基于STM32的智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的研發(fā)與設(shè)計(jì)

王曉 關(guān)雷

摘? 要：智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)主控模塊選擇STM32F103VET6單片機(jī)作為核心處理器，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建公寓內(nèi)部無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，集成無(wú)線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控、語(yǔ)音交互與控制、人臉識(shí)別與檢測(cè)、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶智能顯示等模塊和功能。采用ESP8266模塊組建智慧物聯(lián)公寓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)APP控制LED燈亮滅、風(fēng)扇啟停等；通過(guò)語(yǔ)音交互與控制模塊LD3320可以實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的語(yǔ)音交互與控制功能等。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET6；物聯(lián)網(wǎng)；語(yǔ)音交互與控制

中圖分類號(hào)：TP27? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）10-0158-04

Abstract： The main control module of the smart Internet of Things apartment system selects STM32F103VET6 Single-Chip Microcomputer as the core processor， and uses the Internet of Things technology to build the wireless communication network inside the apartment， and integrates wireless communication and remote monitoring， voice interaction and control， face recognition and detection， （smoke， rain， temperature and humidity， etc.） sensor information acquisition and control， OLED LCD intelligent display and other modules and functions. The ESP8266 module is used to build the smart Internet of Things apartment network system. The LED light on and off and the fan on and off are controlled through the mobile APP. The voice interaction and control module LD3320 can realize the voice interaction and control functions of the smart Internet of Things apartment system.

Keywords： STM32F103VET6; Internet of Things; voice interaction and control

0? 引? 言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和自動(dòng)控制等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們?cè)谏畹母鱾€(gè)方面都充分體驗(yàn)到了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)帶來(lái)的便利，特別是智能便捷的公寓生活環(huán)境——智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)。本課題研究一種具有無(wú)線通信、人臉識(shí)別、溫濕度檢測(cè)以及防火防盜等多項(xiàng)功能的智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)，旨在為人們提供一個(gè)輕松便捷、溫馨舒適、安全智能的公寓環(huán)境。

1? 智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1）技術(shù)上更智能。目前，傳統(tǒng)的家居、公寓系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施依然比較落后，語(yǔ)音識(shí)別、人工智能、遠(yuǎn)程監(jiān)控等現(xiàn)代智能技術(shù)還沒(méi)有得到普及和應(yīng)用，相信將來(lái)的智慧公寓系統(tǒng)將會(huì)變得更加智能。

2）生態(tài)上更開(kāi)放。因?yàn)橹腔畚锫?lián)公寓跟手機(jī)不同，由于各家廠商之間互不兼容，公寓系統(tǒng)存在相當(dāng)大的局限性。因此，想要更加成熟穩(wěn)定的發(fā)展，未來(lái)的智慧物聯(lián)公寓生態(tài)肯定要開(kāi)放。

3）功能上更“慵懶”。智慧物聯(lián)公寓最剛需也最能打動(dòng)人心的地方，就是貼合人類“懶”的本性，可有效提高生活幸福感，比如電動(dòng)窗簾、智能門鎖、智能音箱、掃地機(jī)器人等產(chǎn)品。

4）生活上更便捷。智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)可以通過(guò)語(yǔ)音交互、無(wú)線通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，生活更加方便，提高生活品質(zhì)。

5）聯(lián)網(wǎng)上更廣泛。國(guó)家一直著力于推進(jìn)“智慧城市”系統(tǒng)工程，打造信息化的城市連接，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，“物物相連”的智慧公寓在未來(lái)某一天終將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2? 系統(tǒng)整體研發(fā)方案

智慧物聯(lián)網(wǎng)公寓系統(tǒng)主要集成中央處理器STM32F103

VET6、電源模塊、人臉識(shí)別模塊、煙霧報(bào)警模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、OLED顯示模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊等模塊，系統(tǒng)整體研發(fā)方案如圖1所示。

1）無(wú)線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控：采用ESP8266模塊組建智慧物聯(lián)公寓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物物相連，通過(guò)手機(jī)APP控制LED燈亮滅、風(fēng)扇啟停等。

2）智能語(yǔ)音交互與控制：通過(guò)語(yǔ)音交互與控制模塊LD3320可以實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的語(yǔ)音交互與控制功能，如通過(guò)語(yǔ)音控制LED等亮滅、電機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉風(fēng)扇等。

3）人臉識(shí)別與檢測(cè)：本研發(fā)項(xiàng)目視覺(jué)模塊采用OpenMV攝像頭作為人臉識(shí)別與檢測(cè)傳感器采用LBP算法（具有旋轉(zhuǎn)不變性和灰度不變性等優(yōu)點(diǎn)），檢測(cè)人臉灰度圖像。當(dāng)攝像頭開(kāi)始工作時(shí)，拍攝四次圖像，并將四次的平均值與圖庫(kù)中已經(jīng)建立的人臉灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，當(dāng)差異度較小時(shí)，向主控端發(fā)送數(shù)據(jù)，打開(kāi)門禁系統(tǒng)，否則提示人臉檢測(cè)失敗。

