馬 雷，何丹丹

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

在傳統(tǒng)家居環(huán)境中，對家電的控制一般采用遙控器或者開關(guān)按鈕，而這樣會(huì)有距離限制，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)找不到遙控器的問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)如今，家庭WiFi擁有率高達(dá)95%以上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來開發(fā)一款可遠(yuǎn)程控制各種家電的智能家居系統(tǒng)，不僅擺脫了距離的限制，也提升了生活的幸福感[1-7]。

本文所提出的智能云家居語音交互系統(tǒng)集成了煙霧濃度模塊、光強(qiáng)度模塊、PM2.5濃度模塊、溫濕度模塊等硬件來作為數(shù)據(jù)采集端，通過繼電器來控制空調(diào)開關(guān)，通過絲桿電機(jī)控制窗簾開合以及RGB燈來模擬室內(nèi)照明。該系統(tǒng)不僅可以通過語音控制，也可以通過Web端控制，為用戶提供了極大的便利。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，硬件系統(tǒng)分為節(jié)點(diǎn)和中控兩個(gè)部分，節(jié)點(diǎn)和中控通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)套件包含傳感器（溫濕度、PM2.5、光照強(qiáng)度、煙霧濃度等）以及控制器（智能照明、窗簾、繼電器等），中控包括語音控制模塊等。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過LoRa無線通信傳輸?shù)街锌?，中控通過WiFi連接阿里云通信將數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器，用戶在室內(nèi)可以通過LCD屏查看數(shù)據(jù)，通過語音控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備，也可以通過Web實(shí)時(shí)查看每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和控制每個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[8-11]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 主控芯片

在本設(shè)計(jì)中，主控及節(jié)點(diǎn)均采用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的32位處理器。其中主控芯片采用的是STM32F103RCT6，內(nèi)存大小為256 KB；節(jié)點(diǎn)芯片采用的是STM32F103C8T6，內(nèi)存大小為68 KB，內(nèi)核均為Cortex-M3。該系列芯片有多個(gè)ADC、SPI、I2C接口，支持庫函數(shù)開發(fā)，省去了寄存器復(fù)雜的計(jì)算步驟[12-14]。

1.3 語音模塊

本設(shè)計(jì)采用的是LD3320語音識別模塊，該模塊工作電壓為3.3 V，它通過漢語拼音識別語音且最多能存儲(chǔ)50條語音，語音識別距離為0～6 m，在距離2 m時(shí)識別效果達(dá)到最佳。此外，通過設(shè)置垃圾關(guān)鍵字來過濾無效語音。該模塊自帶語音開關(guān)，若不想使用語音交互或?yàn)榱吮苊馊寺曕须s觸動(dòng)開關(guān)，直接關(guān)閉模塊上的開關(guān)即可，使用時(shí)再打開。LD3320使用SPI串行同步通信，通過寄存器寫指令來切換工作模式，其中指令04H為語音識別模式，指令05H為語音播報(bào)模式，可通過自身的MP3播放器播報(bào)語音，語音支持MP3格式。

1.4 光強(qiáng)度模塊

本設(shè)計(jì)采用BH1750VI對光強(qiáng)度進(jìn)行檢測，該模塊工作電壓為3.3～5 V，采用I2C串行同步通信。其原理為數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過光生伏特效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)集成運(yùn)放電路放大后由內(nèi)部AD采集電壓，再由內(nèi)部電路轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，無需復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)偏移修正即可得到準(zhǔn)確的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

1.5 溫濕度模塊

本設(shè)計(jì)采用DHT11模塊檢測空氣溫濕度，該模塊工作電壓為3.3～5 V，其通信方式為單總線。它需要主機(jī)發(fā)送信號開始響應(yīng)，采樣間隔為1 s。收到指令且延時(shí)一段時(shí)間后一次性發(fā)送40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，前16位為濕度數(shù)據(jù)，17～36位為溫度數(shù)據(jù)，后8位為校驗(yàn)和。該模塊自帶數(shù)據(jù)校驗(yàn)，因此得到的數(shù)據(jù)只需通過簡單濾波算法過濾掉異常數(shù)據(jù)即可。

1.6 煙霧濃度模塊

本設(shè)計(jì)采用MQ2模塊對煙霧濃度進(jìn)行檢測，該模塊工作電壓為3.3～5 V，其原理為數(shù)模轉(zhuǎn)換。MQ2氣體檢測層材料為二氧化錫，加熱器為鉻鎳合金，穩(wěn)定性好，使用周期長。其數(shù)據(jù)檢測值與空氣中煙霧濃度呈負(fù)相關(guān)，可運(yùn)用這一特性計(jì)算空氣中煙霧濃度準(zhǔn)確數(shù)值。

