林 蔚

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系， 福建 漳州 363000)

電風(fēng)扇在中國(guó)依然有龐大的需求市場(chǎng)[1]. 目前， 智能風(fēng)扇已經(jīng)開(kāi)始投入市場(chǎng)， 并且在不斷追求更加人性化的功能. 《2019年中國(guó)風(fēng)扇行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析》顯示[2]：目前國(guó)內(nèi)市面上的智能化風(fēng)扇產(chǎn)品的銷售份額超過(guò)40%， 其中智能控制、 變頻及紅外遙控為主要的需求點(diǎn). 但市面上的傳統(tǒng)風(fēng)扇存在幾個(gè)缺點(diǎn)[3-5]：(1)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速以及定時(shí)時(shí)間， 功能單一， 使用較為不便； (2)市場(chǎng)上的智能風(fēng)扇也不斷出現(xiàn)， 其通過(guò)紅外遙控器或語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)風(fēng)速調(diào)節(jié)， 但仍需人為操作， 且價(jià)格很高； (3)室溫每天中會(huì)不斷變化， 但在使用者不方便移動(dòng)或者睡著的情況下， 風(fēng)速不能隨著環(huán)境溫度的變化而自行調(diào)節(jié). 針對(duì)以上問(wèn)題， 筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能風(fēng)扇多功能自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)， 其具有以下特點(diǎn)：(1)可以根據(jù)周圍環(huán)境的溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速的大??； (2)可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)行智能控制風(fēng)速， 即人機(jī)交互； (3)可以通過(guò)智能手機(jī)APP和無(wú)線Wi-Fi技術(shù)， 遠(yuǎn)程控制風(fēng)速.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文提出的智能風(fēng)扇系統(tǒng)是基于USB接口的電風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)計(jì)的， 此系統(tǒng)工作模式可以分為智能調(diào)節(jié)模式和固定擋位模式[6-7]. 在智能調(diào)節(jié)模式下， 系統(tǒng)可以根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)的溫度變化來(lái)改變風(fēng)扇的擋位， 在溫度區(qū)間內(nèi)分為4個(gè)擋位(0、 1、 2、 3)， 擋位0風(fēng)扇不轉(zhuǎn)， 擋位1、 2、 3, 風(fēng)速遞增； 在固定擋位模式下， 用戶可以自由設(shè)置風(fēng)扇的4個(gè)擋位. 固定擋位模式使用板載按鍵(固定的鍵盤控制)、 紅外遙控或語(yǔ)音輸入控制風(fēng)扇的不同擋位. 同時(shí)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)發(fā)光二極管提示， 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快， 燈越亮. 每次按鍵按下或者遙控器按鍵按下， 蜂鳴器會(huì)發(fā)出“滴”聲進(jìn)行提示. 系統(tǒng)框架圖如圖1所示， 其主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、 按鍵模塊、紅外接收模塊、 語(yǔ)音識(shí)別模塊、 溫度OLED顯示模塊、 Wi-Fi無(wú)線模塊、 風(fēng)扇速度控制模塊以及蜂鳴器提示模塊構(gòu)成. 單片機(jī)采用TI公司的STM32作為主控芯片[8]， 用于處理各模塊傳送來(lái)的信息數(shù)據(jù)， 溫度檢測(cè)電路用于檢測(cè)用戶的環(huán)境實(shí)時(shí)溫度， 語(yǔ)音識(shí)別模塊用于檢測(cè)用戶的語(yǔ)音輸入， Wi-Fi模塊、 紅外接收模塊和紅外遙控器用于接收手機(jī)APP的指令， OLED顯示電路用于界面顯示， 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路用于控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速， 蜂鳴器用于對(duì)用戶按鍵進(jìn)行聲音提示.

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 按鍵模塊

按鍵控制電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇模式的轉(zhuǎn)換、 溫度區(qū)間的設(shè)置和風(fēng)扇擋位的調(diào)節(jié). 當(dāng)按鍵按下之后， 如果單片機(jī)檢測(cè)到引腳為低電平， 則表示用戶按下此按鍵； 相反當(dāng)按鍵沒(méi)有按下的時(shí)候， 單片機(jī)則檢測(cè)到的是高電平. 智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)一共使用了4個(gè)輸入按鍵， 分別接到單片機(jī)的P22引腳、 P23引腳、 P24引腳、 P25引腳， 每一個(gè)按鍵都有對(duì)應(yīng)的功能， 按鍵電路圖如圖2所示.

圖2 按鍵電路圖

2.2 紅外接收模塊

該模塊使用HS0038紅外集成接收信息， 當(dāng)接收到38kHz紅外信號(hào)后， HS0038紅外集成接收頭將對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 數(shù)據(jù)輸出引腳OUT將解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出到單片機(jī)引腳P20， 紅外接收電路圖如圖3所示. 本文紅外遙控器紅外數(shù)據(jù)解析采用NEC協(xié)議[9]. 紅外遙控可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇模式的轉(zhuǎn)換、 溫度區(qū)間的設(shè)置和風(fēng)扇擋位的調(diào)節(jié).

