智能家居系統布控研究

摘要：智能家居系統設計主要基于嵌入式STM32F407芯片進行研究，能夠實現智能家居語音控制LED燈、窗簾、門禁和基本環境監測功能，具備遠程APP網絡監測與控制。該系統研究符合社會主義現代化的智慧城市、智能生活、智能家居信息化技術，能夠增加家庭生活的便利性和舒適性，提升居民生活幸福感。

關鍵詞：智能家居；智能生活；智慧城市；數字信息化

一、智能家居技術背景

智能家居在20世紀80年代初期開始形成概念，在1985年由美國聯合科技公司將樓宇智能和建筑設備數字信息化、整合化的概念落地實施，并應用于國家城市建設當中，真正出現了“智慧城市”和“智能型建筑”，從此揭開了全世界的智能家居商戰序幕。隨著社會的快速發展和人們生活水平的不斷提高，生活節奏也在加快，使得人們對住宅的智能化水平提出了更高的要求，智能家居的概念應運而生——通過智能終端集成家庭智能的所有功能，實現“一核多控，一線多用”的整體控制。

二、智能家居設計系統框架

圖1 系統設計框圖

智能家居控制系統最重要的模塊為語音識別模塊和WiFi物聯網模塊。語音識別模塊通過提前在系統中錄入對應的識別語句去控制燈光、門鎖、智能開關；而WiFi模塊主要將系統采樣的數據進行云端App顯示之外，還要進行云端指令的傳輸。

三、各個功能模塊設計與實現

（一）智能語音模塊

智能語音模塊使用LD3320的智能語音識別模塊，該語音模塊是非特定人語音識別芯片，即語音聲控芯片不具有音色識別功能，模塊最多可以識別50條預先內置的語音指令。首先我們應認識到聲音是一種波，常見的MP3格式是壓縮格式，必須轉為非壓縮的純波形文件來處理，比如Windows PCM文件，也就是WAV文件。WAV文件里存儲的除了一個文件頭以外就是聲音波形的一個個點。

語音信號進入傳感器后，在語音開始識別之前，需要把首尾端的靜音切除，降低對后續步驟造成的干擾。然后通過固定的采樣頻率將聲音數據進行切割，分成一小段一小段的語音數據，這個過程我們稱之為語音分幀。但由于分幀后的語音信號還是模擬量的數據，此時還無法對數據數字化處理，因此還需將分幀后的語音信號進行MFCC特征提取，根據人耳的生理特性，把每一幀波形變成一個多維向量，這個向量包含了這幀語音的內容信息。其中MFCC算法包含語音信號的預加重聲音信號，讓聲音信號得到放大，預加重函數為：y（n）=x（n）?α·x（n?1）。分幀、加窗和傅里葉變換基本是同時進行，加窗目的是消除各個幀兩端可能會造成的信號不連續性，其漢明窗公式為：W（n）=（1?a）?a·cos（2·π·n/N），1≤n≤N，加窗就相當于濾波。然后使用傅里葉變換將時域信號變為頻域信號處理。最后通過梅爾濾波器和離散余弦變換處理得到數字信號，該數字信號輸出至STM32處理器。

LD3320的智能語音識別模塊采用SPI通信協議，該協議為常用總線協議之一，通信起來相對容易。但在數據處理中還需要使用以下技巧，避免誤識別情況出現。例如：在用戶說出一個單詞之后，模塊將會把接收到的聲音數據和預設值單詞比較，數據近似度大于50%的預設單詞都會識別出來，這將導致太多的錯誤單詞。為了進一步降低誤識別率，可以在識別列表中添加一些其他近聲詞來吸收誤識別。例如，在應用場景中需要識別關鍵詞“開燈”，那么我們可以在LD3320模塊中再設置10～30個讀音相近的垃圾關鍵詞語，如“開水”“開始”“開車”等，每次語音識別時，這些垃圾詞語也都會被識別出來，但設置只有識別到“開燈”這個詞語時，才認為識別有效。如果識別結果全部為“垃圾關鍵詞”時則模塊會重新啟動識別，通過此處理方法將會大大提高語音識別成功率。

（二）無線通信WIFI模塊

全屋智能家居的通信是采用NORDIC公司生產的一款無線通信芯片，其名稱為NRF24L01，該芯片在一定的電路組合后形成無線WiFi模塊NRF24L01。模塊采用FSK調制，集成高科技公司獨家的Enhanced Short Burst協議，可以實現一對一或者一對六的無線通信。無線通信速度最高可達到2.4GHz，能夠直接和家庭路由器對接，模塊的另一端采用SPI協議和SMT32進行通信。其通信原理方便，是一款市場上通用常見的WiFi無線模塊。NRF24L01模塊工作為常見的2.4GHz ISM頻段，內置有RC振蕩器和石英晶體振蕩器，并且ShockBurst技術具有低功耗體積小的特點優勢。模塊點額定電流9mA，具有QFN20 4×4mm封裝，工作電壓范圍1.9V—3.6V，適應溫度范圍-40℃至80℃，數據包每次可以傳輸數據1-32字節，是一款實用性強、網絡資源豐富的傳感器。

