基于STM-32的紅外語音控制系統(tǒng)

王國力，繩 鵬，謝 越，魏子乾，程亮亮，安鈺強

（合肥工業(yè)大學 安徽 合肥 230002）

1 引言

計算機技術的高速發(fā)展和芯片工藝的迅速提高，使得單片機和電路集成度也越來越高，市場上出現了越來越多功能豐富、價格低廉的模塊，這使得物聯網方案的成本有了很大程度的降低。智能家居作為物聯網重要應用之一，具有非常好的發(fā)展前景。文章分析了當前國內外智能家居控制系統(tǒng)現狀，針對目前智能家居在控制方面存在的高成本、高復雜性等問題，設計了一款基于WIFI的智能家居網關的控制系統(tǒng)。論文設搭建了基于STM-32單片機內核的硬件平臺，編寫了相關的驅動和指令程序，在傳輸層TCP、UDP協(xié)議的基礎上，用戶能通過WIFI接入控制系統(tǒng)，通過語音對家電進行遠程控制。經實驗測試表明，文章所設計的智能家居網關能夠很好的滿足智能家居控制系統(tǒng)對家居環(huán)境智能化的需求，能夠較好的實現對家電設備的集中化管理與遠程控制，同時具備易上手、適應廣、成本低等特點，為廉價智能家居的推廣提供了參考依據。

2 控制系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)是搭建了基于STM-32單片機內核的硬件平臺，通過語音指令的收集處理和識別，做出相應反饋，并通過WIFI和紅外射頻做媒介，傳送數據到電器，達到遠程控制家電的目的。

2.1 數據采集

系統(tǒng)獲取用戶控制指令的主要途徑是語音，采用的WEGASUN-M6模塊是珠海時代電子科技有限公司推出的一款具有語音識別、語音合成、語音（MP3）點播、RF（射頻）功能，接從模塊TTL串口的VIN和GND端輸入5V電源供電，該模塊可以對用戶語音指令進行識別和處理，并通過RS323通訊協(xié)議將處理好的數據傳給上位機，完成數據采集的操作。

2.2 指令確認

數據采集得到的指令，經MCU處理后轉化成漢字，顯示在一塊2.4寸240*320，ST7789V，多接口彩色液晶顯示模塊帶電容觸摸屏上，通過觸摸屏幕選擇對指令的執(zhí)行/否認，編寫程序，使得觸摸后的反饋可以通過上位機進行處理，完成指令確認操作，并通過語音模塊反饋用戶語音信息。

2.3 數據傳輸

圖1 WEGASUN-M6原理圖

數據傳輸是以WIFI作為媒介，STM-32通過RS-323協(xié)議與ESP8266模塊進行通信，并以接收端的ESP8266作為數據接收器，可以實現兩片穿墻模塊的數據互傳，ESP8266模塊，是在ESP8266芯片基礎上，加上必要的晶振、電容、電阻、SPIFlash、WiFi天線組成的一個最小WiFi系統(tǒng)，我們使用Arduino開發(fā)環(huán)境對模塊進行必要的設置，即可利用模塊自身帶有的TCP協(xié)議進行數據的傳輸，可以大大降低傳輸過程中丟包的現象，并且傳輸范圍可以達到10～15米。

圖2 ESP8266模塊引腳圖

2.4 紅外控制

系統(tǒng)的遠程控制裝置由ESP8266模塊，MCU和99IRset紅外學習模塊構成，ESP8266模塊負責接受由STM-32處理后得到的指令，由MCU進行簡單的處理后，傳輸給99IRset模塊，該模塊采用高速32位arm處理器，內置看門狗，可靠性高。可以學習并存儲市面上大多數家用電器（如電視，機頂盒，空調，風扇）等紅外遙控設備。能夠滿足多個遙控器的學習需要。兼容3.3V和5V。使用過程中設置波特率為9600，工作電壓為3.3V或5V，可以全向發(fā)射紅外線，發(fā)射距離≥10米，達到對家用電器的有效控制。

