基于STM32 的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜鑫凱，魏雯，趙展

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州， 215104）

0 引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居也成為現(xiàn)代家庭中越來(lái)越重要的一部分。智能家居通過(guò)各種智能設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的自動(dòng)化控制和智能化管理，其以舒適、便利和節(jié)能為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、自動(dòng)化管理和遠(yuǎn)程控制等功能?？梢蕴岣呱钇焚|(zhì)和便利性。而隨著ARM 處理器的崛起，其在智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。文章將基于A(yíng)RM 處理器，探討智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，了解智能家居的內(nèi)部工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，為更好地實(shí)現(xiàn)智能化家居生活提供一些技術(shù)支持。通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，可以看到基于STM32 的智能家居控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、低功耗、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯增強(qiáng)用戶(hù)的整體使用感受，并能夠?yàn)槿藗儙?lái)更加便捷、智能的生活體驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)分析

本設(shè)計(jì)采用核心處理器為STM32F103 系列單片機(jī)，由一些外圍元器件搭建出此核心控制器的簡(jiǎn)易工作環(huán)境，從而提供整個(gè)系統(tǒng)所需要的算力及邏輯控制，電源方面采用了USB 電源設(shè)計(jì)，單片機(jī)通過(guò)與溫濕度傳感器通信獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶(hù)操作按鍵輸入預(yù)設(shè)信息，采集到外設(shè)的數(shù)據(jù)后即可實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)控制環(huán)境的溫濕度，WiFi 模塊有接收到數(shù)據(jù)后會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信息篩選后寫(xiě)入指定寄存器后開(kāi)啟離線(xiàn)控制模式，此時(shí)WiFi 會(huì)將離線(xiàn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端里面，云端上的控制模式會(huì)將所采集到的信息，以及當(dāng)前離線(xiàn)模式的狀態(tài)發(fā)送到OLED 顯示屏上進(jìn)行顯示，供用戶(hù)閱讀；當(dāng)聲音信號(hào)被系統(tǒng)采集到后，經(jīng)過(guò)處理后送到語(yǔ)音識(shí)別模塊，結(jié)果將通過(guò)串口傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收到語(yǔ)音識(shí)別模塊的處理結(jié)果后，進(jìn)行分析并發(fā)出相對(duì)應(yīng)的控制指令，也可以利用傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的環(huán)境，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)正常設(shè)定的值時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊會(huì)播報(bào)語(yǔ)音報(bào)警，這樣可以更好的提醒用戶(hù)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)的硬件電路是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別模塊電路、傳感器模塊電路以及WiFi模塊電路四部分組成，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)包括USB 電源輸入、晶振電路、復(fù)位電路、SWD 下載電路等；語(yǔ)音識(shí)別模塊采用LD3320 模塊；傳感器模塊采用了DHT11 溫濕度采集模塊；WiFi 模塊采用了ESP8266 WiFi 模塊。系統(tǒng)硬件部分總原理圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總硬件電路圖

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

STM32 微處理器是目前微處理器領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的處理器之一，本設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)所采用STM32F103C8T6 芯片，它的內(nèi)核是ARM Cortex-M3 系列32 位中央處理器，采用先進(jìn)的技術(shù)和工藝制作而成，它的功能十分強(qiáng)大，擁有多種可供使用的外設(shè)。

STM32F103C8T6 為48 引腳，最高工作頻率 72MHz，采用LQFP-48 封裝，它的供電電壓是2V ～3.6V，它擁有37 個(gè)準(zhǔn)雙口I/O 口，它的內(nèi)部具有64K 片內(nèi)Flash，20K字節(jié)SRAM[1]，可以提升控制器的存儲(chǔ)速度和讀寫(xiě)速度，其引腳圖如圖3 所示。以穩(wěn)定輸出我們想要的3.3V，故選擇固定版，C9、C10 為輸入濾波電容，其中C9 為100nF 容量高，可提高輸入電源的穩(wěn)定性。C12、C13 為輸出濾波電容，它們的作用是提高3.3V 電平輸出的穩(wěn)定性。其電路圖見(jiàn)圖4 所示。