4）（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制：如當(dāng)煙霧傳感器模塊MQ-2檢測(cè)環(huán)境煙霧濃度過(guò)高時(shí)，通過(guò)OLED液晶屏顯示煙霧濃度數(shù)據(jù)，自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)扇加強(qiáng)空氣流通，同時(shí)也會(huì)發(fā)出消息上傳數(shù)據(jù)到用戶的手機(jī)APP上，提醒在外用戶。

5）OLED液晶屏信息采集與智能顯示：通過(guò)OLED液晶智能顯示模塊可以實(shí)時(shí)直觀、清晰地智能顯示溫濕度、煙霧濃度等環(huán)境信息。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)整體研發(fā)與設(shè)計(jì)方案選擇STM32F

103VET6單片機(jī)作為核心控制器，集成無(wú)線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能語(yǔ)音交互與控制、人臉識(shí)別與檢測(cè)、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶屏信息采集與智能顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制等模塊和功能。

3.1? 煙霧報(bào)警器電路設(shè)計(jì)

采用MQ-2煙霧采集與報(bào)警模塊作為智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的煙霧傳感器，當(dāng)我們生活的公寓可燃性氣體（如甲烷）濃度超過(guò)一定程度時(shí)，MQ-2煙霧傳感器的電導(dǎo)率就會(huì)增大，電路中電流就會(huì)增大，從而進(jìn)行報(bào)警。

本研發(fā)項(xiàng)目主要通過(guò)煙霧傳感器模塊實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警功能，將環(huán)境中煙霧和可燃性氣體濃度轉(zhuǎn)換為煙霧傳感器電導(dǎo)率的變化。MQ-2氣體傳感器同樣對(duì)天然氣、液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度也很高，還可以檢測(cè)CO等一些有害氣體，檢測(cè)效果理想。

當(dāng)煙霧濃度過(guò)高時(shí)，MQ-2氣體傳感器溫度越來(lái)越高，響應(yīng)時(shí)間也越來(lái)越快，當(dāng)煙霧濃度變大時(shí)，adc煙霧采集，將采集到的煙霧上傳到OLEDD顯示屏上，同時(shí)由于也采用了語(yǔ)音交互功能，可以通過(guò)語(yǔ)音來(lái)啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇的運(yùn)作以及打開(kāi)窗簾，同時(shí)也會(huì)發(fā)出一道消息傳到用戶的手機(jī)APP上，提醒在外的用戶。煙霧傳感器電路原理圖分別如圖2所示。

3.2? 語(yǔ)音識(shí)別電路設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)（Automatic Speech Recognition， ASR）是涉及自然語(yǔ)言學(xué)、生理學(xué)、人工智能、信號(hào)與信息處理等多種技術(shù)交叉融合而產(chǎn)生的一門新興技術(shù)，通過(guò)詞錯(cuò)誤率和準(zhǔn)確率兩個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行度量，在智慧公寓、智慧教育、智慧城市、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別與處理過(guò)程中可以采用快速傅里葉變換等相關(guān)技術(shù)將時(shí)域語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域語(yǔ)音信號(hào)，得到語(yǔ)音信號(hào)頻譜圖像。語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320模塊由3.3 V、5 V、TXD、RXD、GND由五個(gè)引腳組成，兼容3.3 V和5 V電壓，通過(guò)串口通信技術(shù)與單片機(jī)STM32F103VET6進(jìn)行通信。LD3320模塊芯片內(nèi)部集成語(yǔ)音識(shí)別與處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、麥克風(fēng)語(yǔ)音信號(hào)處理電路等。

LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊通過(guò)“關(guān)鍵詞語(yǔ)列表”達(dá)到語(yǔ)音識(shí)別的目的，可以對(duì)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)輸入的聲音實(shí)施頻譜進(jìn)行分析，匹配關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的關(guān)鍵詞，而每個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)句對(duì)應(yīng)一個(gè)識(shí)別碼，從而進(jìn)行語(yǔ)音控制。語(yǔ)音識(shí)別實(shí)物圖和電路原理圖分別如圖3所示。

3.3? 人臉識(shí)別電路設(shè)計(jì)

OpenMV是一個(gè)小巧的機(jī)器視覺(jué)模塊，以O(shè)V7725為攝像頭芯片，用C語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，同時(shí)提供Python編程接口，方便開(kāi)發(fā)，同時(shí)具備高效、低功耗的功能。

