基于STM32 的多模智能家居控制系統(tǒng)

謝 新 肖玥 許 婷 施凱悅

（南昌航空大學，江西 南昌330000）

近年來，由于人口老齡化的社會問題日益嚴重，獨居老人的生活質(zhì)量和安全問題頻頻受到社會的廣泛關(guān)注，如何能讓行動不便的老人甚至殘疾人通過科技來提高生活質(zhì)量，解決安全問題呢？針對這個社會問題，本文研究了一種以手勢控制為核心，輔以語音控制來操控家用電器的多模智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)著眼于日常生活中的普通電器，致力于通過采集自然簡單的手勢來實現(xiàn)對家居的控制調(diào)節(jié)，同時系統(tǒng)設(shè)計了自動控制模塊，通過溫度傳感器和一氧化碳傳感器采集周圍環(huán)境參數(shù)來實現(xiàn)報警和自我調(diào)節(jié)，從而給老人們提供了更加舒適安全、更為人性化的生活方式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計是基于STM32 多模智能家居控制系統(tǒng)，包括STM32 單片機，手勢識別模塊，語音識別模塊，自動控制模塊，藍牙模塊及DGUS顯示屏。

1.1 以MPU6050 為核心的手勢識別模塊，將采集手勢原始數(shù)據(jù)，并通過其自帶的數(shù)字運動處理器實現(xiàn)姿態(tài)解算。

1.2 藍牙模塊將手勢識別模塊采集的手勢數(shù)據(jù)傳送至STM32單片機，實現(xiàn)手勢識別模塊與STM32 單片機之間的無線通信。

1.3 以LD3320 為核心的語音識別模塊采集環(huán)境人聲，并通過并行方式將語音數(shù)據(jù)傳送至STM32 單片機。

1.4 自動控制模塊是由溫度傳感器（DS18B20）和一氧化碳傳感器（MQ-7）組成。

1.5 DGUS 屏實時顯示各項環(huán)境參數(shù)和各個家居設(shè)備狀態(tài)。

1.6 STM32 單片機將處理手勢數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多?？刂?。本系統(tǒng)框圖如下：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 手勢識別模塊

本設(shè)計中，手勢識別模塊的核心是MPU6050。MPU6050 是一款整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度的六軸傳感器。通過其自帶的數(shù)字運動處理器將原始手勢數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算得到四元數(shù)后，STM32單片機將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角數(shù)據(jù)，即俯仰角、橫滾角及航向角數(shù)據(jù)。其中，手勢識別模塊與STM32 單片機之間采用的是串口RS232通信協(xié)議。

2.2 藍牙模塊

為了實現(xiàn)手勢識別模塊與STM32 單片機之間的無線傳輸，本設(shè)計采用了HC-05 藍牙模塊。

圖2 藍牙工作原理圖

2.3 語音識別模塊

本設(shè)計中，語音識別模塊的核心是LD3320 芯片。LD3320 是一款“語音識別”專用芯片, 由ICRoute 公司設(shè)計生產(chǎn)。該芯片集成了語音識別處理器和一些外圍電路, 包括A/D, D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等[1]。主要流程是：語音信號通過麥克風輸入，LD3320 芯片進行語音識別，如果為設(shè)定語音，則匹配成功，STM32單片機控制相應(yīng)的家居設(shè)備。比如，用戶在室內(nèi)說：“開風扇1”，則室內(nèi)的風扇1 開啟。

2.4 自動控制模塊及報警模塊

自動控制模塊由溫度傳感器（DS18B20）和一氧化碳傳感器（MQ-7）組成。報警模塊的核心是蜂鳴器。如圖4 所示，第一部分是DS18B20 溫度傳感器電路圖，其DQ 端口與STM32 單片機的I/O口PA0 相連，實現(xiàn)溫度檢測[3]；中間部分是MQ-7C 傳感器，其B 端口與STM32 單片機的I/O口PA5 相連，實現(xiàn)一氧化碳濃度檢測；第三部分是報警模塊，其信號線與STM32 單片機的I/O口PA1 相連，當溫度或者一氧化碳濃度超過設(shè)定值時，實現(xiàn)報警。