（三）走廊過道感應燈

走廊過道感應燈由光敏模塊、紅外探測模塊組合而成，主要功能用于檢測光線強度大小來控制感應燈。其功能原理為光敏感器件PTC光敏電阻和普通固定電阻進行串聯分壓后得到光敏檢測電壓Vin，該電壓通過芯片LM393比較器和基準電壓Vref比較，當大于基準電壓Vref時，比較器輸出高電平Vout=1；反之當VIN小于Vref時比較器輸出電壓為低電平Vout=0。其中涉及的Vref基準電壓可以采用TL431基準電壓器件、穩壓二極管或者串聯電阻分壓等電路設計而成，本文中采用串聯電阻分壓的形式設計基準電壓Vref。以上的光敏模塊主要檢測白天和黑夜，而且還需要配合雷達傳感器檢測是否有人路過走廊過道才可檢測角度更廣，靈敏度更高，因此在光線較暗并且有人路過走廊過道時，該感應燈才會亮起。

（四）HLK-LD116S-24G雷達傳感器

隨著5G商用、人工智能、物聯網等新興科技的快速發展，人們對智能化的家居照明環境越來越青睞。其中雷達傳感器模組及方案以其出色的特點備受廣大客戶的喜愛，本次設計研究中，雷達傳感器主要完成智能照明和防盜布控功能。雷達傳感器設計的原理是多普勒效應，通過傳感器內部的射頻電路發射電磁波，電磁波的頻率大概在300MHz，采用廣角度120°進行發射。當有移動的人或者物體進入到射頻電磁波的照射范圍時，電磁波波形將被反射回來，并且折回的頻率大概在400MHz。當平面天線接收到反射回來的電磁波時，傳感器內部的電路將會產生觸發信號去觸發亮燈的效果。雷達傳感器與其他光電傳感器相比，具有靈敏度高、識別范圍廣、低功耗和安裝面積小等獨特的優勢。比光電傳感器的節能程度高達85%，而且純分立器件的電路使得其壽命極大增強，能穿透玻璃和薄木板，避免了誤觸發的亮燈情景。其與視覺傳感器相比，不受光線、空氣霧氣、室外雨天的影響，并且雷達傳感器頻率和功率都不足以對人體造成輻射傷害。研究所用雷達傳感器型號為：HLK-LD116S-24G物聯網毫米波雷達模塊，其可用于檢測小范圍內的運動目標，并輸出短距離和高低電平信息，且不受溫度、濕度、氣流、灰塵、噪聲、亮暗等影響，抗干擾能力強，可穿透亞克力、玻璃、塑料以及其他厚度小的非金屬材料。HLK-LD116S-24G具有行業領先的卓越性能，尺寸小、精度更高、功耗低的優勢，可以為客戶提供理想的、高性能的物體移動監測解決方案。傳感器接口僅有3個PIN，包括VCC、GND、VO。VO為當檢測范圍出現移動物品時輸出高電平信號，模塊還可以調節測試靈敏度和輸出高電平持續時間，這樣CPU在處理就變得更加便利。

（五）MQ-9和MQ-135氣體檢測傳感器模塊

MQ-9氣體傳感器使用二氧化錫作為氣敏材料，正常情況下二氧化錫在清潔空氣中導電率較低，此時的數據可以作為參考基準，利用相關穩壓二極管和LM393比較器設置清潔空氣正常情況下的VREF值，清潔空氣下LM393輸出低電平不會觸發相關的警報系統。但當空氣中一氧化碳的濃度增加時，使氣敏材料的導電率將發生高度的偏移變化，能夠使LM393輸出高電平，使得蜂鳴器報警。當空氣中檢測到可燃氣體甲烷、丙烷等有毒性氣體濃度增加，氣敏材料的導電率將發生中度的偏移變化，也能夠使LM393輸出高電平，使蜂鳴器報警。只要調節基準電壓，傳感器的靈敏度也將能夠調節到環境的適應值。MQ-135氣體傳感器和MQ-9有點類似，使用二氧化鋅作為氣敏材料，正常情況下二氧化鋅在清潔空氣中導電率較低，此時可以作為參考基準。LM393比較器一端采用穩壓二極管做基準，一端接到二氧化鋅氣敏材料輸出端，設置清潔空氣正常情況下的VREF值。當空氣中氨氣、硫化物、苯系蒸汽等氣體濃度增加時，使氣敏材料的導電率將發生高度的偏移變化，能夠使LM393輸出高電平，使蜂鳴器報警。傳感器的靈敏度可以通過調節比較強的電位器去設置，從而使傳感器能夠適應不同的環境需求。本文所研究的智能家居系統的天然氣和有毒氣體就通過MQ-9和MQ-135兩個傳感器，使用兩種傳感器的原因是為了保障有毒有害氣體的檢測可靠性，保障家庭財產和人身安全。

