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        基于STM32 的多模智能家居控制系統(tǒng)

        2020-08-12 06:48:16肖玥施凱悅
        科學技術(shù)創(chuàng)新 2020年21期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境參數(shù)一氧化碳自動控制

        謝 新 肖玥 許 婷 施凱悅

        (南昌航空大學,江西 南昌330000)

        近年來,由于人口老齡化的社會問題日益嚴重,獨居老人的生活質(zhì)量和安全問題頻頻受到社會的廣泛關(guān)注,如何能讓行動不便的老人甚至殘疾人通過科技來提高生活質(zhì)量,解決安全問題呢?針對這個社會問題,本文研究了一種以手勢控制為核心,輔以語音控制來操控家用電器的多模智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)著眼于日常生活中的普通電器,致力于通過采集自然簡單的手勢來實現(xiàn)對家居的控制調(diào)節(jié),同時系統(tǒng)設計了自動控制模塊,通過溫度傳感器和一氧化碳傳感器采集周圍環(huán)境參數(shù)來實現(xiàn)報警和自我調(diào)節(jié),從而給老人們提供了更加舒適安全、更為人性化的生活方式。

        1 系統(tǒng)總體設計

        本設計是基于STM32 多模智能家居控制系統(tǒng),包括STM32 單片機,手勢識別模塊,語音識別模塊,自動控制模塊,藍牙模塊及DGUS顯示屏。

        1.1 以MPU6050 為核心的手勢識別模塊,將采集手勢原始數(shù)據(jù),并通過其自帶的數(shù)字運動處理器實現(xiàn)姿態(tài)解算。

        1.2 藍牙模塊將手勢識別模塊采集的手勢數(shù)據(jù)傳送至STM32單片機,實現(xiàn)手勢識別模塊與STM32 單片機之間的無線通信。

        1.3 以LD3320 為核心的語音識別模塊采集環(huán)境人聲,并通過并行方式將語音數(shù)據(jù)傳送至STM32 單片機。

        1.4 自動控制模塊是由溫度傳感器(DS18B20)和一氧化碳傳感器(MQ-7)組成。

        1.5 DGUS 屏實時顯示各項環(huán)境參數(shù)和各個家居設備狀態(tài)。

        1.6 STM32 單片機將處理手勢數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù),實現(xiàn)多模控制。本系統(tǒng)框圖如下:

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        2 系統(tǒng)硬件設計

        2.1 手勢識別模塊

        本設計中,手勢識別模塊的核心是MPU6050。MPU6050 是一款整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度的六軸傳感器。通過其自帶的數(shù)字運動處理器將原始手勢數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算得到四元數(shù)后,STM32單片機將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角數(shù)據(jù),即俯仰角、橫滾角及航向角數(shù)據(jù)。其中,手勢識別模塊與STM32 單片機之間采用的是串口RS232通信協(xié)議。

        2.2 藍牙模塊

        為了實現(xiàn)手勢識別模塊與STM32 單片機之間的無線傳輸,本設計采用了HC-05 藍牙模塊。

        圖2 藍牙工作原理圖

        2.3 語音識別模塊

        本設計中,語音識別模塊的核心是LD3320 芯片。LD3320 是一款“語音識別”專用芯片, 由ICRoute 公司設計生產(chǎn)。該芯片集成了語音識別處理器和一些外圍電路, 包括A/D, D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等[1]。主要流程是:語音信號通過麥克風輸入,LD3320 芯片進行語音識別,如果為設定語音,則匹配成功,STM32單片機控制相應的家居設備。比如,用戶在室內(nèi)說:“開風扇1”,則室內(nèi)的風扇1 開啟。

