一種基于STM32 的智能家居控制系統(tǒng)

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

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(dòng)化的概念，對(duì)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(gè)設(shè)備可以控制家里的各種電子設(shè)備，實(shí)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(yǔ)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(duì)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(shí)別+語(yǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)單個(gè)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(shí)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(shí)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(hào)，進(jìn)行信號(hào)的傳輸與控制。

目前智能控制也面臨大數(shù)據(jù)時(shí)代不可回避的一個(gè)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(duì)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(shí)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(yǔ)音識(shí)別

語(yǔ)音輸入后經(jīng)預(yù)處理、信號(hào)特征提取、匹配模式三個(gè)步驟得出識(shí)別結(jié)果。其中預(yù)處理是將模擬信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)，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(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別系統(tǒng)大致有4 個(gè)模塊，分別是人臉圖像采集、預(yù)處理、特征提取、識(shí)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(shí)別環(huán)節(jié)是通過所得二進(jìn)制特征值識(shí)別的。[9]

3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 智能家居系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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(shí)別藍(lán)牙信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、光度、人臉、室內(nèi)溫度與濕度等。[10]

系統(tǒng)指標(biāo)如下：

（1）語(yǔ)音準(zhǔn)確率75%以上；

（2）人臉識(shí)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(shí)低于20%；

（5）光強(qiáng)傳感器通過轉(zhuǎn)換，能檢測(cè)3 級(jí)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(gè)16位定時(shí)器、2 個(gè)32 位定時(shí)器、3 個(gè)SPI、兩個(gè)全雙工I2S、3 個(gè)IIC、6 個(gè)串口、2 個(gè)USB、3 個(gè)ADC、2 個(gè)DAC、1 個(gè)RTC、1 個(gè)SDIO 接口、1 個(gè)FSMC 接口、1 個(gè)100M 以太網(wǎng)MAC 控制器、1 個(gè)內(nèi)嵌攝像頭、1 個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與固定設(shè)備之間的連接，且可以連接多臺(tái)設(shè)備，克服了同步困難的問題。

家居系統(tǒng)控制要求實(shí)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(jiǎn)述

系統(tǒng)藍(lán)牙與語(yǔ)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(shí)現(xiàn)root 注冊(cè)。

2）獲得權(quán)限用戶可以添加/刪除成員。3）若被非法注冊(cè)，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(yǔ)音+人臉識(shí)別開/關(guān)門；

（4）語(yǔ)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(shí)刻監(jiān)察家中的溫度/濕度，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。

3.5 硬件設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(shí)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(hào)輸出，不用外接ADC，較為方便。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容

該系統(tǒng)將模擬幾個(gè)生活中常見的情況，進(jìn)行測(cè)試。

（1）住戶回家人臉識(shí)別+語(yǔ)音控制開門；

（2）住戶回家LCD 屏顯示溫濕度；

（3）語(yǔ)音控制燈、風(fēng)扇、音樂等；

（4）地震報(bào)警；

（5）使用手機(jī)控制家電。

4.2 藍(lán)牙部分調(diào)試

測(cè)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(gè)設(shè)備連接，防止系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。

4.3 語(yǔ)音控制部分調(diào)試

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

早上：識(shí)別13 次，準(zhǔn)確率65%。

中午：識(shí)別19 次，準(zhǔn)確率95%。

晚上：識(shí)別20 次，準(zhǔn)確率100%。

從上結(jié)果知，早上可能因溫度原因測(cè)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(shí)別部分測(cè)試

測(cè)試內(nèi)容：人臉識(shí)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(cè)試

測(cè)試內(nèi)容：搖動(dòng)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)是否出現(xiàn)報(bào)警聲。

當(dāng)系統(tǒng)搖晃到一定角度時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)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(jì)了智能家居系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，能夠方便、高效、安全的對(duì)家電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng),FSMC_NE3 接SRAM)

5.串口1

6.串口3

7.定時(shí)器TIM1,TIM2,TIM3,TIM6,TIM7,TIM12

8.RTC(實(shí)時(shí)時(shí)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)

12.24 C02(IIC 連接在PB8/PB9 上面)

13.DS18B20 傳感器一個(gè)(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