基于STM32的智慧物聯公寓系統的研發與設計

王曉 關雷

摘? 要：智慧物聯公寓系統主控模塊選擇STM32F103VET6單片機作為核心處理器，采用物聯網技術組建公寓內部無線通信網絡，集成無線通信與遠程監控、語音交互與控制、人臉識別與檢測、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶智能顯示等模塊和功能。采用ESP8266模塊組建智慧物聯公寓網絡系統，通過手機APP控制LED燈亮滅、風扇啟停等；通過語音交互與控制模塊LD3320可以實現智慧物聯公寓系統的語音交互與控制功能等。

關鍵詞：STM32F103VET6；物聯網；語音交互與控制

中圖分類號：TP27? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0158-04

Abstract： The main control module of the smart Internet of Things apartment system selects STM32F103VET6 Single-Chip Microcomputer as the core processor， and uses the Internet of Things technology to build the wireless communication network inside the apartment， and integrates wireless communication and remote monitoring， voice interaction and control， face recognition and detection， （smoke， rain， temperature and humidity， etc.） sensor information acquisition and control， OLED LCD intelligent display and other modules and functions. The ESP8266 module is used to build the smart Internet of Things apartment network system. The LED light on and off and the fan on and off are controlled through the mobile APP. The voice interaction and control module LD3320 can realize the voice interaction and control functions of the smart Internet of Things apartment system.

Keywords： STM32F103VET6; Internet of Things; voice interaction and control

0? 引? 言

伴隨著物聯網、傳感器和自動控制等現代化科學技術的快速發展，人們在生活的各個方面都充分體驗到了現代科學技術帶來的便利，特別是智能便捷的公寓生活環境——智慧物聯公寓系統。本課題研究一種具有無線通信、人臉識別、溫濕度檢測以及防火防盜等多項功能的智慧物聯公寓系統，旨在為人們提供一個輕松便捷、溫馨舒適、安全智能的公寓環境。

1? 智慧物聯公寓系統未來發展趨勢

1）技術上更智能。目前，傳統的家居、公寓系統基礎設施依然比較落后，語音識別、人工智能、遠程監控等現代智能技術還沒有得到普及和應用，相信將來的智慧公寓系統將會變得更加智能。

2）生態上更開放。因為智慧物聯公寓跟手機不同，由于各家廠商之間互不兼容，公寓系統存在相當大的局限性。因此，想要更加成熟穩定的發展，未來的智慧物聯公寓生態肯定要開放。

3）功能上更“慵懶”。智慧物聯公寓最剛需也最能打動人心的地方，就是貼合人類“懶”的本性，可有效提高生活幸福感，比如電動窗簾、智能門鎖、智能音箱、掃地機器人等產品。

4）生活上更便捷。智慧物聯公寓系統可以通過語音交互、無線通信、遠程監控等相關技術進行監測和控制，生活更加方便，提高生活品質。

5）聯網上更廣泛。國家一直著力于推進“智慧城市”系統工程，打造信息化的城市連接，伴隨著物聯網、人工智能、大數據、云計算等相關技術的發展，“物物相連”的智慧公寓在未來某一天終將變為現實。

2? 系統整體研發方案

智慧物聯網公寓系統主要集成中央處理器STM32F103

VET6、電源模塊、人臉識別模塊、煙霧報警模塊、溫濕度檢測模塊、OLED顯示模塊和語音播報模塊等模塊，系統整體研發方案如圖1所示。

1）無線通信與遠程監控：采用ESP8266模塊組建智慧物聯公寓網絡系統，實現物物相連，通過手機APP控制LED燈亮滅、風扇啟停等。

2）智能語音交互與控制：通過語音交互與控制模塊LD3320可以實現智慧物聯公寓系統的語音交互與控制功能，如通過語音控制LED等亮滅、電機開啟和關閉風扇等。

3）人臉識別與檢測：本研發項目視覺模塊采用OpenMV攝像頭作為人臉識別與檢測傳感器采用LBP算法（具有旋轉不變性和灰度不變性等優點），檢測人臉灰度圖像。當攝像頭開始工作時，拍攝四次圖像，并將四次的平均值與圖庫中已經建立的人臉灰度數據進行分析比較，當差異度較小時，向主控端發送數據，打開門禁系統，否則提示人臉檢測失敗。

