基于ESP智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

尚 浩

(徽商職業(yè)學(xué)院電子信息系 安徽合肥 231201)

文章設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)符合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)主題思想，將多種智能控制方式融合其中，利用當(dāng)下比較流行的語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)和云平臺(tái)為基礎(chǔ)，突破傳統(tǒng)的移動(dòng)端應(yīng)用程序單一控制。其優(yōu)點(diǎn)在于使用自主選擇語(yǔ)音模塊和設(shè)計(jì)輔助電路；同時(shí)兼容市場(chǎng)占有率較高的“天貓精靈”產(chǎn)品；使用阿里云作為數(shù)據(jù)收發(fā)平臺(tái)及微信小程序功能共同實(shí)現(xiàn)全方位智能化檢測(cè)和控制系統(tǒng)。

1 基于ESP8266智能控制系統(tǒng)整體分析

該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的近距離觸摸控制技術(shù)基礎(chǔ)上，增加以wifi模塊為核心技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離語(yǔ)音控制，同時(shí)阿里云平臺(tái)環(huán)境將移動(dòng)終端應(yīng)用和微信小程序等技術(shù)方式與該系統(tǒng)進(jìn)行接入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離狀態(tài)檢測(cè)和控制。該系統(tǒng)不但能夠在日益普及的智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用，同時(shí)可以在工業(yè)生產(chǎn)中推廣和普及，具有很好的市場(chǎng)前景。智能控制系統(tǒng)整體框如圖1所示。

圖1 智能控制系框圖

用戶除了可以使用傳統(tǒng)的觸摸控制開(kāi)關(guān)控制家用電器或開(kāi)關(guān)，還可以在一定范圍內(nèi)通過(guò)喚醒語(yǔ)音模塊進(jìn)行聲音控制，比如：自主設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊或者兼容的“天貓精靈”等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)短距離語(yǔ)音控制，如用戶不在家庭中，也可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端應(yīng)用程序、微信小程序或者一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電腦控制家中的家電或者開(kāi)關(guān)。

2 硬件電路分析與設(shè)計(jì)

2.1 主模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)硬件模塊分為兩部分，一部分是具有觸摸控制功能主系統(tǒng)模塊，另一部分是通過(guò)Wifi連接的語(yǔ)音控制模塊。主系統(tǒng)模塊主要由SC04A觸摸模塊和ESP8266 Wifi模塊以及使用ESP-01S的內(nèi)置芯片控制繼電器電路。主系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框如圖2所示，實(shí)現(xiàn)通過(guò)SC04A觸摸開(kāi)關(guān)來(lái)控制繼電器，ESP-01S內(nèi)置芯片再通過(guò)wifi模塊發(fā)送繼電器的狀態(tài)。語(yǔ)音控制模塊將通過(guò)LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行算法處理后通過(guò)Wifi模塊發(fā)送到主程序，然后進(jìn)行解析和處理進(jìn)行控制，語(yǔ)音模塊控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 主系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 語(yǔ)音模塊控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 觸摸模塊和語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用SC04A觸摸感應(yīng)器作為開(kāi)關(guān)。SC04A是自帶校正的容性觸摸感應(yīng)器，可以檢測(cè)4個(gè)感應(yīng)盤(pán)檢測(cè)是否被觸摸，它可以通過(guò)任何非導(dǎo)電介質(zhì)來(lái)感應(yīng)電容變化，可以代替機(jī)械開(kāi)關(guān)，增加其使用靈敏度和使用壽命，SC04A電路原理如圖4 所示。語(yǔ)音模塊選用LD3320，該芯片是一顆基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別/聲控芯片。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括ADC、DAC、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有產(chǎn)品中，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、聲控、人機(jī)對(duì)話功能。

圖4 SC04A電路原理圖

3 智能控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于以上硬件電路，根據(jù)系統(tǒng)控制需求實(shí)現(xiàn)軟件功能，將從五個(gè)方面進(jìn)行程序設(shè)計(jì)：主系統(tǒng)程序、語(yǔ)音控制、“天貓精靈”功能接入、移動(dòng)端app應(yīng)用程序和基于MQTT協(xié)議操作臺(tái)控制程序。

3.1 主系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在主系統(tǒng)模塊中可以實(shí)現(xiàn)觸摸控制和Wifi控制。觸摸控制是由SC04A硬件模塊實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)動(dòng)觸控低電平，高電平輸出控制繼電器動(dòng)作。Wifi功能將在主程序上電開(kāi)機(jī)，初始化然后自動(dòng)搜尋設(shè)置的Wifi連接，連接不成功會(huì)自動(dòng)重連，云端顯示設(shè)備離線。連接成功會(huì)檢測(cè)串口收發(fā)消息，對(duì)收到的消息進(jìn)行判斷，是否是命令消息；如果不是，繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)串口，如果是命令消息，系統(tǒng)執(zhí)行命令，對(duì)設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)操控，并向服務(wù)器返回狀態(tài)，如果返回成功，繼續(xù)回到主線程循環(huán)，如果返回不成功，返回繼續(xù)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)配置。主程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 主系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