2.5 DGUS顯示屏

本設(shè)計的顯示屏采用的是迪文顯示屏，即DGUS顯示屏。其開發(fā)過程可以利用PC 端DGUS 開發(fā)軟件輔助設(shè)計完成變量配置文件的過程，以此完成界面設(shè)計及配置，且DGUS顯示屏與STM32單片機之間采用的是串口RS232 通信協(xié)議[2]。

圖3 自動控制模塊及報警模塊電路圖

2.6 STM32 單片機

本設(shè)計的STM32 單片機模塊選用的是STM32F407ZGT6 為主芯片，具有112 個通用I/O 口、192 KB SRAM、1024 KB FLASH 及12 個16 位定時器等資源。該STM32 單片機接口豐富，資源配置靈活，滿足本設(shè)計要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計思路

本設(shè)計的系統(tǒng)軟件設(shè)計思路為：系統(tǒng)開啟后，先進入緊急模式，自動控制模塊將檢測到的室內(nèi)溫度參數(shù)及一氧化碳濃度參數(shù)傳送給STM32 單片機，STM32 單片機將判斷這些參數(shù)，若其高于設(shè)定值，則連通蜂鳴器報警并開啟排氣裝置；若室內(nèi)溫度和一氧化碳濃度正常，則判為安全模式。在安全模式下，用戶可以進行手勢控制與語音控制。手勢控制：以MPU6050 為核心的手勢識別模塊識別原始手勢數(shù)據(jù)后進行姿態(tài)解算，將處理后的手勢數(shù)據(jù)通過藍牙模塊傳輸至STM32 單片機進行處理，若與預設(shè)手勢匹配則控制相應(yīng)家居設(shè)備；語音控制：以LD3320 為核心的語音識別模塊采集環(huán)境人聲后傳輸至STM32 單片機運用特征語音匹配算法與預設(shè)的語音信號比對，若比對成功則控制相應(yīng)家居設(shè)備。本設(shè)計系統(tǒng)流程圖如圖4。

圖4 系統(tǒng)流程圖

3.2 PWM輸出控制窗簾和風扇設(shè)備

本設(shè)計的家用設(shè)備主要是窗簾和風扇設(shè)備。通過定時器TIM13 通道1 以及TIM14 通道1 來分別產(chǎn)生PWM 輸出信號，具體是通過改變CCRx 比較寄存器的值來改變PWM 輸出的占空比，以此分別控制窗簾和風扇設(shè)備。以自動控制風扇的開啟為例并介紹其具體流程：首先TIM14 及PWM部分初始化，再判斷當前環(huán)境參數(shù)是否高于預設(shè)值，如果高于預設(shè)值則修改CCRx 比較寄存器的值并改變信號的占空比，使風扇開啟。

4 結(jié)論

本設(shè)計完成了基于STM32 的多模智能家居控制系統(tǒng)。該設(shè)計主要是通過手勢識別模塊和語音識別模塊采集手勢及語音數(shù)據(jù)，再傳至STM32 處理器，以此控制相應(yīng)的家用設(shè)備。并且設(shè)計了自動控制模塊，通過溫度傳感器和一氧化碳傳感器采集周圍環(huán)境參數(shù)來實現(xiàn)報警和自我調(diào)節(jié)，而且DGUS 屏會實時顯示家用設(shè)備狀態(tài)、手勢數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)及周圍環(huán)境參數(shù)。本設(shè)計相比于其他智能家居系統(tǒng)，最特別的一點是無需聯(lián)網(wǎng)，更適用于難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的老人們，而且操作簡單靈活，更為人性化。在人口老齡化日益嚴重的如今甚至未來，該設(shè)計都能為獨居老人創(chuàng)造一個舒適安全的生活環(huán)境。