1.7 PM2.5模塊

本設(shè)計(jì)使用GP2Y1010AU灰塵傳感器對PM2.5濃度進(jìn)行檢測，該模塊工作電壓為3.3～5 V，其原理與MQ2相同，都為模數(shù)轉(zhuǎn)換。其采樣時(shí)間間隔為0.28 ms，極為靈敏，檢測數(shù)據(jù)與空氣中PM2.5濃度呈正相關(guān)，可利用這一特性結(jié)合輸出電壓值來計(jì)算得到準(zhǔn)確的PM2.5數(shù)值。

1.8 繼電器

本設(shè)計(jì)使用直流1路繼電器控制空調(diào)開關(guān)，其工作原理為小電流控制大電流，直接控制各種設(shè)備和負(fù)載，該模塊工作電壓為5 V。當(dāng)信號觸發(fā)端有低電平觸發(fā)時(shí)，公共端與常開端會(huì)接通，設(shè)備通電并工作，該設(shè)備控制區(qū)域與負(fù)載區(qū)域有隔離槽，安全性能較高。

1.9 室內(nèi)照明

本設(shè)計(jì)使用三色RGB燈模擬室內(nèi)照明，每兩種顏色燈同時(shí)打開能構(gòu)成第三種不同的顏色，全部打開則為全彩燈，其工作電壓為3.3～5 V。在實(shí)際應(yīng)用中該部分可接室內(nèi)燈，并通過1.8小節(jié)中的繼電器實(shí)現(xiàn)控制。

1.10 窗簾電機(jī)

窗簾部分使用42YG34-401A插線式直流二相四線電機(jī)控制，其工作電壓為9～42 V，該電機(jī)為無刷電機(jī)，相較有刷電機(jī)無噪聲且壽命更長。因其工作電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主控工作電壓，為防止電壓損壞單片機(jī)，該模塊配備了帶有隔離功能的電壓轉(zhuǎn)換器和專用電源模塊。在接收打開指令后，該模塊四線輪流置高電平，以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)打開窗簾；在關(guān)閉窗簾時(shí)，只需按照相反的順序?qū)⒁_拉高。該模塊支持PWM波控制，可通過占空比配置來控制旋轉(zhuǎn)角度。

1.11 WiFi模塊

本設(shè)計(jì)采用ESP8266模塊對設(shè)備進(jìn)行WiFi以及阿里云的連接，該模塊使用方便，工作電壓為3.3 V，通過AT指令進(jìn)行操作。為方便用戶連接WiFi，設(shè)備內(nèi)置一個(gè)WiFi名，用戶可自行創(chuàng)建該WiFi。在找不到內(nèi)置WiFi時(shí)，該設(shè)備進(jìn)入配網(wǎng)模式，用戶只需要根據(jù)屏幕操作提示，打開微信端的一鍵配網(wǎng)小程序即可完成系統(tǒng)的WiFi連接，該接口方便快捷且較為人性化，極大程度地做到了為用戶著想[15]。

1.12 LoRa模塊

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和主控之間的通信，本設(shè)計(jì)采用了ATKLORA-01模塊，該LoRa模塊為串行異步全雙工通信，工作電壓為3.3～5 V。在本設(shè)計(jì)中，LoRa模式設(shè)置為定點(diǎn)通信，通信速率為2.4 Kb/s，信道為0x17，通信范圍為0～2 km。LoRa模塊可承載大量的數(shù)據(jù)收發(fā)，其在本設(shè)計(jì)中的主要功能是將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至主控，以及將主控操作指令下發(fā)至節(jié)點(diǎn)。

1.13 LCD顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用1.3寸TFTLCD彩屏來對節(jié)點(diǎn)檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)控制器狀態(tài)進(jìn)行顯示，其分辨率為240×240，顏色為65K色，其工作電壓為3.3～5 V。該模塊采用ST7789VW驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主要原理是利用電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合背光燈構(gòu)成畫面[16]。此外，該模塊價(jià)格也相對比較低。

