王 艷，陳姝君，李 昂，王秀梅

（1.南京理工大學紫金學院 電子工程與光電技術(shù)學院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學 電子與光學工程學院，江蘇 南京 210046）

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對家居生活的要求不再局限于簡單的物質(zhì)需求，而是更加關(guān)注家居的智能化。對于用戶來說，真正智能化的家居生活是需要使機器在感應環(huán)境的情況下，可以自身做判斷，根據(jù)實際的環(huán)境自己做出改變。真正的智能家居應該做到真正的無感化，可以直接與其“對話”，實現(xiàn)對家電家居的控制，真正打造一款無感化的智能家居系統(tǒng)[1]。本文設計了一個基于語音控制和藍牙通信的智能家居系統(tǒng)，通過語音和手機APP兩種方式控制彩燈亮滅、彩燈顏色及窗簾狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設計

智能語音控制系統(tǒng)采用無線藍牙通信的方式，分為主機和從機兩個部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。從機通過語音模塊或者手機發(fā)送信號給主機，主單片機反饋信號操控燈的亮滅與顏色變化，同時，控制電機的運轉(zhuǎn)，模擬窗簾的升降，內(nèi)置光敏電阻檢測室內(nèi)環(huán)境，控制室內(nèi)小夜燈的亮滅。

圖1 系統(tǒng)框圖

從機有如下兩種形式：

（1）通過智能語音模塊采集人的語音信號發(fā)送給從藍牙1；

（2）通過智能手機藍牙APP將指令發(fā)送給手機內(nèi)置的從藍牙2。

主藍牙接收從藍牙信號的控制信號，發(fā)送給單片機，再通過單片機控制彩燈的亮滅、彩燈的顏色及窗簾的升降。

2 硬件電路設計

2.1 智能語音模塊設計

智能語音模塊使用LDV5語音識別模塊，該模塊主要包括語音芯片和微處理器。其中語音芯片采用LD3320芯片，微處理器采用STM32F103芯片。LD3320芯片是一款基于非特定人語音識別技術(shù)的語音識別/聲控芯片[2]。該芯片內(nèi)部集成了高精度的A/D接口，無需外接輔助的FLASH和RAM，即可實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能；并且識別的關(guān)鍵詞語列表可動態(tài)編輯[3-4]。STM32F103芯片是一種具有32位標準精簡指令集（RISC）的處理器，其ARM內(nèi)核的高性能在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲空間得到了極大的體現(xiàn)；此外，其內(nèi)部集成了FLASH存儲、SRAM、豐富的I/O接口及先進的中斷響應系統(tǒng)等[5-6]。

（1）LDV5模塊具備USB接口及TF卡讀取U盤功能；

（2）具備支持最大4G mini低速TF卡；

（3）可實現(xiàn)人機對話，播放MP3功能，播放歌曲、對話等功能；

（4）具備串口輸出識別碼功能，支持1～12字節(jié)自定義16進制輸出；

（5）支持口令識別方式（例如，若定義模塊為“智能家居”，只有每次說出“智能家居”后，模塊才能接收其他操作）；

（6）支持普通識別模式、按鍵觸發(fā)模式，以適應不同的應用環(huán)境；

（7）具備看門狗復位功能，系統(tǒng)更穩(wěn)定耐用。

模塊上有一個TF卡，在利用語音模塊時，只需對TF卡內(nèi)容進行修改，就可對該模塊進行操作。例如，預留了PA0-PA78個I/O口，只需簡單設置TF卡中菜單文對應的序號即可使用I/O口。每個端口具備高電平、低電平、高電平0.5 s點動、高電平1 s點動功能。在利用 I/O口輸出時，只關(guān)聯(lián)序號，與其他無關(guān)，序號對應的關(guān)鍵詞識別正確，端口就會有對應狀態(tài)輸出，不受識別碼的影響。

圖2主菜單文件中的序號1和2，分別是控制PA0端口的低電平和高電平。若利用繼電器模塊，則高電平就表示開，低電平表示關(guān)。

圖2 主菜單文件

該模塊還配備3.3 V TTL電平的串口，可以利用串口通信。在本文設計中，該模塊與從藍牙進行通信，成功識別關(guān)鍵詞后，串口會自動輸出識別碼，并且發(fā)送給從藍牙。識別碼可在1～12字節(jié)（16進制格式）內(nèi)自由規(guī)定數(shù)值。如要輸出 A1 A5 11 11 5B 給串口，那么就將主菜單文件編寫修改為《1：A1 A5 11 11 5B FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF：guan bi tai deng：關(guān)臺燈.mp3》即可。最多輸出12個數(shù)據(jù)，后面跟FF，連續(xù)3個FF之前的數(shù)據(jù)為串口輸出的數(shù)據(jù)，則該識別碼長度共為15 B，且必須保持該格式。

2.2 藍牙模塊設計

本文采用HC-08藍牙串口模塊，該模塊采用CC2540F256芯片，是一款基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊，具備2.4 GHz ISM的工作頻段和GFSK的調(diào)制方式。該藍牙最大發(fā)射功率的接受靈敏度達4 dBm，-93 dBm，可以實現(xiàn)長達80 m的遠距離傳輸。