4）（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制：如當煙霧傳感器模塊MQ-2檢測環境煙霧濃度過高時，通過OLED液晶屏顯示煙霧濃度數據，自動開啟風扇加強空氣流通，同時也會發出消息上傳數據到用戶的手機APP上，提醒在外用戶。

5）OLED液晶屏信息采集與智能顯示：通過OLED液晶智能顯示模塊可以實時直觀、清晰地智能顯示溫濕度、煙霧濃度等環境信息。

3? 系統硬件設計

智慧物聯公寓系統整體研發與設計方案選擇STM32F

103VET6單片機作為核心控制器，集成無線通信與遠程監控、智能語音交互與控制、人臉識別與檢測、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶屏信息采集與智能顯示、電機驅動與控制等模塊和功能。

3.1? 煙霧報警器電路設計

采用MQ-2煙霧采集與報警模塊作為智慧物聯公寓系統的煙霧傳感器，當我們生活的公寓可燃性氣體（如甲烷）濃度超過一定程度時，MQ-2煙霧傳感器的電導率就會增大，電路中電流就會增大，從而進行報警。

本研發項目主要通過煙霧傳感器模塊實現火災報警功能，將環境中煙霧和可燃性氣體濃度轉換為煙霧傳感器電導率的變化。MQ-2氣體傳感器同樣對天然氣、液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度也很高，還可以檢測CO等一些有害氣體，檢測效果理想。

當煙霧濃度過高時，MQ-2氣體傳感器溫度越來越高，響應時間也越來越快，當煙霧濃度變大時，adc煙霧采集，將采集到的煙霧上傳到OLEDD顯示屏上，同時由于也采用了語音交互功能，可以通過語音來啟動電機帶動風扇的運作以及打開窗簾，同時也會發出一道消息傳到用戶的手機APP上，提醒在外的用戶。煙霧傳感器電路原理圖分別如圖2所示。

3.2? 語音識別電路設計

語音識別技術（Automatic Speech Recognition， ASR）是涉及自然語言學、生理學、人工智能、信號與信息處理等多種技術交叉融合而產生的一門新興技術，通過詞錯誤率和準確率兩個指標來進行度量，在智慧公寓、智慧教育、智慧城市、智慧醫療等領域應用越來越廣泛。在語音信號識別與處理過程中可以采用快速傅里葉變換等相關技術將時域語音信號轉換為頻域語音信號，得到語音信號頻譜圖像。語音識別模塊LD3320模塊由3.3 V、5 V、TXD、RXD、GND由五個引腳組成，兼容3.3 V和5 V電壓，通過串口通信技術與單片機STM32F103VET6進行通信。LD3320模塊芯片內部集成語音識別與處理電路、模數轉換、數模轉換、麥克風語音信號處理電路等。

LD3320語音識別模塊通過“關鍵詞語列表”達到語音識別的目的，可以對經過麥克風輸入的聲音實施頻譜進行分析，匹配關鍵詞語列表中的關鍵詞，而每個關鍵詞語句對應一個識別碼，從而進行語音控制。語音識別實物圖和電路原理圖分別如圖3所示。

3.3? 人臉識別電路設計

OpenMV是一個小巧的機器視覺模塊，以OV7725為攝像頭芯片，用C語言高效地實現了核心機器視覺算法，同時提供Python編程接口，方便開發，同時具備高效、低功耗的功能。

人臉識別涉及計算機視覺、數字圖像處理、信號與信息處理等相關技術，采集人臉圖像形成人臉數據庫。當系統再次捕捉到人臉圖像時會與數據庫保存的人臉圖像進行檢測和比對，如果再次采集到的人臉圖像與數據庫中的人臉圖像匹配成功，則人臉識別通過，否則需要重新采集和比對人臉圖像。人臉識別主要用于身份驗證，比如機場、車站、政府機關等。人臉識別模塊電路原理圖分別如圖4所示。

4? 系統軟件設計與測試

智慧物聯公寓系統整體研發與設計方案選擇STM32F

103VET6單片機作為核心控制器，集成無線通信與遠程監控、智能語音交互與控制、人臉識別與檢測、（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制、OLED液晶屏信息采集與智能顯示、電機驅動與控制等模塊和功能。具備智能控制、安全可靠、操作方便、簡約美觀等優點。

