基于M0開(kāi)發(fā)板的智能家居

龍忠霞

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730030）

0 引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的智能化產(chǎn)品投放市場(chǎng)，小到智能手機(jī)、手表、耳機(jī)、充電器，大到智能電視、冰箱、空調(diào)等，智能設(shè)備已成為當(dāng)下人們不可或缺的生活消費(fèi)品，給人們的生活帶來(lái)了巨大的便利，整個(gè)市場(chǎng)對(duì)智能設(shè)備的需求也隨之越高漲，尤其是對(duì)功能的需求越來(lái)越復(fù)雜。為了進(jìn)一步提升家居設(shè)備的智能化，滿(mǎn)足人們對(duì)于家居便利性的需求，本文設(shè)計(jì)出了一款基于M0開(kāi)發(fā)板的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于提高用戶(hù)的生活便利度，并且符合綠色環(huán)保的理念。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括：溫濕度傳感器、聲音傳感器、光敏傳感器、按鍵。設(shè)計(jì)以M0開(kāi)發(fā)板為核心，使用LCP11C14作為基板，傳感器采集到的溫濕度信息由LPC11C14處理器進(jìn)行處理，經(jīng)處理器處理后可以完成一系列相應(yīng)的功能操作，并將處理后的信息傳遞到OLED顯示屏上。利用聲音傳感器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的采集，將數(shù)據(jù)傳到給上位機(jī)進(jìn)行保存，最后由計(jì)算機(jī)完成噪聲的濾除，實(shí)現(xiàn)噪聲的檢測(cè)與處理這一功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)功能

該智能家居主要完成的主要功能如下：

（1）用戶(hù)通過(guò)刷卡進(jìn)入房間，如果卡號(hào)和預(yù)設(shè)值一樣則成功開(kāi)鎖，并且會(huì)在OLED顯示屏上顯示出“解鎖成功”和卡號(hào)等信息。如果卡號(hào)和預(yù)設(shè)值超過(guò)三次不一樣則會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，蜂鳴器會(huì)一直發(fā)出聲響，直至同時(shí)按下按鍵兩次才可以解除報(bào)警。

（2）具有溫濕度檢測(cè)裝置，能隨時(shí)調(diào)整環(huán)境的舒適度，當(dāng)溫濕度超過(guò)一定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)扇，降低溫濕度。當(dāng)溫濕度低于一定值時(shí)，風(fēng)扇關(guān)閉。

（3）通過(guò)光敏傳感器控制燈的亮滅。

（4）按鍵是控制其他程序運(yùn)行的開(kāi)關(guān)，是一個(gè)程序必須具有的功能，是控制其他程序的基礎(chǔ)。本次系統(tǒng)功能由五向鍵控制，它可以實(shí)現(xiàn)音樂(lè)播放、燈的亮滅、風(fēng)扇的開(kāi)與關(guān)、解除警報(bào)等功能。按鍵設(shè)置清晰分明，操作上手對(duì)戶(hù)主也會(huì)顯得輕松容易。

（5）通過(guò)對(duì)上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的指令，能讓下位機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能操作。如如發(fā)送“l(fā)ed on”指令燈就會(huì)亮，發(fā)送“l(fā)ed oあ”指令燈滅，發(fā)送“M”指令播放音樂(lè)等等，用戶(hù)可以根據(jù)需求自由設(shè)置，真正體現(xiàn)智能科技給人們帶來(lái)的快捷與便利，同時(shí)滿(mǎn)足人們個(gè)性化的生活。

（6）能實(shí)時(shí)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與處理，當(dāng)檢測(cè)噪聲時(shí)能濾除噪聲，為戶(hù)主營(yíng)造寧?kù)o舒心的生活或工作環(huán)境。

3 系統(tǒng)硬件部分

■3.1 M0開(kāi)發(fā)板

M0開(kāi)發(fā)板自帶串口、無(wú)線通訊模塊（可擴(kuò)展為zigbee，WIFI，IPv6,Blue-4.0）。有多個(gè)傳感器,如：聲音傳感器、光敏傳感器、熱釋紅外傳感器、霍爾線性傳感器等，可以通過(guò)5V供電獨(dú)立使用。這些不僅為應(yīng)用開(kāi)發(fā)節(jié)省時(shí)間，提高效率，還可以為使用者提供一個(gè)簡(jiǎn)單方便的良好開(kāi)發(fā)環(huán)境。同時(shí)支持8位0.36寸數(shù)碼管、12864液晶接口、1602液晶接口。本設(shè)計(jì)選用了12864液晶顯示屏，該顯示屏能方便顯示英文字母、數(shù)字、符號(hào)等，通過(guò)自定義還可顯示簡(jiǎn)單的漢字。不需要用到背光板，具有體積小、便于攜帶，畫(huà)質(zhì)清晰等特點(diǎn)。