圖3 STM32F103C8T6 引腳圖

圖4 降壓電路

降壓電路采用AMS1117 降壓IC 輸出3.3V 供芯片工作，AMS1117 有兩個(gè)版本，分別為可調(diào)版和固定版，固定版可控制系統(tǒng)如果離開(kāi)時(shí)鐘是不能正常工作的，時(shí)鐘就好似人的心臟一樣，是芯片的動(dòng)力來(lái)源，時(shí)鐘產(chǎn)生一次就會(huì)推動(dòng)芯片執(zhí)行一次指令。控制系統(tǒng)的晶振電路能夠用來(lái)給芯片提供始時(shí)鐘信號(hào)，本文采用了一個(gè)8MHz 的無(wú)源晶振和一個(gè)32.768kHz 的無(wú)源晶振，兩個(gè)晶振周?chē)饔袃蓚€(gè)諧振電容，這兩個(gè)諧振電容的作用是有著起振作用和保證晶振輸出的振蕩頻率更加穩(wěn)定。其電路圖見(jiàn)圖5 所示。

圖5 晶振電路

復(fù)位電路的目的是重置單片機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，使單片機(jī)重新執(zhí)行程序。本文的復(fù)位電路采用低電平復(fù)位，電路中的電阻R 為保護(hù)電阻，電容C 為濾波電容，在電路中將按鍵接在RESET 引腳上，一旦按下按鍵，RESET 就會(huì)接地，使得RESET 拉低，系統(tǒng)完成復(fù)位，其電路圖如圖6 所示。

圖6 復(fù)位電路

SWD 是一種串行調(diào)試接口，在我們的實(shí)際生活中，SWD 相比JTAG 有許多優(yōu)勢(shì)，其接口分別為：SWCLK 和SWDIO，SWDIO 是 串 行數(shù)據(jù)線(xiàn)，用于數(shù)據(jù)的讀出和寫(xiě)入，SWDCLK 是串行時(shí)鐘線(xiàn)，提供所需要的時(shí)鐘信號(hào)。首先，4根線(xiàn)的SWD 要比JTAG 的引腳少得多，這就節(jié)約了許多的PCB 空間。其次，SWD 在高速模式下要比JTAG 模式更加可靠，其電路圖如圖7 所示。

圖7 下載電路

■2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊接口電路

語(yǔ)音識(shí)別模塊采用了LD3320 模塊，LD3320 模塊的應(yīng)用非常廣泛，包括智能家居、智能語(yǔ)音助手、智能機(jī)器人、語(yǔ)音播報(bào)等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音合成功能。其主要特點(diǎn)有：模塊內(nèi)置大量語(yǔ)音識(shí)別模型，能夠?qū)崿F(xiàn)離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，無(wú)需外部網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器支持；支持通過(guò)模擬或串口發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)，完成語(yǔ)音合成功能，方便實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能；支持SPI、UART 和I2C 接口：模塊支持多種接口，方便與各種微控制器、單片機(jī)等設(shè)備連接。

本設(shè)計(jì)中的語(yǔ)音識(shí)別模塊與單片機(jī)采用串口通信方式，LD3320 模塊直接與STM32F103C8T6 芯片的RX 與TX 相連接，識(shí)別結(jié)果將通過(guò)串口傳送給單片機(jī)[2]，其電路圖如圖8 所示。

圖8 語(yǔ)音識(shí)別模塊接口電路

■2.3 溫濕度檢測(cè)電路

DHT11 溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度傳感器，它用的是數(shù)字模塊采集技術(shù)，體積小巧、功耗很低，抗干擾能力較強(qiáng)。溫濕度傳感器DHT11 一共有3 個(gè)引腳，連接到單片機(jī)的方式也比較簡(jiǎn)單，1 號(hào)引腳接電源，2 號(hào)引腳接數(shù)據(jù)輸出端，接到STM32 單片機(jī)的其中一個(gè)引腳上，3 號(hào)引腳接地，在實(shí)際使用時(shí)，1 號(hào)引腳和3 號(hào)引腳之間可以增加一個(gè)電容以去耦濾波。

