物聯網寢室的系統設計

西北民族大學電氣工程學院 鐵一凡

本設計是以“物聯網寢室”為對象進行的研究。通過STM32單片機作為該系統的控制器，AS608指紋采集實現指紋識別的功能，LD3320語音識別模塊進行語音控制，ESP8266 WIFI模塊實現與機智云的傳輸來完成本次系統設計。

物聯網是繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，目前物聯網技術已經被廣泛的應用在我們日常生活的各個方面，這也使得我們的生活更趨向于智能化。智慧校園是目前國內外物聯網行業研究的熱點，而基于物聯網的智能寢室控制系統又作為智慧校園的重要組成部分，它無疑是具有很好的研究和發展前景。

1 系統功能設計

1.1 智能門禁系統

該系統分為兩種模式，分別為一級開鎖和二級開鎖，一級開鎖是由舵機控制門把手直接開鎖，第二種是由舵機控制門扣旋轉三圈再用舵機開鎖，可以實現指紋識別開鎖和語音識別開鎖。與此同時我們使用ESP8266 WIFI模塊實現與機智云的傳輸，將數據發送至APP，并在APP處理過后返還給處理器，做到在外面也能實現關門的功能。

1.2 語音控制系統

由繼電器、JQ8400FL-10P語音播報模塊以及揚聲器實現其功能，具體為通過大電流繼電器，以高低電平不同控制電燈以及風扇的開關，在這里同樣使用語音模塊，使得人們更加方便的使用寢室內的電器，同樣我們依然可以用語音控制揚聲器，使揚聲器放出一些內存卡里面的歌曲。

2 系統方案設計及器件選型

本次設計基于STM32F103ZET6芯片并通過元器件實現以下兩大系統。第一是智能門禁系統。由LD3320語音識別模塊識別語言、AS608指紋識別模塊作為指紋識別傳感器；SG90舵機和電機作為控制器，實現一級、二級開鎖；用ESP8266 WIFI模塊實現與機智云的傳輸。語音控制系統由繼電器、JQ8400FL-10P語音模塊以及揚聲器實現其功能。系統總框圖如圖1所示。

圖1 系統總框圖

2.1 單片機選型

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器，具有512K片內FLASH，64K片內RAM，其CPU工作電壓范圍是2.0-3.6V。選用此芯片作為本次設計的控制器是因為其引腳多、價格低廉、處理速度強、應用廣泛、并且能夠滿足此次設計的功能要求。

2.2 指紋識別模塊選型

指紋識別是先通過錄制指紋并進行樣本保存，在使用時通過使用者的指紋對樣本進行一一對比，可以進行身份確定。指紋識別根據其技術原理和實現方法可以分為三種形式，分別是光學式、超聲波式和電容式，本系統中使用的指紋模塊是AS608是一種集成的光學式指紋芯片，它可以進行二次開發，人為地更改指紋的設置。

2.3 語音識別模塊選型

LD3320語音識別模塊的語音識別技術是通過識別關鍵詞列表來進行判斷的。語音識別的過程是首先對輸入的聲音進行頻譜分析，再對語音特征進行提取，然后通過對關鍵詞列表進行匹配，最后找出匹配度最高的關鍵詞并執行其對應功能。LD3320模塊在使用時不需要外接其他的輔助A/D芯片、Flash芯片和RAM芯片就可以完成語音識別的功能，其識別準確率能高達95%。

2.4 WIFI模塊選型

ESP8266 WIFI模塊是一款串口轉無線的模塊，可以在2ms內喚醒并進行連接和傳輸數據。在本設計中ESP8266 WIFI模塊主要是在智能門禁系統中使用，在使用時門的狀態通過此模塊傳遞到手機上，我們就可以在終端進行門的關操作。

2.5 語音播報模塊選型

JQ8400FL-10P語音識別模塊除了支持多種模式控制，還支持對歌曲的播放進行控制。因此在本次設計中通過語音識別模塊對揚聲器進行控制從而播放歌曲。

3 硬件電路設計

3.1 硬件電路結構設計

本設計采用單片機最小系統為本次設計的核心部分，采用STM32F103ZET6芯片實現相關功能。由系統框圖可以看出：整體由最小系統、晶振電路、復位電路、LD3320模塊、JQ8400FL-10P模塊、AS608模塊構成。模塊集成度較高，便于用戶使用，只需提供給相應的電壓并控制信號引腳即能完成相應功能。硬件電路設計圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設計圖

3.2 單片機最小系統

STM32單片機最小系統是由主芯片、上電復位電路、時鐘電路和電源供電電路組成，同時一個基本完整的單片機功能還應包括下載電路和LED指示電路。

3.3 矩陣鍵盤電路設計

矩陣鍵盤是由四條行線四條列線交叉組成，在每一個交叉點上設置一個按鍵，這就是我們經常看到的矩陣鍵盤。按鍵的識別方法第一步是先檢測鍵盤是否有鍵被按下，第二步是將所有行的電平置零，檢查各列電平是否有變化，若有變化，則說明有鍵被按下，反之則無。識別具體按鍵的方法是先電平逐行置零，其余行置為高電平，逐列檢查電平的變化，若某列電平從高電平變為低電平，則說明此行此列交點處的鍵被按下了。在本設計中，指紋模塊可以輸入多個人的指紋，設計矩陣鍵盤是為了對輸入的指紋進行編號。

3.4 執行模塊電路設計

執行模塊是采用繼電器模塊控制實現的，工作時在線圈的兩端加上一定電壓，那么線圈中就會產生電流，從而產生電磁效應，銜鐵在電磁力作用下帶動銜鐵的動觸點和靜觸點吸合；而當線圈斷電后，銜鐵便會使動觸點與原來的靜觸點吸合。在設計中使用執行模塊實現控制LED燈、電機等狀態的控制。

4 控制程序設計

本系統采用STM32F103ZET6為控制核心。首先初始化配置各個引腳、定時器、中斷。程序將各個模塊的初始化封裝為函數，則可直接調用配置的函數來初始化模塊。將傳感器識別放入主循環，按鍵模塊輸入判斷由哪個傳感器模塊進行識別，最后由核心控制器進行控制。

系統總體的程序設計為先對所有的模塊進行初始化操作，連接AS608指紋識別模塊，再進行云平臺發送的數據點檢測；通過語音識別模塊進行語音控制；通過AS608模塊進行指紋的識別控制，結合矩陣鍵盤模塊進行指紋的錄入和刪除功能。本設計的總流程圖如圖3所示。

圖3 系統的總流程圖

本設計是根據當前物聯網的現狀、并綜合考慮學生居住條件的各方面，結合實際進行的基于STM32單片機的物聯網寢室控制系統設計。該設計的可行性高、實用性高、易于推廣，對于提高學生的生活質量也有很重要的意義，并且對于將來智能家居方面的研究和發展打下了一定的基礎。