基于語音識別的智能桌面風(fēng)扇燈系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：文中提出了基于語音識別的智能桌面風(fēng)扇燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用LD3320語音識別芯片實現(xiàn)語音識別功能；以STM32單片機作為主控芯片，并結(jié)合WiFi模塊實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和語音控制功能。用戶可以通過該系統(tǒng)隨時隨地便捷地控制LED燈的開關(guān)、風(fēng)扇的開關(guān)以及檔位調(diào)節(jié)。這種智能化的控制方式不僅提高了生活的便利性，在快節(jié)奏的生活模式下有效減少了時間成本，同時通過精準(zhǔn)的開關(guān)控制為節(jié)能減排做出了積極貢獻。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程控制；語音識別；STM32單片機；風(fēng)扇燈；手機APP

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為一項新興技術(shù)已經(jīng)逐漸深入人們的生活，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個重大發(fā)展方向，憑借智能、安全、高效等特點逐漸成為提高生活便利性的重要支撐[1]。語音識別技術(shù)在智能家電中的應(yīng)用也越來越廣泛。面對紛繁復(fù)雜的電器設(shè)備，通過語音指令進行控制，能夠顯著減少時間成本和管理成本，進而提升生活效率[2]。與此同時，遠(yuǎn)程控制技術(shù)讓居住者能夠借助手機應(yīng)用或互聯(lián)網(wǎng)平臺，對家中的智能設(shè)備進行遠(yuǎn)程管理和控制。這意味著居住者可以在任何時間、任何地點，通過手機應(yīng)用與智能家居設(shè)備進行互動與操作[3]。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款基于語音識別的智能桌面風(fēng)扇燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在為用戶提供一個便捷、智能的控制方案，使用戶能夠輕松地調(diào)控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和燈光亮度。通過語音識別和遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)智能化和自動化的功能。

1 智能桌面風(fēng)扇燈系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體功能設(shè)計

在該智能桌面風(fēng)扇燈系統(tǒng)中設(shè)計了如下功能：

（1）燈的開啟和關(guān)閉：通過手機APP交互界面控制燈的開啟和關(guān)閉；

（2）電風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉：通過手機APP交互界面控制電風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉；

（3）電風(fēng)扇不同檔位的風(fēng)速調(diào)節(jié)：通過手機APP調(diào)節(jié)電風(fēng)扇不同檔位的風(fēng)速。

1.2 系統(tǒng)整體方案

該系統(tǒng)主要包括STM32F103ZET6核心芯片、LD3320語音識別模塊、ESP8266 WiFi模塊、風(fēng)扇、USB便攜燈等部分。其中，STM32F103ZET6主控芯片作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)與WiFi模塊ESP8266之間的串口通信，解析和處理OneNET云平臺或手機APP的控制指令；通過串口通信與LD3320語音識別模塊進行交互，有效處理LD3320返回的識別碼，實現(xiàn)對風(fēng)扇和USB便攜燈的開關(guān)和調(diào)節(jié)控制。 LD3320模塊通過語音控制實現(xiàn)了對風(fēng)扇和燈的開關(guān)和調(diào)節(jié)。ESP8266 WiFi模塊負(fù)責(zé)將控制命令發(fā)送至云平臺或手機APP，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。風(fēng)扇和USB便攜燈則作為可控制的設(shè)備，負(fù)責(zé)實現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。

桌面智能風(fēng)扇燈的系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 各模塊硬件設(shè)計與選型

2.1.1 MCU選型及介紹

桌面智能風(fēng)扇燈的設(shè)計與制作使用嵌入式開發(fā)技術(shù)，利用STM32F103系列單片機作為主控芯片，其中的ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核能夠滿足快速、高效的性能要求，具有較低的功耗、強大的存儲容量、豐富的外設(shè)接口等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域[4]。

2.1.2 ESP8266模塊設(shè)計

ESP8266是一款低成本的WiFi模塊，可以作為微控制器的附加模塊，為設(shè)備提供無線互聯(lián)功能[5]。ESP8266模塊內(nèi)置了WiFi接口和處理器，可通過串口與主控制器進行通信，并通過AT指令進行配置和控制，支持多種WiFi安全協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)模式，可以連接到現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)，或者作為獨立的WiFi接入點提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.1.3 LD3320語音識別模塊設(shè)計

LD3320芯片是一個專用于語音識別的芯片，該芯片直接繼承了語音識別處理模塊和外部電路，使其可以實現(xiàn)語音識別、聲音控制等功能[6]。

該系統(tǒng)使用LD3320芯片作為語音識別模塊[7]，圖2所示為LD3320語音識別處理過程。LD3320語音識別模塊通過內(nèi)置的麥克風(fēng)捕捉周圍環(huán)境中的聲音信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過頻譜分析、特征提取、語音識別等算法，對數(shù)字信號進行處理之后，將語音識別的結(jié)果與預(yù)設(shè)的指令進行匹配，輸出相應(yīng)的指令控制信號。當(dāng)用戶發(fā)出“開燈”“關(guān)燈”“開風(fēng)扇”“關(guān)風(fēng)扇”“一檔”“二檔”“三檔”等語音指令，LD3320識別出語音中的命令后，LD3320將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的識別碼，輸出到STM32F103ZET6主控芯片進行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的指令。整個流程是一個循環(huán)過程，麥克風(fēng)不斷采集語音信號，LD3320不斷處理語音信號，輸出識別結(jié)果，主控芯片不斷解析命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

