基于STM32單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

崔浩斌，劉 偉

（中船重工縱橫科技有限公司，湖北宜昌443000）

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)的普及，5G 技術(shù)的到來以及人工智能[1]的推廣，智能家居正不斷向日常的家用電器領(lǐng)域延伸。在多元化的技術(shù)發(fā)展時代，不管是嵌入式硬件技術(shù)，還是軟件技術(shù)，技術(shù)之間的相互融合是必然趨勢。正是由于各技術(shù)間的相互整合，使得傳統(tǒng)的家用電器能夠在新技術(shù)融合的包裝下滿足人們高質(zhì)量的生活需求。智能家居控制系統(tǒng)主要是提供對家居設(shè)備的智能控制方案，從而提供高效、舒適的生活環(huán)境。技術(shù)上不必非常復(fù)雜，主要以用戶體驗(yàn)為首要指標(biāo)。在當(dāng)今節(jié)能減排、注重環(huán)保的趨勢下，智能家居系統(tǒng)的推廣可以提供更優(yōu)質(zhì)的空氣、更安全的飲用水和更節(jié)能用電的生活方式，人們在享受信息時代所帶來的便利的同時，對智能化生活方式還會激發(fā)出進(jìn)一步的需求，從而進(jìn)一步推動技術(shù)的發(fā)展。

2 系統(tǒng)工作原理

設(shè)計(jì)一款智能家居控制系統(tǒng)[2]，選用STM32 作為主控芯片，外接各模塊電路。外接集成電路模塊有Wi-Fi 無線通訊模塊、非特定人語音識別模塊、電源控制模塊等?；A(chǔ)功能需求由這幾個模塊通過導(dǎo)線與主控模塊集合在一起來實(shí)現(xiàn)，各個模塊都需要實(shí)現(xiàn)特定的功能，主控模塊則需要從各個模塊那里獲得反饋信息，再經(jīng)過解析處理，下達(dá)正確的指令，通過局域網(wǎng)絡(luò)反饋給用戶相關(guān)信息，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)控制中，主要以語音識別模塊發(fā)送特定指令來控制室內(nèi)溫度控制、采光系統(tǒng)控制等。本智能家居控制系統(tǒng)可以隨時隨地對家居環(huán)境中的智能終端進(jìn)行控制。用戶可以通過語音控制模塊來打開家里的空調(diào)、燈光等。例如，可對著語音識別模塊說：“小智，請打開空調(diào)，并設(shè)為26℃”，系統(tǒng)語音輸入模塊就會將采集到的語音模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸給STM32 主控模塊，STM32 解析處理后，通過Wi-Fi 模塊發(fā)送相應(yīng)的指令到空調(diào)終端，空調(diào)開啟，并設(shè)置為目標(biāo)溫度。此過程中語音輸入模塊與STM32 通過串口通訊，空調(diào)與STM32 通過Wi-Fi 轉(zhuǎn)串口通訊，實(shí)質(zhì)上也是串口通訊。

系統(tǒng)需要首先保證各子模塊的功能正常運(yùn)行，然后將各子模塊與主控模塊聯(lián)調(diào)組合，最后通過軟件不斷調(diào)試改善系統(tǒng)的功能。利用這些功能實(shí)現(xiàn)真正意義家居智能化，直接有效地為用戶家居生活提供便利。智能家居的控制系統(tǒng)圖如圖1 所示[3]。

圖1 智能控制系統(tǒng)示意圖

3 主要模塊簡介

系統(tǒng)具體選用STM32F103ZET6 作為主控芯片，外接各子模塊實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)。外接的主要子模塊包括非特定人語音識別模塊和Wi-Fi 模塊等[4]。

