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智能家居系统的设计与开发

2023-09-01 81 上传者：管理员

摘要：为了实现现代家居便利化，智能化的目的，本文提出一种智能家居设计方案。该方案将核心控制器使用嵌入式单片机STM32系列芯片，主要功能模块采用智能语音控制对传统普通话进行识别，并采用温湿度传感器来保证数据进行有效传输。经过测试与分析，运用该方案能节省家居设计成本以及减少设计时间，具有良好的稳定性和可扩展性。

关键词：
嵌入式单片机STM32
工程设计
智能家居
智能设备
智能语音控制
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1、引言

随着智能家居的发展，在我国家居市场上，家具体现出越来越多的智能化设计，但是符合老年人或者专为老年人研发的智能家居仍很少[1]。根据社会调查，我国老龄化人群日益增多，由于老年人身体素质逐渐降低，部分老年人身体行动不方便，设计符合其身体特征的家居尤为必要。本文从老年人身体机能的逐渐退化及活动不便的角度出发，使用智能家居技术进行设计，实现对家居家电的智能语音控制、灯光控制等，以及利用时钟模块定时提醒老人吃药、按时锻炼等功能。与目前研发较多的集群管理的智能窗系统智能窗相比[2]，本系统设计更贴近老年人生活，集成度更高，综合性功能较多。

2、系统硬件

图1硬件系统结构图

主控单元是嵌入式单片机STM32F103系列芯片，作为主控制器控制中心。其采用一体化总线设计，使用温湿度传感器对温湿度数据信号进行采集。主要组成包括温湿度传感器模块、无线通信模块、智能语音模块、温湿度检模块、光照采集模块、时钟模块、风扇驱动电路、继电器驱动电路、报警电路等。硬件图框如图1所示，核心板电路如图2所示。

图2单片机核心板电路

2.1温湿度传感器模块

本模块为DH11温湿度传感器。利用电阻式感湿元件和NTC(Negative Temperature Coefficient）测温元件，可以准确地实现对温度和湿度参数的检测[3]，可靠性稳定性强。传感器工作电压为V5，平均最大电流为.0 5m A[4]，可测量湿度测量范围为20～90%RH，可测量温度在0～50℃范围。如果测量值超出范围，则由报警回路报警。

工作时，单片机发送开始信号，DHT11模块输出响应信号，数据为40bit位。格式为：湿度信号整数部分8bit，小数部分8bit，温度信号整数部分8bit，小数部分8bit，温度、湿度信号需要进行校验[5]。温度信号为HU，湿度信号为TE，校验和JY为8bit数据，对传输的数据进行判断和校验，是否出现错误，然后按照帧格式内容读出本次检测的信号，DHT11输出数据5字节。校验过程如下：假定湿度信号整数部分byet4为00101100，小数部分byet3为00000000，温度信号整数部分byet2为00011001，小数部分byet1为00000000，则校验和byet0为01000101。计算过程如公式（1)-(3）所示。

模块需要设置温湿度信号的阈值以及光照阈值，并进行闪存，保证掉电操作时参数不丢失。当温度超过允许时打开风扇，可通过声控控制风扇速度等级；温度较低时，风扇关闭。也可通过光照阈值设定实现室内灯光亮度等级的调整。阈值设定通过按键实现。

温湿度检测模块如图3所示。其功能是将室内温湿度数据传输给单片机，通过传感器探头将室内温湿度信号转换为电信号，通过模数转换器再转换为数字信号，经过总线传输，将采集的数据传送给单片机。传感器的引脚1、4分别接5V电源与地，引脚2接单片机的PA4引脚，实现串行数据总线连接，引脚3不接，悬空。

图3温湿度检测模块原理接线图

2.2智能语音识别模块

本模块具有很强的抗干扰能力，内部集成更高阶的语音识别算法，具有非特定语音识别功能，识别精度更高，具有很强的去噪声效果。家居环境下，识别距离在8米左右，识别率较高。本设计有通信协议，通过UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）通信界面，语音引擎根据实际运行效果反馈识别成功后的数据，用UART进行发送。UART电平转换，本模块要进行电平转换，否则电平之间不能相互兼容。转换电路如4图所示。模块连接电路如图5所示。

