基于語音控制和藍牙通信的智能家居系統設計與實現

2018-12-12 08:15:58陳姝君王秀梅

物聯網技術 2018年12期

王艷，陳姝君，李昂，王秀梅

（1.南京理工大學紫金學院電子工程與光電技術學院，江蘇南京 210046；2.南京郵電大學電子與光學工程學院，江蘇南京 210046）

0 引言

隨著科技的不斷發展，人們對家居生活的要求不再局限于簡單的物質需求，而是更加關注家居的智能化。對于用戶來說，真正智能化的家居生活是需要使機器在感應環境的情況下，可以自身做判斷，根據實際的環境自己做出改變。真正的智能家居應該做到真正的無感化，可以直接與其“對話”，實現對家電家居的控制，真正打造一款無感化的智能家居系統[1]。本文設計了一個基于語音控制和藍牙通信的智能家居系統，通過語音和手機APP兩種方式控制彩燈亮滅、彩燈顏色及窗簾狀態。

1 系統設計

智能語音控制系統采用無線藍牙通信的方式，分為主機和從機兩個部分，系統框圖如圖1所示。從機通過語音模塊或者手機發送信號給主機，主單片機反饋信號操控燈的亮滅與顏色變化，同時，控制電機的運轉，模擬窗簾的升降，內置光敏電阻檢測室內環境，控制室內小夜燈的亮滅。

圖1 系統框圖

從機有如下兩種形式：

（1）通過智能語音模塊采集人的語音信號發送給從藍牙1；

（2）通過智能手機藍牙APP將指令發送給手機內置的從藍牙2。

主藍牙接收從藍牙信號的控制信號，發送給單片機，再通過單片機控制彩燈的亮滅、彩燈的顏色及窗簾的升降。

2 硬件電路設計

2.1 智能語音模塊設計

智能語音模塊使用LDV5語音識別模塊，該模塊主要包括語音芯片和微處理器。其中語音芯片采用LD3320芯片，微處理器采用STM32F103芯片。LD3320芯片是一款基于非特定人語音識別技術的語音識別/聲控芯片[2]。該芯片內部集成了高精度的A/D接口，無需外接輔助的FLASH和RAM，即可實現語音識別/聲控/人機對話功能；并且識別的關鍵詞語列表可動態編輯[3-4]。STM32F103芯片是一種具有32位標準精簡指令集（RISC）的處理器，其ARM內核的高性能在通常8位和16位系統的存儲空間得到了極大的體現；此外，其內部集成了FLASH存儲、SRAM、豐富的I/O接口及先進的中斷響應系統等[5-6]。

（1）LDV5模塊具備USB接口及TF卡讀取U盤功能；

（2）具備支持最大4G mini低速TF卡；

（3）可實現人機對話，播放MP3功能，播放歌曲、對話等功能；

（4）具備串口輸出識別碼功能，支持1～12字節自定義16進制輸出；

（5）支持口令識別方式（例如，若定義模塊為“智能家居”，只有每次說出“智能家居”后，模塊才能接收其他操作）；

（6）支持普通識別模式、按鍵觸發模式，以適應不同的應用環境；

（7）具備看門狗復位功能，系統更穩定耐用。

模塊上有一個TF卡，在利用語音模塊時，只需對TF卡內容進行修改，就可對該模塊進行操作。例如，預留了PA0-PA78個I/O口，只需簡單設置TF卡中菜單文對應的序號即可使用I/O口。每個端口具備高電平、低電平、高電平0.5 s點動、高電平1 s點動功能。在利用 I/O口輸出時，只關聯序號，與其他無關，序號對應的關鍵詞識別正確，端口就會有對應狀態輸出，不受識別碼的影響。

圖2主菜單文件中的序號1和2，分別是控制PA0端口的低電平和高電平。若利用繼電器模塊，則高電平就表示開，低電平表示關。

圖2 主菜單文件

該模塊還配備3.3 V TTL電平的串口，可以利用串口通信。在本文設計中，該模塊與從藍牙進行通信，成功識別關鍵詞后，串口會自動輸出識別碼，并且發送給從藍牙。識別碼可在1～12字節（16進制格式）內自由規定數值。如要輸出 A1 A5 11 11 5B 給串口，那么就將主菜單文件編寫修改為《1：A1 A5 11 11 5B FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF：guan bi tai deng：關臺燈.mp3》即可。最多輸出12個數據，后面跟FF，連續3個FF之前的數據為串口輸出的數據，則該識別碼長度共為15 B，且必須保持該格式。