1.14 SD卡模塊

本設(shè)計(jì)中主控芯片ROM大小為256 KB。為了解決內(nèi)存不足問題，本設(shè)計(jì)采用Micro SD卡模塊，外接SD卡作為外擴(kuò)內(nèi)存。該模塊工作電壓為3.3～5 V，使用SPI串行同步通信，通過各種指令進(jìn)行讀寫，主要存放占用內(nèi)存較大的MP3語音、字庫、圖片等文件。為方便操作，本設(shè)計(jì)采用了FatFs文件操作系統(tǒng)，通過該操作系統(tǒng)，文件解碼更為快捷，極大地節(jié)省了資源占用時(shí)間。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)第一次上電后，先對各部件進(jìn)行初始化，各部件初始化完畢并成功連接阿里云平臺(tái)后，節(jié)點(diǎn)開始讀取傳感器數(shù)據(jù)以及各個(gè)控制器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，要檢測的環(huán)境數(shù)據(jù)為PM2.5濃度、空氣溫濕度、光強(qiáng)度和煙霧濃度，在經(jīng)過校驗(yàn)和數(shù)據(jù)過濾后通過LoRa模塊發(fā)送至主控。此時(shí)主控循環(huán)判斷是否收到對節(jié)點(diǎn)電器的調(diào)控指令，指令格式為語音及網(wǎng)頁端消息，若收到指令則將其下發(fā)給節(jié)點(diǎn)做出對應(yīng)控制，并播報(bào)相關(guān)語音。最后主控將收到的傳感器數(shù)據(jù)以及節(jié)點(diǎn)電器狀態(tài)顯示到LCD屏幕上，并通過MQTT協(xié)議將這些數(shù)據(jù)上傳到阿里云端。系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。通過阿里云界面網(wǎng)頁端可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境數(shù)據(jù)并做出電器調(diào)整。阿里云Web界面如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)總體軟件流程

圖3 阿里云Web界面

2.2 調(diào)控裝置軟件設(shè)計(jì)

調(diào)控裝置軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示，在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，主機(jī)循環(huán)掃描是否接到調(diào)控請求。請求格式分為兩種：網(wǎng)頁端和語音識別請求。

圖4 調(diào)控裝置軟件流程

用戶在網(wǎng)頁端開關(guān)虛擬按鍵時(shí)，進(jìn)行操作一：數(shù)據(jù)以JSON格式下發(fā)到主控，主控經(jīng)過解析轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制。接著進(jìn)行操作二：數(shù)據(jù)解析為16進(jìn)制，并通過LoRa通信下發(fā)到節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，識別消息后讓控制器做出對應(yīng)反應(yīng)?？烧{(diào)控電器有三種，分別為RGB燈、空調(diào)（繼電器）和窗簾（直流無刷電機(jī)）。在調(diào)控完畢后，會(huì)通過返回值以及文件操作系統(tǒng)調(diào)用SD卡中的MP3文件，做出語音提示電器已打開或已關(guān)閉，并以同樣的數(shù)據(jù)處理方式原路反向?qū)⒖刂破鳡顟B(tài)返回至主控屏幕，并上傳至阿里云端。

在收到語音調(diào)控命令時(shí)，則會(huì)對語音進(jìn)行拼音比對，同時(shí)通過垃圾關(guān)鍵詞過濾錯(cuò)誤語音，比對成功后操作同操作二。

2.3 WiFi及阿里云連接軟件設(shè)計(jì)

WiFi及阿里云連接軟件流程如圖5所示。用戶連接WiFi有如下兩種方式：

圖5 WiFi及阿里云連接軟件流程

（1）方式一：在主控板編程中，該設(shè)計(jì)內(nèi)置了一個(gè)名為SmartCloud的WiFi，密碼為12345678，用戶可將家庭WiFi及密碼改成該格式，這樣主控上電后會(huì)自動(dòng)掃描連接這個(gè)WiFi，之后通過MQTT協(xié)議進(jìn)行報(bào)文操作連接阿里云。

（2）方式二：在經(jīng)過1 min的掃描后，若未掃描到內(nèi)置WiFi，則設(shè)備進(jìn)入SmartConfig模式，并在屏幕上提醒用戶打開微信小程序的一鍵配網(wǎng)模式，選擇AirKiss模式，輸入WiFi名和密碼，點(diǎn)擊即可完成主控板WiFi的連接，隨后同方式一，自動(dòng)進(jìn)行阿里云連接。

3 結(jié) 語

本文介紹了一種基于阿里云的智能云家居語音交互系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)在應(yīng)用方面功能齊全，兼具靈活性和實(shí)用性，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)板上有預(yù)留端口，可繼續(xù)增加傳感器和控制器設(shè)備，為未來的進(jìn)一步改進(jìn)提供了可能。同時(shí)本設(shè)計(jì)款式新穎，最大的亮點(diǎn)是語音交互和網(wǎng)頁控制，以中程、遠(yuǎn)程操控的方式，讓用戶擺脫了距離的束縛。