一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)

陳致遠(yuǎn),朱葉承,周卓泉,祝 磊

(1.杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.杭州電子科技大學(xué) 生命信息與儀器工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

智能家居(又稱智能住宅)是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，是融合了自動(dòng)化控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體的家居控制系統(tǒng)。近年來，隨著人們生活水平的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向[1]。因此在實(shí)現(xiàn)智能控制的同時(shí)，研制一個(gè)成本低、實(shí)用性強(qiáng)的智能家居系統(tǒng)便顯得非常有必要。

本文以STM32單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一套智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以語音識(shí)別、GSM通信等技術(shù)為基礎(chǔ)，通過無線通信、串口通信對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行串聯(lián)，用戶可通過門禁密碼鎖驗(yàn)證身份后進(jìn)入智能家居系統(tǒng)，利用總控制臺(tái)設(shè)定室內(nèi)家居的狀態(tài)，亦可借助觸屏手持設(shè)備、GSM手機(jī)等對(duì)室內(nèi)家居進(jìn)行手動(dòng)或語音控制。

1 智能家居系統(tǒng)硬件平臺(tái)

建立智能家居控制系統(tǒng),硬件是關(guān)鍵和基礎(chǔ)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制和反饋的準(zhǔn)確性、節(jié)能性都有直接影響。本智能家居系統(tǒng)選用了以下硬件設(shè)備：

(1)STM32F103VET6微處理器及STC12-C5A60S2微處理器

系統(tǒng)中手持設(shè)備的微處理器選用STM32F103VET6，總控制臺(tái)及門禁密碼鎖部分選用STC12C5A60S2。

STM32F103VET6基于ARM Cortex M3 32 bit的RISC內(nèi)核,工作頻率最高可達(dá)72 MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM),豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接2條APB總線的外設(shè)[2]。

STC12C5A60S2是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路 PWM、8路高速 10位 A/D轉(zhuǎn)換。

(2)語音識(shí)別芯片 LD3320

LD3320芯片是一款語音識(shí)別專用芯片。該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路,包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等?？梢詫?shí)現(xiàn)語音識(shí)別、聲控及人機(jī)對(duì)話功能，并且可以任意動(dòng)態(tài)編輯、識(shí)別關(guān)鍵詞語列表。

(3)GSM模塊TC35

TC35是一款雙頻 900 MHz、1 800 MHz高度集成的GSM模塊，具有性能穩(wěn)定，功耗低及易于集成的特點(diǎn)。

(4)無線模塊nRF24L01

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段之間。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器及調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。

(5)3.2英寸TFT真彩觸摸屏顯示模塊

該模塊功耗低,支持 8 bit、16 bit總線接口,模擬 I/O控制，彩屏模塊上配置ADS7843觸摸控制器,支持一個(gè)SD卡（SPI方式），支持一個(gè)SPI的DATA Flash,構(gòu)成人機(jī)交互圖形界面。

2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本智能家居系統(tǒng)主要包括手持設(shè)備、總控制臺(tái)、門禁密碼鎖3個(gè)部分。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)通過微處理器完成整體的控制功能，利用無線通信及串口通信對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行串聯(lián)。通過門禁密碼鎖部分完成身份認(rèn)證功能，接收處理短信指令，實(shí)現(xiàn)戶外控制；利用手持設(shè)備實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)任意地點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制；通過總控制臺(tái)接收指令，最終完成各項(xiàng)控制操作。

本智能家居系統(tǒng)的操作方式如下。

（1）身份驗(yàn)證

門禁密碼鎖通過串口完成與控制臺(tái)的通信，設(shè)定密碼存入STC12C5A60S2單片機(jī)EEPROM,TFT觸摸屏顯示人機(jī)界面。單片機(jī)獲取輸入信息，進(jìn)行比對(duì)處理后將結(jié)果傳至控制臺(tái)。

（2）語音控制

語音信號(hào)通過語音設(shè)備輸入，STM32F103VET6單片機(jī)通過SPI總線接收。單片機(jī)處理后通過SPI傳輸指令至nRF24L01無線模塊。無線模塊發(fā)送指令至總控制臺(tái)，總控制臺(tái)接收處理信息，完成相應(yīng)的控制步驟。

（3）TFT 觸摸屏控制

觸摸屏操作產(chǎn)生電平信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過串行總線傳輸至STM32F103VET6單片機(jī)接受處理。

（4）短信控制

GSM模塊接收短信，經(jīng)STC12C5A60S2單片機(jī)讀取后，通過串口傳輸發(fā)送指令至總控制臺(tái)等候處理。

（5）總控制臺(tái)操作控制

TFT觸摸屏顯示人機(jī)界面。STC12C5A60S2單片機(jī)獲取操作信息并作出相應(yīng)處理。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)智能家居系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，使用C語言編寫。智能家居系統(tǒng)的軟件可分為手持設(shè)備、總控制臺(tái)以及門禁密碼鎖3個(gè)部分，主要由底層驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)主程序、顯示子程序、無線通信子程序、語音識(shí)別子程序及GSM子程序等部分組成。手持設(shè)備的軟件控制流程如圖2所示?？偪刂婆_(tái)的軟件控制流程如圖3所示。門禁密碼鎖的人機(jī)界面軟件控制流程如圖4所示。