3.2 語(yǔ)音控制設(shè)備程序設(shè)計(jì)

基于LD3320開(kāi)發(fā)的語(yǔ)音控制設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)：語(yǔ)音信號(hào)接收；內(nèi)部芯片進(jìn)行頻譜分析、特征提取、語(yǔ)音識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別；然后與CPU人工鍵入的拼音字節(jié)進(jìn)行匹配，該方法檢測(cè)度較高，能夠有效防止方言中音調(diào)的差異。LD3320語(yǔ)音識(shí)別流程及程序流程如圖6所示。

圖6 LD3320語(yǔ)音模塊程序流程圖

3.3 “天貓精靈”程序接入

一個(gè)完善的智能控制系統(tǒng)要能與第三方接入并實(shí)現(xiàn)控制，該設(shè)計(jì)將與阿里公司的“天貓精靈”進(jìn)行對(duì)接，該對(duì)接方式“云-云”接入方式，實(shí)現(xiàn)通過(guò)“天貓精靈”控制該智能控制系統(tǒng)。該程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音訓(xùn)練“天貓精靈”操控，再通過(guò)“天貓精靈”第三方服務(wù)器傳輸?shù)阶约捍罱ǖ陌⒗镌品?wù)器，最后服務(wù)器向設(shè)備傳輸相應(yīng)的操作指令。對(duì)接核心代碼：(需補(bǔ)充幾行代碼)

圖7 “天貓精靈”程序控制流程圖

3.4 基于MQTT實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和操作臺(tái)控制程序設(shè)計(jì)

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(message queuing telemetry transport，MQTT)是一種由IBM發(fā)布基于發(fā)布/訂閱范式的“輕量級(jí)”消息協(xié)議。其是一種低占用、低帶寬的即時(shí)通訊協(xié)議，以少量代碼和寬帶為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，適用于硬件性能較低的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)糟糕的環(huán)境下，在小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等有廣泛應(yīng)用。

該設(shè)計(jì)將針對(duì)安卓操作系統(tǒng)終端和PC操作臺(tái)端進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和系統(tǒng)控制控制功能。在安卓系統(tǒng)中接入MQTT要分為6個(gè)步驟：

(1)導(dǎo)入MQTT包：implementationorg.eclipse.paho：org.eclipse.paho.client.mqttv3：1.1.0'，implementation'org.eclipse.paho：org.eclipse.paho.android.service：1.1.1'；

(2)配置MqttConnectOptions項(xiàng)；

(3)調(diào)用connect并將配置好的參數(shù)寫(xiě)入；

(4)通過(guò)指定的消息進(jìn)行消息隊(duì)列訂閱；

(5)向訂閱的topic中發(fā)布消息：實(shí)現(xiàn)代碼public void SubscribeMsg(String topic，int qos) / public void publish(String topic，String msg，boolean isRetained，int qos)；

(6)通過(guò)mqttCallBack的回調(diào)對(duì)接收到的消息進(jìn)行處理。移動(dòng)終端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖8所示，PC平臺(tái)控制端程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖9所示。

圖8 移動(dòng)終端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

圖9 PC操作臺(tái)控制

MQTT協(xié)議在同主題下所有的訂閱方都能收到消息， APP作為訂閱方和發(fā)布方。APP可以向服務(wù)器發(fā)送設(shè)備執(zhí)行指令，自己也可以收到設(shè)備的反饋指令，判斷反饋指令來(lái)顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

硬件電路和軟件程序?qū)崿F(xiàn)完成后，將對(duì)整個(gè)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作控制，選取臺(tái)燈、風(fēng)扇和繼電器作為三路開(kāi)關(guān)的作為受控端，采用觸摸控制、語(yǔ)音模塊控制、“天貓精靈”、PC操作臺(tái)進(jìn)行控制多重控制，驗(yàn)證其數(shù)據(jù)及控制有效性。圖10為實(shí)物硬件搭建圖，圖11為PC操作臺(tái)控制應(yīng)用及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示。通過(guò)測(cè)試和調(diào)整，重點(diǎn)低延時(shí)和數(shù)據(jù)等待時(shí)間，智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作。

圖10 實(shí)物硬件測(cè)試圖

圖11 PC操作臺(tái)控制應(yīng)用

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)使基于智能家居控制為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的融合。將當(dāng)下流行語(yǔ)音識(shí)別和云平臺(tái)結(jié)合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)受控端的無(wú)逢對(duì)接和完美兼容。在未來(lái)的工作中接入第三方物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及危險(xiǎn)的的礦山作業(yè)等行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用，提供智能檢測(cè)的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制和無(wú)人值守操作，確保人們生命安全和效率最大化。