一種基于STM32的智能家居控制系統

王雄 劉黎 羅旭 楊鵬

摘 要 隨著科技的進步與社會生產力的發展需求，人們需要提高社會運轉效率，而多模智能控制系統將極大的節約社會運轉成本。對于智能系統設計，普遍傾向于STM32F10X系列與STMF40X低功耗系列，本文借用STM32F407為最小系統，通過藍牙和語音控制以實現安全、便利的智能家居控制。實現手機控制家電：語音識別+人臉識別控制門禁;語音控制燈光、風扇、播放音樂等，同時使家庭各設備工作狀態顯示在顯示屏上。[1]

關鍵詞 智能家居 STM32單片機 語音控制 藍牙無線技術

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）02-0015-03

1 概述

1.1 研究背景

隨著電子產品大量的應用于現代生活，住宅電子化出現，將家用的電子產品、通信設備、與安保防護裝置各獨立模塊集中于一體后出現了自動化的概念，對住宅中各種電子設備通過BUS監視、控制管理和商用化。[2]

智能家居是人們理想化的管理環境，通過一個設備可以控制家里的各種電子設備，實現家庭生活的安全、智能、便利和舒適。[3]例如：人們出行在外，可以用過語音電話控制家里的空調，便于提前開空調或者出門忘記關空調;回到家里可以使用手機對家里的各種照明設備進行控制，便于提前照明;可以通過人臉識別+語音控制開關門，便于不攜帶鑰匙出門。再例如，門口智能相機可以識別有無客人來訪，確保家庭安全。智能家居的使用既節省了人力，使家居更加方便，人們生活更加舒適。[4]

1.2 智能家居的現狀

智能家居最初是通過紅外遙控來實現單個設備的控制，隨著科技的發展，智能控制需求越來越多，把各種電子設備的遙控，集于一體，以實現人們便利、安全的生活是發展所需。

從技術層面看，智能家居目前有三種可實施方法。第一種是BUS類，將所有儀器接入一條BUS控制，是一種全分式控制網絡技術。[5]第二種是無線通信技術，通過無線射頻技術與VESP協議、IRDA紅外技術、HOMERF協議、X2D技術等控制各種設備。第三種是電力線載波通信技術，通過利用現有的電網，在兩端加解調器產生調制信號，進行信號的傳輸與控制。

目前智能控制也面臨大數據時代不可回避的一個安全問題，家庭物聯網設備存在的信息可能輕易的泄露出去，對人們生活產生影響。為解決這一問題，人們可選擇可靠性大，安全的設備，且使用過程中一定要規范，避免出現其他問題。[6]

1.3 系統的綜述

本系統采用STM32作為主單片機，使用藍牙進行無線控制，中間夾雜一些傳感器與LCD顯示屏等期間實現智能家居控制。

2 系統理論分析

2.1 藍牙技術

藍牙（Bluetooth）通信技術，是一種小范圍內無線連接技術，利用藍牙技術能夠實現手機與各設備的無線連接，從而使設備間的數據傳輸更加迅速高效。[7]

2.2 語音識別

語音輸入后經預處理、信號特征提取、匹配模式三個步驟得出識別結果。其中預處理是將模擬信號處理為數字信號，在經過特征提取出相應的二進制值，最后得出二進制碼進行匹配。[8]

2.3 人臉識別技術

人臉識別系統大致有4個模塊，分別是人臉圖像采集、預處理、特征提取、識別。人臉圖像采集是通過攝像頭進行采集，預處理是通過采集到的圖像進行分析，特征提取是將采集分析得到的結果進行特征化采集再轉換為二進制值，最后識別環節是通過所得二進制特征值識別的。[9]

3 智能家居系統設計

3.1 智能家居系統整體設計

智能家居系統包括：+12V電源LCD顯示器、智能按鍵、SD卡、蜂鳴器、TPAD、通過STM32F407（下稱F407）控制繼電器可以控制電燈、風扇（空調）、門鎖等。再通過F407可以識別藍牙信號、語音信號、光度、人臉、室內溫度與濕度等。[10]

系統指標如下：

（1）語音準確率75%以上;

（2）人臉識別準確率95%以上;

（3）藍牙準確率99%以上;

（4）CPU功耗，工作時低于20%;

（5）光強傳感器通過轉換，能檢測3級以上的地震。

3.2 主控芯片選擇

這里我們選擇STM32F407作為主控芯片，它有FPU與DSP指令、自帶192KB SRAM、1024KB FLASH、12個16位定時器、2個32位定時器、3個SPI、兩個全雙工I2S、3個IIC、6個串口、2個USB、3個ADC、2個DAC、1個RTC、1個SDIO接口、1個FSMC接口、1個100M以太網MAC控制器、1個內嵌攝像頭、1個隨機數生成器以及112通用I/O口。[11]

3.3 無線傳輸模塊

3.3.1 方案一

采用FI無線傳輸模塊。WIFI是串口傳輸，將串口或TTL電平轉為符合WIFI無線通信的標準嵌入式模塊，可以實現無線智能家居控制。[12]

