智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

李雪鋒 學(xué)江煜 張光旭 劉曉波 陳輝金 黃瀟涵

【摘? ?要】? ?設(shè)計了以STM32單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合LD3320語音識別模塊、WIFI通信模塊、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動模塊以及各環(huán)境參數(shù)檢測模塊，實現(xiàn)對家居的遠(yuǎn)程及智能語音控制。設(shè)計了基于專家系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，實驗表明該系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境溫濕度變化做出智能調(diào)整，能夠針對用戶習(xí)慣做到自適應(yīng)調(diào)整。系統(tǒng)具有語音控制、WIFI遠(yuǎn)程控制以及按鍵控制，添加了OLED液晶顯示屏和溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，為人們居住環(huán)境提供便利。

【關(guān)鍵詞】? ?單片機(jī)；專家系統(tǒng)；語音識別；智能家居；OLED

Design of Smart Home Control System

Li Xuefeng， Xue Jiangyu， Zhang Guangxu*， Liu Xiaobo， Chen Huijin， Huang Xiaohan

（Quanzhou University of Information Engineering， Quanzhou 362000， China）

【Abstract】? ? In this design， STM32 microcontroller was used for the main control chip.LD3320 voice recognition module， WIFI communication module，stepping motor drive module and various enviromental parameter detection modules were combined to achieve remote control and recognize the vioce of non-special people on the smart home. Expert system was used for this system.Experiment showed that the system notonlycould intelligently adjust the change of environment temperature butalsocould adjust to the user's habits.The system had varied control scheme ， such as voice control ， WIFI remote control and button control， OLED liquid crystal was used for displaying data. The system could provide convenience for people's living environment.

【Key words】? ? ?MCU; expert system; speech recognition; smart home; OLED

〔中圖分類號〕? TP274? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0029 - 05

0? ? ?引言

近年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)以及人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，眾多智能家居控制系統(tǒng)獲得相應(yīng)的技術(shù)支撐。智能家居控制就是以家庭為設(shè)計平臺，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、檢測技術(shù)、自動識別技術(shù)及自適應(yīng)控制技術(shù)，設(shè)計智能家居系統(tǒng)方案，將與家居生活相關(guān)的設(shè)備集成，提高家居的安全性、便利性和舒適性［1］。智能自動化系統(tǒng)［2］不僅包括室內(nèi)燈光、家居設(shè)備控制、家用電器控制及家庭的環(huán)境安全監(jiān)測，也包括安全防盜控制與家用設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能［3］，不僅可以讓人們在外工作時實時觀察家中安全情況，而且對家中老人、小孩的安全及時做出保護(hù)，從而實現(xiàn)對家庭室內(nèi)外的全方位控制與安全監(jiān)測。

1? ? ?系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1? ?設(shè)計構(gòu)想

系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中各模塊主要完成以下任務(wù)。

（1）語音識別模塊：通過非特定人發(fā)出語音，實現(xiàn)對燈、窗簾、空調(diào)、電視等家用設(shè)備的控制。

（2）人體紅外檢測控制模塊：通過采集人體紅外傳感模塊信號，判斷房間內(nèi)是否有人，當(dāng)房間處于長時間無人的狀態(tài)且設(shè)備處于工作狀態(tài)時，自動關(guān)閉相應(yīng)家電設(shè)備，以達(dá)到節(jié)能目的。

（3）顯示模塊：單片機(jī)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以及家電設(shè)備的工作狀態(tài)顯示在液晶顯示屏上，便于用戶實時了解。

（4）WIFI控制模塊：利用手機(jī)WIFI遠(yuǎn)程查看設(shè)備工作狀態(tài)或遠(yuǎn)程控制設(shè)備，從而實現(xiàn)對家電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

（5）報警模塊：當(dāng)檢測到環(huán)境溫濕度超過設(shè)定溫濕度值自動開啟報警模式并可自動調(diào)整溫濕度以解除報警。

（6）按鍵模塊：當(dāng)家里斷網(wǎng)或語音識別模塊失效時，可通過一鍵式選擇，開啟本智能家居語音控制輔助系統(tǒng)，即切換到家居原有的手動控制功能。

1.2? ?關(guān)鍵問題

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，目前智能家電場景存在以下技術(shù)痛點(diǎn)：