2.2 藍牙模塊設計

本文采用HC-08藍牙串口模塊，該模塊采用CC2540F256芯片，是一款基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協議的數傳模塊，具備2.4 GHz ISM的工作頻段和GFSK的調制方式。該藍牙最大發射功率的接受靈敏度達4 dBm，-93 dBm，可以實現長達80 m的遠距離傳輸。

本文設計中藍牙連接方式有兩種：一種是藍牙與藍牙間的連接；另一種是藍牙與手機連接。

圖3 藍牙和藍牙的連接

（1）藍牙與藍牙的連接

藍牙與藍牙的連接通過藍牙模塊將從藍牙與主藍牙連接，如圖3所示。

本文設計是由語音模塊發送指令，通過藍牙傳輸給單片機，單片機接收信號后，采取相應的措施操控燈的亮滅和顏色變化，以及驅動電機改變窗簾狀態。

當使用模塊與模塊之間的連接時，需要將藍牙和語音模塊、單片機根據圖3所示方式連接，①為語音模塊LDV5，②為主機單片機STC89C52。由于HC-O8默認為從藍牙，所以需要對藍牙進行設置，只要將藍牙與串口轉TTL模塊相連，使用串口調試助手通過AT指令發送“AT+ROLE=0”即可，當藍牙斷電再上電時，即可變成主藍牙模式，從藍牙上電后，主、從藍牙會自動連接，實現透傳功能。

（2）藍牙與手機的連接

該連接方式通過藍牙模塊實現手機和單片機的無線傳輸，如圖4所示。手機發送指令，通過藍牙傳輸給單片機，單片機接收信號后，采取相應的措施實現操控彩燈的亮滅和顏色變化，以及驅動電機改變窗簾狀態的要求。

圖4 模塊與手機的連接

當使用手機與藍牙連接時，選用手機中的藍牙。手機下載藍牙助手APP，通過藍牙助手連接主藍牙，如圖5所示。由于藍牙助手默認為16進制，因此寫入“f8”“ff”等指令時，該指令就會發送給單片機，從而實現家居控制。

2.3 主微處理器設計

主機的處理器選擇STC系列的STC89C52芯片[7]。這是一種功耗較低但性能很高的芯片，具備8位CMOS微控制器，內含8 kB可編程FLASH存儲器，支持ISP下載，常用于控制電路的檢測。此外，當調試電路時，若需要重新載入程序，可通過軟件直接燒錄程序，避免多次拔插芯片，所以不會對芯片造成損壞。STC89C52總共有40個引腳，具有4 kB的FLASH片內存儲器，128 B的隨機存儲數據存儲器（RAM），32個外部雙向I/O口，5個中斷優先級，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口片內時鐘振蕩器。它有空閑模式、正常模式及掉電模式等，不同模式配合不同情況，以合理分配內部資源。

圖5 藍牙助手服務

2.4 電機模塊設計

由于步進電機操作方便、誤差小，不超載的情況下不受重量限制，故可在與速度、位置等相關的需要控制的領域使用步進電機，因此本文電機模塊采用步進電機。其將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。步進電機驅動板采用ULN2003。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7個硅NPN達林頓管組成。ULN2003的每1對達林頓都串聯一個2.7 kΩ的基極電阻，在5 V的工作電壓下能與TTL和CMOS電路直接相連，處理原先需要標準邏輯緩沖器處理的數據[8]。電機模塊電路如圖6所示。

圖6 電機模塊電路圖

本文采用 ULN2003 驅動，驅動端口為 P0.0（A），P0.1（B），P0.2（C），P0.3（C）。正轉次序為：AB組-BC組-CD組-DA組；反轉次序為：AB組-AD組-CD組-CB組。“-”即一個脈沖，正轉、反轉都是5.625°。四相五線制步進電機連接P0.0，P0.1，P0.2，P0.3口，分別對應步進電機A，B，C，D四相。