        2.4 自動控制模塊及報警模塊

        自動控制模塊由溫度傳感器(DS18B20)和一氧化碳傳感器(MQ-7)組成。報警模塊的核心是蜂鳴器。如圖4 所示,第一部分是DS18B20 溫度傳感器電路圖,其DQ 端口與STM32 單片機的I/O口PA0 相連,實現(xiàn)溫度檢測[3];中間部分是MQ-7C 傳感器,其B 端口與STM32 單片機的I/O口PA5 相連,實現(xiàn)一氧化碳濃度檢測;第三部分是報警模塊,其信號線與STM32 單片機的I/O口PA1 相連,當溫度或者一氧化碳濃度超過設定值時,實現(xiàn)報警。

        2.5 DGUS顯示屏

        本設計的顯示屏采用的是迪文顯示屏,即DGUS顯示屏。其開發(fā)過程可以利用PC 端DGUS 開發(fā)軟件輔助設計完成變量配置文件的過程,以此完成界面設計及配置,且DGUS顯示屏與STM32單片機之間采用的是串口RS232 通信協(xié)議[2]。

        圖3 自動控制模塊及報警模塊電路圖

        2.6 STM32 單片機

        本設計的STM32 單片機模塊選用的是STM32F407ZGT6 為主芯片,具有112 個通用I/O 口、192 KB SRAM、1024 KB FLASH 及12 個16 位定時器等資源。該STM32 單片機接口豐富,資源配置靈活,滿足本設計要求。

        3 系統(tǒng)軟件設計

        3.1 系統(tǒng)軟件設計思路

        本設計的系統(tǒng)軟件設計思路為:系統(tǒng)開啟后,先進入緊急模式,自動控制模塊將檢測到的室內(nèi)溫度參數(shù)及一氧化碳濃度參數(shù)傳送給STM32 單片機,STM32 單片機將判斷這些參數(shù),若其高于設定值,則連通蜂鳴器報警并開啟排氣裝置;若室內(nèi)溫度和一氧化碳濃度正常,則判為安全模式。在安全模式下,用戶可以進行手勢控制與語音控制。手勢控制:以MPU6050 為核心的手勢識別模塊識別原始手勢數(shù)據(jù)后進行姿態(tài)解算,將處理后的手勢數(shù)據(jù)通過藍牙模塊傳輸至STM32 單片機進行處理,若與預設手勢匹配則控制相應家居設備;語音控制:以LD3320 為核心的語音識別模塊采集環(huán)境人聲后傳輸至STM32 單片機運用特征語音匹配算法與預設的語音信號比對,若比對成功則控制相應家居設備。本設計系統(tǒng)流程圖如圖4。

        圖4 系統(tǒng)流程圖

        3.2 PWM輸出控制窗簾和風扇設備

        本設計的家用設備主要是窗簾和風扇設備。通過定時器TIM13 通道1 以及TIM14 通道1 來分別產(chǎn)生PWM 輸出信號,具體是通過改變CCRx 比較寄存器的值來改變PWM 輸出的占空比,以此分別控制窗簾和風扇設備。以自動控制風扇的開啟為例并介紹其具體流程:首先TIM14 及PWM部分初始化,再判斷當前環(huán)境參數(shù)是否高于預設值,如果高于預設值則修改CCRx 比較寄存器的值并改變信號的占空比,使風扇開啟。

        4 結(jié)論

        本設計完成了基于STM32 的多模智能家居控制系統(tǒng)。該設計主要是通過手勢識別模塊和語音識別模塊采集手勢及語音數(shù)據(jù),再傳至STM32 處理器,以此控制相應的家用設備。并且設計了自動控制模塊,通過溫度傳感器和一氧化碳傳感器采集周圍環(huán)境參數(shù)來實現(xiàn)報警和自我調(diào)節(jié),而且DGUS 屏會實時顯示家用設備狀態(tài)、手勢數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)及周圍環(huán)境參數(shù)。本設計相比于其他智能家居系統(tǒng),最特別的一點是無需聯(lián)網(wǎng),更適用于難以適應網(wǎng)絡的老人們,而且操作簡單靈活,更為人性化。在人口老齡化日益嚴重的如今甚至未來,該設計都能為獨居老人創(chuàng)造一個舒適安全的生活環(huán)境。

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