王雄 劉黎 羅旭 楊鵬

摘 要 隨著科技的進(jìn)步與社會生產(chǎn)力的發(fā)展需求，人們需要提高社會運(yùn)轉(zhuǎn)效率，而多模智能控制系統(tǒng)將極大的節(jié)約社會運(yùn)轉(zhuǎn)成本。對于智能系統(tǒng)設(shè)計，普遍傾向于STM32F10X系列與STMF40X低功耗系列，本文借用STM32F407為最小系統(tǒng)，通過藍(lán)牙和語音控制以實現(xiàn)安全、便利的智能家居控制。實現(xiàn)手機(jī)控制家電：語音識別+人臉識別控制門禁;語音控制燈光、風(fēng)扇、播放音樂等，同時使家庭各設(shè)備工作狀態(tài)顯示在顯示屏上。[1]

關(guān)鍵詞 智能家居 STM32單片機(jī) 語音控制 藍(lán)牙無線技術(shù)

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0015-03

1 概述

1.1 研究背景

隨著電子產(chǎn)品大量的應(yīng)用于現(xiàn)代生活，住宅電子化出現(xiàn)，將家用的電子產(chǎn)品、通信設(shè)備、與安保防護(hù)裝置各獨(dú)立模塊集中于一體后出現(xiàn)了自動化的概念，對住宅中各種電子設(shè)備通過BUS監(jiān)視、控制管理和商用化。[2]

智能家居是人們理想化的管理環(huán)境，通過一個設(shè)備可以控制家里的各種電子設(shè)備，實現(xiàn)家庭生活的安全、智能、便利和舒適。[3]例如：人們出行在外，可以用過語音電話控制家里的空調(diào)，便于提前開空調(diào)或者出門忘記關(guān)空調(diào);回到家里可以使用手機(jī)對家里的各種照明設(shè)備進(jìn)行控制，便于提前照明;可以通過人臉識別+語音控制開關(guān)門，便于不攜帶鑰匙出門。再例如，門口智能相機(jī)可以識別有無客人來訪，確保家庭安全。智能家居的使用既節(jié)省了人力，使家居更加方便，人們生活更加舒適。[4]

1.2 智能家居的現(xiàn)狀

智能家居最初是通過紅外遙控來實現(xiàn)單個設(shè)備的控制，隨著科技的發(fā)展，智能控制需求越來越多，把各種電子設(shè)備的遙控，集于一體，以實現(xiàn)人們便利、安全的生活是發(fā)展所需。

從技術(shù)層面看，智能家居目前有三種可實施方法。第一種是BUS類，將所有儀器接入一條BUS控制，是一種全分式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。[5]第二種是無線通信技術(shù)，通過無線射頻技術(shù)與VESP協(xié)議、IRDA紅外技術(shù)、HOMERF協(xié)議、X2D技術(shù)等控制各種設(shè)備。第三種是電力線載波通信技術(shù)，通過利用現(xiàn)有的電網(wǎng)，在兩端加解調(diào)器產(chǎn)生調(diào)制信號，進(jìn)行信號的傳輸與控制。

目前智能控制也面臨大數(shù)據(jù)時代不可回避的一個安全問題，家庭物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備存在的信息可能輕易的泄露出去，對人們生活產(chǎn)生影響。為解決這一問題，人們可選擇可靠性大，安全的設(shè)備，且使用過程中一定要規(guī)范，避免出現(xiàn)其他問題。[6]

1.3 系統(tǒng)的綜述

本系統(tǒng)采用STM32作為主單片機(jī)，使用藍(lán)牙進(jìn)行無線控制，中間夾雜一些傳感器與LCD顯示屏等期間實現(xiàn)智能家居控制。

2 系統(tǒng)理論分析

2.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）通信技術(shù)，是一種小范圍內(nèi)無線連接技術(shù)，利用藍(lán)牙技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)與各設(shè)備的無線連接，從而使設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸更加迅速高效。[7]

2.2 語音識別

語音輸入后經(jīng)預(yù)處理、信號特征提取、匹配模式三個步驟得出識別結(jié)果。其中預(yù)處理是將模擬信號處理為數(shù)字信號，在經(jīng)過特征提取出相應(yīng)的二進(jìn)制值，最后得出二進(jìn)制碼進(jìn)行匹配。[8]