■ 3.2 基板

本次設(shè)計(jì)使用LPC11C14作為基板，該板擁有48個(gè)引腳，并配了許多模塊以及提供串口和SPI接口，通過(guò)串口就能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信。具有高性能、低功耗、指令集簡(jiǎn)單、地址統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。此外，與市場(chǎng)上現(xiàn)有的8/16位體系結(jié)構(gòu)相比，它有效地減少了代碼長(zhǎng)度。LPC11C14處理器有4組輸入/輸出端口,每組端口都具有復(fù)用功能，例如，它們可以用作輸入/輸出端口，也可以定義為IC接口功能。如果未使用某些管腳的復(fù)用功能，可先將該管腳設(shè)置為通用I/O端口，LPC11C14原理圖如圖2所示。

圖2 LPC11C14芯片原理圖

■3.3 聲音傳感器

聲音傳感器需要5V的供電電壓，此音頻探測(cè)器是一個(gè)小型并易于使用的音頻感應(yīng)板,該產(chǎn)品尺寸為 5mm×2.3mm。其有三種不同輸出包括音頻輸出(AUDIO ),聲音有無(wú)的二進(jìn)制指示(GATE) ,聲音模擬振幅(ENVELOPE)。這三種輸出是同時(shí)并相互獨(dú)立的,所以每次想用多少都可以。ENVELOPE輸出(引腳)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地測(cè)量模擬電壓讀取聲音振幅。可以通過(guò)通孔電阻器來(lái)調(diào)整增益,進(jìn)而改變進(jìn)制 GATE輸出引腳的閾值。這三種輸出(引腳)位于板邊緣,在預(yù)焊接0.1英寸的接頭處。它們是同時(shí)活動(dòng)的。如果在特定應(yīng)用程序中沒(méi)有使用其中某種輸出信號(hào)，只需將對(duì)應(yīng)引腳斷開(kāi)即可。

■3.4 光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏電阻測(cè)量環(huán)境中的光線變化，并將測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬電壓（0～3.3V），光敏電阻是一種對(duì)光敏感的材料，這種材料會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而引起自身的阻值變化，通過(guò)光敏傳感器可以對(duì)燈的亮滅進(jìn)行控制。

■3.5 溫濕度采集模塊

溫度采集模塊選用DS18B20溫度傳感器，在測(cè)量溫度的準(zhǔn)確度的同時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間，傳輸速度都比傳統(tǒng)的溫度采集器有所改進(jìn)和完善。檢測(cè)溫度范圍-55℃～+125℃，精度為正負(fù)0.5℃。編程分辨率9～12位，相較熱電偶傳感器而言可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。濕度采集模塊選用濕度傳感器HS1101，檢測(cè)濕度范圍0～100%，響應(yīng)速度快，經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)成濕度值。通過(guò)該溫濕度采集模塊可以對(duì)室內(nèi)的溫度濕進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

■3.6 RFID射頻模塊

射頻模塊主要通過(guò)無(wú)線波進(jìn)行識(shí)別，發(fā)展相對(duì)成熟，須在規(guī)定的頻率和一定的距離內(nèi)才可以使用，工作頻率通常是125kHz。具有成本低、體積小、使用壽命長(zhǎng)特點(diǎn)，是市場(chǎng)應(yīng)用最廣的產(chǎn)品，比如公交卡、食堂餐卡、銀行卡等等，這些在我們的日常生活中都隨處可見(jiàn)，屬于近距離接觸式識(shí)別類(lèi)。本次設(shè)計(jì)中通過(guò)RFID射頻模塊就可以實(shí)現(xiàn)刷卡這一功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■4.1 上位機(jī)

系統(tǒng)采用QT軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)上位機(jī)界面，QT現(xiàn)如今已經(jīng)被當(dāng)成是一個(gè)GUI庫(kù)，它具有訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像處理、音頻和視頻處理等多種功能。通過(guò)QT編寫(xiě)的上位機(jī)可以與下位機(jī)之間進(jìn)行串口通訊，讓下位機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，通過(guò)上位機(jī)也還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的調(diào)試。

上位機(jī)界面圖如圖3所示。

圖3 上位機(jī)界面圖

■4.2 噪聲環(huán)境下的檢測(cè)與處理

系統(tǒng)通過(guò)聲音傳感器采集語(yǔ)音信號(hào)，由于M0開(kāi)發(fā)板自帶ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此語(yǔ)音信號(hào)可以通過(guò)ADC轉(zhuǎn)化成方便存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行保存，接著通過(guò)MATLAB軟件讀入所采集語(yǔ)音信號(hào)，由于信號(hào)可能太長(zhǎng)，為了方便處理，先將它截取一段再將它賦值給某一向量，然后綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)繪制出信號(hào)頻譜圖，這樣方便對(duì)加有噪語(yǔ)音信號(hào)的音頻進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，根據(jù)頻譜圖設(shè)計(jì)出相應(yīng)的濾波器，完成對(duì)噪聲的濾除。

