管小明，王孚貴，李士龍

（贛東學院 機械與電子工程系，江西撫州，344000）

0 引言

近年來，生活水平的提高以及人們對美好生活的追求不斷提升，使得舒適且便利的智能家居成為一種流行趨勢，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的技術又促進了智能家居系統(tǒng)的應用快速擴展，推動了傳統(tǒng)的家居模式的革新。智能家居系統(tǒng)是以家庭住宅為平臺，采用音視頻處理、自動控制、網(wǎng)絡通信等技術將家居設施綜合布線集成一體，構建成便捷高效的住宅設施事務管理系統(tǒng)[1]。配置各類傳感器，構建物聯(lián)網(wǎng)平臺，各類信息通過傳感設備進行接收、傳遞、判斷和識別信息，同時，將各種安全設備、家用電器通過互聯(lián)網(wǎng)技術有效連接起來，構建起集設備控制、安全防護、家庭通信等功能為一體化系統(tǒng)[2]。具體應用時，可以根據(jù)用戶的不同需求，提供照明控制、窗簾自動遙控、安防報警、遠程家電控制等功能[3]，以安全性為基礎，以便利性為核心，以舒適性為目標，以藝術性為特色，為用戶提供一個便捷、舒適、安全、環(huán)保的居住環(huán)境。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)設計的總體結構圖如圖1 所示，主要由STM32 微處理器作為主控單元、語音識別模塊和手機APP 為前端，煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器、光敏傳感器模塊等數(shù)據(jù)作為智能家居判斷與決策的重要依據(jù)[4]，LED 液晶顯示模塊作為智能人機交互顯示。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)框圖

STM32F103C8T6 是以ARM Cortex-M3 架構為核心的微控制器，其高速的數(shù)據(jù)處理能力可進一步提高數(shù)據(jù)的采集和語音識別能力；LD3320 語音識別模塊具有非特定人（SI)的語音識別特性[5]，該模塊識別技術應用較為成熟，可同時識別中文與英文；0.96 寸的OLED 屏通過SPI 協(xié)議及端口與STM32 通信及驅動；高性能處理器、語音識別前端、顯示屏三者共同構建了人機交互的家庭控制終端。STM32 處理器采集處理各類傳感器回傳的數(shù)據(jù)，如環(huán)境的溫濕度和煙霧濃度、光照強度，經(jīng)過分析處理后利用OLED 屏顯示，形成直觀、精確的人機交互界面，利用語音控制模塊來識別各種控制指令以實現(xiàn)各類電器的開關控制以及顯示環(huán)境參數(shù)，通過ESP8266 無線WiFi 模塊，連接家里的各種智能家居設備，或者連接到路由。收集APP 則通過連接服務器來控制各類智能家居設備，同時采集上來的信息可通過ESP8266傳送到手機APP 進行相關的操作，完成相關操作。

2 系統(tǒng)硬件設計

■2.1 STM32 單片機主控模塊

本設計選用了基于ARM Cortex-M3 內核的STM32 系列處理器，充分利用處理器的功耗低、速度快等優(yōu)勢特點，主要任務是完成各類傳感器的信息采集，數(shù)據(jù)的傳送、處理以及篩選甄別，并根據(jù)居住環(huán)境實際情況實現(xiàn)對控制對象的相關操作?？梢赃@么說，STM32F103C8T6 是整個系統(tǒng)的核心主控模塊。

■2.2 LD3320 語音識別模塊

智能語音主要指通過語音合成技術和語音識別技術，為用戶提供智能化服務。一般來說，用戶只需要用說話的方式給服務終端發(fā)送命令，就能實現(xiàn)相應的操作控制。設計采用了LD3320 芯片作為語音交互模塊，主要功能是采集語音信息轉換為相應的操作指令，并與主控模塊實現(xiàn)交互。使用時，用戶先要喊出系統(tǒng)設定的語音控制代碼“小智同學”，則可進入語音控制模式，LD3320 語音識別模塊對用戶喊出操作命令指令進行識別，與數(shù)據(jù)庫內語音指令對比分析，匹配完成后即可實現(xiàn)語音操控功能，省去用戶到處尋找遙控器的麻煩。