3.1 語言模塊軟件設(shè)計(jì)

語音識(shí)別是本系統(tǒng)的重要功能之一。語音識(shí)別程序的設(shè)計(jì)，參考了 LD332X開發(fā)手冊(cè)[3]，采用中斷方式工作,其操作順序如下：

（1）初始化

在初始化程序里，主要完成軟復(fù)位、模式設(shè)定、時(shí)鐘頻率設(shè)定、FIFO設(shè)定等程序設(shè)置[4]。

（2）建立識(shí)別列表

識(shí)別列表在LD3320中建立，規(guī)則是每個(gè)識(shí)別條目為標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語拼音（小寫）,每兩個(gè)字（漢語拼音）之間用一個(gè)空格間隔。每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào)（1個(gè)字節(jié)），不同的識(shí)別條目的編號(hào)可以相同，且不用連續(xù)，但數(shù)值要小于 256（00H～FFH）。LD3320最多支持50個(gè)識(shí)別條目。

（3）開始識(shí)別

設(shè)置相關(guān)的寄存器，開始語音識(shí)別。在LD3320芯片正式開始識(shí)別之前設(shè)置當(dāng)前狀態(tài) (例如：LD_ASR_RUNING狀態(tài)或者LD_ASR_FOUNDOK狀態(tài))。ADC通道為麥克風(fēng)輸入通道，ADC增益即麥克風(fēng)音量，可設(shè)定值00H～7FH。本系統(tǒng)采用40H～6FH的設(shè)定值。設(shè)定值過大容易造成識(shí)別啟動(dòng)過于敏感，產(chǎn)生誤識(shí)別；設(shè)定值過小則需要近距離說話才能啟動(dòng)識(shí)別功能。

（4）響應(yīng)中斷

麥克風(fēng)采集到聲音后，將產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。中斷程序根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果，通過讀取BA寄存器的值獲取候選答案?jìng)€(gè)數(shù)；讀取C5寄存器里的值，獲取最正確答案的對(duì)應(yīng)編碼。

3.2 無線模塊軟件設(shè)計(jì)

nRF24L01無線傳輸程序的設(shè)計(jì)采用增強(qiáng)型的ShockBurstTM模式下工作。典型的雙向鏈接為：發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號(hào)，以便于發(fā)送方檢測(cè)有無數(shù)據(jù)丟失。一旦數(shù)據(jù)丟失，則通過重新發(fā)送功能恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。

發(fā)射數(shù)據(jù)：設(shè)置nRF24L01為發(fā)射模式；將地址TX_ADDR和數(shù)據(jù)TX_PID按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次；CE置為高電平并保持10 μs，延遲130 μs后發(fā)射數(shù)據(jù)；開啟自動(dòng)應(yīng)答,nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式,接收應(yīng)答信號(hào)。如果收到應(yīng)答,則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高,清除TX_PID；若未收到應(yīng)答,則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)[5]。

接收數(shù)據(jù)：設(shè)置nRF24L01為接收模式，延遲 130 μs后進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包，同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。

3.3 GSM模塊軟件設(shè)計(jì)

TC35模塊采用AT賀氏指令。單片機(jī)可以通過正確的AT指令對(duì)TC35模塊進(jìn)行初始化和短消息的接收發(fā)送。對(duì)短消息的控制有Block模式、PDU模式和Text模式。使用Block模式需要手機(jī)生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持。目前PDU模式已取代Block模式，而Text模式不支持中文,因此本系統(tǒng)使用PDU模式進(jìn)行短消息的接收和發(fā)送[6]。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)。由STM32及STC12C5A60S2微處理器完成整體控制功能，通過移動(dòng)手持設(shè)備、總控制臺(tái)及門禁密碼鎖系統(tǒng)3部分實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面在家居系統(tǒng)的智能化應(yīng)用，以期達(dá)到人機(jī)交流的最優(yōu)化；該系統(tǒng)具備識(shí)別性好、安全性高、節(jié)能環(huán)保、易控制、抗干擾及成本低等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)階段運(yùn)行良好，其實(shí)驗(yàn)成果將為家居系統(tǒng)智能化的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供新的方向。

[1]張逢雪,王香婷,王通生,等.基于 STM32單片機(jī)的無線智能家居控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2011,30(8):98-101.

[2]STM32F103x8/B增強(qiáng)型系列中容量產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].(2009-04)[2012-04].http://www.stmicroelectronics.corn.Cn/stonline/mcu/MCU-Pages.htm.

[3]ICRoute.LD332X開發(fā)手冊(cè)[EB/OL].[2010-10-13].http://www.icroute.com/web_cn/DownLoad.html#LD332X-Manual.

[4]蘇鵬,周風(fēng)余,陳磊.基于STM32的嵌入式語音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,11(2):42-45.

[5]時(shí)志云,蓋建平,王代華,等.新型高速無線射頻器件nRF24L01及其應(yīng)用[J].國外電子元器件,2007(8):42-44.

[6]劉濤,張春業(yè),韓旭東,等.基于手機(jī)模塊TC35的單片機(jī)短消息收發(fā)系統(tǒng)[J].電子技術(shù),2003,30(3):36-38.