■4.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)與流程圖

圖4 主程序流程圖

本次設(shè)計(jì)使用的軟件是Keil5，這是一款使用率最高的程序，它的操作簡(jiǎn)單，具備完整的結(jié)構(gòu)性，在可讀性上也有明顯的優(yōu)勢(shì)，編程起來(lái)有很清晰的思路，支持C語(yǔ)言編程。只有設(shè)計(jì)好了系統(tǒng)軟件，整個(gè)系統(tǒng)才可以正常工作。在編寫(xiě)代碼時(shí)，先將代碼分成多個(gè)程序模塊，分別編寫(xiě)、調(diào)試并生成.h文件，沒(méi)有問(wèn)題后再對(duì)它們引用放在一起形成一個(gè)完整的程序。這樣可以不僅提高了編寫(xiě)代碼的效率，還提高了代碼的可讀性。完成軟件程序設(shè)計(jì)之后，就需要進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試。先將系統(tǒng)源程序編譯，并生成（＊.hex）目標(biāo)代碼文件，然后將其加載到串口上，方便對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接通電源后不立即對(duì)整體功能進(jìn)行測(cè)試，首先觀察整個(gè)電路有無(wú)異?，F(xiàn)象，電路中元器件是否有發(fā)熱燒壞等現(xiàn)象，是否有漏電現(xiàn)象，電源是否有短路和開(kāi)路現(xiàn)象等。如果電路在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)異常，首先應(yīng)該立即關(guān)閉電源，檢查后排除故障再重新通電測(cè)試，以保證各個(gè)元器件能正常工作。

當(dāng)各個(gè)元器件正常工作后，打開(kāi)電源，對(duì)刷卡、音樂(lè)播放、溫濕度控制風(fēng)扇、火災(zāi)檢測(cè)功能等進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試成功后，OLED顯示屏能夠顯示出溫度、濕度信息,使得用戶(hù)能夠隨時(shí)地了解周?chē)h(huán)境變化。如果室內(nèi)溫度過(guò)高則風(fēng)扇開(kāi)啟降低溫度，如果溫度過(guò)低則風(fēng)扇關(guān)閉，并且在光線過(guò)亮?xí)r，如果燈處于開(kāi)啟狀態(tài)，系統(tǒng)能自動(dòng)熄滅燈，能夠節(jié)約能源，在一定程度上體現(xiàn)出了綠色理念。當(dāng)煙霧濃度過(guò)高時(shí)能正常觸發(fā)報(bào)警功能，這表明該智能家居設(shè)計(jì)不僅保證了用戶(hù)的安全，還大大提高了用戶(hù)的生活質(zhì)量，具有一定的安全性、便利性、環(huán)保性、舒適性。OLED顯示結(jié)果如圖5所示。

圖5 OLED結(jié)果顯示圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文的總體結(jié)構(gòu)是基于M0開(kāi)發(fā)板的智能家居系統(tǒng)的研究，主要考慮的是家居的智能化水平，以及智能化的家居給人們帶來(lái)物質(zhì)享受，讓人們的物質(zhì)生活更加可靠、充實(shí)、豐富。自動(dòng)化、安全性、精準(zhǔn)性是智能家居的主要性能，也是智能家居在社會(huì)博得眾彩的重要因素，更是其在快節(jié)奏時(shí)代取得眾人青睞的一大亮點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度的顯示，濕度控制風(fēng)扇的開(kāi)與關(guān)、刷卡入室，并在此基礎(chǔ)上也增加了報(bào)警功能，進(jìn)一步保證用戶(hù)的安全以及不必要的意外發(fā)生?？偠灾?，該智能家居有高效、便利、環(huán)保、舒適、安全等特點(diǎn)，符合現(xiàn)代人們對(duì)居住環(huán)境需求以及當(dāng)前國(guó)家提倡的綠色理念，同時(shí)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，滿(mǎn)足當(dāng)代人們精神物質(zhì)的追求。當(dāng)然，事物都具有兩面性，難免十全十美，科技總是浩瀚無(wú)界。未來(lái)，面對(duì)市場(chǎng)不絕的沖擊與挑戰(zhàn)，我們定會(huì)積極擔(dān)當(dāng)起社會(huì)責(zé)任，坦然面對(duì)，并對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，不斷優(yōu)化智能家居的性能，并在這一基礎(chǔ)引入新的功能，使這一系統(tǒng)更加完善，從而使人們能更好的感受它的便利性與舒適性。