本文設計中藍牙連接方式有兩種：一種是藍牙與藍牙間的連接；另一種是藍牙與手機連接。

圖3 藍牙和藍牙的連接

（1）藍牙與藍牙的連接

藍牙與藍牙的連接通過藍牙模塊將從藍牙與主藍牙連接，如圖3所示。

本文設計是由語音模塊發(fā)送指令，通過藍牙傳輸給單片機，單片機接收信號后，采取相應的措施操控燈的亮滅和顏色變化，以及驅(qū)動電機改變窗簾狀態(tài)。

當使用模塊與模塊之間的連接時，需要將藍牙和語音模塊、單片機根據(jù)圖3所示方式連接，①為語音模塊LDV5，②為主機單片機STC89C52。由于HC-O8默認為從藍牙，所以需要對藍牙進行設置，只要將藍牙與串口轉(zhuǎn)TTL模塊相連，使用串口調(diào)試助手通過AT指令發(fā)送“AT+ROLE=0”即可，當藍牙斷電再上電時，即可變成主藍牙模式，從藍牙上電后，主、從藍牙會自動連接，實現(xiàn)透傳功能。

（2）藍牙與手機的連接

該連接方式通過藍牙模塊實現(xiàn)手機和單片機的無線傳輸，如圖4所示。手機發(fā)送指令，通過藍牙傳輸給單片機，單片機接收信號后，采取相應的措施實現(xiàn)操控彩燈的亮滅和顏色變化，以及驅(qū)動電機改變窗簾狀態(tài)的要求。

圖4 模塊與手機的連接

當使用手機與藍牙連接時，選用手機中的藍牙。手機下載藍牙助手APP，通過藍牙助手連接主藍牙，如圖5所示。由于藍牙助手默認為16進制，因此寫入“f8”“ff”等指令時，該指令就會發(fā)送給單片機，從而實現(xiàn)家居控制。

2.3 主微處理器設計

主機的處理器選擇STC系列的STC89C52芯片[7]。這是一種功耗較低但性能很高的芯片，具備8位CMOS微控制器，內(nèi)含8 kB可編程FLASH存儲器，支持ISP下載，常用于控制電路的檢測。此外，當調(diào)試電路時，若需要重新載入程序，可通過軟件直接燒錄程序，避免多次拔插芯片，所以不會對芯片造成損壞。STC89C52總共有40個引腳，具有4 kB的FLASH片內(nèi)存儲器，128 B的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向I/O口，5個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口片內(nèi)時鐘振蕩器。它有空閑模式、正常模式及掉電模式等，不同模式配合不同情況，以合理分配內(nèi)部資源。

圖5 藍牙助手服務

2.4 電機模塊設計

由于步進電機操作方便、誤差小，不超載的情況下不受重量限制，故可在與速度、位置等相關(guān)的需要控制的領(lǐng)域使用步進電機，因此本文電機模塊采用步進電機。其將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。步進電機驅(qū)動板采用ULN2003。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7個硅NPN達林頓管組成。ULN2003的每1對達林頓都串聯(lián)一個2.7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，處理原先需要標準邏輯緩沖器處理的數(shù)據(jù)[8]。電機模塊電路如圖6所示。

圖6 電機模塊電路圖

本文采用 ULN2003 驅(qū)動，驅(qū)動端口為 P0.0（A），P0.1（B），P0.2（C），P0.3（C）。正轉(zhuǎn)次序為：AB組-BC組-CD組-DA組；反轉(zhuǎn)次序為：AB組-AD組-CD組-CB組?！?”即一個脈沖，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)都是5.625°。四相五線制步進電機連接P0.0，P0.1，P0.2，P0.3口，分別對應步進電機A，B，C，D四相。

2.5 彩燈模塊設計

彩燈模塊采用一個全彩LED，由紅綠藍三原色組合而成。紅燈、藍燈、綠燈分別連接單片機P1.0，P1.1，P1.2引腳，通過設置低電平點亮不同的引腳，實現(xiàn)顏色的變化。同時，也可通過顏色的疊加實現(xiàn)更多顏色，如開紫燈由紅燈加藍燈即可實現(xiàn)。

3 軟件程序設計

根據(jù)硬件設計思路，智能語音控制系統(tǒng)有兩種操作方式。

本文設計中智能家居的控制采用兩種方式：一種是語音控制，流程如圖7所示；另一種是手機控制，流程如圖8所示。

圖7 語音控制系統(tǒng)流程圖

語音控制由人發(fā)出語音指令給語音模塊，通過藍牙傳輸給單片機，從而控制燈和窗簾。開啟語音模塊時，單片機進行初始化，當人向語音模塊發(fā)出指令后，語音模塊檢測指令匹配度，匹配符合時，向單片機傳送數(shù)據(jù)，同時調(diào)用MP3的語音反饋給用戶，形成人機對話模式。

手機控制通過藍牙助手發(fā)送指令，藍牙傳輸給單片機，從而進行燈和窗簾的控制。這兩種方式都能實現(xiàn)對燈的亮滅、顏色變化的控制以及控制電機的運轉(zhuǎn)模擬窗簾的升降。同時，內(nèi)置光敏電阻檢測室內(nèi)環(huán)境，控制室內(nèi)小夜燈的亮滅。

主機中的單片機程序流程如圖9所示。當單片機串口接收到信號時，對該信號進行檢測，若是需要的信號則根據(jù)信號指示進行相應的操作，若不是，則重新監(jiān)測串口信號。

圖8 手機控制系統(tǒng)流程圖

圖9 主機中的單片機程序流程圖

4 結(jié) 語

本文設計了基于智能語音的家具控制系統(tǒng)，可通過語音對話和手機APP兩種模式控制家里彩燈亮滅、彩燈顏色及窗簾升降，通過光敏傳感器實時測量光線的強弱，實現(xiàn)智能夜燈的功能，為人們的生活提供便利。