（1）設(shè)備參數(shù)固定，不能根據(jù)用戶習(xí)慣自動進(jìn)行調(diào)整和適應(yīng)；

（2）多個智能家電不能實時控制、統(tǒng)一調(diào)度；

（3）用戶有遠(yuǎn)程遙控或者聲控的需求。

2? ? ? 系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ?硬件設(shè)計

本系統(tǒng)利用STM32作為中央處理單元［3-4］，在系統(tǒng)中嵌入溫濕度控制的專家系統(tǒng)，以語音識別、WIFI遠(yuǎn)程控制為主，按鍵控制為輔，可實現(xiàn)家居設(shè)備語音控制、WIFI遠(yuǎn)程控制、按鍵控制，通過STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理自動開啟關(guān)閉負(fù)載。OLED液晶顯示當(dāng)前家電設(shè)備狀態(tài)和溫濕度參數(shù)。

（1）LD3320A語音識別電路設(shè)計

本系統(tǒng)語音識別芯片選用LD3320A，該芯片可識別任意命令，其電路圖如圖2所示。該模塊供電的電壓為3.3V，所以采用lm117降壓模塊進(jìn)行降壓。系統(tǒng)語音模塊采用串行接口通過SPI協(xié)議和外部主CPU連接，首先要將MD接高電平，而將（SPIS*）接地。

（2）DHT11溫濕度采集電路設(shè)計

DHT11溫濕度采集電路如圖3所示。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度和濕度的復(fù)合傳感器［5］。將STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)口A7與傳感器的Pin2連接，用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)。在本部分硬件電路設(shè)計上，由于檢測范圍電路小于20m，因此在傳感器的Pin2口與電源之間連接一個10K電阻；傳感器的第三腳懸浮放置。

（3）無線WIFI模塊

本次設(shè)計無線通信部分［6-7］采用ESP8266無線串口模塊作為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。ESP8266模塊不僅功耗低、體積小、成本低而且其通信距離較遠(yuǎn)。電路中A9是STM32單片機(jī)的發(fā)送端，rxd代表接收，無線WIFI通過txd引腳發(fā)送到單片機(jī)接收引腳A10，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，其電路連接見圖4。

2.2? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶的使用習(xí)慣自動調(diào)整溫濕度。專家系統(tǒng)是智能計算機(jī)程序的一種，由知識庫和推理機(jī)兩個部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

專家系統(tǒng)經(jīng)由推論引擎、知識庫及接口而組成的系統(tǒng)即所熟知的專家系統(tǒng)［8］。知識庫是專家知識、經(jīng)驗或常識構(gòu)成的存儲裝置。常用的表示形式有邏輯表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示、規(guī)則表示、框架表示和子程序表示等。本次設(shè)計的規(guī)則庫由兩方面構(gòu)成：（1）來自專家知識的專家規(guī)則庫，用于實現(xiàn)設(shè)備的基礎(chǔ)功能；（2）基于用戶使用習(xí)慣自動產(chǎn)生的規(guī)則，用于實現(xiàn)個性化的設(shè)備需求。

推理機(jī)負(fù)責(zé)控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)，并且會根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，基于知識庫中的知識按一定的推理策略進(jìn)行推理，最終解決問題。常用的推理策略有正向推理、反向推理和正反向混合推理。

（1）知識庫編碼規(guī)則

每條規(guī)則由16位編碼構(gòu)成，這樣可以方便地用4個十六進(jìn)制數(shù)表示。具體的編碼規(guī)則如表1所示。

（2）知識庫結(jié)構(gòu)與更新

知識庫由“專家知識庫”和“用戶知識庫”構(gòu)成，“專家知識庫”在設(shè)備出廠前已經(jīng)固化好，只能通過更新固件的方式進(jìn)行更新。“用戶知識庫”由用戶行為構(gòu)成，由于不同個體對“溫度”和“濕度”的敏感程度不同，實現(xiàn)對溫濕度控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

（3）推理機(jī)構(gòu)建

推理過程分為兩個部分，首先會根據(jù)“專家知識庫”進(jìn)行推理，如果置信度超過閾值的操作則執(zhí)行對應(yīng)操作并結(jié)束推理，否則會轉(zhuǎn)入“用戶知識庫”繼續(xù)推理。推理專家知識庫或用戶知識庫時的流程均如圖6所示。

