基于物聯(lián)網(wǎng)的家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王斌 付曉豹 張思卿 張寧博

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)家居的智能化與便捷化，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)及WiFi通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能居家模式與遠(yuǎn)程控制模式兩種控制模式。最后制作智能家居控制系統(tǒng)模型，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠通過語音及移動(dòng)終端對(duì)家電進(jìn)行有效的控制，不僅具有智能、便捷等特點(diǎn)，還具有廣泛的適用性。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù);語音識(shí)別;移動(dòng)終端;智能家居;ZigBee;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP309文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-03

0 引 言

各種各樣的家電改變了現(xiàn)代人的生活方式。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們所需求的家居生活越來越偏向便捷化、智能化與舒適化[1-2]，而達(dá)到智能化的關(guān)鍵在于改變家居家電的控制系統(tǒng)。目前，大多數(shù)家庭用到的依然是傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)。機(jī)械開關(guān)是一種觸控開關(guān)，存在兩方面問題：一方面，當(dāng)對(duì)家電設(shè)備（下文簡(jiǎn)稱設(shè)備）進(jìn)行控制時(shí)需要移動(dòng)到開關(guān)按鈕;另一方面，在遠(yuǎn)距離無法查看設(shè)備狀況，出門考慮是否關(guān)設(shè)備是一個(gè)普遍的困惑。而另一種普遍存在的遙控器是采用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制功能，這種方式控制距離短、控制的目標(biāo)單一，且不夠便捷。近年來，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多新型的智能控制系統(tǒng)[3-5]，主要分為兩大類：一種控制模式是語音控制系統(tǒng)，它在一定的程度上帶來了方便，但對(duì)遠(yuǎn)距離的控制束手無策[6-7];另外一種控制模式是移動(dòng)終端控制，較好的實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的控制與監(jiān)控，但在近距離情境中，就像紅外遙控器一樣需要手動(dòng)設(shè)置，不夠便捷[8-9]。針對(duì)這些問題，結(jié)合具有效率高、實(shí)時(shí)性好及處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)的嵌入式技術(shù)[10-11]，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)。該可以通過語音模塊控制設(shè)備，也可以通過WiFi模塊遠(yuǎn)程查看設(shè)備狀態(tài)或控制設(shè)備，很好地解決了目前家居設(shè)備所存在的控制問題。

1 家居控制系統(tǒng)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)是近程控制與遠(yuǎn)程控制的融合。遠(yuǎn)程控制采用的通信方式是技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的無線網(wǎng)技術(shù)WiFi。近程控制的通信方式主要分為有線和無線兩大類，結(jié)合在系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，在主控板各模塊間采用簡(jiǎn)單、有線的串口通信[12]，在主控板與設(shè)備間采用低功耗、低成本及數(shù)據(jù)傳輸可靠的ZigBee通信方式。

智能家居控制系統(tǒng)是以STM32處理器為核心，主要擴(kuò)展了語音識(shí)別模塊、WiFi模塊和ZigBee模塊三大模塊。語音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)語音控制功能;WiFi模塊實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端控制功能;ZigBee實(shí)現(xiàn)了STM32系統(tǒng)對(duì)家居設(shè)備的無線控制。該系統(tǒng)總體原理圖，如圖1所示。

該系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)機(jī)械控制的基礎(chǔ)上，增加了兩大控制模式：智能居家模式與遠(yuǎn)程控制模式。外出時(shí)，使用遠(yuǎn)程控制模式;居家時(shí)，可以選擇使用智能居家模式或遠(yuǎn)程控制模式，兩種模式通過一個(gè)機(jī)械開關(guān)進(jìn)行切換。

在智能居家模式下，語音識(shí)別模塊采集用戶發(fā)出的語音信號(hào)，再將轉(zhuǎn)換為的數(shù)字信號(hào)經(jīng)處理器傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，然后ZigBee協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線通信技術(shù)把信號(hào)傳送到對(duì)應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)的家居設(shè)備。

在遠(yuǎn)程控制模式下，移動(dòng)終端發(fā)出的控制信號(hào)通過WiFi傳送到處理器，再由處理器把指令信號(hào)傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器，然后ZigBee協(xié)調(diào)器通過無線通信技術(shù)把信號(hào)傳送到對(duì)應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)的家居設(shè)備。

2 硬件設(shè)計(jì)

通過對(duì)智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行功能分析，本文處理器選擇的是RT5350，ZigBee通信模塊選擇的是CC2530F256，語音識(shí)別識(shí)別模塊選擇的是ASR TMS-A。

RT5350是Ralink公司生產(chǎn)的一款單芯片，它內(nèi)部集成了基帶處理器、射頻、射頻功率放大器，僅需很少的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)低成本2.4 GHz IEEE 8.2.11n無線產(chǎn)品，并且可以提供更大覆蓋范圍和更高的無線吞吐量。在此次設(shè)計(jì)中，RT5350通過WiFi技術(shù)獲取移動(dòng)終端的指令信息，然后通過TTL串口把指令信息傳送到CC2530F256。

ASR TMS-A是非特定人語音識(shí)別模塊，具有識(shí)別率高、串口輸出、USB虛擬串口和兼容TF卡等特點(diǎn)。在此次設(shè)計(jì)中，ASR TMS-A把采集到的語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成特定的指令信息，然后通過TTL串口把指令信息傳送到CC2530F256。

CC2530F256是基于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，具有低功耗、處理器性能強(qiáng)及兼容多種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。在本次設(shè)計(jì)中，CC2530F256協(xié)調(diào)器通過串口獲取RT5350或語音識(shí)別模塊傳來的指令信息;再通過ZigBee技術(shù)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn);然后通過節(jié)點(diǎn)控制繼電器進(jìn)而控制家電設(shè)備。

