劉 音，楊曉凡

(淮南師范學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038)

隨著智能控制、無線通信等技術(shù)在近年來取得的長足進(jìn)步與廣泛應(yīng)用，智能家居作為這些前沿科技與日常生活的一個有效的結(jié)合點(diǎn)，得到了極大地發(fā)展。近年來對人工智能、深度學(xué)習(xí)的研究日益深入，為智能家居的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的方向和難得的機(jī)遇[1]。智能開關(guān)也逐漸進(jìn)入多元化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)、遠(yuǎn)程操控、語音智能等功能。但一個房屋要使用智能開關(guān)，在建造前就要對整個房屋進(jìn)行布線設(shè)計，否則在后期改造接線時會帶消耗大量人力物力。目前國內(nèi)外市場上的智能開關(guān)除了有安裝復(fù)雜的弊端，還有受到網(wǎng)關(guān)限制、無法和其他智能產(chǎn)品兼容等問題。本文提出一種免安裝式的多功能智能開關(guān)，讓傳統(tǒng)的電燈開關(guān)物聯(lián)網(wǎng)化，并配有其他功能[2]。通過手機(jī)上的微信小程序遠(yuǎn)程控制開關(guān)并監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境信息，并配有語音識別模塊，可以語音控制開關(guān)。同時開關(guān)配備1.3寸OLED顯示屏，實(shí)時顯示室內(nèi)的溫濕度及功能模式。其中功能模式包含夜燈模式和防盜模式，夜燈模式晚上監(jiān)測到人時，自動打開LED小夜燈5秒，沒有人活動時自動關(guān)閉。防盜模式開啟后，監(jiān)測到人時會通過蜂鳴器發(fā)出警報，并向手機(jī)端發(fā)送信息提醒。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由4個部分組成：上位機(jī)手機(jī)APP、下位機(jī)STM32主控系統(tǒng)、傳感器模塊部分、外設(shè)驅(qū)動部分[3]。如圖1所示，STM32主控系統(tǒng)通過WIFI模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，和手機(jī)APP進(jìn)行通信。用C語言編程驅(qū)動各個模塊，對應(yīng)不同的場景實(shí)現(xiàn)不同的功能。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路主要由9個部分組成，如圖2所示，主要有主控模塊、OLED顯示屏、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、WIFI模塊、語音模塊、防盜報警模塊、LED小夜燈和電機(jī)模塊。

圖2 硬件電路設(shè)計框圖

2.1 MCU選擇

微處理器采用ST公司的基于Cortex M3內(nèi)核的STM32F130C8T6芯片。工作頻率為72MHz，具有128K字節(jié)的Flash(閃存)和20K字節(jié)的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)。內(nèi)部還有兩條APB(Advanced Peripheral Bus)總線，上面掛載豐富的片上外設(shè)及I/O端口。同時支持多種通信方式，如IIC、SPI、USB、USART、CAN等。支持兩線的SWD(串行單線調(diào)試)和5線的JTAG接口的下載調(diào)試。

2.2 WIFI模塊設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)通信解決方案選用樂鑫科技的ESP8266-12F，內(nèi)部集成了32位處理器，工作頻率可設(shè)置為80MHz或160MHz，支持超低功耗的工作模式。完美支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧[4]。既可以直接使用此模塊給自己的系統(tǒng)添加網(wǎng)絡(luò)通信功能，也可以將它作為獨(dú)立主控芯片，自帶聯(lián)網(wǎng)功能，以最低成本提供最大實(shí)用性，為Wi-Fi功能嵌入其他系統(tǒng)提供無限可能[5]。

ESP8266-12F是一個完整體系的無線網(wǎng)絡(luò)通信的解決方案。不僅能夠作為主控芯片獨(dú)立運(yùn)行程序，還可以作為從機(jī)，搭配其他處理器運(yùn)行。這里是通過UART串口與MCU連接，只作聯(lián)網(wǎng)功能使用，網(wǎng)絡(luò)通信模塊原理圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊原理圖

2.3 溫濕度模塊/人體紅外檢測模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器，不僅成本低，功耗低，還可靠穩(wěn)定。內(nèi)部含有已經(jīng)精準(zhǔn)校驗過的傳感器，由電阻式感濕元件和NTC測溫元件兩部分組成。單總線通信，所以連線方便，使用起來簡易快捷。

