基于語音控制和藍(lán)牙通信的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 艷，陳姝君，李 昂，王秀梅

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)家居生活的要求不再局限于簡(jiǎn)單的物質(zhì)需求，而是更加關(guān)注家居的智能化。對(duì)于用戶來說，真正智能化的家居生活是需要使機(jī)器在感應(yīng)環(huán)境的情況下，可以自身做判斷，根據(jù)實(shí)際的環(huán)境自己做出改變。真正的智能家居應(yīng)該做到真正的無感化，可以直接與其“對(duì)話”，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電家居的控制，真正打造一款無感化的智能家居系統(tǒng)[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于語音控制和藍(lán)牙通信的智能家居系統(tǒng)，通過語音和手機(jī)APP兩種方式控制彩燈亮滅、彩燈顏色及窗簾狀態(tài)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能語音控制系統(tǒng)采用無線藍(lán)牙通信的方式，分為主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。從機(jī)通過語音模塊或者手機(jī)發(fā)送信號(hào)給主機(jī)，主單片機(jī)反饋信號(hào)操控?zé)舻牧翜缗c顏色變化，同時(shí)，控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，模擬窗簾的升降，內(nèi)置光敏電阻檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境，控制室內(nèi)小夜燈的亮滅。

圖1 系統(tǒng)框圖

從機(jī)有如下兩種形式：

（1）通過智能語音模塊采集人的語音信號(hào)發(fā)送給從藍(lán)牙1；

（2）通過智能手機(jī)藍(lán)牙APP將指令發(fā)送給手機(jī)內(nèi)置的從藍(lán)牙2。

主藍(lán)牙接收從藍(lán)牙信號(hào)的控制信號(hào)，發(fā)送給單片機(jī)，再通過單片機(jī)控制彩燈的亮滅、彩燈的顏色及窗簾的升降。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能語音模塊設(shè)計(jì)

智能語音模塊使用LDV5語音識(shí)別模塊，該模塊主要包括語音芯片和微處理器。其中語音芯片采用LD3320芯片，微處理器采用STM32F103芯片。LD3320芯片是一款基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的語音識(shí)別/聲控芯片[2]。該芯片內(nèi)部集成了高精度的A/D接口，無需外接輔助的FLASH和RAM，即可實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能；并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表可動(dòng)態(tài)編輯[3-4]。STM32F103芯片是一種具有32位標(biāo)準(zhǔn)精簡(jiǎn)指令集（RISC）的處理器，其ARM內(nèi)核的高性能在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間得到了極大的體現(xiàn)；此外，其內(nèi)部集成了FLASH存儲(chǔ)、SRAM、豐富的I/O接口及先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)等[5-6]。

（1）LDV5模塊具備USB接口及TF卡讀取U盤功能；

（2）具備支持最大4G mini低速TF卡；

（3）可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，播放MP3功能，播放歌曲、對(duì)話等功能；

（4）具備串口輸出識(shí)別碼功能，支持1～12字節(jié)自定義16進(jìn)制輸出；

（5）支持口令識(shí)別方式（例如，若定義模塊為“智能家居”，只有每次說出“智能家居”后，模塊才能接收其他操作）；

（6）支持普通識(shí)別模式、按鍵觸發(fā)模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境；

（7）具備看門狗復(fù)位功能，系統(tǒng)更穩(wěn)定耐用。

模塊上有一個(gè)TF卡，在利用語音模塊時(shí)，只需對(duì)TF卡內(nèi)容進(jìn)行修改，就可對(duì)該模塊進(jìn)行操作。例如，預(yù)留了PA0-PA78個(gè)I/O口，只需簡(jiǎn)單設(shè)置TF卡中菜單文對(duì)應(yīng)的序號(hào)即可使用I/O口。每個(gè)端口具備高電平、低電平、高電平0.5 s點(diǎn)動(dòng)、高電平1 s點(diǎn)動(dòng)功能。在利用 I/O口輸出時(shí)，只關(guān)聯(lián)序號(hào)，與其他無關(guān)，序號(hào)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞識(shí)別正確，端口就會(huì)有對(duì)應(yīng)狀態(tài)輸出，不受識(shí)別碼的影響。