圖3 紅外接收電路圖

2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊

該模塊將LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片[10]模塊的串口接到主控單片機(jī)的串口P11和P12， 其電路圖如圖4所示. 語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到預(yù)設(shè)話語(yǔ)后(包括“打開(kāi)風(fēng)扇”、 “設(shè)為擋位1”“設(shè)為擋位2”“設(shè)為擋位3”和“關(guān)閉風(fēng)扇”這幾個(gè)命令)， 通過(guò)串口發(fā)送識(shí)別信息給主控單片機(jī)， 隨后主控單片機(jī)根據(jù)信息實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能.

圖4 語(yǔ)音識(shí)別模塊電路圖

2.4 溫度檢測(cè)模塊

該模塊使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器[11]檢測(cè)環(huán)境實(shí)時(shí)溫度， 并將檢測(cè)到的溫度值送入單片機(jī)P21引腳， 其電路圖如圖5所示. 經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后顯示此時(shí)溫度值， 并與設(shè)定溫度值做比較， 之后輸出相應(yīng)占空比的PWM脈沖信號(hào).

圖5 溫度傳感器電路圖

2.5 Wi-Fi無(wú)線模塊

該模塊使用MT7681嵌入式串口WI-FI模塊[12]接收連接的手機(jī)發(fā)送來(lái)的指令， 電路圖如圖6所示. 其中， 引腳3為串口發(fā)送端， 引腳2為串口接收端. 通過(guò)配置軟件配置Wi-Fi模塊為無(wú)線AP， 并開(kāi)啟TCP服務(wù)器功能， 之后負(fù)責(zé)將串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Wi-Fi模塊， 并轉(zhuǎn)換為TCP包， 發(fā)送給連接的手機(jī)， 其通信方式為Socket， 其參數(shù)配置圖如圖7所示.

圖6 Wi-Fi模塊電路圖

圖7 Wi-Fi模塊參數(shù)配置圖

2.6 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊電路圖如圖8所示. 其中， P1風(fēng)扇通過(guò)MOSFET管與單片機(jī)P32引腳相連. P32輸出是脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)， 其利用PWM的占空比控制MOSFET管的導(dǎo)通時(shí)間， 通過(guò)判斷導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速：PWM的占空比越高， 等效于MOSFET管的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)， P1風(fēng)扇就會(huì)轉(zhuǎn)得越快； 反之， PWM的占空比越低， 就等效于MOSFET管的導(dǎo)通時(shí)間越短， P1風(fēng)扇就會(huì)轉(zhuǎn)得越慢. 該程序可以通過(guò)控制單片機(jī)為脈寬調(diào)制設(shè)置不同的占空比， 以方便地設(shè)置風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速.

圖8 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主控端主程序設(shè)計(jì)

首先初始化系統(tǒng)， 初始化完畢之后， 系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)， 在待機(jī)過(guò)程中循環(huán)檢測(cè)紅外遙控器是否按下、 板載按鍵是否按下、 系統(tǒng)是否進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別模塊以及系統(tǒng)是否到達(dá)刷新界面顯示時(shí)間， 并根據(jù)不同動(dòng)作標(biāo)識(shí)進(jìn)入相應(yīng)不同的處理子模塊， 之后調(diào)用風(fēng)扇速度控制子程序依照當(dāng)前的設(shè)置控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速， 處理完畢后重新進(jìn)入待機(jī)檢測(cè)狀態(tài). 本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示. 具體流程操作如下：(1)系統(tǒng)上電后， 系統(tǒng)初始化， 根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度. (2)OLED顯示屏顯示出當(dāng)前環(huán)境溫度、 風(fēng)扇擋位、 風(fēng)扇工作模式. (3)檢測(cè)紅外遙控器和板載按鍵是否按下、 系統(tǒng)是否到達(dá)刷新界面顯示時(shí)間. 當(dāng)檢測(cè)到紅外遙控器按鍵按下時(shí)， 調(diào)用按鍵處理子程序進(jìn)行按鍵處理； 當(dāng)檢測(cè)到板載按鍵按下時(shí)， 調(diào)用按鍵處理子程序進(jìn)行按鍵處理； 當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)刷新時(shí)間到來(lái)時(shí)， 調(diào)用系統(tǒng)刷新子程序進(jìn)行系統(tǒng)界面的顯示刷新， 并且調(diào)用風(fēng)扇速度控制子程序， 按照設(shè)置控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速. (4)當(dāng)用戶按下紅外遙控器或者板載的按鍵1時(shí)， 系統(tǒng)在智能調(diào)節(jié)和固定擋位模式下轉(zhuǎn)換. (5)如果在固定模式下， 用戶按下紅外遙控器或者板載的按鍵3、 4， 則進(jìn)行擋位切換. (6)如果處于設(shè)置溫度區(qū)間界面， 按下按鍵2、 3、 4， 則進(jìn)行風(fēng)扇的擋位溫度區(qū)間設(shè)置， 設(shè)置完按下2返回主界面. (7)在智能調(diào)節(jié)模塊下， 風(fēng)扇會(huì)依據(jù)環(huán)境溫度的變化而改變風(fēng)扇擋位. 當(dāng)環(huán)境溫度低于25°時(shí)風(fēng)扇關(guān)閉； 當(dāng)環(huán)境溫度處于25°到28°時(shí)， 風(fēng)扇擋位為一擋； 當(dāng)環(huán)境溫度處于28°到30°時(shí)， 風(fēng)扇擋位為二擋； 當(dāng)環(huán)境溫度高于30°時(shí)， 風(fēng)扇擋位為三擋. 風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和指示燈的亮度隨著風(fēng)扇擋位的變化而變化：風(fēng)扇擋位越高， 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快， 指示燈越亮； 風(fēng)扇擋位越低， 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越慢， 指示燈越暗. (8)當(dāng)用戶對(duì)著系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音控制信號(hào)時(shí)， 用語(yǔ)音“打開(kāi)風(fēng)扇”或“智能調(diào)節(jié)”設(shè)置智能溫控風(fēng)扇為智能調(diào)節(jié)模式， 用語(yǔ)音“關(guān)閉風(fēng)扇”設(shè)置智能溫控風(fēng)扇為固定擋位模式并設(shè)置為擋位0， 語(yǔ)音“設(shè)為擋位1”“設(shè)為擋位2”“設(shè)為擋位3”會(huì)設(shè)置智能溫控風(fēng)扇為固定擋位模式并設(shè)置為相應(yīng)擋位. (9)當(dāng)用戶通過(guò)Wi-Fi無(wú)線傳輸手機(jī)APP控制信號(hào)時(shí)， 可以根據(jù)APP界面不同的按鍵進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)速控制及開(kāi)關(guān)等動(dòng)作. (10)當(dāng)系統(tǒng)接收到用戶的輸入(包括板載按鍵輸入、 紅外遙控器按鍵輸入和語(yǔ)音指令輸入)后， 控制蜂鳴器發(fā)出“滴”聲以提示用戶系統(tǒng)已經(jīng)接收到用戶的輸入設(shè)置.

