劉子聞胡威黃從貴

摘要： 以Arduino模塊為核心設(shè)計一種新型多功能智能家居控制器?？刂破鞣謩e選用LD3320模塊進(jìn)行語音的采集、識別和報警；選用WIFI模塊、Zigbee模塊進(jìn)行信號的無線通訊和控制；選用HR911105A網(wǎng)口接口模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的智能控制，從而實(shí)現(xiàn)對家居設(shè)備不受地域、多種方式、智能化地遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞： Arduino單片機(jī)；LD3320模塊；Zigbee模塊；HR911105A模塊

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.11.146

1引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步及對生活質(zhì)量的要求不斷提高，人們在選擇和使用家用電器時，已從單一功能的傳統(tǒng)家電轉(zhuǎn)向智能化家電。利用智能家居控制器可以提供多種家電智能控制方案，使家居的主人更加享受家庭生活，且使他們處理家庭事務(wù)，更快、更方便，為他們提供更加適宜的生活空間。然而智能家居市場錯綜復(fù)雜，現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能性，再加上智能設(shè)備的多樣性、智能系統(tǒng)的兼容性、價格不菲等諸多因素使得智能家居很難真正走入大眾的生活。

本文根據(jù)現(xiàn)代生活對居住環(huán)境的便捷性、安全性、舒適性等方面的需求，設(shè)計一種新型多功能智能家居控制器，實(shí)現(xiàn)家居電器的低功耗、高可靠性、可擴(kuò)展性、靈活性的無線傳輸和遠(yuǎn)程控制。

2總體方案

智能家居控制器總體方案框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由主控制器、無線傳輸模塊、語音識別模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和無線發(fā)射/接收模塊組成。

主控制器選用性價比較高的Arduino單片機(jī)模塊；語音識別模塊負(fù)責(zé)語音指令的采集、識別以及語音報警；網(wǎng)絡(luò)接口模塊負(fù)責(zé)手機(jī)終端與主控制器之間的網(wǎng)絡(luò)通信；無線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收室內(nèi)溫濕度、可燃?xì)鈧鞲衅鞯膶?shí)時監(jiān)測信號，并上傳給主控制器；無線發(fā)射模塊負(fù)責(zé)發(fā)射主控制器發(fā)出的家居電器控制命令，無線接收模塊則接收命令并傳給執(zhí)行模塊。

3硬件設(shè)計

3.1主控制器模塊

主控制器模塊Arduino Mega2560是美國Atmel公司2013年最新推出的一款易用型開源控制器，以ATmega2560-16AU單片機(jī)為核心。

主控制器模塊電路主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)和下載程序接口。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：單片機(jī)、電源電路和復(fù)位電路。

ATmega2560-16AU單片機(jī)資源豐富、性價比高，16MHz的晶振，處理速度可達(dá)20MIPS，同時具有54路I/O口、256KB Flash Memory、8KB SRAM、4KB EEPROM、4路UART接口。主控制器模塊可以通過3種途徑自動選擇供電方式（外部直流電源供電、電池供電和USB接口供電），同時提供了自動復(fù)位設(shè)計，可以通過Arduino軟件下載程序自動復(fù)位。

主控制器模塊上的單片機(jī)已經(jīng)預(yù)置了bootloader程序，可以直接通過單片機(jī)上ICSP header直接下載程序。

3.2語音識別模塊

系統(tǒng)的語音識別模塊采用ICRoute公司的高性能LD3320語音識別芯片，它集成了語音識別處理器和外部電路，可對語音信號進(jìn)行捕捉、識別、處理和播報。

LD3320芯片內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器、16位D/A轉(zhuǎn)換器和和功放電路等接口，且不需要外接任何輔助的Flash芯片，RAM芯片和A/D芯片等，可直接實(shí)現(xiàn)語音識別、聲控和人機(jī)對話功能。識別的種類包括單字，詞組等，語音識別率比較穩(wěn)定，準(zhǔn)確率也比較高。

語音識別模塊與單片機(jī)的接口方式采用并行接口，其控制信號、中斷返回信號均與單片機(jī)直接相連。語音識別的工作原理為：首先對輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析后，再提取語音特征信息，最后將訓(xùn)練模板中的數(shù)據(jù)與特征信息進(jìn)行匹配，輸出識別結(jié)果。

3.3無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)中運(yùn)用315M無線模塊來完成單片機(jī)與設(shè)備之間的“通信”作業(yè)。通過315M無線模塊對信號進(jìn)行采集、發(fā)送/接收、傳遞。

315M無線模塊分為數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和接收模塊。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊具備較寬的工作電壓，最佳工作電壓為12V，可最遠(yuǎn)傳輸至500米。采用ASK方式調(diào)制，可延長使用期。傳輸距離因?qū)嵉丨h(huán)境不同而不同，主要受調(diào)制信號，發(fā)射電壓，接收機(jī)靈敏度等因素影響。

接收模塊在一定程度上僅僅是一種組件，只有和發(fā)送電路、單片機(jī)組合時才有效。接收模塊可在電路設(shè)計中靈活的滲入，以達(dá)到減小干擾，保證信號的穩(wěn)定性。

3.4無線傳輸模塊

本設(shè)計系統(tǒng)中zigbee無線傳輸模塊用于煙霧、溫濕度傳感器和arduino模塊之間信息“交互”。

Zigbee是一種短距離、低速率的無線組網(wǎng)技術(shù)。在zigbee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，設(shè)備之間通信穩(wěn)定，無需人為設(shè)定，抗干擾能力強(qiáng)。

Zigbee模塊提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能，通信距離遠(yuǎn)。最大的亮點(diǎn)是zigbee技術(shù)可自組網(wǎng)。通過動態(tài)路由和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可穩(wěn)定傳輸至目的地。

4軟件設(shè)計

軟件設(shè)計基于Code Composer Studio IDE集成開發(fā)環(huán)境和Keil C51語言。軟件模塊主要有：主函數(shù)、語音報警子函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)接口子函數(shù)、無線傳輸子函數(shù)和無線收發(fā)子函數(shù)等。

4.1主函數(shù)流程圖

通過語音識別模塊LD3320進(jìn)行語音識別與播報，模擬信號通過arduino模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號給315傳輸模塊，然后繼電器接收，做出指定“動作”，見圖2。

4.2語音報警子函數(shù)

通過煙霧傳感器收集信息，將信號經(jīng)zigbee模塊傳輸?shù)絘rduino，進(jìn)而將信號轉(zhuǎn)換為LD3320模塊可識別的數(shù)字信號，完成語音報警，如圖3所示。

4.3網(wǎng)絡(luò)接口子函數(shù)

手機(jī)/PC的信號通過云端發(fā)送至HR911105模塊，進(jìn)而arduino捕獲信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給語音模塊完成報警工作，如圖4所示。

5總結(jié)

本項目結(jié)合新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)有的多媒體信息化手段，設(shè)計一種新型多功能智能家居控制器，通過語音、手機(jī)、PC設(shè)備和移動網(wǎng)絡(luò)等多種方式來無線遠(yuǎn)程控制家用電器，實(shí)現(xiàn)多種方式一體化控制；被控家用電器與總控制器之間采用無線通訊方式連接；同時，兼?zhèn)浼彝セ馂?zāi)監(jiān)測，語音網(wǎng)絡(luò)警報功能，真正體現(xiàn)智能家居的內(nèi)涵，讓家用電器與我們?nèi)祟愔g的溝通變得更加簡單、快捷、高效。

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