人體紅外檢測模塊采用型號為HC-SR505的紅外傳感器，具有體積小，操作簡單，靈敏度高，低電壓，低功耗的特點(diǎn)。

2.4 語音識別模塊設(shè)計

語音識別模塊使用的是海凌科的HLK-V20，它是RSIC架構(gòu)內(nèi)核，包含專門針對信號處理和語音識別所需要的DSP指令集，支持浮點(diǎn)運(yùn)算及FFT加速器?？梢酝ㄟ^神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對音頻信號進(jìn)行學(xué)習(xí)，以此提高語音信息的識別能力。芯片支持150條本地指令的離線識別，可以通過后臺自由配置喚醒詞、命令詞與播報答復(fù)詞，支持RTOS輕量級系統(tǒng)，具有豐富的外圍接口，以及簡單友好的客制化工具[6]。

首先通過USB轉(zhuǎn)TTL芯片配合串口助手，讀取語音模塊的數(shù)據(jù)包協(xié)議。然后找到有效的數(shù)據(jù)段，由于每段語音的有效數(shù)據(jù)段長度不一樣，使用一般的串口中斷是不能夠完整接受的，因為一般的串口中斷已經(jīng)知道數(shù)據(jù)段的長度，或者像正點(diǎn)原子官方例程里通過識別回車符來判斷接受完畢，所以這里串口應(yīng)該采用讀取USART_FLAG_IDLE(空閑總線標(biāo)志位)，這樣就可以每次接受不同長度的數(shù)據(jù)包并且產(chǎn)生中斷，然后在程序里截取有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行解析對比。原理圖如圖4所示。

圖4 語音識別模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境概述

系統(tǒng)在開發(fā)過程中，運(yùn)用Keil uVision5軟件環(huán)境編寫下位機(jī)代碼，包含主程序、系統(tǒng)初始化、語音檢測識別、串口通信、定時器中斷及其他外設(shè)初始化等。系統(tǒng)子程序以模塊功能分開，主函數(shù)中需要時直接調(diào)用預(yù)先寫好的功能子程序。手機(jī)端APP設(shè)計是在eclipse軟件開發(fā)環(huán)境下完成的，使用Java語言編寫APP程序。

3.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)上電時，程序會按照程序流程執(zhí)行，先初始化好片上外設(shè)和系統(tǒng)外設(shè)，然后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷檢測語音，當(dāng)語音檢測到后，會通過語音識別芯片識別，然后通過串口與STM32通信，將語音數(shù)據(jù)包發(fā)給STM32。STM32在對語音數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和數(shù)據(jù)匹配，識別是要執(zhí)行哪一個功能。如果沒有檢測到語音，則每間斷3秒讀取下溫濕度數(shù)據(jù)，最后將收據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。系統(tǒng)流程設(shè)計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件程序流程圖

主函數(shù)的循環(huán)部分先是檢測語音串口的中斷標(biāo)志位，一旦檢測到語音識別模塊的額數(shù)據(jù)便開始協(xié)議匹配，然后是自動模式和警報模式的檢測，在OLED屏幕上顯示模式工作的圖標(biāo)。條件循環(huán)主要就是定時的讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)到云服務(wù)器。

3.3 語音識別程序設(shè)計

語音解析匹配函數(shù)是先獲取有效數(shù)據(jù)段的長度，將前面的包頭跳過，在for循環(huán)里對接收到的數(shù)據(jù)與庫里的數(shù)據(jù)對比，每次匹配相等，right變量便增加。匹配結(jié)束后，如果right等于有效數(shù)據(jù)段的長度，便視為識別成功，開始執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，并把right變量清零。

語音數(shù)據(jù)包的協(xié)議庫(此處刪除“是先前”)用TTL轉(zhuǎn)USB芯片配合串口助手，解析語音識別模塊數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)段，然后保存在程序里，當(dāng)識別語音時，將STM32串口接收到的數(shù)據(jù)與庫中的數(shù)據(jù)對比，這樣就可以完成相應(yīng)的指令。語音數(shù)據(jù)包協(xié)議庫如圖6所示。

