王曉 關(guān)雷

摘? 要：智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)主控模塊選擇STM32F103VET6單片機(jī)作為核心處理器，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建公寓內(nèi)部無線通信網(wǎng)絡(luò)，集成無線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控、語音交互與控制、人臉識別與檢測、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶智能顯示等模塊和功能。采用ESP8266模塊組建智慧物聯(lián)公寓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過手機(jī)APP控制LED燈亮滅、風(fēng)扇啟停等；通過語音交互與控制模塊LD3320可以實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的語音交互與控制功能等。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET6；物聯(lián)網(wǎng)；語音交互與控制

中圖分類號：TP27? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0158-04

Abstract： The main control module of the smart Internet of Things apartment system selects STM32F103VET6 Single-Chip Microcomputer as the core processor， and uses the Internet of Things technology to build the wireless communication network inside the apartment， and integrates wireless communication and remote monitoring， voice interaction and control， face recognition and detection， （smoke， rain， temperature and humidity， etc.） sensor information acquisition and control， OLED LCD intelligent display and other modules and functions. The ESP8266 module is used to build the smart Internet of Things apartment network system. The LED light on and off and the fan on and off are controlled through the mobile APP. The voice interaction and control module LD3320 can realize the voice interaction and control functions of the smart Internet of Things apartment system.

Keywords： STM32F103VET6; Internet of Things; voice interaction and control

0? 引? 言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和自動控制等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們在生活的各個方面都充分體驗(yàn)到了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)帶來的便利，特別是智能便捷的公寓生活環(huán)境——智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)。本課題研究一種具有無線通信、人臉識別、溫濕度檢測以及防火防盜等多項(xiàng)功能的智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)，旨在為人們提供一個輕松便捷、溫馨舒適、安全智能的公寓環(huán)境。

1? 智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

1）技術(shù)上更智能。目前，傳統(tǒng)的家居、公寓系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施依然比較落后，語音識別、人工智能、遠(yuǎn)程監(jiān)控等現(xiàn)代智能技術(shù)還沒有得到普及和應(yīng)用，相信將來的智慧公寓系統(tǒng)將會變得更加智能。

2）生態(tài)上更開放。因?yàn)橹腔畚锫?lián)公寓跟手機(jī)不同，由于各家廠商之間互不兼容，公寓系統(tǒng)存在相當(dāng)大的局限性。因此，想要更加成熟穩(wěn)定的發(fā)展，未來的智慧物聯(lián)公寓生態(tài)肯定要開放。

3）功能上更“慵懶”。智慧物聯(lián)公寓最剛需也最能打動人心的地方，就是貼合人類“懶”的本性，可有效提高生活幸福感，比如電動窗簾、智能門鎖、智能音箱、掃地機(jī)器人等產(chǎn)品。

4）生活上更便捷。智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)可以通過語音交互、無線通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測和控制，生活更加方便，提高生活品質(zhì)。

5）聯(lián)網(wǎng)上更廣泛。國家一直著力于推進(jìn)“智慧城市”系統(tǒng)工程，打造信息化的城市連接，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，“物物相連”的智慧公寓在未來某一天終將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2? 系統(tǒng)整體研發(fā)方案

智慧物聯(lián)網(wǎng)公寓系統(tǒng)主要集成中央處理器STM32F103

VET6、電源模塊、人臉識別模塊、煙霧報警模塊、溫濕度檢測模塊、OLED顯示模塊和語音播報模塊等模塊，系統(tǒng)整體研發(fā)方案如圖1所示。

1）無線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控：采用ESP8266模塊組建智慧物聯(lián)公寓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物物相連，通過手機(jī)APP控制LED燈亮滅、風(fēng)扇啟停等。

2）智能語音交互與控制：通過語音交互與控制模塊LD3320可以實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的語音交互與控制功能，如通過語音控制LED等亮滅、電機(jī)開啟和關(guān)閉風(fēng)扇等。

3）人臉識別與檢測：本研發(fā)項(xiàng)目視覺模塊采用OpenMV攝像頭作為人臉識別與檢測傳感器采用LBP算法（具有旋轉(zhuǎn)不變性和灰度不變性等優(yōu)點(diǎn)），檢測人臉灰度圖像。當(dāng)攝像頭開始工作時，拍攝四次圖像，并將四次的平均值與圖庫中已經(jīng)建立的人臉灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，當(dāng)差異度較小時，向主控端發(fā)送數(shù)據(jù)，打開門禁系統(tǒng)，否則提示人臉檢測失敗。