2.3 人臉識別技術(shù)

人臉識別系統(tǒng)大致有4個模塊，分別是人臉圖像采集、預(yù)處理、特征提取、識別。人臉圖像采集是通過攝像頭進(jìn)行采集，預(yù)處理是通過采集到的圖像進(jìn)行分析，特征提取是將采集分析得到的結(jié)果進(jìn)行特征化采集再轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值，最后識別環(huán)節(jié)是通過所得二進(jìn)制特征值識別的。[9]

3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計

3.1 智能家居系統(tǒng)整體設(shè)計

智能家居系統(tǒng)包括：+12V電源LCD顯示器、智能按鍵、SD卡、蜂鳴器、TPAD、通過STM32F407（下稱F407）控制繼電器可以控制電燈、風(fēng)扇（空調(diào)）、門鎖等。再通過F407可以識別藍(lán)牙信號、語音信號、光度、人臉、室內(nèi)溫度與濕度等。[10]

系統(tǒng)指標(biāo)如下：

（1）語音準(zhǔn)確率75%以上;

（2）人臉識別準(zhǔn)確率95%以上;

（3）藍(lán)牙準(zhǔn)確率99%以上;

（4）CPU功耗，工作時低于20%;

（5）光強(qiáng)傳感器通過轉(zhuǎn)換，能檢測3級以上的地震。

3.2 主控芯片選擇

這里我們選擇STM32F407作為主控芯片，它有FPU與DSP指令、自帶192KB SRAM、1024KB FLASH、12個16位定時器、2個32位定時器、3個SPI、兩個全雙工I2S、3個IIC、6個串口、2個USB、3個ADC、2個DAC、1個RTC、1個SDIO接口、1個FSMC接口、1個100M以太網(wǎng)MAC控制器、1個內(nèi)嵌攝像頭、1個隨機(jī)數(shù)生成器以及112通用I/O口。[11]

3.3 無線傳輸模塊

3.3.1 方案一

采用FI無線傳輸模塊。WIFI是串口傳輸，將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合WIFI無線通信的標(biāo)準(zhǔn)嵌入式模塊，可以實現(xiàn)無線智能家居控制。[12]

3.3.2 方案二

采用無線傳輸模塊。藍(lán)牙（Bluetooth）是一種標(biāo)準(zhǔn)的無線傳輸技術(shù)，可以實現(xiàn)移動設(shè)備與固定設(shè)備之間的連接，且可以連接多臺設(shè)備，克服了同步困難的問題。

家居系統(tǒng)控制要求實現(xiàn)低功耗的無線傳輸，且傳輸距離要在10-15m左右，所以選擇藍(lán)牙模塊做為無線連接最為合適。[13]

3.4 系統(tǒng)功能簡述

系統(tǒng)藍(lán)牙與語音控制，功能如下：

（1）通過智能設(shè)備控制家電;

1）手機(jī)可以發(fā)送ID到F407實現(xiàn)root注冊。

2）獲得權(quán)限用戶可以添加/刪除成員。

3）若被非法注冊，可以通過一件還原重置系統(tǒng)。

（2）利用智能家居APP可以控制開/關(guān)門、開/光燈、開/關(guān)風(fēng)扇;

（3）語音+人臉識別開/關(guān)門;

（4）語音控制開/關(guān)燈、開/關(guān)風(fēng)扇、播放/暫停音樂等功能;

（5）可以時刻監(jiān)察家中的溫度/濕度，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時會自動報警。

3.5 硬件設(shè)計部分

3.5.1 藍(lán)牙通信模塊

鑒于上述系統(tǒng)指標(biāo)，我們這里選擇HC-05藍(lán)牙模塊，38400bit/s滿足要求、5V/3.3V電源可直接接入，引出口包括VCC、GND、TXD、RXD、KEY幾個接口，較為豐富。