3.1 主控芯片選型

主控芯片所采用的STM32F103ZET6 是由ST公司出品的STM32 系列當(dāng)中的一款144 腳的芯片，它擁有512k 閃存控制器32 位Cortex-M3 內(nèi)核，該內(nèi)核是專門用于設(shè)計(jì)低功耗、高性能、低成本的主控芯片。64k 片內(nèi)RAM（相當(dāng)于內(nèi)存），片內(nèi)FLASH 支持在線編程（IPA），具有高達(dá)72MHz 的頻率，數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，以確保CPU 運(yùn)行速度達(dá)到最大化。片內(nèi)雙RC 晶振，提供8MHz 和32kHz 的頻率。支持片外高速（8MHz）與低速（32kHz）晶振。其中片外低速晶振可用于CPU 的實(shí)時時鐘，其自帶的后備電源引腳可用于掉電后的時鐘行走。此外還包含多達(dá)80 個IO（大部分兼容5V 邏輯），4 個通用定時器，2 個高級定時器，2 個基本定時器，3 路 SPI 接口，2 路 IIS 接口，2 路 IIC 接口，5 路 USART 等。其構(gòu)成的最小系統(tǒng)的工作原理如圖2 所示。

圖2 最小系統(tǒng)工作原理

3.2 語音識別模塊

語音識別模塊選用XFMT101，目前支持語音識別、語音合成、語音播放等功能，支持 UART 作為通信接口，功能豐富，接口簡單，完美展現(xiàn)語音技術(shù)在方案上的應(yīng)用，為用戶提供便捷的語音解決方案[5]。該模塊由訓(xùn)練和識別兩個階段組成。訓(xùn)練階段的主要工作是收集大量的語音語料，經(jīng)過預(yù)處理和特征提取后得到特征參數(shù)，通過特征建模，達(dá)到建立訓(xùn)練語音模型庫的目的；識別階段的具體工作是把輸入的語音的特征參數(shù)和模型庫中的參考模型進(jìn)行相似度對比，最后將相似度高的輸入特征作為結(jié)果輸出。從而實(shí)現(xiàn)語音識別功能。

3.3 Wi-Fi模塊

模塊集中器RAK831 是多通道高性能發(fā)射器/接收器模塊,旨在接收多個LoRa 數(shù)據(jù)包，同時在多個通道上使用不同的擴(kuò)頻因子，是一款半雙工的LoRa/LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)模塊，采用Semtech1301 芯片，支持8 個通道信道，發(fā)射功率20dBm，接收靈敏度最低-138dBm。它可以集成到網(wǎng)關(guān)中作為該網(wǎng)關(guān)的完整射頻前端，在RoLa 網(wǎng)關(guān)和大量LoRa 終端節(jié)點(diǎn)之間提供距離廣泛的穩(wěn)健通信。本模塊內(nèi)部寫入了OpenWrt 系統(tǒng)。OpenWrt 系統(tǒng)的軟件包管理提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)，并允許自定義，以適應(yīng)任何應(yīng)用程序使用該軟件包。

4 主要電路設(shè)計(jì)

4.1 電源電路設(shè)計(jì)

在電源部分的設(shè)計(jì)中，主電源選用12V 輸入，1路5V 輸出，兩路12V 輸出，總電流為5A，為控制板、Wi-Fi 模塊、語音識別模塊供電。其中控制板5V電源也可以通過USB 接口提供。部分電路如圖3 所示[6]。

圖3 電源電路示意圖

4.2 串口通訊電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是串口通訊部分。語音識別模塊、Wi-Fi 模塊通訊本質(zhì)上都是通過串口通訊。示意電路圖如圖4 所示。

圖4 串口通訊電路示意圖

5 典型接口設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

5.1.1 溫度控制接口

溫度控制采用單線智能的DS18B20 溫度傳感器，將被測溫度直接轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號輸出。溫度不需要經(jīng)電橋電路先獲得電壓模擬量再經(jīng)信號放大和A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其信息傳輸只需要1 根信號線，與控制板接口十分方便，讀寫及溫度變換的功率來自于數(shù)據(jù)線而不需要額外電源，與STM32 可以采用VCC 接外部電源，GND 接地，I/O 與STM32 的I/O 線相連；另外還可用寄生電源供電，此時，UDD 與 GND 接地，I/O 接單片機(jī) I/O。在此設(shè)計(jì)中采用的是第二種方式。