智能家居控制系統(tǒng)主要由微控制器、語音識(shí)別及ZigBee通信組成，該系統(tǒng)信號(hào)處理示意圖，如圖2所示。該系統(tǒng)通過排針P1實(shí)現(xiàn)兩種模式切換。在遠(yuǎn)程控制模式下，控制信號(hào)從移動(dòng)終端的WiFi模塊發(fā)出，然后被RT5030的RFOIN_GO引腳接收，之后通過串口引腳MCU_TX發(fā)送給CC2530，最后通過ZigBee通信引腳RF_P發(fā)送給對(duì)應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)。在居家控制模式下，語音識(shí)別模塊ASR把語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)字信號(hào)，通過串口引腳ASR_TX發(fā)送給CC2530，然后通過ZigBee通信引腳RF_P發(fā)送給對(duì)應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件方面主要設(shè)計(jì)了RT5350的信息處理、語音模塊的信息轉(zhuǎn)換、WiFi模塊的通信、ZigBee模塊通信及移動(dòng)終端的界面。

軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。開始判斷系統(tǒng)運(yùn)行在居家模式或遠(yuǎn)程模式，對(duì)應(yīng)的語音識(shí)別模塊或移動(dòng)終端模塊把控制命令轉(zhuǎn)換成特定的7個(gè)字節(jié)，然后傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器把指令傳送給對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，最后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

RT5350開發(fā)基于Keil5集成開發(fā)環(huán)境，主要配置了串口通信模塊、WiFi通信模塊及信息處理模塊。WiFi模塊接收移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)后，通過信息處理模塊處理成特定字符，再通過串口發(fā)送給ZigBee模塊。移動(dòng)終端界面是基于jdk-8u集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的，主要設(shè)計(jì)了4個(gè)按鈕，燈的開關(guān)、窗簾的開關(guān)、風(fēng)扇的開關(guān)以及LCD的開關(guān)，按下開關(guān)向RT5350發(fā)出信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

本文根據(jù)智能家居控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了硬件電路圖、印制PCB板、設(shè)計(jì)程序代碼，并制作了家居模型。該系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖4、圖5所示。圖4為系統(tǒng)模型的正面，包含語音識(shí)別模塊、燈、風(fēng)扇、窗簾及LCD。圖5為系統(tǒng)模型的背面，包含主控板、ZigBee協(xié)調(diào)器與節(jié)點(diǎn)、繼電器。對(duì)該系統(tǒng)通電后，分別進(jìn)行了語音測(cè)試和移動(dòng)終端測(cè)試。

（1）語音測(cè)試。在居家模式下，通過語音對(duì)該系統(tǒng)下達(dá)命令，如打開/關(guān)閉電燈、打開/關(guān)閉風(fēng)扇、打開/關(guān)閉窗簾、打開/關(guān)閉LCD，對(duì)應(yīng)的繼電器能夠響應(yīng)，進(jìn)而接通或斷開相應(yīng)電器。

（2）移動(dòng)終端測(cè)試。切換到遠(yuǎn)程控制模式下，在手機(jī)端通過設(shè)計(jì)的程序，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行控制，如打開/關(guān)閉電燈、打開/關(guān)閉風(fēng)扇、打開/關(guān)閉窗簾、打開/關(guān)閉LCD，對(duì)應(yīng)的繼電器能夠響應(yīng)，進(jìn)而接通或斷開相應(yīng)電器。

經(jīng)過測(cè)試，智能家居控制系統(tǒng)能夠通過語音和手機(jī)端有效的控制相應(yīng)的電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了近距離及遠(yuǎn)距離與家居電器的智能交互。

5 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，人們的生活越來越趨向于便捷化、智能化、舒適化，本文的智能家居控制系統(tǒng)就是本著這一需求設(shè)計(jì)的。在居家模式下，只需用簡(jiǎn)短的語音可以控制電器;在遠(yuǎn)程模式下，消除了距離的限制，通過移動(dòng)終端可以隨時(shí)隨地的控制電器，這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了居家的智能性。智能家居控制系統(tǒng)主控芯片采用的是RT5350，該芯片具有良好的擴(kuò)展性，利于后期的研發(fā)和創(chuàng)新，在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以增加控制指令和傳感器，實(shí)現(xiàn)控制的多樣化和系統(tǒng)的自動(dòng)化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳致遠(yuǎn)，朱葉承，周卓泉，等. 一種基于STM32 的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（9）：138-140.

[2]趙杰，汪大鵬，徒翔. 基于STC89C52單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 求知導(dǎo)刊，2017（9）：53-54.

[3]范興隆. ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016（9）：52-56.

[4]王永坤，張建，魏文彪，等.基于STM32的家居智能藥箱[J]. 電子測(cè)試，2018（11）：12.

[5]阮文韜，張志，任曉娜.基于STC89C52的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息系統(tǒng)工程，2016（2）：129-130.

[6]許秀富，呂小南.Android手機(jī)的智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（1）：48-51.

[7]張靈健，郝萬君，陳嘉華，等.基于ZigBee的分布式家庭語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（2）：16-19.

[8]鄧昀，李朝慶，程小輝.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017，37（1）：159-165.

[9]李小孟.Android和WiFi通信在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2018，42（5）：107-111.

[10]陳渝，韓超.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[11]周勇，吳艷.嵌入式Linux家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代信息科技，2018（1）：27-29.

[12]郭文會(huì).基于單片機(jī)與RS 485通信芯片的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（9）：244-246.