溫度傳感器DS18B20 最高可達(dá)12 位分辨率，12 位分辨率下工作周期為750ms，分辨率可根據(jù)要求調(diào)整，精度可達(dá)±0.5℃。內(nèi)置EEPROM 并附帶過(guò)溫報(bào)警功能。

如圖9 所示，J9 端子為DHT11 的接口，J12 端子為DS18B20 的接口。R6，R7 為DHT11 與DS18B20 的上拉電阻，這兩個(gè)傳感器均采用的單總線(xiàn)通信，此設(shè)計(jì)中將兩個(gè)單總線(xiàn)的接口分開(kāi)，提高整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)率，當(dāng)環(huán)境溫濕度傳感器DHT11 損壞導(dǎo)致總線(xiàn)異常，程序可控制關(guān)閉此總線(xiàn)不影響溫度傳感器總線(xiàn)，從而有效提高設(shè)備可靠性。

圖9 溫濕度檢測(cè)電路

■2.4 ESP8266 WiFi 模塊電路

ESP8266 在WiFi 模式時(shí)常用三種功能，STA 模式（需要外來(lái)WiFi 提供接入），AP 模式（釋放WiFi）：ESP 模塊作為接入點(diǎn)讓其他設(shè)備連接WiFi 熱點(diǎn)，STA+AP（兩者兼顧），使用ESP 一般用到RX、TX 聯(lián)合串口助手查看是否鏈接成功，或用AT 指令判斷ESP 是否正常。本文采用STA模式，讓ESP 模塊作為終端，使得在同一局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備可以上云，訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器等。從而實(shí)現(xiàn)通訊。

ESP8266 模塊和STM32 單片機(jī)連接方式是串口連接，并使用 AT 指令配置WiFi 模塊的初始化。當(dāng)解析完成云端數(shù)據(jù)后會(huì)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控。底層會(huì)將實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給EP8266，解析成功后ESP8266 將數(shù)據(jù)上傳ONENET，在用戶(hù)操作界面即可看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解析功能可以避免干擾數(shù)據(jù)導(dǎo)致上傳數(shù)據(jù)出錯(cuò)。EPS8266 與云端通信采用的JSON 通信格式，便于云端對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。ESP8266 WiFi 模塊電路如圖10 所示。

圖10 ESP8266 WiFi 模塊電路

3 ONENET 平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)頁(yè)端的數(shù)據(jù)處理采用的是ONENET 平臺(tái)，底層ESP8266 將數(shù)據(jù)打包上傳至服務(wù)器183.230.40.39 的6002端口，MQTT 協(xié)議接入如圖11 所示，能看到當(dāng)前上傳數(shù)據(jù)的總數(shù)及七日新增，能夠讓用戶(hù)直觀(guān)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否有效，在面板界面可以看到三組數(shù)據(jù)，標(biāo)題分別為T(mén)EMP、Temp、Humi 分別對(duì)應(yīng)溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度，這三組數(shù)據(jù)都可看到最后更新時(shí)間，可以不借助圖形界面就可直觀(guān)地觀(guān)察當(dāng)前數(shù)據(jù)，每一個(gè)標(biāo)題都對(duì)應(yīng)ESP8266 所訂閱的標(biāo)題，標(biāo)題用于區(qū)分不同數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的獲取是從通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到服務(wù)器的JSON 數(shù)據(jù)中解析的，預(yù)先根據(jù)指定的數(shù)據(jù)格式上傳數(shù)據(jù)，ONENET 平臺(tái)會(huì)自動(dòng)解析數(shù)據(jù)，并將解析過(guò)的數(shù)據(jù)顯示到當(dāng)前頁(yè)面。

圖11 ONENET 平臺(tái)程序

4 軟件程序設(shè)計(jì)