HC-05與單片機(jī)連接只需要4根線即可：VCC、GND、TXD、RXD，VCC和GND供電，模塊TXD和RXD與F407的RXD和TXD連接即可。

HC-05藍(lán)牙模塊接收設(shè)備發(fā)送的指令，再發(fā)送至F407，整個過程采用的是串行通信。串行通信是指數(shù)據(jù)按位串行按順序傳送的通信方式，構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)在一條通道上傳輸，以位為單位，按時間順序輸入方式。

3.5.2 攝像頭模塊

攝像頭采用OV2655，OV2655是一款圖像傳感器，體積小，工作電壓3.3V/5V，可供F407UXGA攝像頭和影像處理的所有功能。通過SCCB總線控制，可以調(diào)整輸出幀數(shù)、子采樣、窗取景等各種功能。OV（OmmiVision）公司獨(dú)特的圖像傳感器技術(shù)，可以通過減少或消除光學(xué)、電子缺陷，來提高圖像質(zhì)量。

3.5.3 光強(qiáng)傳感器模塊

本系統(tǒng)光強(qiáng)傳感模塊選擇TSL2561，其反應(yīng)速度快、功耗低、量程寬、且工作電壓為3.3V，適合F407進(jìn)行編程控制。

3.5.4 SD卡接口電路

F407的SDIO控制器支持多媒體卡、SD卡等設(shè)備。

3.5.5 溫濕傳感器

該系統(tǒng)采用SHT11作為溫濕傳感器， SHT11是一款高度集成的傳感芯片，提供全程標(biāo)量的數(shù)字信號輸出，不用外接ADC，較為方便。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 系統(tǒng)測試內(nèi)容

該系統(tǒng)將模擬幾個生活中常見的情況，進(jìn)行測試。

（1）住戶回家人臉識別+語音控制開門;

（2）住戶回家LCD屏顯示溫濕度;

（3）語音控制燈、風(fēng)扇、音樂等;

（4）地震報警;

（5）使用手機(jī)控制家電。

4.2 藍(lán)牙部分調(diào)試

測試內(nèi)容：在有效范圍內(nèi)（12m），用手機(jī)與系統(tǒng)連接，僅限一個設(shè)備連接，防止系統(tǒng)報錯。

4.3 語音控制部分調(diào)試

測試內(nèi)容：在房間內(nèi)，早中晚三次分別進(jìn)行指令測試20次，測試結(jié)果如下：

早上：識別13次，準(zhǔn)確率65%。

中午：識別19次，準(zhǔn)確率95%。

晚上：識別20次，準(zhǔn)確率100%。

從上結(jié)果知，早上可能因溫度原因測試不準(zhǔn)確，但中午晚上準(zhǔn)確率較高，符合要求。

4.4 人臉識別部分測試

測試內(nèi)容：人臉識別準(zhǔn)確率。

白天96%。

夜間81%。

符合技術(shù)指標(biāo)。

4.5 地震部分測試

測試內(nèi)容：搖動系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)是否出現(xiàn)報警聲。

當(dāng)系統(tǒng)搖晃到一定角度時，系統(tǒng)發(fā)出報警聲，符合技術(shù)指標(biāo)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過STM32F407作為主控芯片，設(shè)計了智能家居系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，能夠方便、高效、安全的對家電設(shè)備進(jìn)行實時控制，極大的提高了生活的安全性和自主創(chuàng)新性。

附錄

附錄一：硬件使用

1.DS0（連接在PF9），DS1（連接在PF10）

2.蜂鳴器（連接在PG14）

3.按鍵KEY0（PE4）/KEY1（PE3）/KEY2（PE2）/KEY_UP

4.外部SRAM（IS62WV51216，通過FSMC驅(qū)動，F(xiàn)SMC_NE3接SRAM）

5.串口1

6.串口3

7.定時器TIM1，TIM2，TIM3，TIM6，TIM7，TIM12

8.RTC（實時時鐘）

9.ADC（讀取內(nèi)部溫度傳感器）

10.WM8978（音樂播放/視頻播放/NES游戲）

11.光敏傳感器（連接在PF7）

12.24C02（IIC連接在PB8/PB9上面）

13.DS18B20傳感器一個（接在PG9上）

14.NRF24L01模塊

15. OV2655攝像頭模塊

16.USB_SLAVE接口

17.USB_HOST接口

18.LAN8720

19.SD卡

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西華大學(xué)，四川 成都