基于STM32芯片的Wi-Fi語音識別風扇控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

林 蔚

(漳州職業(yè)技術學院 電子工程系， 福建 漳州 363000)

電風扇在中國依然有龐大的需求市場[1]. 目前， 智能風扇已經(jīng)開始投入市場， 并且在不斷追求更加人性化的功能. 《2019年中國風扇行業(yè)市場發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析》顯示[2]：目前國內(nèi)市面上的智能化風扇產(chǎn)品的銷售份額超過40%， 其中智能控制、 變頻及紅外遙控為主要的需求點. 但市面上的傳統(tǒng)風扇存在幾個缺點[3-5]：(1)需要手動調(diào)節(jié)風速以及定時時間， 功能單一， 使用較為不便； (2)市場上的智能風扇也不斷出現(xiàn)， 其通過紅外遙控器或語音實現(xiàn)風速調(diào)節(jié)， 但仍需人為操作， 且價格很高； (3)室溫每天中會不斷變化， 但在使用者不方便移動或者睡著的情況下， 風速不能隨著環(huán)境溫度的變化而自行調(diào)節(jié). 針對以上問題， 筆者設計并實現(xiàn)了一種智能風扇多功能自動調(diào)速系統(tǒng)， 其具有以下特點：(1)可以根據(jù)周圍環(huán)境的溫度變化自動調(diào)節(jié)風速的大小； (2)可以通過語音識別進行智能控制風速， 即人機交互； (3)可以通過智能手機APP和無線Wi-Fi技術， 遠程控制風速.

1 系統(tǒng)總體結構

本文提出的智能風扇系統(tǒng)是基于USB接口的電風扇進行設計的， 此系統(tǒng)工作模式可以分為智能調(diào)節(jié)模式和固定擋位模式[6-7]. 在智能調(diào)節(jié)模式下， 系統(tǒng)可以根據(jù)溫度傳感器檢測的溫度變化來改變風扇的擋位， 在溫度區(qū)間內(nèi)分為4個擋位(0、 1、 2、 3)， 擋位0風扇不轉， 擋位1、 2、 3, 風速遞增； 在固定擋位模式下， 用戶可以自由設置風扇的4個擋位. 固定擋位模式使用板載按鍵(固定的鍵盤控制)、 紅外遙控或語音輸入控制風扇的不同擋位. 同時風扇的轉速可以通過發(fā)光二極管提示， 風扇轉速越快， 燈越亮. 每次按鍵按下或者遙控器按鍵按下， 蜂鳴器會發(fā)出“滴”聲進行提示. 系統(tǒng)框架圖如圖1所示， 其主要由單片機最小系統(tǒng)、 按鍵模塊、紅外接收模塊、 語音識別模塊、 溫度OLED顯示模塊、 Wi-Fi無線模塊、 風扇速度控制模塊以及蜂鳴器提示模塊構成. 單片機采用TI公司的STM32作為主控芯片[8]， 用于處理各模塊傳送來的信息數(shù)據(jù)， 溫度檢測電路用于檢測用戶的環(huán)境實時溫度， 語音識別模塊用于檢測用戶的語音輸入， Wi-Fi模塊、 紅外接收模塊和紅外遙控器用于接收手機APP的指令， OLED顯示電路用于界面顯示， 風扇驅動電路用于控制風扇的轉速， 蜂鳴器用于對用戶按鍵進行聲音提示.

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 按鍵模塊

按鍵控制電路主要實現(xiàn)對風扇模式的轉換、 溫度區(qū)間的設置和風扇擋位的調(diào)節(jié). 當按鍵按下之后， 如果單片機檢測到引腳為低電平， 則表示用戶按下此按鍵； 相反當按鍵沒有按下的時候， 單片機則檢測到的是高電平. 智能溫控風扇系統(tǒng)一共使用了4個輸入按鍵， 分別接到單片機的P22引腳、 P23引腳、 P24引腳、 P25引腳， 每一個按鍵都有對應的功能， 按鍵電路圖如圖2所示.