3? ? ?系統(tǒng)測試結(jié)果

3.1? ?測試條件

基于上述分析，設(shè)計了相應(yīng)的設(shè)備樣機(jī)，如圖7所示。

在軟件部分采用了基于專家系統(tǒng)的程序架構(gòu)。其中知識庫的預(yù)設(shè)信息如表2和表3所示。

3.2? ?測試結(jié)果

（1）基礎(chǔ)功能測試

利用外部環(huán)境變化，使溫度傳感器標(biāo)定值降低至0001以下。在線調(diào)試結(jié)果如圖8所示，其中ODR4為報警器端口，顯示為高，說明單片機(jī)報警，Expert_Explain為解釋寄存器輸出支持報警操作的知識868F（溫度低于標(biāo)定下限0001報警）。其余測試結(jié)果如表4所示。

（2）自適應(yīng)功能測試

利用外部環(huán)境變化，使溫度標(biāo)定值高于1000，但低于最高閾值，設(shè)備會自動開啟降溫，同時解釋寄存器會輸出用戶知識“A123”，0DR8為降溫模塊對應(yīng)寄存器（高表示開啟降溫），在線調(diào)試結(jié)果如圖9所示。

在上述條件下，等待設(shè)備自動開啟降溫后，使用按鍵、語音或遙控手動關(guān)閉降溫，使溫度自然升高至1010后再手動打開降溫。

在用戶手動操作后，用戶知識庫新增了知識“A923”（溫度大于標(biāo)定值1010后關(guān)閉加溫或開啟降溫），同時預(yù)設(shè)知識“A123”因為與新增知識沖突，所以置信度降低為“A121”。在線調(diào)試結(jié)果如圖10所示。

重復(fù)上述操作，新增知識“A923”的置信度進(jìn)一步提高為“A926”，原知識“A121”的置信度進(jìn)一步降低“A120”，如圖11所示。

在上述2次操作后，重啟設(shè)備，利用外部環(huán)境變化使溫度標(biāo)定值升高至1000（預(yù)設(shè)用戶知識“A123”所對應(yīng)的溫度），此時設(shè)備不會動作。

繼續(xù)升高至1010時，設(shè)備會根據(jù)新增用戶知識“A926”自動開啟降溫（見ODR8寄存器），同時解釋寄存器輸出對應(yīng)知識“A926”。如圖12所示。

（3）語音、遙控和按鍵功能測試

分別測試了語音、按鍵和遙控功能遠(yuǎn)程操作設(shè)備，測試結(jié)果表明設(shè)備可以根據(jù)用戶輸入進(jìn)行對應(yīng)操作，如圖13、14、15所示。

4? ? ?結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，能夠?qū)Χ喾N家用電器實現(xiàn)自適應(yīng)控制。硬件部分涵蓋多種傳感器模塊、液晶顯示模塊以及多種繼電器輸出模塊，能夠?qū)?fù)雜的家中環(huán)境全面檢測，并做出相應(yīng)調(diào)整。軟件部分基于專家系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，整體架構(gòu)高效、穩(wěn)定。所設(shè)計的知識庫體能夠基于用戶使用過程自動產(chǎn)生合適的知識，而解釋器則可以對系統(tǒng)自身行為給出解釋，有利于工程技術(shù)人員對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與維護(hù)。同時，該智能家居系統(tǒng)還支持語音、WIFI遙控和按鍵等多種控制方式。實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 朱匆，劉宏，彭華，等.利用專家系統(tǒng)構(gòu)建智能家居的研究與設(shè)計［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，24（3）：73-74.

［2］ 崔浩斌，劉偉. 基于STM32單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.中船重工縱橫科技有限公司，2020，2（1）：61-64.

［3］ 周賽清，宋文璐，楊聰.基于STM32單片機(jī)智能家居音控系統(tǒng)硬件設(shè)計［J］.西安思源學(xué)院學(xué)報，2020，16（6）：239-242.

［4］ 李澤彬，姚有峰，張飛龍，等.基于單片機(jī)的智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2017，25（8）：175-182．

［5］ 黃先貴，荊睿，陳素安. 基于無線通信的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］. 鄉(xiāng)村科技， 2018（24）：2.

［6］ 李云紅，張恒，張亞林，等.基于ARM的WiFi無線終端系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2017，45（3）：498-543．

［7］ 肖清泉，顧竟成.面向智能家居的無線語音控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，37（4）：65.

［8］ 李春生，豆立憲，張可佳，等. 基于專家系統(tǒng)的Web日志數(shù)據(jù)處理方法研究［J］. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展， 2022（32）：7.