智能家居系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計

高鑫茹

【摘 要】智能家居主要為人們提供更加便捷、舒適、安全的生活環(huán)境，將是以后家居發(fā)展的主體。它是指將家里的電子產(chǎn)品、家用設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，建立由屋里環(huán)境檢測、處理、工作、家居自動化的管理系統(tǒng)。智能家居貼合我們的生活，具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文設(shè)計了一款以無線網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程傳輸方式，以語音控制為近距離控制方式，并且能與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接的智能家居系統(tǒng)。基于本系統(tǒng)設(shè)計要求，選用了STM 15系列單片機(jī)作為硬件控制平臺，使用Keil軟件進(jìn)行編程、調(diào)試，在設(shè)計過程中使用Altium Designer軟件完成電路設(shè)計，并通過Proteus進(jìn)行電路仿真實驗驗證電路的可靠性，最終建立了穩(wěn)定的智能家居系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】智能家居；功能模塊；自動檢測；語音控制

1.項目設(shè)計中的功能介紹

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)語音控制部分家電啟動、自動檢測室內(nèi)環(huán)境、自動控制部分家電啟動、無線控制部分家電的功能。其整體系統(tǒng)功能示意圖如圖1所示。

2.智能家居系統(tǒng)的功能模塊介紹

2.1無線控制模塊功能介紹

以網(wǎng)頁的形式顯示監(jiān)控界面。用戶可通過手機(jī)或者任何能夠與互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備。通過點擊網(wǎng)頁上的按鈕來控制改變家居環(huán)境。這種顯示方法更加簡單、更加直觀、更加人性化，讓用戶可以隨時隨地監(jiān)控家居環(huán)境。

通過無線傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)家居內(nèi)部設(shè)備的集中控制。將WiFi模塊與嵌入式控制器通過串口連接起來，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)的互聯(lián)互通。如：可通過使用WiFi技術(shù)將開關(guān)與電燈組成無線控制網(wǎng)絡(luò)，可以通過控制終端向開關(guān)發(fā)送命令，調(diào)節(jié)燈光的明暗狀況。除此之外，還可以控制窗簾的開合、蜂鳴器報警。

2.2自動檢測模塊功能介紹

1.煙霧濃度檢測

通過使用煙霧傳感器，全天24小時監(jiān)控可能發(fā)生的煤氣泄漏，檢測到危險信息時，通過預(yù)警裝置，發(fā)出警報信息，提醒住戶存在安全隱患。

2.空氣質(zhì)量檢測

通過使用空氣質(zhì)量傳感器，可通過監(jiān)控室內(nèi)氨氣、硫化物等有害氣體和煙霧的量。將氣體含量在單片機(jī)中的反饋控制LED燈的開關(guān)，可通過觀看LED的開關(guān)狀態(tài)來得到室內(nèi)的空氣質(zhì)量是否合格，從而能在室內(nèi)空氣質(zhì)量不合格時及時對室內(nèi)通風(fēng)進(jìn)行調(diào)整。

3.室外天氣檢測

通過使用雨滴傳感器，當(dāng)檢測到外界的雨滴時，將信號傳入單片機(jī)，單片機(jī)帶動電機(jī)運(yùn)動，實現(xiàn)窗簾的關(guān)閉功能。

2.3語音控制模塊功能介紹

1.通過語音控制模塊，以語音的形式控制改變家居環(huán)境。這種顯示方法更加簡單、更加方便、更加人性化。

2.可通過使用語音控制模塊將開關(guān)與電燈、運(yùn)作窗簾開合的電機(jī)、運(yùn)作窗戶開關(guān)的電機(jī)以及蜂鳴器，分別組成語音控制網(wǎng)絡(luò)，可以通過語音控制向開關(guān)發(fā)送命令，調(diào)節(jié)燈光的開關(guān)、窗簾的開合、窗戶的開關(guān)以及蜂鳴器的開關(guān)狀況。

3.智能家居系統(tǒng)的功能模塊研究

本課題的測試環(huán)境模擬家庭環(huán)境，在實驗室中進(jìn)行。在該環(huán)境下測試智能家居的各模塊性能，如語音模塊、自動檢測及控制模塊等是否符合實際要求。

3.1對自動檢測模塊的研究

選擇的煙霧傳感器為ZYMQ-2氣體傳感器，適用于家庭和工廠的氣體泄漏，可用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等的檢測，擁有廣泛的探測范圍，較高的靈敏度，可快速響應(yīng)恢復(fù)。除此之外還有優(yōu)異的穩(wěn)定性，使用壽命長，驅(qū)動電路簡單的特點。其原理圖如下圖2。

3.2對自動控制模塊的研究

本系統(tǒng)中，為更好的實現(xiàn)家居的智能控制，對窗簾、窗戶等家居都設(shè)計了自動的控制系統(tǒng)。對窗戶和窗簾開合的自動控制，將雨滴傳感器分別與運(yùn)作窗簾開合的電機(jī)、運(yùn)作窗戶開關(guān)的電機(jī)組成自動控制網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)雨滴傳感器檢測到雨滴時，運(yùn)作窗簾開合和運(yùn)作窗戶開關(guān)的兩個電機(jī)即刻開始轉(zhuǎn)動，帶動窗戶和窗簾關(guān)閉。即可實現(xiàn)當(dāng)外界檢測到下雨時，自動關(guān)閉窗戶與窗簾。

對于電機(jī)的驅(qū)動，選擇的電機(jī)驅(qū)動模塊為L298N驅(qū)動板。該驅(qū)動版可驅(qū)動兩路直流電機(jī)，若要對直流電及進(jìn)行PWM調(diào)速，只需設(shè)置IN1和IN2確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖即可實現(xiàn)調(diào)速。

3.3對語音控制模塊的研究

語音識別ASR技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語列表識的技術(shù)。只需要設(shè)定好要識的關(guān)鍵詞語列表，并把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到芯片內(nèi)部，就可以對用戶說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識。不需要用戶作任何地錄音訓(xùn)練。非特定人語音識技術(shù)ASR，是對幾十G的語音數(shù)據(jù)經(jīng)語言學(xué)家語音模型分析，科學(xué)家建立數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練提取基元語音的細(xì)節(jié)特征，以及提取各基元間的特征差異。可以得到在統(tǒng)計概率最優(yōu)化意義上的各個基元語音特征。最后才由資深工程師將算法以及語音模型轉(zhuǎn)化為硬件芯片以應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。

基于領(lǐng)先的語音識核心引擎，本文選擇的語音識別模塊是LD3320。LD3320是一顆基于非特定人語音識技術(shù)的語音識、聲控芯片。提供了真正的單芯片語音識解決方案。LD3320芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實現(xiàn)語音識、聲控、人機(jī)對話功能。并且，語音識別的關(guān)鍵詞語列表是可以動態(tài)編輯的。基于LD3320，可以在任何的電子產(chǎn)品中，甚至包括最簡單的51作為主控芯片的系統(tǒng)中，輕松實現(xiàn)語音識、聲控、人機(jī)對話功能。

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（作者單位：山東科技大學(xué)（泰安））