1）智慧物聯公寓系統會采集和錄入人臉數據，形成人臉數據庫，當學生回到公寓時，攝像頭會掃描人臉進行比對，如果比對成功，驅動電機打開門禁系統，如果檢測失敗，會通過語音提示：“人臉檢測失敗，請重新掃描”。

2）通過語音交互與控制模塊LD3320可以實現智慧物聯公寓系統的語音交互與控制功能，如通過語音控制LED等亮滅、電機開啟和關閉風扇等。

3）系統集成（煙霧、雨滴、溫濕度等）傳感器信息采集與控制模塊。如，當煙霧傳感器模塊MQ-2檢測環境煙霧濃度過高時，通過OLED液晶屏顯示煙霧濃度數據，自動開啟風扇加強空氣流通，同時也會發出消息上傳數據到用戶的手機APP上，提醒在外用戶；當雨滴傳感器采集到水滴時，自動驅動電機關閉窗簾；當DHT11溫濕度傳感器檢測周邊環境溫度與濕度數據發生變化時，將檢測的數值與設定的閾值進行比較，從而實現窗簾的自動控制。

4）通過OLED液晶智能顯示模塊可以實時直觀、清晰地智能顯示溫濕度、煙霧濃度等環境信息。

智慧物聯公寓系統流程圖具體如圖5所示。

下面以溫濕度采集為例進行系統測試。DHT11的DATA引腳輸出40位數據后，繼續輸出低電平54微秒后轉為輸入狀態，由于上拉電阻隨之變為高電平。但DHT11內部重測環境溫濕度數據，并記錄數據，等待外部信號的到來。

顯示DHT11溫濕度傳感器的參數使用OLED，當溫度高于30攝氏度時，開啟小風扇，進行降溫；當溫度低于10攝氏度時，電熱絲加熱；當濕度小于40%時，開啟加濕器，使空氣保持濕潤；當濕度過高時，則進行干燥處理，即開窗通風。溫濕度數據信息可以實時顯示在OLED液晶顯示屏上。溫濕度采集與調試程序控制界面如圖6所示。

基于STM32的智慧物聯公寓系統整體運行實物如圖7所示。

5? 結? 論

基于STM32的智慧物聯網公寓系統的研究與設計主要包括中央處理器STM32F103VET6、電源模塊、人臉識別模塊、煙霧報警模塊、溫濕度檢測模塊、OLED顯示模塊和語音播報模塊等。本研發項目以OpenMV為人臉識別的核心芯片，用C語言高效地實現了核心機器視覺算法，以STM32F103VET6為系統邏輯控制芯片，同時加入語音播報模塊、溫濕度檢測模塊、煙霧報警模塊等。功能模式分別是人臉識別、溫濕度檢測、煙霧報警、語音播報。人臉識別采用OpenMV，實現了對人臉信息的實時錄入，方便了人臉識別的管理。硬件方面系統還加入了語音播報模塊、溫濕度檢測模塊、煙霧報警模塊、OLED顯示等，系統界面簡潔操作簡單，同時具備語音播報功能，智能化程度高。

參考文獻：

[1] 申斌，張桂青，汪明，等.基于物聯網的智能家居設計與實現 [J].自動化與儀表，2013，28（2）：6-10.

[2] 白亮生.基于智慧校園理念的智能學生公寓管理系統設計 [J].科學咨詢：科技·管理，2019（24）：29-30.

[3] 劉輝，王魏魏，許開杰，等.物聯網環境下智慧公寓項目建設 [J].信息與電腦：理論版，2018（15）：82-83.

[4] 錢揖斌，趙建嶺，劉建光，等.基于智慧協同的學生公寓管理與服務——中國礦業大學智慧公寓建設實踐 [J].高校后勤研究，2017（5）：23-26.

[5] 顧晗甄.“互聯網+”背景下高校智慧公寓建設研究 [J].科教文匯：下旬刊，2021（9）：25-26+33.

[6] 李國良.智慧教室物聯網技術研究與實現 [J].電子技術與軟件工程，2021（24）：9-10.

作者簡介：王曉（1990.06—），男，漢族，山東泰安人，專技11級/電子信息工程技術專任教師，碩士研究生，研究方向：信號與信息處理。