基于語音識別的智能桌面風扇燈系統的設計與實現

摘 要：文中提出了基于語音識別的智能桌面風扇燈系統。該系統采用LD3320語音識別芯片實現語音識別功能；以STM32單片機作為主控芯片，并結合WiFi模塊實現了遠程控制和語音控制功能。用戶可以通過該系統隨時隨地便捷地控制LED燈的開關、風扇的開關以及檔位調節。這種智能化的控制方式不僅提高了生活的便利性，在快節奏的生活模式下有效減少了時間成本，同時通過精準的開關控制為節能減排做出了積極貢獻。

關鍵詞：物聯網；遠程控制；語音識別；STM32單片機；風扇燈；手機APP

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

物聯網作為一項新興技術已經逐漸深入人們的生活，智能家居作為物聯網技術的一個重大發展方向，憑借智能、安全、高效等特點逐漸成為提高生活便利性的重要支撐[1]。語音識別技術在智能家電中的應用也越來越廣泛。面對紛繁復雜的電器設備，通過語音指令進行控制，能夠顯著減少時間成本和管理成本，進而提升生活效率[2]。與此同時，遠程控制技術讓居住者能夠借助手機應用或互聯網平臺，對家中的智能設備進行遠程管理和控制。這意味著居住者可以在任何時間、任何地點，通過手機應用與智能家居設備進行互動與操作[3]。本文設計并實現了一款基于語音識別的智能桌面風扇燈系統。該系統旨在為用戶提供一個便捷、智能的控制方案，使用戶能夠輕松地調控風扇轉速和燈光亮度。通過語音識別和遠程控制實現智能化和自動化的功能。

1 智能桌面風扇燈系統方案設計

1.1 系統整體功能設計

在該智能桌面風扇燈系統中設計了如下功能：

（1）燈的開啟和關閉：通過手機APP交互界面控制燈的開啟和關閉；

（2）電風扇的開啟和關閉：通過手機APP交互界面控制電風扇的開啟和關閉；

（3）電風扇不同檔位的風速調節：通過手機APP調節電風扇不同檔位的風速。

1.2 系統整體方案

該系統主要包括STM32F103ZET6核心芯片、LD3320語音識別模塊、ESP8266 WiFi模塊、風扇、USB便攜燈等部分。其中，STM32F103ZET6主控芯片作為系統的核心控制器，負責與WiFi模塊ESP8266之間的串口通信，解析和處理OneNET云平臺或手機APP的控制指令；通過串口通信與LD3320語音識別模塊進行交互，有效處理LD3320返回的識別碼，實現對風扇和USB便攜燈的開關和調節控制。 LD3320模塊通過語音控制實現了對風扇和燈的開關和調節。ESP8266 WiFi模塊負責將控制命令發送至云平臺或手機APP，實現遠程控制。風扇和USB便攜燈則作為可控制的設備，負責實現相應的控制操作。

桌面智能風扇燈的系統整體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 各模塊硬件設計與選型

2.1.1 MCU選型及介紹

桌面智能風扇燈的設計與制作使用嵌入式開發技術，利用STM32F103系列單片機作為主控芯片，其中的ARM Cortex-M3處理器內核能夠滿足快速、高效的性能要求，具有較低的功耗、強大的存儲容量、豐富的外設接口等優點，廣泛應用于工業自動化領域[4]。

2.1.2 ESP8266模塊設計

ESP8266是一款低成本的WiFi模塊，可以作為微控制器的附加模塊，為設備提供無線互聯功能[5]。ESP8266模塊內置了WiFi接口和處理器，可通過串口與主控制器進行通信，并通過AT指令進行配置和控制，支持多種WiFi安全協議和網絡模式，可以連接到現有的WiFi網絡，或者作為獨立的WiFi接入點提供網絡服務。

2.1.3 LD3320語音識別模塊設計

LD3320芯片是一個專用于語音識別的芯片，該芯片直接繼承了語音識別處理模塊和外部電路，使其可以實現語音識別、聲音控制等功能[6]。

該系統使用LD3320芯片作為語音識別模塊[7]，圖2所示為LD3320語音識別處理過程。LD3320語音識別模塊通過內置的麥克風捕捉周圍環境中的聲音信號，并將其轉換為數字信號，通過頻譜分析、特征提取、語音識別等算法，對數字信號進行處理之后，將語音識別的結果與預設的指令進行匹配，輸出相應的指令控制信號。當用戶發出“開燈”“關燈”“開風扇”“關風扇”“一檔”“二檔”“三檔”等語音指令，LD3320識別出語音中的命令后，LD3320將其轉換為相應的識別碼，輸出到STM32F103ZET6主控芯片進行解析，并執行相應的指令。整個流程是一個循環過程，麥克風不斷采集語音信號，LD3320不斷處理語音信號，輸出識別結果，主控芯片不斷解析命令并執行相應的操作。