圖2主菜單文件中的序號(hào)1和2，分別是控制PA0端口的低電平和高電平。若利用繼電器模塊，則高電平就表示開，低電平表示關(guān)。

圖2 主菜單文件

該模塊還配備3.3 V TTL電平的串口，可以利用串口通信。在本文設(shè)計(jì)中，該模塊與從藍(lán)牙進(jìn)行通信，成功識(shí)別關(guān)鍵詞后，串口會(huì)自動(dòng)輸出識(shí)別碼，并且發(fā)送給從藍(lán)牙。識(shí)別碼可在1～12字節(jié)（16進(jìn)制格式）內(nèi)自由規(guī)定數(shù)值。如要輸出 A1 A5 11 11 5B 給串口，那么就將主菜單文件編寫修改為《1：A1 A5 11 11 5B FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF：guan bi tai deng：關(guān)臺(tái)燈.mp3》即可。最多輸出12個(gè)數(shù)據(jù)，后面跟FF，連續(xù)3個(gè)FF之前的數(shù)據(jù)為串口輸出的數(shù)據(jù)，則該識(shí)別碼長(zhǎng)度共為15 B，且必須保持該格式。

2.2 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

本文采用HC-08藍(lán)牙串口模塊，該模塊采用CC2540F256芯片，是一款基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊，具備2.4 GHz ISM的工作頻段和GFSK的調(diào)制方式。該藍(lán)牙最大發(fā)射功率的接受靈敏度達(dá)4 dBm，-93 dBm，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)80 m的遠(yuǎn)距離傳輸。

本文設(shè)計(jì)中藍(lán)牙連接方式有兩種：一種是藍(lán)牙與藍(lán)牙間的連接；另一種是藍(lán)牙與手機(jī)連接。

圖3 藍(lán)牙和藍(lán)牙的連接

（1）藍(lán)牙與藍(lán)牙的連接

藍(lán)牙與藍(lán)牙的連接通過藍(lán)牙模塊將從藍(lán)牙與主藍(lán)牙連接，如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)是由語音模塊發(fā)送指令，通過藍(lán)牙傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收信號(hào)后，采取相應(yīng)的措施操控?zé)舻牧翜绾皖伾兓?，以及?qū)動(dòng)電機(jī)改變窗簾狀態(tài)。

當(dāng)使用模塊與模塊之間的連接時(shí)，需要將藍(lán)牙和語音模塊、單片機(jī)根據(jù)圖3所示方式連接，①為語音模塊LDV5，②為主機(jī)單片機(jī)STC89C52。由于HC-O8默認(rèn)為從藍(lán)牙，所以需要對(duì)藍(lán)牙進(jìn)行設(shè)置，只要將藍(lán)牙與串口轉(zhuǎn)TTL模塊相連，使用串口調(diào)試助手通過AT指令發(fā)送“AT+ROLE=0”即可，當(dāng)藍(lán)牙斷電再上電時(shí)，即可變成主藍(lán)牙模式，從藍(lán)牙上電后，主、從藍(lán)牙會(huì)自動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)透?jìng)鞴δ堋?/p>

（2）藍(lán)牙與手機(jī)的連接

該連接方式通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)和單片機(jī)的無線傳輸，如圖4所示。手機(jī)發(fā)送指令，通過藍(lán)牙傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收信號(hào)后，采取相應(yīng)的措施實(shí)現(xiàn)操控彩燈的亮滅和顏色變化，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變窗簾狀態(tài)的要求。

圖4 模塊與手機(jī)的連接

當(dāng)使用手機(jī)與藍(lán)牙連接時(shí)，選用手機(jī)中的藍(lán)牙。手機(jī)下載藍(lán)牙助手APP，通過藍(lán)牙助手連接主藍(lán)牙，如圖5所示。由于藍(lán)牙助手默認(rèn)為16進(jìn)制，因此寫入“f8”“ff”等指令時(shí)，該指令就會(huì)發(fā)送給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)家居控制。

2.3 主微處理器設(shè)計(jì)