人臉識(shí)別涉及計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理、信號(hào)與信息處理等相關(guān)技術(shù)，采集人臉圖像形成人臉數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)系統(tǒng)再次捕捉到人臉圖像時(shí)會(huì)與數(shù)據(jù)庫(kù)保存的人臉圖像進(jìn)行檢測(cè)和比對(duì)，如果再次采集到的人臉圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉圖像匹配成功，則人臉識(shí)別通過(guò)，否則需要重新采集和比對(duì)人臉圖像。人臉識(shí)別主要用于身份驗(yàn)證，比如機(jī)場(chǎng)、車站、政府機(jī)關(guān)等。人臉識(shí)別模塊電路原理圖分別如圖4所示。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試

智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)整體研發(fā)與設(shè)計(jì)方案選擇STM32F

103VET6單片機(jī)作為核心控制器，集成無(wú)線通信與遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能語(yǔ)音交互與控制、人臉識(shí)別與檢測(cè)、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶屏信息采集與智能顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制等模塊和功能。具備智能控制、安全可靠、操作方便、簡(jiǎn)約美觀等優(yōu)點(diǎn)。

1）智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)會(huì)采集和錄入人臉數(shù)據(jù)，形成人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)學(xué)生回到公寓時(shí)，攝像頭會(huì)掃描人臉進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)成功，驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開(kāi)門禁系統(tǒng)，如果檢測(cè)失敗，會(huì)通過(guò)語(yǔ)音提示：“人臉檢測(cè)失敗，請(qǐng)重新掃描”。

2）通過(guò)語(yǔ)音交互與控制模塊LD3320可以實(shí)現(xiàn)智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)的語(yǔ)音交互與控制功能，如通過(guò)語(yǔ)音控制LED等亮滅、電機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉風(fēng)扇等。

3）系統(tǒng)集成（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制模塊。如，當(dāng)煙霧傳感器模塊MQ-2檢測(cè)環(huán)境煙霧濃度過(guò)高時(shí)，通過(guò)OLED液晶屏顯示煙霧濃度數(shù)據(jù)，自動(dòng)開(kāi)啟風(fēng)扇加強(qiáng)空氣流通，同時(shí)也會(huì)發(fā)出消息上傳數(shù)據(jù)到用戶的手機(jī)APP上，提醒在外用戶；當(dāng)雨滴傳感器采集到水滴時(shí)，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)閉窗簾；當(dāng)DHT11溫濕度傳感器檢測(cè)周邊環(huán)境溫度與濕度數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，將檢測(cè)的數(shù)值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)控制。

4）通過(guò)OLED液晶智能顯示模塊可以實(shí)時(shí)直觀、清晰地智能顯示溫濕度、煙霧濃度等環(huán)境信息。

智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)流程圖具體如圖5所示。

下面以溫濕度采集為例進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)后，繼續(xù)輸出低電平54微秒后轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖?。但DHT11內(nèi)部重測(cè)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，等待外部信號(hào)的到來(lái)。

顯示DHT11溫濕度傳感器的參數(shù)使用OLED，當(dāng)溫度高于30攝氏度時(shí)，開(kāi)啟小風(fēng)扇，進(jìn)行降溫；當(dāng)溫度低于10攝氏度時(shí)，電熱絲加熱；當(dāng)濕度小于40%時(shí)，開(kāi)啟加濕器，使空氣保持濕潤(rùn)；當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)，則進(jìn)行干燥處理，即開(kāi)窗通風(fēng)。溫濕度數(shù)據(jù)信息可以實(shí)時(shí)顯示在OLED液晶顯示屏上。溫濕度采集與調(diào)試程序控制界面如圖6所示。

基于STM32的智慧物聯(lián)公寓系統(tǒng)整體運(yùn)行實(shí)物如圖7所示。

5? 結(jié)? 論

基于STM32的智慧物聯(lián)網(wǎng)公寓系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要包括中央處理器STM32F103VET6、電源模塊、人臉識(shí)別模塊、煙霧報(bào)警模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、OLED顯示模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊等。本研發(fā)項(xiàng)目以O(shè)penMV為人臉識(shí)別的核心芯片，用C語(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺(jué)算法，以STM32F103VET6為系統(tǒng)邏輯控制芯片，同時(shí)加入語(yǔ)音播報(bào)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、煙霧報(bào)警模塊等。功能模式分別是人臉識(shí)別、溫濕度檢測(cè)、煙霧報(bào)警、語(yǔ)音播報(bào)。人臉識(shí)別采用OpenMV，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人臉信息的實(shí)時(shí)錄入，方便了人臉識(shí)別的管理。硬件方面系統(tǒng)還加入了語(yǔ)音播報(bào)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、煙霧報(bào)警模塊、OLED顯示等，系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔操作簡(jiǎn)單，同時(shí)具備語(yǔ)音播報(bào)功能，智能化程度高。

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作者簡(jiǎn)介：王曉（1990.06—），男，漢族，山東泰安人，專技11級(jí)/電子信息工程技術(shù)專任教師，碩士研究生，研究方向：信號(hào)與信息處理。