■2.3 信息采集模塊

信息采集模塊主要是通過各類傳感器完成室內溫濕度、照明強度、煙霧等有毒氣體的采集、處理及傳輸，為主控模塊的各種控制做判斷依據(jù)。比如，溫濕度采集模塊通過采集室內溫濕度信息，將室內溫度信息發(fā)送給主控系統(tǒng)；主控系統(tǒng)分析判斷室內溫濕度是否正常，并通過指令控制家電設備來調節(jié)室內溫度，同時在顯示器上實時顯示溫度和濕度。光敏信息采集模塊通過檢測房間內的照明強度，完成預處理、信號轉換等功能，并將信號傳輸給主控系統(tǒng)；主控系統(tǒng)根據(jù)室內光強分析判別是晚上還是白天，然后通過繼電器組控制室內燈光的亮度。煙霧傳感器模塊利用其電路特性，將電導率變化和氣體濃度轉換為對應的信號，傳給傳輸給主控系統(tǒng)；主控系統(tǒng)依據(jù)檢測室內空氣是否清潔，是否有火災的情況，綜合判別，并采取報警、自動開窗等相應的措施。

■2.4 手機遠程控制模塊

ESP8266 具有能耗低、傳輸數(shù)據(jù)快等優(yōu)勢，支持AT 語言的同時，只要通過智能云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的開源通信協(xié)議，就可以完成與云服務器的連接。這是選用ESP8266WiFi 模塊作為橋接與云服務器通信的設計依據(jù)。遠程控制模塊主要完成從主控系統(tǒng)獲取的信息上傳到云端服務器，同時也可以接收手機APP 的控制指令發(fā)送給主控系統(tǒng)。為確保系統(tǒng)的高效運行，WiFi 模塊需要實時與服務器保持聯(lián)系。電路調試時，只需要將智能云開發(fā)平臺提供的固件刷到ESP8266 串口WiFi 模塊的Flash 中即可實現(xiàn)網(wǎng)絡連接功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

基于STM32 智能家居管理系統(tǒng)軟件設計包括室內溫濕度、照明強度、煙霧等有毒氣體的數(shù)據(jù)采集、液晶屏的數(shù)據(jù)顯示等程序的編寫。主程序設計為循環(huán)執(zhí)行結構，可根據(jù)語音指令和手機APP 指令產(chǎn)生的中斷響應，STM32 芯片會進入相應中斷子程序中完成信息處理。

■3.1 主程序設計

該系統(tǒng)啟動后，首先需要完成包括WiFi 模塊、語音模塊等外部硬件的初始化。主函數(shù)主要是實現(xiàn)采集煙霧模塊的數(shù)據(jù)，通過STM32 完成對溫濕度模塊數(shù)據(jù)的讀取，并對數(shù)據(jù)進行處理和轉換，然后驅動OLED 液晶屏在相應位置顯示相關數(shù)據(jù)，WiFi 通信模塊會自動將相關數(shù)據(jù)上傳到威途云平臺服務器；手機APP 接入智能云平臺服務器實時遠程通訊獲取相關信息。中斷處理主要是通過智能云平臺將控制指令從手機APP 發(fā)送到STM32 單片機；不斷查詢WiFi 模塊，查看智能云是否有新的指令發(fā)送；當接收到新的指令時，輸入中斷處理子函數(shù)，根據(jù)不同的指令STM32 控制系統(tǒng)的相關功能模塊。同時在智能終端上設置相應的界面供用戶查看，從而實現(xiàn)對環(huán)境信息的監(jiān)控。主程序流程圖如圖2 所示。

圖2 主程序流程圖

■3.2 數(shù)據(jù)采集程序設計

溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集程序設計是STM32 和DHT11 單總線通信完成，在MCU 發(fā)出一次啟動信號后，DHT11 由低功率向高速度轉變，并將40 比特的傳感器內濕度和溫度數(shù)據(jù)以 I/O 形式傳送至單片機，進行數(shù)據(jù)采集和校驗。DHT11 在等待主啟動信號完成后，發(fā)出應答信號，并獲取一次信號，使用者可以獲取部分數(shù)據(jù)。DHT11 在沒有收到STM 的啟動信號下，不能收集溫濕度，流程圖如圖3 所示。煙霧傳感器數(shù)據(jù)采集程序設計思路可參考溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集程序設計。

