基于M0開發板的智能家居

龍忠霞

（西北民族大學電氣工程學院，甘肅蘭州，730030）

0 引言

近年來，越來越多的智能化產品投放市場，小到智能手機、手表、耳機、充電器，大到智能電視、冰箱、空調等，智能設備已成為當下人們不可或缺的生活消費品，給人們的生活帶來了巨大的便利，整個市場對智能設備的需求也隨之越高漲，尤其是對功能的需求越來越復雜。為了進一步提升家居設備的智能化，滿足人們對于家居便利性的需求，本文設計出了一款基于M0開發板的智能家居系統，該系統有助于提高用戶的生活便利度，并且符合綠色環保的理念。

1 系統總體方案設計

系統的硬件部分主要包括：溫濕度傳感器、聲音傳感器、光敏傳感器、按鍵。設計以M0開發板為核心，使用LCP11C14作為基板，傳感器采集到的溫濕度信息由LPC11C14處理器進行處理，經處理器處理后可以完成一系列相應的功能操作，并將處理后的信息傳遞到OLED顯示屏上。利用聲音傳感器、ADC模數轉換器實現語音信號的采集，將數據傳到給上位機進行保存，最后由計算機完成噪聲的濾除，實現噪聲的檢測與處理這一功能。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 系統功能

該智能家居主要完成的主要功能如下：

（1）用戶通過刷卡進入房間，如果卡號和預設值一樣則成功開鎖，并且會在OLED顯示屏上顯示出“解鎖成功”和卡號等信息。如果卡號和預設值超過三次不一樣則會觸發報警系統，蜂鳴器會一直發出聲響，直至同時按下按鍵兩次才可以解除報警。

（2）具有溫濕度檢測裝置，能隨時調整環境的舒適度，當溫濕度超過一定值時，系統會自動打開風扇，降低溫濕度。當溫濕度低于一定值時，風扇關閉。

（3）通過光敏傳感器控制燈的亮滅。

（4）按鍵是控制其他程序運行的開關，是一個程序必須具有的功能，是控制其他程序的基礎。本次系統功能由五向鍵控制，它可以實現音樂播放、燈的亮滅、風扇的開與關、解除警報等功能。按鍵設置清晰分明，操作上手對戶主也會顯得輕松容易。

（5）通過對上位機發送相應的指令，能讓下位機實現相應的功能操作。如如發送“led on”指令燈就會亮，發送“led oあ”指令燈滅，發送“M”指令播放音樂等等，用戶可以根據需求自由設置，真正體現智能科技給人們帶來的快捷與便利，同時滿足人們個性化的生活。

（6）能實時語音信號進行檢測與處理，當檢測噪聲時能濾除噪聲，為戶主營造寧靜舒心的生活或工作環境。

3 系統硬件部分

■3.1 M0開發板

M0開發板自帶串口、無線通訊模塊（可擴展為zigbee，WIFI，IPv6,Blue-4.0）。有多個傳感器,如：聲音傳感器、光敏傳感器、熱釋紅外傳感器、霍爾線性傳感器等，可以通過5V供電獨立使用。這些不僅為應用開發節省時間，提高效率，還可以為使用者提供一個簡單方便的良好開發環境。同時支持8位0.36寸數碼管、12864液晶接口、1602液晶接口。本設計選用了12864液晶顯示屏，該顯示屏能方便顯示英文字母、數字、符號等，通過自定義還可顯示簡單的漢字。不需要用到背光板，具有體積小、便于攜帶，畫質清晰等特點。

■ 3.2 基板

本次設計使用LPC11C14作為基板，該板擁有48個引腳，并配了許多模塊以及提供串口和SPI接口，通過串口就能實現上位機和下位機之間的通信。具有高性能、低功耗、指令集簡單、地址統一等優點。此外，與市場上現有的8/16位體系結構相比，它有效地減少了代碼長度。LPC11C14處理器有4組輸入/輸出端口,每組端口都具有復用功能，例如，它們可以用作輸入/輸出端口，也可以定義為IC接口功能。如果未使用某些管腳的復用功能，可先將該管腳設置為通用I/O端口，LPC11C14原理圖如圖2所示。

圖2 LPC11C14芯片原理圖

■3.3 聲音傳感器

聲音傳感器需要5V的供電電壓，此音頻探測器是一個小型并易于使用的音頻感應板,該產品尺寸為 5mm×2.3mm。其有三種不同輸出包括音頻輸出(AUDIO ),聲音有無的二進制指示(GATE) ,聲音模擬振幅(ENVELOPE)。這三種輸出是同時并相互獨立的,所以每次想用多少都可以。ENVELOPE輸出(引腳)可以通過簡單地測量模擬電壓讀取聲音振幅。可以通過通孔電阻器來調整增益,進而改變進制 GATE輸出引腳的閾值。這三種輸出(引腳)位于板邊緣,在預焊接0.1英寸的接頭處。它們是同時活動的。如果在特定應用程序中沒有使用其中某種輸出信號，只需將對應引腳斷開即可。

■3.4 光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏電阻測量環境中的光線變化，并將測得數據轉化為模擬電壓（0～3.3V），光敏電阻是一種對光敏感的材料，這種材料會隨著光照強度的變化而引起自身的阻值變化，通過光敏傳感器可以對燈的亮滅進行控制。