在寄生電源供電方式下，DS18B20 從單線信號線上汲取能量，過程為：在信號線DQ 處于高電平期間把能量存儲在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。

獨(dú)特的寄生電源方式有三點(diǎn)好處：

1) 進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源；

2) 可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；

3) 電路更加簡潔，僅用一根I/O 口實(shí)現(xiàn)測溫。

搜集室內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)，經(jīng)STM32 處理后，按照需求設(shè)定溫度變化的觸摸要求，打開空調(diào)制冷或制熱功能。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的觸摸要求時，就聯(lián)動收回控制命令。當(dāng)溫度高時，空調(diào)開端制冷；當(dāng)溫度低時，空調(diào)開端制熱。與設(shè)定的溫度對比，如果有偏差則發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)指令，直到與設(shè)定的溫度在允許偏差范圍內(nèi)，從而形成閉環(huán)控制。

5.1.2 Wi-Fi 控制接口

Wi-Fi 模塊SX1301 和單片機(jī)的通訊相對比較簡單，主要利用了Wi-Fi 模塊的串口（VCC 、RX、TX、GND）[7-8]。Wi-Fi 模塊的作用就是將串口轉(zhuǎn)化成無線 Wi-Fi 信號。Wi-Fi 模塊的 TXD、RXD、VDD、GND 分別連接到 STM32 的 UART_RX、UART_TX、VCC_3.3V、GND，模塊供電電壓為直流3.3V，接口信號電壓為標(biāo)準(zhǔn)串口 TTL 電平，nRESET 引腳與STM32 連接，便于必要時對模塊進(jìn)行復(fù)位操作，也可將此引腳懸空，不影響正常工作。

單片機(jī)與Wi-Fi 模塊連接，上電對Wi-Fi 模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，對Wi-Fi 模塊發(fā)送熱點(diǎn)連接指令（連接熱點(diǎn)的名稱、密碼）即可。Wi-Fi 模式工作在AP 模式，可以設(shè)置成UDP 廣播模式發(fā)送廣播信息，智能終端直接接入Wi-Fi 模塊提供的網(wǎng)絡(luò)，在同一熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線控制單片機(jī)或遠(yuǎn)程通訊。Wi-Fi模式工作在STA 模式，智能終端和Wi-Fi 模塊工作在無線路由提供的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，數(shù)據(jù)信號經(jīng)過無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

5.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

通過控制系統(tǒng)的Wi-Fi 路由得到對應(yīng)的指令，通過控制板與Wi-Fi 建立連接，系統(tǒng)采用Wi-Fi 轉(zhuǎn)串口模塊，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，由STM32 主控來解析并發(fā)出相應(yīng)的指令，因此Wi-Fi 模塊要與STM32 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并且STM32 主控和各個外設(shè)模塊之間也要進(jìn)行相互通訊。STM32 擁有很強(qiáng)的串口通訊能力，因此可以采用其串口實(shí)現(xiàn)與各個模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。需要對Wi-Fi 模塊進(jìn)行配置，本系統(tǒng)側(cè)重于局域網(wǎng)的控制。

在接收數(shù)據(jù)時，由RXD 口負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。單片機(jī)不斷對RXD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路有電平變化時，經(jīng)過芯片的判斷，確認(rèn)收到了一幀信息的起始位時，便開始一幀數(shù)據(jù)的接收過程。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)針對家居的單一功能進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì)，該智能化控制系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，突破了對傳統(tǒng)有限距離的約束，并具有很高的模塊化和可擴(kuò)展性，達(dá)到家居真正意義上的智能化，對提高人們的生活品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。智能家居前景廣闊，隨著技術(shù)的發(fā)展，在本系統(tǒng)知識基礎(chǔ)上，更細(xì)致更新穎的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的探索。