語音識別與藍牙通信的智能水溫控制系統

天津職業技術師范大學 金新人 劉 穎 王皓南 徐麒麟 高茂華

針對目前家居環境中人們對家電采用語音控制及手機APP實時顯示與控制的需求，開發了一款基于語音識別與藍牙通信的智能水溫控制系統。本系統采用STM32芯片作為主控芯片，具有語音控制和手機APP控制的方式，能夠實現對水溫的實時監測、顯示及精準調節，本系統能夠滿足家庭洗浴、廚房用水、魚缸用水等多種水溫控制場合的需要，有較好的應用前景。

水溫控制在家居環境中扮演著非常重要的角色，其中家用洗浴熱水器、廚寶熱水器、魚缸恒溫系統及保溫杯等都是常見的水溫控制應用場景。在這些水溫控制應用場景中，采用語音控制方式以及手機APP實時顯示與控制方式，能夠更大程度地提高用戶使用的舒適性與便捷性，也更適應目前人們的生活現狀與需求。然而，目前具有這些控制功能的家用智能水溫控制系統較少，無法滿足普通用戶的廣泛需求。本系統基于這一特點，基于STM32芯片設計了一款具有語音控制、主控板按鍵控制和手機APP控制三種控制方式的智能化家用水溫控制系統，能夠實時監測和控制水溫，提高了用戶使用操作的自由度和便捷性。

1 總體方案設計

系統主要由STM32主控芯片、語音識別模塊、藍牙通信模塊、繼電器控制模塊、溫度感應模塊及電源模塊所組成。語音識別模塊實現外部語音輸入功能，可通過設定的“喚醒詞”喚醒語音輸入功能，然后通過語音達到對溫度值的設定。藍牙模塊實現手機APP對系統溫度設定和上水等基本控制，手機與藍牙模塊通過藍牙實現通信功能，藍牙模塊再將接收到的信息通過串口傳遞到主控芯片。蓄水艙溫度控制部分主要實現對水溫的實時監測、加熱、散熱及溫度顯示等功能。指令輸入部分包括語音交互輸入、旋鈕調節輸入、手機APP輸入三種方式，實現對所需溫度指令的輸入。在溫度控制的過程中利用PID算法實現對溫度的穩定控制。本智能溫控系統的系統框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

2 硬件設計

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊采用STM32F103C8T6作為控制芯片，該單片機I/O接口豐富，可對外圍電路功能進行拓展，且對于本套系統可適用的芯片范圍內，價格合理，性能強大。它擁有強大的運算功能和控制功能，對IO口傳送回來信號的處理速度較快。該芯片還具有復位功能，以保障系統的穩定工作，可通過復位鍵令STM32主控芯片回歸初始狀態。

2.2 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊的核心器件是一個經過防水處理的DS18B20溫度傳感器，該溫度傳感器的傳輸方式為單總線的接口方式，測量范圍為-55℃～+125℃，測量精度滿足設計目標且能夠將溫度信號及時準確的傳回主控制器。在溫度檢測模塊的應用程序設計中，首先進行DS18B20溫度傳感器的初始化設置，判斷溫度檢測模塊是否已在工作狀態，然后讀取蓄水艙內的溫度，轉換后的溫度數據通過命令BEH讀取，并送到顯示程序進行顯示，與此同時通過判斷語句來控制加熱棒對水溫進行加熱、恒溫保持或散熱降溫的操作。

2.3 繼電器控制模塊

為了實現易拆卸安裝的功能，本系統設計采用繼電器控制電路，分別控制加熱、水溫中和及散熱降溫等功能，以完成艙內溫度的準確控制。當主控芯片STM32F103 C8T6接收到來自用戶下達的指令后，吸合控制加熱器的繼電器，對加熱器供電加熱水溫。當水溫臨近目標溫度時吸合控制攪拌扇葉的繼電器，令艙內整體水溫一致，水溫達到用戶要求后利用芯片內寫入的PID算法，對水溫進行實時控制，保持水溫恒定。若輸入目標水溫低于當前溫度時，主控芯片通過吸合控制散熱器的繼電器，使散熱扇葉工作，達到快速散熱降溫功能。當蓄水艙內溫度達到用戶目標溫度后，再次利用PID算法對溫度達到實時控制。

系統中使用繼電器的實際電路如圖2所示，其中選用NPN型三極管利用三極管開關電路作為開關使用，當基極端為高電平時集電極與發射極導通，進而使繼電器內部線圈發生電磁感應現象，使繼電器由常閉端吸合至常開端。因為只需要在工作時給加熱器等上電，所以繼電器選擇常開端，且為防止繼電器斷電后線圈的感應電動勢擊穿三極管進而損壞其它電路，在繼電器外部反向并聯一個續流二極管。

圖2 繼電器控制電路

（1）攪拌電機的控制：當溫度臨近目標時，控制攪拌電機的繼電器接收主控芯片指令、開始工作，使蓄水艙內各處溫度達到一致。

（2）加熱棒的控制：當用戶通過藍牙將需要的溫度信號傳回主控制器時，將目標溫度與實時溫度進行比較，若低于當前溫度，吸合控制加熱器的繼電器，對加熱器供電，加熱水溫。若高于目前溫度，則將信號傳達給控制風扇的繼電器，令風扇轉動，對水溫進行降溫。當達到指定溫度后啟動控制攪拌電機的繼電器，當水溫達到用戶要求后利用芯片內寫入的PID算法，對水溫進行實時控制，保持水溫恒定。

（3）風扇降溫的控制：當模塊接收到主控芯片降溫指令后，控制風扇的繼電器開始工作，起到降溫作用。當達到指定溫度后，啟動控制攪拌電機的繼電器，并利用芯片內寫入的PID算法，動態的吸合控制加熱器的繼電器，對水溫進行實時控制，保持水溫恒定。

3 軟件設計

此設備在運行過程中有許多參數，如語音信號、移動端APP與設備的通信信號、蓄水艙內水量等，對這些參數實時、精準的接收及主控所做出的相應反應，我們設計此套設備基于STM32F103芯片，具有較強的運算能力，處理速度較快，能實時的接收、掌控各個模塊的數據，使整個系統能夠有條不紊的工作。主控芯片實時監測狀態水溫，并通過編程寫入的算法對控制加熱器的繼電器的開合達到精準控制，以保證水溫能在要求范圍內動態變化，系統主程序設計流程如圖3所示。在外部通信系統中，主控芯片通過串口對語音模塊接收并發送的信息進行分析，對于不同指令做出不同的處理動作，并在艙內溫度達到目標值時做出語音提醒，同時通過藍將信息第一時間傳送到用戶移動端APP中，串口通信子程序的設計流程如圖4所示。

圖3 程序設計總流程圖

圖4 串口通訊子程序設計流程圖

本套智能水溫控制系統采用STM32芯片作為主控芯片，并采取語音識別和藍牙通信模塊，實現了穩定、準確的水溫控制功能，并能夠將實時數據通過多方式、高效、智能的方式傳輸給用戶。本系統所采用的語音控制功能和手機APP藍牙通信功能，提升了用戶操作的便捷性，為用戶提供了更大的操作自由度和良好的使用體驗，具有良好的應用前景。