■3.5 溫濕度采集模塊

溫度采集模塊選用DS18B20溫度傳感器，在測量溫度的準確度的同時，轉換時間，傳輸速度都比傳統的溫度采集器有所改進和完善。檢測溫度范圍-55℃～+125℃，精度為正負0.5℃。編程分辨率9～12位，相較熱電偶傳感器而言可實現高精度測溫。濕度采集模塊選用濕度傳感器HS1101，檢測濕度范圍0～100%，響應速度快，經過計數轉成濕度值。通過該溫濕度采集模塊可以對室內的溫度濕進行實時監測。

■3.6 RFID射頻模塊

射頻模塊主要通過無線波進行識別，發展相對成熟，須在規定的頻率和一定的距離內才可以使用，工作頻率通常是125kHz。具有成本低、體積小、使用壽命長特點，是市場應用最廣的產品，比如公交卡、食堂餐卡、銀行卡等等，這些在我們的日常生活中都隨處可見，屬于近距離接觸式識別類。本次設計中通過RFID射頻模塊就可以實現刷卡這一功能。

4 系統軟件設計

■4.1 上位機

系統采用QT軟件設計編寫上位機界面，QT現如今已經被當成是一個GUI庫，它具有訪問數據庫、圖像處理、音頻和視頻處理等多種功能。通過QT編寫的上位機可以與下位機之間進行串口通訊，讓下位機實現相應的功能，通過上位機也還可以實現對系統功能的調試。

上位機界面圖如圖3所示。

圖3 上位機界面圖

■4.2 噪聲環境下的檢測與處理

系統通過聲音傳感器采集語音信號，由于M0開發板自帶ADC模數轉換器，因此語音信號可以通過ADC轉化成方便存儲的數字信號，并通過串口發送到上位機進行保存，接著通過MATLAB軟件讀入所采集語音信號，由于信號可能太長，為了方便處理，先將它截取一段再將它賦值給某一向量，然后綜合運用數字信號處理的理論知識繪制出信號頻譜圖，這樣方便對加有噪語音信號的音頻進行時域、頻域分析，根據頻譜圖設計出相應的濾波器，完成對噪聲的濾除。

■4.3 系統主程序設計與流程圖

圖4 主程序流程圖

本次設計使用的軟件是Keil5，這是一款使用率最高的程序，它的操作簡單，具備完整的結構性，在可讀性上也有明顯的優勢，編程起來有很清晰的思路，支持C語言編程。只有設計好了系統軟件，整個系統才可以正常工作。在編寫代碼時，先將代碼分成多個程序模塊，分別編寫、調試并生成.h文件，沒有問題后再對它們引用放在一起形成一個完整的程序。這樣可以不僅提高了編寫代碼的效率，還提高了代碼的可讀性。完成軟件程序設計之后，就需要進行軟硬件聯合仿真調試。先將系統源程序編譯，并生成（＊.hex）目標代碼文件，然后將其加載到串口上，方便對系統功能進行調試。

5 實驗結果

接通電源后不立即對整體功能進行測試，首先觀察整個電路有無異常現象，電路中元器件是否有發熱燒壞等現象，是否有漏電現象，電源是否有短路和開路現象等。如果電路在測試過程中出現異常，首先應該立即關閉電源，檢查后排除故障再重新通電測試，以保證各個元器件能正常工作。

當各個元器件正常工作后，打開電源，對刷卡、音樂播放、溫濕度控制風扇、火災檢測功能等進行測試。系統測試成功后，OLED顯示屏能夠顯示出溫度、濕度信息,使得用戶能夠隨時地了解周圍環境變化。如果室內溫度過高則風扇開啟降低溫度，如果溫度過低則風扇關閉，并且在光線過亮時，如果燈處于開啟狀態，系統能自動熄滅燈，能夠節約能源，在一定程度上體現出了綠色理念。當煙霧濃度過高時能正常觸發報警功能，這表明該智能家居設計不僅保證了用戶的安全，還大大提高了用戶的生活質量，具有一定的安全性、便利性、環保性、舒適性。OLED顯示結果如圖5所示。

圖5 OLED結果顯示圖

6 結束語

本文的總體結構是基于M0開發板的智能家居系統的研究，主要考慮的是家居的智能化水平，以及智能化的家居給人們帶來物質享受，讓人們的物質生活更加可靠、充實、豐富。自動化、安全性、精準性是智能家居的主要性能，也是智能家居在社會博得眾彩的重要因素，更是其在快節奏時代取得眾人青睞的一大亮點。本次設計實現了溫度、濕度的顯示，濕度控制風扇的開與關、刷卡入室，并在此基礎上也增加了報警功能，進一步保證用戶的安全以及不必要的意外發生。總而言之，該智能家居有高效、便利、環保、舒適、安全等特點，符合現代人們對居住環境需求以及當前國家提倡的綠色理念，同時順應社會發展趨勢，滿足當代人們精神物質的追求。當然，事物都具有兩面性，難免十全十美，科技總是浩瀚無界。未來，面對市場不絕的沖擊與挑戰，我們定會積極擔當起社會責任，坦然面對，并對其進行更深入的研究，不斷優化智能家居的性能，并在這一基礎引入新的功能，使這一系統更加完善，從而使人們能更好的感受它的便利性與舒適性。