發生安全事故。

2? 硬件設計

2.1 主控制器模塊

主控制芯片采用STM32L151低功耗單片機[2]，該單片機內部提供穩壓器支持動態電壓調整，以優化系統運行時的功耗。主控芯片主要負責接收語音模塊識別到的語音信號、根據用戶命令發送相應的紅外控制信號、接收并處理傳感器數據、通過用戶終端與用戶交互、控制家電的開啟與關閉。主控電路通過AMS1117芯片將兩節串聯的3.6V的電池轉換成3.3V和5V對系統進行供電，外接一個24MHz晶振作為高速外部時鐘，一個32.768kHz晶振作為低速外部時鐘，利用時鐘模塊DS2321作為定時器，并可以通過按鍵進行復位。主控電路的示意圖如圖2所示。

2.2 ZigBee無線通信

ZigBee無線通信具有功耗低、傳輸距離遠、靈活等特點[3]，本系統采用E18-MS1PA2-PCB實現ZigBee無線通信，具有低功耗、傳輸距離遠等特點。ZigBee無線通信示意圖，如圖3所示。主控芯片與傳感器、電燈、插座、風扇等家電之間通過ZigBee模塊進行通信，如圖3所示，主控芯片外接有ZigBee模塊，用于接收來自傳感器的數據及發送對家電的控制命令。傳感器端及家電端也接有ZigBee模塊以實現控制命令的接收和傳感器數據的發送，并接有繼電器實現對家電的控制。

2.3 NB-IoT網絡通信

NB-IoT網絡通信[4]示意圖如圖4所示，該模塊主要由M5310A芯片、RF天線、SIM卡座、TVS_SMF05C組成。NB-IoT技術具有靈活、功耗低、覆蓋廣、速率快、成本低、架構優等特點[5-6]。系統用M5310A芯片通過OneNET基站將智能家居的控制模塊接入OneNET平臺，再與用戶終端相連，從而實現用戶終端與底層硬件的連接。

3? 軟件設計

軟件系統主程序流程圖如圖5所示，系統開始工作后主控芯片先進行初始化，然后檢測通信狀態是否正常，若通信狀態異常，則對芯片進行復位。將語音識別模塊設為實時喚醒模式，對用戶的命令進行監聽。若監聽到用戶的語音，查詢是否為喚醒詞，若不是為喚醒詞則返回繼續監聽喚醒詞，否則繼續識別關鍵詞，識別到用戶繼續發出的指令后，查詢關鍵詞序號是否存在，若不存在返回繼續監聽，若存在，通過關鍵詞指令判斷要操作的家電類型，若為空調、電視機、機頂盒，調用紅外模塊發送響應命令，否則通過ZigBee模塊發送相應命令。與此同時，芯片定時接收傳感器的數據，并判斷數據是否正常，若不正常則通過蜂鳴器發出警報并通過OneNET向手機終端發送警報。用戶通過手機終端發送指令，NB-IoT模塊接收OneNET平臺下發的控制指令，并通過串口發送給底層硬件，硬件判斷所要操作的家電類型并進行相應操作。

4? 測試

燒寫好程序對系統供電，進行系統測試。首先利用HXD019D的紅外學習功能學習家電的紅外碼，然后對主控板說出喚醒詞“小科小科”，系統被喚醒后會發出“我在”的回復，然后繼續說出命令詞，如“打開空調”“打開電視”等指令，系統識別成功后會回復”已為您打開空調”“已為您打開電視”并執行相應操作。登錄OneNET云平臺的開發者中心，設備狀態顯示為在線狀態，說明能成功連接云平臺。通過云平臺發出對家電的控制指令，可以成功控制相應家電。測試結果表明，系統能成功運行且響應速度較快。

5? 結語

本文設計了一種基于物聯網的智能家居控制系統。本系統能通過NB-IoT模塊將底層模塊與用戶終端連接起來，讓用戶可以通過手機APP實現對家電的控制。若無法使用智能手機，用戶可以通過語音對家電發出指令，讓智能家居的智能面向了更廣泛的人群。系統能通過紅外控制普通的基于紅外操作的家電，且能利用繼電器控制插座、飲水機、電子閥門、智能電燈等普通家電以及智能家居。系統還能檢測CO、微塵、煙霧濃度，在煙霧、CO濃度異常時發出警報并且用戶能通過手機終端關閉危險源。本系統具有成本低、功耗低等特點，具有一定的應用前景。

參考文獻

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