西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 鐵一凡

本設(shè)計(jì)是以“物聯(lián)網(wǎng)寢室”為對(duì)象進(jìn)行的研究。通過(guò)STM32單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制器，AS608指紋采集實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的功能，LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行語(yǔ)音控制，ESP8266 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)與機(jī)智云的傳輸來(lái)完成本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，這也使得我們的生活更趨向于智能化。智慧校園是目前國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)研究的熱點(diǎn)，而基于物聯(lián)網(wǎng)的智能寢室控制系統(tǒng)又作為智慧校園的重要組成部分，它無(wú)疑是具有很好的研究和發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 智能門禁系統(tǒng)

該系統(tǒng)分為兩種模式，分別為一級(jí)開(kāi)鎖和二級(jí)開(kāi)鎖，一級(jí)開(kāi)鎖是由舵機(jī)控制門把手直接開(kāi)鎖，第二種是由舵機(jī)控制門扣旋轉(zhuǎn)三圈再用舵機(jī)開(kāi)鎖，可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別開(kāi)鎖和語(yǔ)音識(shí)別開(kāi)鎖。與此同時(shí)我們使用ESP8266 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)與機(jī)智云的傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送至APP，并在APP處理過(guò)后返還給處理器，做到在外面也能實(shí)現(xiàn)關(guān)門的功能。

1.2 語(yǔ)音控制系統(tǒng)

由繼電器、JQ8400FL-10P語(yǔ)音播報(bào)模塊以及揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)其功能，具體為通過(guò)大電流繼電器，以高低電平不同控制電燈以及風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，在這里同樣使用語(yǔ)音模塊，使得人們更加方便的使用寢室內(nèi)的電器，同樣我們依然可以用語(yǔ)音控制揚(yáng)聲器，使揚(yáng)聲器放出一些內(nèi)存卡里面的歌曲。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及器件選型

本次設(shè)計(jì)基于STM32F103ZET6芯片并通過(guò)元器件實(shí)現(xiàn)以下兩大系統(tǒng)。第一是智能門禁系統(tǒng)。由LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別語(yǔ)言、AS608指紋識(shí)別模塊作為指紋識(shí)別傳感器；SG90舵機(jī)和電機(jī)作為控制器，實(shí)現(xiàn)一級(jí)、二級(jí)開(kāi)鎖；用ESP8266 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)與機(jī)智云的傳輸。語(yǔ)音控制系統(tǒng)由繼電器、JQ8400FL-10P語(yǔ)音模塊以及揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)其功能。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2.1 單片機(jī)選型

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，具有512K片內(nèi)FLASH，64K片內(nèi)RAM，其CPU工作電壓范圍是2.0-3.6V。選用此芯片作為本次設(shè)計(jì)的控制器是因?yàn)槠湟_多、價(jià)格低廉、處理速度強(qiáng)、應(yīng)用廣泛、并且能夠滿足此次設(shè)計(jì)的功能要求。

2.2 指紋識(shí)別模塊選型

指紋識(shí)別是先通過(guò)錄制指紋并進(jìn)行樣本保存，在使用時(shí)通過(guò)使用者的指紋對(duì)樣本進(jìn)行一一對(duì)比，可以進(jìn)行身份確定。指紋識(shí)別根據(jù)其技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)方法可以分為三種形式，分別是光學(xué)式、超聲波式和電容式，本系統(tǒng)中使用的指紋模塊是AS608是一種集成的光學(xué)式指紋芯片，它可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，人為地更改指紋的設(shè)置。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊選型

LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是通過(guò)識(shí)別關(guān)鍵詞列表來(lái)進(jìn)行判斷的。語(yǔ)音識(shí)別的過(guò)程是首先對(duì)輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析，再對(duì)語(yǔ)音特征進(jìn)行提取，然后通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞列表進(jìn)行匹配，最后找出匹配度最高的關(guān)鍵詞并執(zhí)行其對(duì)應(yīng)功能。LD3320模塊在使用時(shí)不需要外接其他的輔助A/D芯片、Flash芯片和RAM芯片就可以完成語(yǔ)音識(shí)別的功能，其識(shí)別準(zhǔn)確率能高達(dá)95%。