（六）OLED顯示屏

系統的溫濕度顯示和一些常規信息顯示，采用128×64分辨率的OLED顯示屏。該屏幕尺寸較小，主要考慮研究經費不足，只能采用該顯示屏模擬研究。顯示屏為單色顯示，能夠顯示字母、數字、中文和一些簡單的圖片。OLED顯示屏的通信協議分為SPI、I2C、并口通信；這里我們采用的是原裝SPI協議。程序設計中，我們不需要使用STM32真正的SPI接口對接OLED，可以使用GPIO模擬SPI的方式編寫驅動代碼，當然商家也會提供驅動代碼，我們只需要修改接口，將代碼移植使用即可。顯示中文或者圖片時，對應的數據可采用PCtoLCD軟件進行生成，若顯示字母或者簡單數字符號，可直接使用字符串方式顯示。

（七）SG90舵機門禁控制

轉向機主要用于某些控制系統，在角度變化的情況下仍能保持穩定性。這是一個驅動器，可以定位或角度伺服。主要用于需要輸出某一控制角度的場合，舵機可以根據控制信號來輸出指定的角度，常見的有0°-90°、0°-180°、0°-360°，這幾種舵機除了能夠輸出最大角度不同之外，價格和性能參數沒有任何區別（同一型號而言）。方向機的基本工作機理由殼體、電路板、驅動電機、減速器以及定位與測量器件等五部分構成。其工作機理是利用接收器向轉向器上發射信息，接著通過集成在電路板上的IC驅動無芯電動機進行轉動，從而使減速器產生動能，同時把動能傳送給擺臂動作，探測器信息被傳遞到信號器上，以確定是否已達到所確定地點。位置探測器實際就是一個可變電阻。當轉向機旋轉時，電阻值也隨之變化。因此利用測量電阻值，即可了解轉動角度。通用伺服電機將細銅絲繞到第三極轉子上。當電流通過輸入線圈時，它就形成了磁場，并排斥在轉子附近的磁體，進而形成轉動力矩。按照物理學原理，物體的慣性矩與其質量成正比。所以，物體質量越大，轉動對象所需要的力矩就越大。為達到高速和低功耗效果，轉向器將細銅絲繞在一條很薄的空心圓筒中，從而產生了一種特別輕巧的無電極反應過程空心轉子，并把磁體安裝到圓筒中，即為空心杯電機。

（八）PM2.5傳感器

光學粉塵傳感器（GP2Y1014AU0F）是日本夏普公司開發的一種光學粉塵濃度檢測傳感器。傳感器內部呈對角線分布的紅外發光二極管和光電晶體管利用光敏原理工作，檢測環境需要一定的氣流通過傳感器測試孔，當檢測氣體通過測試孔，顆粒粉塵就會遮擋光電傳感器中發光二極管發射的光線；接收對管通過對光線強度的檢測得到相應的電壓模擬量；傳感器內容在經過高精度的模數轉換芯片和相應的專用芯片及算法，得到對應的測試數據。該模塊還可以輸出模擬量數據，通過以下給出的公式：mg/m3=0.1686×V-0.09856，可對應地算出顆粒大小。該PM 2.5傳感器具有非常低的電流消耗（典型情況下限制為20mA和11mA）。它可以配備高達7VDC的傳感器。輸出為模擬電壓，與測量的粉塵濃度成正比，靈敏度為0.5v/0.1mg/m3。

（九）DHT11溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器在靈敏度要求不高的環境下，是最佳的溫濕度傳感器。該傳感器為單總線協議，根據高電平的寬度去確認輸出的數據為0還是1，DH11采樣回來的數據包括濕度整數部分、濕度小數部分、溫度整數部分、溫度小數部分、校驗碼。該傳感器使用起來相對簡單，只要將讀取到的數據轉換為對應的十進制數據，然后乘以最小靈敏度即可得到要顯示的溫濕度。

（十）萬能遙控發射器

該模塊具備433、315和多頻高增益的接收解碼功能，遙控信號脈沖寬度與按下遙控發射脈沖長度自動識別，長按學習更長脈沖，硬件做到更懂所需模塊學習的內容；具備廣角紅外發射頭，可以更大范圍的發射紅外遙控信號去控制具備接收紅外遙控功能的家電。不管是射頻解碼還是紅外解碼在使用的過程中，都需要先DDS掃頻或者調用多代碼庫去解密家電。

四、結束語

目前智能家用電器逐年遞增，但這些家用電器的智能功能僅僅限于自身，并沒有與其他家電形成一個整體。該論文研究提出了具有實際落地建設的智能家居方案，貼近生活并且改變生活。其目的是研究將所有家電通過網絡技術連接在一起，而且在房子裝修前期布局，或者將現有老式家居設備改裝成智能家居系統。通過該系統人們能夠對家電設備進行近程或遠程的集中控制與管理，使人們能夠隨時隨地控制和了解家電的具體情況。

作者單位：甘新泉 廣西城市職業大學

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