圖3 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖

■3.3 語音識別程序設計

語音識別模塊LD3320 和STM32 通過串口通信，對LD3320 芯片進行喚醒詞和標志詞設定，在STM32 編寫程序進行串口通信。通過語音（一級指令)喚醒詞喚醒LD3320，傳達具體操作指令（二級指令)后再通過STM32進行完成控制，流程圖如圖4 所示。

圖4 語音識別程序流程圖

■3.4 STM32 與WiFi 模塊通訊設計

單片機和ESP8266 之間采用串口中斷方式進行通信，為方便主函數(shù)調用，需先將命令進行解碼并存儲在相應的二維數(shù)組中。WiFi 串口在接收數(shù)據(jù)的時候，首先是檢測串口有沒有發(fā)生中斷，如果發(fā)生了中斷，就開始啟動接收數(shù)據(jù)到緩存；接收完畢后通過程序算法解析或者有效的控制指令。設計時需注意，為避免數(shù)據(jù)信號重復，一旦運行通訊子程序，則需要關閉中斷響應。

4 用戶APP 開發(fā)

本設計選用集成度高、易開發(fā)的機智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，來實現(xiàn)手機用戶APP 和互聯(lián)網(wǎng)服務器的搭建開發(fā)。機智云AIoT 為APP 與設備間數(shù)據(jù)交換提供一個良好的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，從而縮短了開發(fā)時間，提高設計效率，也降低系統(tǒng)設計的難度。設計任務是用戶可以通過該APP 實時查詢家電狀態(tài)和居家環(huán)境，同時也可以發(fā)送控制信號至服務器，隨時隨地操控家用電器設備。

■4.1 APP 聯(lián)網(wǎng)與調試

在制作出實物之后并安裝好各個配件之后進行配網(wǎng)操作。打開電腦并連接網(wǎng)絡，開啟個人熱點（個人熱點頻段選擇2.4GHz)，手機連接電腦熱點，開始進行配置操作，在機智云的“我的設備”頁面中選擇一鍵配置，輸入電腦熱點賬號及密碼，進行下一步操作，對設備通電之后進入到搜索連接設備的頁面，搜索完成后就出現(xiàn)了本設備——智能家居監(jiān)測系統(tǒng)。如圖5 所示。

圖5 已連接設備圖

■4.2 手機APP 界面功能設計

各傳感模塊利用WiFi 模塊將家中的溫度、濕度等數(shù)據(jù)傳送到機智云云端，通過手機APP 可以查看溫度、濕度等數(shù)據(jù)，也可以通過手機APP 遠程控制房間的設備，例如廚房燈、客廳燈、臥室燈、電扇等電器，模塊調試顯示界面，如圖6 所示。

圖6 智能語音系統(tǒng)APP 軟件界面圖

■4.3 手機APP 數(shù)據(jù)監(jiān)控和設置

點擊進入智能家居監(jiān)測系統(tǒng)，就出現(xiàn)了具體的控制家居設備的操作頁面、設置閾值頁面以及環(huán)境中各項監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示頁面。如圖7 和圖8 所示。

圖7 控制家居設備操作頁面

圖8 設置閾值、數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示頁面

5 結論

本文的智能家居管理系統(tǒng)以STM32F103C8T6 為主控制器，基于信號采集、無線通信等技術，完成了室內溫濕度、照明強度、煙霧等有毒氣體的數(shù)據(jù)采集，語音智能識別和報警處理等模塊軟硬件設計及調試。綜合應用機智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，實現(xiàn)了家用電器通過WiFi 模塊與手機APP 的互聯(lián)互通。系統(tǒng)具有非特定人的語音識別系統(tǒng)識別、手機遠程操作等功能，對居家環(huán)境進行實時監(jiān)測和家用電器進行實時調控，實現(xiàn)了智能家居的網(wǎng)絡智能化控制。