3.3.2 方案二

采用無線傳輸模塊。藍牙（Bluetooth）是一種標準的無線傳輸技術，可以實現移動設備與固定設備之間的連接，且可以連接多臺設備，克服了同步困難的問題。

家居系統控制要求實現低功耗的無線傳輸，且傳輸距離要在10-15m左右，所以選擇藍牙模塊做為無線連接最為合適。[13]

3.4 系統功能簡述

系統藍牙與語音控制，功能如下：

（1）通過智能設備控制家電;

1）手機可以發送ID到F407實現root注冊。

2）獲得權限用戶可以添加/刪除成員。

3）若被非法注冊，可以通過一件還原重置系統。

（2）利用智能家居APP可以控制開/關門、開/光燈、開/關風扇;

（3）語音+人臉識別開/關門;

（4）語音控制開/關燈、開/關風扇、播放/暫停音樂等功能;

（5）可以時刻監察家中的溫度/濕度，當地震發生時會自動報警。

3.5 硬件設計部分

3.5.1 藍牙通信模塊

鑒于上述系統指標，我們這里選擇HC-05藍牙模塊，38400bit/s滿足要求、5V/3.3V電源可直接接入，引出口包括VCC、GND、TXD、RXD、KEY幾個接口，較為豐富。

HC-05與單片機連接只需要4根線即可：VCC、GND、TXD、RXD，VCC和GND供電，模塊TXD和RXD與F407的RXD和TXD連接即可。

HC-05藍牙模塊接收設備發送的指令，再發送至F407，整個過程采用的是串行通信。串行通信是指數據按位串行按順序傳送的通信方式，構成的二進制數在一條通道上傳輸，以位為單位，按時間順序輸入方式。

3.5.2 攝像頭模塊

攝像頭采用OV2655，OV2655是一款圖像傳感器，體積小，工作電壓3.3V/5V，可供F407UXGA攝像頭和影像處理的所有功能。通過SCCB總線控制，可以調整輸出幀數、子采樣、窗取景等各種功能。OV（OmmiVision）公司獨特的圖像傳感器技術，可以通過減少或消除光學、電子缺陷，來提高圖像質量。

3.5.3 光強傳感器模塊

本系統光強傳感模塊選擇TSL2561，其反應速度快、功耗低、量程寬、且工作電壓為3.3V，適合F407進行編程控制。

3.5.4 SD卡接口電路

F407的SDIO控制器支持多媒體卡、SD卡等設備。

3.5.5 溫濕傳感器

該系統采用SHT11作為溫濕傳感器， SHT11是一款高度集成的傳感芯片，提供全程標量的數字信號輸出，不用外接ADC，較為方便。

4 系統調試

4.1 系統測試內容

該系統將模擬幾個生活中常見的情況，進行測試。

（1）住戶回家人臉識別+語音控制開門;

（2）住戶回家LCD屏顯示溫濕度;

（3）語音控制燈、風扇、音樂等;

（4）地震報警;

（5）使用手機控制家電。

4.2 藍牙部分調試

測試內容：在有效范圍內（12m），用手機與系統連接，僅限一個設備連接，防止系統報錯。

4.3 語音控制部分調試

測試內容：在房間內，早中晚三次分別進行指令測試20次，測試結果如下：

早上：識別13次，準確率65%。

中午：識別19次，準確率95%。

晚上：識別20次，準確率100%。

從上結果知，早上可能因溫度原因測試不準確，但中午晚上準確率較高，符合要求。

4.4 人臉識別部分測試

測試內容：人臉識別準確率。

白天96%。

夜間81%。

符合技術指標。

4.5 地震部分測試

測試內容：搖動系統，檢測系統是否出現報警聲。

當系統搖晃到一定角度時，系統發出報警聲，符合技術指標。

5 結論

本系統通過STM32F407作為主控芯片，設計了智能家居系統，通過該系統，能夠方便、高效、安全的對家電設備進行實時控制，極大的提高了生活的安全性和自主創新性。

附錄

附錄一：硬件使用

1.DS0（連接在PF9），DS1（連接在PF10）

2.蜂鳴器（連接在PG14）

3.按鍵KEY0（PE4）/KEY1（PE3）/KEY2（PE2）/KEY_UP

4.外部SRAM（IS62WV51216，通過FSMC驅動，FSMC_NE3接SRAM）

5.串口1

6.串口3

7.定時器TIM1，TIM2，TIM3，TIM6，TIM7，TIM12

8.RTC（實時時鐘）

9.ADC（讀取內部溫度傳感器）

10.WM8978（音樂播放/視頻播放/NES游戲）

11.光敏傳感器（連接在PF7）

12.24C02（IIC連接在PB8/PB9上面）

13.DS18B20傳感器一個（接在PG9上）

14.NRF24L01模塊

15. OV2655攝像頭模塊

16.USB_SLAVE接口

17.USB_HOST接口

18.LAN8720

19.SD卡

參考文獻：

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西華大學，四川 成都