3 控制系統(tǒng)工作流程

多功能紅外語音控制系統(tǒng)主要由兩部分構成，用戶手中所持的手持終端機和負責控制家用電器的遠程控制器。

3.1 手持終端機

該部分主要由搭建基于STM-32單片機內核的硬件平臺，負責信號采集的語音識別模塊，指令顯示和確認的多接口彩色液晶顯示模塊，和負責信號傳輸的ESP8266WIFI模塊構成，該部分主要負責將用戶的語音指令進行識別和處理，并通過RS323通訊協(xié)議將處理好的數據傳給上位機，完成數據采集的操作。數據采集得到的指令，經MCU處理后轉化成漢字，顯示在觸摸屏上，觸摸后的反饋可以通過上位機進行處理，完成指令確認操作，并通過語音模塊反饋用戶語音信息。數據傳輸是以WIFI作為媒介，STM-32通過RS-323協(xié)議與ESP8266模塊進行通信，并以接收端的ESP8266作為數據接收器，實現控制指令的遠程傳輸。

3.2 遠程控制器

該部分由交流變壓器，ESP8266模塊，51MCU和紅外紅外學習模塊構成。交流變壓器負責給該部分提供5V交流電源，ESP8266作為信號接收模塊置于Station模式負責接收來自手持終端機的指令，并將信號透傳到51MCU，MCU將處理后的信號通過TTL傳給紅外學習模塊，該模塊會根據信號作出相應的處理，根據紅外協(xié)議，發(fā)射相應的紅外進行智能家電的控制。

圖3 手持終端工作流程圖 圖4 遠程控制器工作流程圖

4 討論

文章基于以STM-32為核心的智能家居網關系統(tǒng)的方案可行，使用嵌入式平臺作為核心控制器能夠提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，數據傳輸采用TCP/IP協(xié)議能夠很好解決目前一些系統(tǒng)中存在的數據傳輸不穩(wěn)定問題。基于嵌入式的方式能夠降低智能家居系統(tǒng)的成本，大大降低市場中由于智能家居價格較高無法普及現象，使智能家居能夠走入普通百姓家中。

同時，采用語音控制，解放雙手。可以實現一機多控，操作簡單。用wifi作為數據傳輸媒介，設備使用范圍更大，操作更方便。利用紅外直接控制電器，大大降低了普通家庭實現智能家居的改裝費用。紅外協(xié)議的極強通用性，也使得設備可以適配家庭絕大部分電器，讓家居生活變得時尚和舒適。

此外，系統(tǒng)在某些情況下，尚且存在不穩(wěn)定的因素：

4.1 電源紋波大造成識別率下降。由于模塊是通過麥克風聲電轉換得到電信號送進芯片進行識別處理的，如果電源紋波大，電源噪聲也會同時送進芯片內部，造成芯片識別處理困難。

4.2 語音識別模塊供電電壓不足，電流太小。電壓請保證有5V，電流1A以上。

4.3 所處環(huán)境噪音大。談話聲、環(huán)境噪音對模塊的識別能力影響很大。

4.4 地方空曠，回聲大。房間家具少的時候回聲很大（有時人耳甚至分辨不出來），會造成語音識別錯亂或者靈敏度大大下降。

4.5 傳輸距離過遠或過載導致的ESP8266的丟包現象。

5 結語

生活在21世紀的現代化社會，家中堆滿了各式各樣的電器用品，從空調電視，到臺燈插座。尋找相應的電器遙控器已經列入家庭生活中十大繁瑣事件。而多功能紅外語音智能控制系統(tǒng)則可以通過對家用電器紅外遙控器按鍵的學習，實現一機多控，語音操作，每個房間只需要一個設備便可以控制該房間絕大多數所需遙控的電器，實現真正的智能家具。

根據市場調查，99.9%以上的家庭都覆蓋了生活用電，空調、電視、電風扇、音響、臺燈都已成為家中必備，雖然通過wifi控制的電器近幾年發(fā)展迅速，但由于wifi協(xié)議的復雜性，多樣性，以及品牌電器的不開源，目前市面上還未能有一款產品可以同時控制幾個品牌的wifi電器。加之在市場上中有95%以上的電器依然是紅外控制，并且紅外電器在未來很長一段時間內都不會被淘汰，所以多功能紅外語音智能遙控擁有非常不錯的市場前景。因此，文章中的方案為廉價智能家居的推廣提供了參考依據。