■4.1 語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)

LD3320 是一種非特定人的芯片，主要作用是采集環(huán)境中的語(yǔ)音信號(hào)，LD3320 與MCU 連接是RX 對(duì)TX、TX 對(duì)RX，通過(guò)串口連接，麥克風(fēng)采集到語(yǔ)音信號(hào)后，當(dāng)LD3320模塊識(shí)別出語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，將識(shí)別到的語(yǔ)音信號(hào)與識(shí)別列表中的關(guān)鍵詞匯進(jìn)行比較，找到最佳匹配的詞語(yǔ)，芯片LD3320便會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，然后將這個(gè)信號(hào)通過(guò)電路傳送給STM32 單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，語(yǔ)音識(shí)別的流程圖如圖12所示。

圖12 語(yǔ)音識(shí)別流程

■4.2 溫濕度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

圖13 為溫濕度檢測(cè)的工作流程圖，通過(guò)操作系統(tǒng)RTThread 對(duì)所需要進(jìn)行的任務(wù)進(jìn)行合理的安排，由于RTThread 是實(shí)時(shí)線(xiàn)性操作所以任務(wù)的安排具有優(yōu)先級(jí)，獲取溫度任務(wù)尤為關(guān)鍵，程序運(yùn)行后會(huì)首先與數(shù)字傳感器（DS18B20）進(jìn)行通信，獲取到溫度數(shù)據(jù)后再與溫濕度傳感器（DHT11）通信，獲取環(huán)境的溫濕度值后用戶(hù)可以根據(jù)環(huán)境溫濕度調(diào)整溫度，程序所獲取的溫濕度都會(huì)上傳的用戶(hù)操作界面顯示。

圖13 溫濕度檢測(cè)流程圖

■4.3 ESP8266 程序流程設(shè)計(jì)

如圖14 所示，ESP8266 通電后會(huì)首先自檢各功能，當(dāng)檢查無(wú)誤后會(huì)對(duì)當(dāng)前WiFi 進(jìn)行連接，如果發(fā)現(xiàn)連接不成功會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)配網(wǎng)模式，此時(shí)用戶(hù)開(kāi)啟手機(jī)自動(dòng)配網(wǎng)即可讓ESP8266 連接到與手機(jī)同一網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后會(huì)自動(dòng)與ONENET 服務(wù)器進(jìn)行握手，發(fā)送用戶(hù)ID 與用戶(hù)Key后燈帶服務(wù)器驗(yàn)證后握手，驗(yàn)證成功后會(huì)持續(xù)檢測(cè)串口數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到ESP8266 串口數(shù)據(jù)不為零時(shí)延時(shí)100ms 后對(duì)串口數(shù)據(jù)全部讀取，后進(jìn)行解析出有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的訂閱主題下。

圖14 ESP8266 流程圖

當(dāng)ONENET 服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)后，MQTT 庫(kù)函數(shù)會(huì)調(diào)用接收函數(shù)，接收函數(shù)對(duì)ONENET 下發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后通過(guò)串口發(fā)送給STM32F103 單片機(jī)，發(fā)送成功后會(huì)復(fù)位并等待下次數(shù)據(jù)下發(fā)。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)嵌入式技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)對(duì)STM32 單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了基于STM32 的智能家居控制系統(tǒng)，采用了LD3320 模塊、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、DHT11 溫濕度傳感器和ESP8266 WiFi 模塊，完成了語(yǔ)音識(shí)別及語(yǔ)音報(bào)警、室內(nèi)環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)以及云端的數(shù)據(jù)顯示與控制，實(shí)現(xiàn)了家庭中智能家居的自動(dòng)化、便利化、節(jié)能化，也大大地提高了家居生活的舒適度及用戶(hù)體驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的基于STM32 的智能家居控制系統(tǒng)作為一種應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)該需要不斷地發(fā)展，提高其穩(wěn)定性、安全性和便捷性，為用戶(hù)提供更好的使用體驗(yàn)。