4）（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制：如當(dāng)煙霧傳感器模塊MQ-2檢測環(huán)境煙霧濃度過高時，通過OLED液晶屏顯示煙霧濃度數(shù)據(jù)，自動開啟風(fēng)扇加強(qiáng)空氣流通，同時也會發(fā)出消息上傳數(shù)據(jù)到用戶的手機(jī)APP上，提醒在外用戶。

5）OLED液晶屏信息采集與智能顯示：通過OLED液晶智能顯示模塊可以實(shí)時直觀、清晰地智能顯示溫濕度、煙霧濃度等環(huán)境信息。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)整體研發(fā)與設(shè)計方案選擇STM32F

103VET6單片機(jī)作為核心控制器，集成無線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能語音交互與控制、人臉識別與檢測、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶屏信息采集與智能顯示、電機(jī)驅(qū)動與控制等模塊和功能。

3.1? 煙霧報警器電路設(shè)計

采用MQ-2煙霧采集與報警模塊作為智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的煙霧傳感器，當(dāng)我們生活的公寓可燃性氣體（如甲烷）濃度超過一定程度時，MQ-2煙霧傳感器的電導(dǎo)率就會增大，電路中電流就會增大，從而進(jìn)行報警。

本研發(fā)項(xiàng)目主要通過煙霧傳感器模塊實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報警功能，將環(huán)境中煙霧和可燃性氣體濃度轉(zhuǎn)換為煙霧傳感器電導(dǎo)率的變化。MQ-2氣體傳感器同樣對天然氣、液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度也很高，還可以檢測CO等一些有害氣體，檢測效果理想。

當(dāng)煙霧濃度過高時，MQ-2氣體傳感器溫度越來越高，響應(yīng)時間也越來越快，當(dāng)煙霧濃度變大時，adc煙霧采集，將采集到的煙霧上傳到OLEDD顯示屏上，同時由于也采用了語音交互功能，可以通過語音來啟動電機(jī)帶動風(fēng)扇的運(yùn)作以及打開窗簾，同時也會發(fā)出一道消息傳到用戶的手機(jī)APP上，提醒在外的用戶。煙霧傳感器電路原理圖分別如圖2所示。

3.2? 語音識別電路設(shè)計

語音識別技術(shù)（Automatic Speech Recognition， ASR）是涉及自然語言學(xué)、生理學(xué)、人工智能、信號與信息處理等多種技術(shù)交叉融合而產(chǎn)生的一門新興技術(shù)，通過詞錯誤率和準(zhǔn)確率兩個指標(biāo)來進(jìn)行度量，在智慧公寓、智慧教育、智慧城市、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。在語音信號識別與處理過程中可以采用快速傅里葉變換等相關(guān)技術(shù)將時域語音信號轉(zhuǎn)換為頻域語音信號，得到語音信號頻譜圖像。語音識別模塊LD3320模塊由3.3 V、5 V、TXD、RXD、GND由五個引腳組成，兼容3.3 V和5 V電壓，通過串口通信技術(shù)與單片機(jī)STM32F103VET6進(jìn)行通信。LD3320模塊芯片內(nèi)部集成語音識別與處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、麥克風(fēng)語音信號處理電路等。

LD3320語音識別模塊通過“關(guān)鍵詞語列表”達(dá)到語音識別的目的，可以對經(jīng)過麥克風(fēng)輸入的聲音實(shí)施頻譜進(jìn)行分析，匹配關(guān)鍵詞語列表中的關(guān)鍵詞，而每個關(guān)鍵詞語句對應(yīng)一個識別碼，從而進(jìn)行語音控制。語音識別實(shí)物圖和電路原理圖分別如圖3所示。

3.3? 人臉識別電路設(shè)計

OpenMV是一個小巧的機(jī)器視覺模塊，以O(shè)V7725為攝像頭芯片，用C語言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法，同時提供Python編程接口，方便開發(fā)，同時具備高效、低功耗的功能。