圖2 按鍵電路圖

2.2 紅外接收模塊

該模塊使用HS0038紅外集成接收信息， 當接收到38kHz紅外信號后， HS0038紅外集成接收頭將對信號進行解調(diào)， 數(shù)據(jù)輸出引腳OUT將解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出到單片機引腳P20， 紅外接收電路圖如圖3所示. 本文紅外遙控器紅外數(shù)據(jù)解析采用NEC協(xié)議[9]. 紅外遙控可實現(xiàn)對風扇模式的轉換、 溫度區(qū)間的設置和風扇擋位的調(diào)節(jié).

圖3 紅外接收電路圖

2.3 語音識別模塊

該模塊將LD3320語音識別芯片[10]模塊的串口接到主控單片機的串口P11和P12， 其電路圖如圖4所示. 語音識別模塊識別到預設話語后(包括“打開風扇”、 “設為擋位1”“設為擋位2”“設為擋位3”和“關閉風扇”這幾個命令)， 通過串口發(fā)送識別信息給主控單片機， 隨后主控單片機根據(jù)信息實現(xiàn)相應功能.

圖4 語音識別模塊電路圖

2.4 溫度檢測模塊

該模塊使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器[11]檢測環(huán)境實時溫度， 并將檢測到的溫度值送入單片機P21引腳， 其電路圖如圖5所示. 經(jīng)過單片機處理后顯示此時溫度值， 并與設定溫度值做比較， 之后輸出相應占空比的PWM脈沖信號.

圖5 溫度傳感器電路圖

2.5 Wi-Fi無線模塊

該模塊使用MT7681嵌入式串口WI-FI模塊[12]接收連接的手機發(fā)送來的指令， 電路圖如圖6所示. 其中， 引腳3為串口發(fā)送端， 引腳2為串口接收端. 通過配置軟件配置Wi-Fi模塊為無線AP， 并開啟TCP服務器功能， 之后負責將串口發(fā)來的數(shù)據(jù)經(jīng)過Wi-Fi模塊， 并轉換為TCP包， 發(fā)送給連接的手機， 其通信方式為Socket， 其參數(shù)配置圖如圖7所示.

圖6 Wi-Fi模塊電路圖

圖7 Wi-Fi模塊參數(shù)配置圖

2.6 風扇驅動模塊

該模塊電路圖如圖8所示. 其中， P1風扇通過MOSFET管與單片機P32引腳相連. P32輸出是脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號， 其利用PWM的占空比控制MOSFET管的導通時間， 通過判斷導通時間長短來控制風扇的轉速：PWM的占空比越高， 等效于MOSFET管的導通時間越長， P1風扇就會轉得越快； 反之， PWM的占空比越低， 就等效于MOSFET管的導通時間越短， P1風扇就會轉得越慢. 該程序可以通過控制單片機為脈寬調(diào)制設置不同的占空比， 以方便地設置風扇的轉速.