2.1.4 智能風扇模塊設計

本系統使用的風扇采用小型12 V DC散熱風扇，外觀為正方形，尺寸為40 mm×40 mm，風量為3.1 CFM，噪音低于25 dB，轉速為6 000 r/min。該風扇采用雙球軸承設計，壽命長，運行穩定可靠。在系統運行時，該風扇將通過STM32控制，根據語音或者手機APP的調控信息控制PWM波的占空比，自動調節風扇的轉速。

2.1.5 智能燈模塊設計

USB便攜燈具有更高的能效、更長的壽命、更好的可靠性和更多樣化的燈效。本系統使用的USB便攜燈可通過USB接口供電。它可以直接連接到計算機、移動電源、充電寶等設備上使用，小巧輕便。此外，它的使用壽命較長，而且功耗低，使用方便，不需要安裝任何軟件驅動，能夠提供較為柔和的照明效果，可以作為夜間照明或者閱讀的輔助工具。

2.1.6 OneNET云平臺

本設計的遠程控制功能通過ESP8266 WiFi模塊、OneNET云平臺[8]、MQTT協議實現。首先，在OneNET平臺上注冊賬號，并且創建設備、為設備添加數據流。OneNET平臺會為每個設備生成一組設備ID和API Key，用于后續設備連接和數據上傳。接著，使用ESP8266模塊連接到互聯網，并通過MQTT協議與OneNET云平臺建立連接，訂閱之前創建的設備數據流。當用戶通過手機APP發送控制指令時，OneNET平臺會將指令通過MQTT協議發送給ESP8266模塊。ESP8266模塊接收到指令后，發送給主控芯片，主控芯片控制外設作出相應的處理，如控制開關狀態、調節風扇轉速等。在設備狀態發生改變后，ESP8266模塊會將設備狀態數據通過MQTT協議上傳至OneNET平臺，用戶手機APP的設備狀態也會實時更改。

2.2 系統整體原理

桌面智能風扇燈系統以STM32F103ZET6為主控制器，由ESP8266串口WiFi模塊、LD3320語音識別模塊、USB便攜燈模塊、散熱風扇模塊組成。桌面智能風扇燈的外設模塊原理如圖3所示。

該桌面智能風扇燈的功能設計主要有USB便攜燈的開關、風扇的開關、風扇轉速的調節、語音控制、遠程控制等。用戶通過語音指令或OneNET云平臺/手機APP對風扇和燈進行控制。用戶若發出語音指令，則LD3320語音識別模塊將語音信號轉換為數字信號并轉換為相應的識別碼，傳輸到STM32F103ZET6主控芯片；主控芯片進行處理后，通過GPIO控制燈的開關、風扇的開關以及調節風扇轉速等；同時通過ESP8266 WiFi模塊將命令發送至OneNET云平臺或手機APP，更新系統操作現狀。用戶若用OneNET云平臺/手機APP發出指令，則該系統還可以接收來自OneNET云平臺/手機APP的控制命令，實現相應的操作。

3 系統實現及測試

3.1 硬件的實現

桌面智能風扇燈的整體硬件外觀如圖4所示，將主控芯片的GPIO引腳引入面包板，ESP8266中TX、RX引腳與STM32F103ZET6主控制器的PA3/USART2_RX、 PA2/USART2_TX引腳相連接，RST與PA4相連接；LD3320的USART_TX和USART_RX引腳分別與主控制器的USART3_TX/PB11和USART3_RX/PB10引腳相連；風扇與主控制器的PA8引腳相連接；USB便攜燈與主控制器的PC3引腳相連接。

3.2 語音控制測試

3.3 手機APP遠程控制測試

使用手機APP點擊相應按鈕，該系統可以實現相應功能，并實時將設備狀態顯示在界面按鈕中。圖5所示為用戶點擊“開燈”按鈕并打開USB便攜燈的界面，APP中顯示當前燈狀態為“開啟”；點擊“打開風扇”按鈕，風扇開啟，APP中顯示當前風扇狀態為“開啟”；按鈕下方可調節風扇的檔位，并在右上方顯示當前風扇的檔位。

4 結 語

本文基于智能家居理念，設計了桌面智能風扇燈系統，其中融合了語音識別技術、遠程控制技術，旨在為用戶提供更便捷、舒適和智能化的生活體驗。系統具備語音識別功能，用戶可以通過簡單的語音指令輕松控制風扇和燈的開關狀態、調節風速，擺脫繁瑣的手動操作。同時，遠程控制功能使用戶可以通過手機APP或云平臺隨時隨地遠程控制設備，無論身在何處都能輕松管理室內環境[9]。

展望未來，隨著智能家居行業的發展，該設計有望迎來更多創新和進步。此外，可以加入更多的傳感器和智能算法，實現環境感知和智能調節[10]，例如根據溫度、濕度等參數自動調節風扇速度和燈光亮度，為人們提供更舒適的居住環境。這將進一步拓展智能家居的應用領域，并為用戶創造更智能、便捷、安全的生活方式。

參考文獻

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