人臉識別涉及計算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理、信號與信息處理等相關(guān)技術(shù)，采集人臉圖像形成人臉數(shù)據(jù)庫。當(dāng)系統(tǒng)再次捕捉到人臉圖像時會與數(shù)據(jù)庫保存的人臉圖像進(jìn)行檢測和比對，如果再次采集到的人臉圖像與數(shù)據(jù)庫中的人臉圖像匹配成功，則人臉識別通過，否則需要重新采集和比對人臉圖像。人臉識別主要用于身份驗(yàn)證，比如機(jī)場、車站、政府機(jī)關(guān)等。人臉識別模塊電路原理圖分別如圖4所示。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計與測試

智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)整體研發(fā)與設(shè)計方案選擇STM32F

103VET6單片機(jī)作為核心控制器，集成無線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能語音交互與控制、人臉識別與檢測、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶屏信息采集與智能顯示、電機(jī)驅(qū)動與控制等模塊和功能。具備智能控制、安全可靠、操作方便、簡約美觀等優(yōu)點(diǎn)。

1）智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)會采集和錄入人臉數(shù)據(jù)，形成人臉數(shù)據(jù)庫，當(dāng)學(xué)生回到公寓時，攝像頭會掃描人臉進(jìn)行比對，如果比對成功，驅(qū)動電機(jī)打開門禁系統(tǒng)，如果檢測失敗，會通過語音提示：“人臉檢測失敗，請重新掃描”。

2）通過語音交互與控制模塊LD3320可以實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的語音交互與控制功能，如通過語音控制LED等亮滅、電機(jī)開啟和關(guān)閉風(fēng)扇等。

3）系統(tǒng)集成（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制模塊。如，當(dāng)煙霧傳感器模塊MQ-2檢測環(huán)境煙霧濃度過高時，通過OLED液晶屏顯示煙霧濃度數(shù)據(jù)，自動開啟風(fēng)扇加強(qiáng)空氣流通，同時也會發(fā)出消息上傳數(shù)據(jù)到用戶的手機(jī)APP上，提醒在外用戶；當(dāng)雨滴傳感器采集到水滴時，自動驅(qū)動電機(jī)關(guān)閉窗簾；當(dāng)DHT11溫濕度傳感器檢測周邊環(huán)境溫度與濕度數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，將檢測的數(shù)值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的自動控制。

4）通過OLED液晶智能顯示模塊可以實(shí)時直觀、清晰地智能顯示溫濕度、煙霧濃度等環(huán)境信息。

智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)流程圖具體如圖5所示。

下面以溫濕度采集為例進(jìn)行系統(tǒng)測試。DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出低電平54微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖?。但DHT11內(nèi)部重測環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號的到來。

顯示DHT11溫濕度傳感器的參數(shù)使用OLED，當(dāng)溫度高于30攝氏度時，開啟小風(fēng)扇，進(jìn)行降溫；當(dāng)溫度低于10攝氏度時，電熱絲加熱；當(dāng)濕度小于40%時，開啟加濕器，使空氣保持濕潤；當(dāng)濕度過高時，則進(jìn)行干燥處理，即開窗通風(fēng)。溫濕度數(shù)據(jù)信息可以實(shí)時顯示在OLED液晶顯示屏上。溫濕度采集與調(diào)試程序控制界面如圖6所示。

基于STM32的智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)整體運(yùn)行實(shí)物如圖7所示。

5? 結(jié)? 論

基于STM32的智慧物聯(lián)網(wǎng)公寓系統(tǒng)的研究與設(shè)計主要包括中央處理器STM32F103VET6、電源模塊、人臉識別模塊、煙霧報警模塊、溫濕度檢測模塊、OLED顯示模塊和語音播報模塊等。本研發(fā)項(xiàng)目以O(shè)penMV為人臉識別的核心芯片，用C語言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法，以STM32F103VET6為系統(tǒng)邏輯控制芯片，同時加入語音播報模塊、溫濕度檢測模塊、煙霧報警模塊等。功能模式分別是人臉識別、溫濕度檢測、煙霧報警、語音播報。人臉識別采用OpenMV，實(shí)現(xiàn)了對人臉信息的實(shí)時錄入，方便了人臉識別的管理。硬件方面系統(tǒng)還加入了語音播報模塊、溫濕度檢測模塊、煙霧報警模塊、OLED顯示等，系統(tǒng)界面簡潔操作簡單，同時具備語音播報功能，智能化程度高。

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作者簡介：王曉（1990.06—），男，漢族，山東泰安人，專技11級/電子信息工程技術(shù)專任教師，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。