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 手機(jī)端APP設(shè)計(jì)

手機(jī)端設(shè)計(jì)包括風(fēng)速控制模塊和網(wǎng)絡(luò)連接模塊. 風(fēng)速控制模塊包含智能調(diào)節(jié)、 擋位風(fēng)速控制及開(kāi)關(guān)按鍵等. 網(wǎng)絡(luò)連接模塊連接主控端與手機(jī)之間的通信. 安卓系統(tǒng)的APP系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖10所示.

圖10 手機(jī)端APP設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試

系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試包括硬件主控部分和手機(jī)APP控制部分. 首先， 將單片機(jī)的P32引腳接到N溝道MOSFET管(場(chǎng)效應(yīng)管)IRL540NPBF， C8電容和C9電容為風(fēng)扇提供穩(wěn)壓供電能力， P1排針接風(fēng)扇. 當(dāng)單片機(jī)的P32引腳輸出為低電平時(shí)， MOSFET管不導(dǎo)通， 測(cè)試風(fēng)扇是否不轉(zhuǎn)； 當(dāng)單片機(jī)的P32引腳輸出為高電平3.3V時(shí)， MOSFET管導(dǎo)通， 測(cè)試風(fēng)扇是否轉(zhuǎn)動(dòng).

然后， 測(cè)試風(fēng)扇自動(dòng)調(diào)節(jié)功能. 當(dāng)用戶開(kāi)啟風(fēng)扇后， 測(cè)試風(fēng)扇是否自動(dòng)開(kāi)啟至智能調(diào)節(jié)模式， 是否可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)風(fēng)速(即溫度低于25°風(fēng)扇是否呈關(guān)閉狀態(tài)； 溫度在25°至28°時(shí)， 風(fēng)扇擋位是否為1擋； 溫度在28°至30°時(shí)， 風(fēng)扇是否為2擋； 溫度高于30°時(shí)， 風(fēng)扇是否為3擋).

最后， 測(cè)試語(yǔ)音指令功能. 在風(fēng)扇關(guān)閉狀態(tài)下， 用語(yǔ)音指令“打開(kāi)風(fēng)扇”， 測(cè)試風(fēng)扇是否打開(kāi)并進(jìn)入智能調(diào)節(jié)模式； 分別使用語(yǔ)音指令“設(shè)為擋位1”“設(shè)為擋位2”和“設(shè)為擋位3”， 測(cè)試風(fēng)扇擋位是否調(diào)節(jié)為相應(yīng)擋位； 使用語(yǔ)音指令“關(guān)閉風(fēng)扇”， 測(cè)試風(fēng)扇是否關(guān)閉.

經(jīng)測(cè)試， 可以完成上述功能.

5 結(jié)語(yǔ)

此系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電風(fēng)扇相比較， 結(jié)合了基于Wi-Fi手機(jī)控制、 語(yǔ)音識(shí)別和溫控等功能， 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、 語(yǔ)音人機(jī)交互、 環(huán)境溫度智能控制、 紅外遙控及板載按鍵控制等操作， 可以在一定程度上滿足人們對(duì)于智能化風(fēng)扇的需求.