圖8 風扇驅動電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主控端主程序設計

首先初始化系統(tǒng)， 初始化完畢之后， 系統(tǒng)進入待機狀態(tài)， 在待機過程中循環(huán)檢測紅外遙控器是否按下、 板載按鍵是否按下、 系統(tǒng)是否進入語音識別模塊以及系統(tǒng)是否到達刷新界面顯示時間， 并根據(jù)不同動作標識進入相應不同的處理子模塊， 之后調(diào)用風扇速度控制子程序依照當前的設置控制風扇的轉速， 處理完畢后重新進入待機檢測狀態(tài). 本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖9所示. 具體流程操作如下：(1)系統(tǒng)上電后， 系統(tǒng)初始化， 根據(jù)溫度傳感器檢測環(huán)境溫度. (2)OLED顯示屏顯示出當前環(huán)境溫度、 風扇擋位、 風扇工作模式. (3)檢測紅外遙控器和板載按鍵是否按下、 系統(tǒng)是否到達刷新界面顯示時間. 當檢測到紅外遙控器按鍵按下時， 調(diào)用按鍵處理子程序進行按鍵處理； 當檢測到板載按鍵按下時， 調(diào)用按鍵處理子程序進行按鍵處理； 當檢測到系統(tǒng)刷新時間到來時， 調(diào)用系統(tǒng)刷新子程序進行系統(tǒng)界面的顯示刷新， 并且調(diào)用風扇速度控制子程序， 按照設置控制風扇的轉速. (4)當用戶按下紅外遙控器或者板載的按鍵1時， 系統(tǒng)在智能調(diào)節(jié)和固定擋位模式下轉換. (5)如果在固定模式下， 用戶按下紅外遙控器或者板載的按鍵3、 4， 則進行擋位切換. (6)如果處于設置溫度區(qū)間界面， 按下按鍵2、 3、 4， 則進行風扇的擋位溫度區(qū)間設置， 設置完按下2返回主界面. (7)在智能調(diào)節(jié)模塊下， 風扇會依據(jù)環(huán)境溫度的變化而改變風扇擋位. 當環(huán)境溫度低于25°時風扇關閉； 當環(huán)境溫度處于25°到28°時， 風扇擋位為一擋； 當環(huán)境溫度處于28°到30°時， 風扇擋位為二擋； 當環(huán)境溫度高于30°時， 風扇擋位為三擋. 風扇的轉速和指示燈的亮度隨著風扇擋位的變化而變化：風扇擋位越高， 風扇轉速越快， 指示燈越亮； 風扇擋位越低， 風扇轉速越慢， 指示燈越暗. (8)當用戶對著系統(tǒng)發(fā)出語音控制信號時， 用語音“打開風扇”或“智能調(diào)節(jié)”設置智能溫控風扇為智能調(diào)節(jié)模式， 用語音“關閉風扇”設置智能溫控風扇為固定擋位模式并設置為擋位0， 語音“設為擋位1”“設為擋位2”“設為擋位3”會設置智能溫控風扇為固定擋位模式并設置為相應擋位. (9)當用戶通過Wi-Fi無線傳輸手機APP控制信號時， 可以根據(jù)APP界面不同的按鍵進行相應的風速控制及開關等動作. (10)當系統(tǒng)接收到用戶的輸入(包括板載按鍵輸入、 紅外遙控器按鍵輸入和語音指令輸入)后， 控制蜂鳴器發(fā)出“滴”聲以提示用戶系統(tǒng)已經(jīng)接收到用戶的輸入設置.

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 手機端APP設計

手機端設計包括風速控制模塊和網(wǎng)絡連接模塊. 風速控制模塊包含智能調(diào)節(jié)、 擋位風速控制及開關按鍵等. 網(wǎng)絡連接模塊連接主控端與手機之間的通信. 安卓系統(tǒng)的APP系統(tǒng)功能結構如圖10所示.

圖10 手機端APP設計

4 系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試

系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試包括硬件主控部分和手機APP控制部分. 首先， 將單片機的P32引腳接到N溝道MOSFET管(場效應管)IRL540NPBF， C8電容和C9電容為風扇提供穩(wěn)壓供電能力， P1排針接風扇. 當單片機的P32引腳輸出為低電平時， MOSFET管不導通， 測試風扇是否不轉； 當單片機的P32引腳輸出為高電平3.3V時， MOSFET管導通， 測試風扇是否轉動.

然后， 測試風扇自動調(diào)節(jié)功能. 當用戶開啟風扇后， 測試風扇是否自動開啟至智能調(diào)節(jié)模式， 是否可以根據(jù)溫度調(diào)節(jié)風速(即溫度低于25°風扇是否呈關閉狀態(tài)； 溫度在25°至28°時， 風扇擋位是否為1擋； 溫度在28°至30°時， 風扇是否為2擋； 溫度高于30°時， 風扇是否為3擋).

最后， 測試語音指令功能. 在風扇關閉狀態(tài)下， 用語音指令“打開風扇”， 測試風扇是否打開并進入智能調(diào)節(jié)模式； 分別使用語音指令“設為擋位1”“設為擋位2”和“設為擋位3”， 測試風扇擋位是否調(diào)節(jié)為相應擋位； 使用語音指令“關閉風扇”， 測試風扇是否關閉.

經(jīng)測試， 可以完成上述功能.

5 結語

此系統(tǒng)與傳統(tǒng)的電風扇相比較， 結合了基于Wi-Fi手機控制、 語音識別和溫控等功能， 實現(xiàn)了遠程控制、 語音人機交互、 環(huán)境溫度智能控制、 紅外遙控及板載按鍵控制等操作， 可以在一定程度上滿足人們對于智能化風扇的需求.