图4 UART电平转换转3.3V

图5智能语音识别模块连接电路

模块使用引脚PA8/TXD用于UART发送器数据输出，使用引脚PA9/RXD用于发送器数据输入，作为单片机串口总线的输入输出信号。实现语音控制前，需要设置唤醒语音。可设置“打开灯开关、关闭灯开关、亮度需调亮、打开风扇、提高风扇转速”等语音，实现声控的自动控制。

2.3无线通信模块

图6 5V转3V3电路

本设计无线通信模块采用无线WiFi模块ESP8266、蓝牙模块、红外收发ZIGBEE模块、红外模块。这些模块都是串口通信[6]，但是有不同线序，需要采用转接板将线序统一实用蓝牙串口模块，因此不需要设计制定新的电路板[7]。使用AMS117稳压降压芯片，将5V转为3.3V。具体设计如图6-图9所示。

图7红外收发模块模块

图8蓝牙模块

图9无线WIFI模块

同时可以设置手机APP连接无线模块，在手机上观察相应数据。APP可以实现工作模式切换，也可修改阈值，对家居中风扇开关及速度、灯具开关及亮度等家电实现控制。

3、软件设计

主控模块的主要功能是接收数据采集模块采集过来的数据信息，即温湿度信号、语音信号等。程序运行时，通过主控中心将采集的数据数值送到显示屏，判断家居系统中家电的状态。通过通信模块可发送信息，在APP上进行显示。整体程序设计如图10所示。

图1 0软件总体程序设计流程图

智能家居语音中控模块通过单片机PB口实现语音控制，通过PB0实现灯光控制，输出高电平对应打开照明设备，低电平对应关闭照明设备，PB1口连接风扇设备，PB2实现对风扇风速的调节。本模块需要设置语音进行唤醒，通过设置PB6实现，当PB6下降沿出现时唤醒模块。通信模块是将红外收发模块/Zigbee模块、蓝牙模块、WIFI模块使用统一的线序将TXD、RXD引脚连接到一起，与通讯模块主控MCU连接，实现通信模块与主控模块之间的数据传输[8]。

系统上电后，经过1分钟进行时钟设置。设置闹钟，或进入后台进行万年历设置，按下继电器K1可精确对万年历进行精确设置，再次按下K1进入主界面。系统所有参数跟阈值设置都可以通过数据显示，室内灯具、风扇等设备状态也可显示数据，当实时数据处于不正常状态时，会通过显示屏颜色变化进行提醒。

4、结束语

针对本文智能家居控制系统进行测试与分析，可实现对室内环境进行检测，对家电风扇、照明设备等进行语音控制，语音识别距离较远，可达8m,识别率较高。一旦室内环境异常可发出报警信号，比市面同产品智能家居能够实现更好的控制效果。同时本系统操作简便、价格便宜、稳定性好，具有良好的可扩展性，可应用于智能家具家电，跑步机，如智能冰箱、智能空调，油烟机、洗衣机、照明控制等方面，也可应用于早教机、益智产品等教育产品、智能玩具，以及现在研发的热点健康穿戴产品，如颈肩按摩椅，智能穿戴等。本设计系统的实现为面向老年人的智能家居的推广提供可能。

参考文献:

[1]章振.面向老年人的基于STM32智能家居系统设计[硕士学位论文].武汉轻工大学,武汉,2020.

[2]费叶琦等.基于树莓派和云平台的平移窗智能语音控制系统设计,机电工程技术,2021,50(11):171-174,182.

[3]黄洋,朱宗强,王银花.基于GSM智能家居控制系统分析与产品设计.电子制作,2014(10):40-41.

[4]邢晓莹.面向大数据应用的室内安全监测智能终端设计[硕士学位论文].杭州电子科技大学,杭州,2017.

[5]付根平,朱立学,等.基于STM32嵌入式老年人生活辅助智能终端设计.信息技术与信息化,2021(12):21-26.

[6]曾金,雷建云.基于Arduino的果园基地环境Web监测系统设计.物联网技术,2016,6(08):60-61.

[7]李勇舟.基于微信平台的家庭隐患报警系统软件设计与实现[硕士学位论文].华中科技大学,武汉,2015.

[8]唐玉仙.高校教学及教学设施管理系统设计[硕士学位论文].哈尔滨理工大学,哈尔滨,2019.

基金资助:福建省大学生创新创业训练项目《一种面向老年人的智能家居系统设计》(No.S202212710027)资助;

文章来源:柯舒雅,谭晓静,李楚娥.智能家居系统的设计与开发[J].福建电脑,2023,39(09):117-120.