2.4 WIFI模塊選型

ESP8266 WIFI模塊是一款串口轉(zhuǎn)無(wú)線的模塊，可以在2ms內(nèi)喚醒并進(jìn)行連接和傳輸數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)中ESP8266 WIFI模塊主要是在智能門禁系統(tǒng)中使用，在使用時(shí)門的狀態(tài)通過(guò)此模塊傳遞到手機(jī)上，我們就可以在終端進(jìn)行門的關(guān)操作。

2.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊選型

JQ8400FL-10P語(yǔ)音識(shí)別模塊除了支持多種模式控制，還支持對(duì)歌曲的播放進(jìn)行控制。因此在本次設(shè)計(jì)中通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行控制從而播放歌曲。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)最小系統(tǒng)為本次設(shè)計(jì)的核心部分，采用STM32F103ZET6芯片實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。由系統(tǒng)框圖可以看出：整體由最小系統(tǒng)、晶振電路、復(fù)位電路、LD3320模塊、JQ8400FL-10P模塊、AS608模塊構(gòu)成。模塊集成度較高，便于用戶使用，只需提供給相應(yīng)的電壓并控制信號(hào)引腳即能完成相應(yīng)功能。硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)圖

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)是由主芯片、上電復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源供電電路組成，同時(shí)一個(gè)基本完整的單片機(jī)功能還應(yīng)包括下載電路和LED指示電路。

3.3 矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤是由四條行線四條列線交叉組成，在每一個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵，這就是我們經(jīng)常看到的矩陣鍵盤。按鍵的識(shí)別方法第一步是先檢測(cè)鍵盤是否有鍵被按下，第二步是將所有行的電平置零，檢查各列電平是否有變化，若有變化，則說(shuō)明有鍵被按下，反之則無(wú)。識(shí)別具體按鍵的方法是先電平逐行置零，其余行置為高電平，逐列檢查電平的變化，若某列電平從高電平變?yōu)榈碗娖?，則說(shuō)明此行此列交點(diǎn)處的鍵被按下了。在本設(shè)計(jì)中，指紋模塊可以輸入多個(gè)人的指紋，設(shè)計(jì)矩陣鍵盤是為了對(duì)輸入的指紋進(jìn)行編號(hào)。

3.4 執(zhí)行模塊電路設(shè)計(jì)

執(zhí)行模塊是采用繼電器模塊控制實(shí)現(xiàn)的，工作時(shí)在線圈的兩端加上一定電壓，那么線圈中就會(huì)產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵在電磁力作用下帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)吸合；而當(dāng)線圈斷電后，銜鐵便會(huì)使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)吸合。在設(shè)計(jì)中使用執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)控制LED燈、電機(jī)等狀態(tài)的控制。

4 控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6為控制核心。首先初始化配置各個(gè)引腳、定時(shí)器、中斷。程序?qū)⒏鱾€(gè)模塊的初始化封裝為函數(shù)，則可直接調(diào)用配置的函數(shù)來(lái)初始化模塊。將傳感器識(shí)別放入主循環(huán)，按鍵模塊輸入判斷由哪個(gè)傳感器模塊進(jìn)行識(shí)別，最后由核心控制器進(jìn)行控制。

系統(tǒng)總體的程序設(shè)計(jì)為先對(duì)所有的模塊進(jìn)行初始化操作，連接AS608指紋識(shí)別模塊，再進(jìn)行云平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)點(diǎn)檢測(cè)；通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行語(yǔ)音控制；通過(guò)AS608模塊進(jìn)行指紋的識(shí)別控制，結(jié)合矩陣鍵盤模塊進(jìn)行指紋的錄入和刪除功能。本設(shè)計(jì)的總流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的總流程圖

本設(shè)計(jì)是根據(jù)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀、并綜合考慮學(xué)生居住條件的各方面，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行的基于STM32單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)寢室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的可行性高、實(shí)用性高、易于推廣，對(duì)于提高學(xué)生的生活質(zhì)量也有很重要的意義，并且對(duì)于將來(lái)智能家居方面的研究和發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。