圖6 語音數(shù)據(jù)包協(xié)議庫

4 微信小程序的設(shè)計

服務(wù)器主要采用Linux服務(wù)器上部署EMQ X消息服務(wù)器。EMQ X是一種開源的物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器，不僅可靠性高，還可以連接大量的客戶端[7]。單個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)最高支持100萬個連接，同時還可以提供設(shè)備間低延時的消息路由。支持的協(xié)議有：MQTT、MQTT-SN、CoAP、LwM2M、WebSocket等。

上位機(jī)微信小程序的設(shè)計是基于mpvue的框架開發(fā)的，這樣可以節(jié)省開發(fā)周期并且蘋果和安卓用戶都可使用。mpvue是使用Vue.js的前端框架。在此之上修改了Vue.js的runtime和compiler，使其能夠直接運(yùn)行在小程序的環(huán)境中，從而為小程序的開發(fā)引入了整套Vue.js開發(fā)體驗[8]。

小程序的設(shè)計如圖7所示，最頂端是天氣模塊，調(diào)用了免費(fèi)開源的天氣API，小程序會先請求獲取用戶的位置，然后顯示所在位置的空氣質(zhì)量、空氣指數(shù)、天氣，并給出今天的穿衣建議。在天氣模塊的下方有6個模塊，包含2個顯示模塊和4個控制模塊。顯示模塊實(shí)時顯示溫濕度，控制模塊可以控制下位機(jī)實(shí)現(xiàn)功能。

圖7 微信小程序上位機(jī)

5 系統(tǒng)測試分析

5.1 串口測試

串口測試選用的軟件是XCOM V2。將電路的串口用Type-C線與電腦相連，選擇好串口COM號，然后把波特率設(shè)置為115200。打開串口，觀察數(shù)據(jù)變化。每次向服務(wù)器發(fā)送json格式的消息。消息內(nèi)容中，第一個是溫度，第二個是濕度，然后是Led小夜燈、防盜模式、睡眠模式和舵機(jī)的狀態(tài)值，0表示關(guān)閉，1表示開啟。

5.2 語音識別測試

語音識別測試使用SSCOM串口助手，連接到語音模塊的串口，然后測試通信狀況并采集數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)包格式。如圖8所示，經(jīng)測試工作正常，語音識別快速準(zhǔn)確。

圖8 語音模塊串口測試結(jié)果圖

5.3 上位機(jī)測試

上位機(jī)是手機(jī)端的微信小程序。先在微信開發(fā)者工具中運(yùn)行代碼測試，看是否能正常運(yùn)行并連接到服務(wù)器。然后再測試手機(jī)端，在手機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)的情況下，打開多功能智能開關(guān)小程序，觀察數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。手機(jī)在連接4G網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下，正常連接到服務(wù)器，并正確顯示下位機(jī)的溫濕度數(shù)據(jù)，如圖9所示，并成功對下位機(jī)的LED小夜燈進(jìn)行了控制。

5.4 數(shù)據(jù)分析

本方案溫濕度的測試使用溫濕度儀在相同環(huán)境下測出第三方數(shù)據(jù)，計算得到相對誤差，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，得到表1和表2。

圖9 手機(jī)端上位機(jī)測試結(jié)果圖

表1 溫度測量數(shù)據(jù)

表2 濕度測量數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，數(shù)據(jù)的相對誤差控制在5%以內(nèi)，且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀況符合預(yù)期。

6 結(jié)論

文章從物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵入手，指出傳統(tǒng)智能家居的缺點(diǎn)，提供了一個不需要網(wǎng)關(guān)，直接通過WIFI與服務(wù)器直連，手機(jī)端也可以監(jiān)控數(shù)據(jù)的多功能智能開關(guān)面板設(shè)計方案。本系統(tǒng)提供溫濕度檢測、防盜報警、人體檢測開啟小夜燈、電機(jī)開燈等功能?？紤]到配網(wǎng)要求，在硬件上留有AT24C02芯片，通過IIC與STM32通信。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明：溫濕度測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，防盜功能運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足用戶對智能開關(guān)的基本需求。手機(jī)APP中人性化的交互頁面設(shè)計、獨(dú)立的語音助手增加了用戶體驗。當(dāng)然，該系統(tǒng)尚存在不足之處，對于和其他智能家電設(shè)備的互聯(lián)功能還有待進(jìn)一步完善。