主機(jī)的處理器選擇STC系列的STC89C52芯片[7]。這是一種功耗較低但性能很高的芯片，具備8位CMOS微控制器，內(nèi)含8 kB可編程FLASH存儲(chǔ)器，支持ISP下載，常用于控制電路的檢測(cè)。此外，當(dāng)調(diào)試電路時(shí)，若需要重新載入程序，可通過軟件直接燒錄程序，避免多次拔插芯片，所以不會(huì)對(duì)芯片造成損壞。STC89C52總共有40個(gè)引腳，具有4 kB的FLASH片內(nèi)存儲(chǔ)器，128 B的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向I/O口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。它有空閑模式、正常模式及掉電模式等，不同模式配合不同情況，以合理分配內(nèi)部資源。

圖5 藍(lán)牙助手服務(wù)

2.4 電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)操作方便、誤差小，不超載的情況下不受重量限制，故可在與速度、位置等相關(guān)的需要控制的領(lǐng)域使用步進(jìn)電機(jī)，因此本文電機(jī)模塊采用步進(jìn)電機(jī)。其將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板采用ULN2003。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。ULN2003的每1對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器處理的數(shù)據(jù)[8]。電機(jī)模塊電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)模塊電路圖

本文采用 ULN2003 驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)端口為 P0.0（A），P0.1（B），P0.2（C），P0.3（C）。正轉(zhuǎn)次序?yàn)椋篈B組-BC組-CD組-DA組；反轉(zhuǎn)次序?yàn)椋篈B組-AD組-CD組-CB組?！?”即一個(gè)脈沖，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)都是5.625°。四相五線制步進(jìn)電機(jī)連接P0.0，P0.1，P0.2，P0.3口，分別對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)A，B，C，D四相。

2.5 彩燈模塊設(shè)計(jì)

彩燈模塊采用一個(gè)全彩LED，由紅綠藍(lán)三原色組合而成。紅燈、藍(lán)燈、綠燈分別連接單片機(jī)P1.0，P1.1，P1.2引腳，通過設(shè)置低電平點(diǎn)亮不同的引腳，實(shí)現(xiàn)顏色的變化。同時(shí)，也可通過顏色的疊加實(shí)現(xiàn)更多顏色，如開紫燈由紅燈加藍(lán)燈即可實(shí)現(xiàn)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)思路，智能語音控制系統(tǒng)有兩種操作方式。

本文設(shè)計(jì)中智能家居的控制采用兩種方式：一種是語音控制，流程如圖7所示；另一種是手機(jī)控制，流程如圖8所示。

圖7 語音控制系統(tǒng)流程圖

語音控制由人發(fā)出語音指令給語音模塊，通過藍(lán)牙傳輸給單片機(jī)，從而控制燈和窗簾。開啟語音模塊時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行初始化，當(dāng)人向語音模塊發(fā)出指令后，語音模塊檢測(cè)指令匹配度，匹配符合時(shí)，向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用MP3的語音反饋給用戶，形成人機(jī)對(duì)話模式。

手機(jī)控制通過藍(lán)牙助手發(fā)送指令，藍(lán)牙傳輸給單片機(jī)，從而進(jìn)行燈和窗簾的控制。這兩種方式都能實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的亮滅、顏色變化的控制以及控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模擬窗簾的升降。同時(shí)，內(nèi)置光敏電阻檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境，控制室內(nèi)小夜燈的亮滅。

主機(jī)中的單片機(jī)程序流程如圖9所示。當(dāng)單片機(jī)串口接收到信號(hào)時(shí)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若是需要的信號(hào)則根據(jù)信號(hào)指示進(jìn)行相應(yīng)的操作，若不是，則重新監(jiān)測(cè)串口信號(hào)。

圖8 手機(jī)控制系統(tǒng)流程圖

圖9 主機(jī)中的單片機(jī)程序流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于智能語音的家具控制系統(tǒng)，可通過語音對(duì)話和手機(jī)APP兩種模式控制家里彩燈亮滅、彩燈顏色及窗簾升降，通過光敏傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量光線的強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)智能夜燈的功能，為人們的生活提供便利。