2.1.4 智能風(fēng)扇模塊設(shè)計

本系統(tǒng)使用的風(fēng)扇采用小型12 V DC散熱風(fēng)扇，外觀為正方形，尺寸為40 mm×40 mm，風(fēng)量為3.1 CFM，噪音低于25 dB，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min。該風(fēng)扇采用雙球軸承設(shè)計，壽命長，運行穩(wěn)定可靠。在系統(tǒng)運行時，該風(fēng)扇將通過STM32控制，根據(jù)語音或者手機APP的調(diào)控信息控制PWM波的占空比，自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

2.1.5 智能燈模塊設(shè)計

USB便攜燈具有更高的能效、更長的壽命、更好的可靠性和更多樣化的燈效。本系統(tǒng)使用的USB便攜燈可通過USB接口供電。它可以直接連接到計算機、移動電源、充電寶等設(shè)備上使用，小巧輕便。此外，它的使用壽命較長，而且功耗低，使用方便，不需要安裝任何軟件驅(qū)動，能夠提供較為柔和的照明效果，可以作為夜間照明或者閱讀的輔助工具。

2.1.6 OneNET云平臺

本設(shè)計的遠(yuǎn)程控制功能通過ESP8266 WiFi模塊、OneNET云平臺[8]、MQTT協(xié)議實現(xiàn)。首先，在OneNET平臺上注冊賬號，并且創(chuàng)建設(shè)備、為設(shè)備添加數(shù)據(jù)流。OneNET平臺會為每個設(shè)備生成一組設(shè)備ID和API Key，用于后續(xù)設(shè)備連接和數(shù)據(jù)上傳。接著，使用ESP8266模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)，并通過MQTT協(xié)議與OneNET云平臺建立連接，訂閱之前創(chuàng)建的設(shè)備數(shù)據(jù)流。當(dāng)用戶通過手機APP發(fā)送控制指令時，OneNET平臺會將指令通過MQTT協(xié)議發(fā)送給ESP8266模塊。ESP8266模塊接收到指令后，發(fā)送給主控芯片，主控芯片控制外設(shè)作出相應(yīng)的處理，如控制開關(guān)狀態(tài)、調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。在設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變后，ESP8266模塊會將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳至OneNET平臺，用戶手機APP的設(shè)備狀態(tài)也會實時更改。

2.2 系統(tǒng)整體原理

桌面智能風(fēng)扇燈系統(tǒng)以STM32F103ZET6為主控制器，由ESP8266串口WiFi模塊、LD3320語音識別模塊、USB便攜燈模塊、散熱風(fēng)扇模塊組成。桌面智能風(fēng)扇燈的外設(shè)模塊原理如圖3所示。

該桌面智能風(fēng)扇燈的功能設(shè)計主要有USB便攜燈的開關(guān)、風(fēng)扇的開關(guān)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、語音控制、遠(yuǎn)程控制等。用戶通過語音指令或OneNET云平臺/手機APP對風(fēng)扇和燈進行控制。用戶若發(fā)出語音指令，則LD3320語音識別模塊將語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的識別碼，傳輸?shù)絊TM32F103ZET6主控芯片；主控芯片進行處理后，通過GPIO控制燈的開關(guān)、風(fēng)扇的開關(guān)以及調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等；同時通過ESP8266 WiFi模塊將命令發(fā)送至OneNET云平臺或手機APP，更新系統(tǒng)操作現(xiàn)狀。用戶若用OneNET云平臺/手機APP發(fā)出指令，則該系統(tǒng)還可以接收來自O(shè)neNET云平臺/手機APP的控制命令，實現(xiàn)相應(yīng)的操作。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試

3.1 硬件的實現(xiàn)

桌面智能風(fēng)扇燈的整體硬件外觀如圖4所示，將主控芯片的GPIO引腳引入面包板，ESP8266中TX、RX引腳與STM32F103ZET6主控制器的PA3/USART2_RX、 PA2/USART2_TX引腳相連接，RST與PA4相連接；LD3320的USART_TX和USART_RX引腳分別與主控制器的USART3_TX/PB11和USART3_RX/PB10引腳相連；風(fēng)扇與主控制器的PA8引腳相連接；USB便攜燈與主控制器的PC3引腳相連接。

3.2 語音控制測試

3.3 手機APP遠(yuǎn)程控制測試

使用手機APP點擊相應(yīng)按鈕，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)相應(yīng)功能，并實時將設(shè)備狀態(tài)顯示在界面按鈕中。圖5所示為用戶點擊“開燈”按鈕并打開USB便攜燈的界面，APP中顯示當(dāng)前燈狀態(tài)為“開啟”；點擊“打開風(fēng)扇”按鈕，風(fēng)扇開啟，APP中顯示當(dāng)前風(fēng)扇狀態(tài)為“開啟”；按鈕下方可調(diào)節(jié)風(fēng)扇的檔位，并在右上方顯示當(dāng)前風(fēng)扇的檔位。

4 結(jié) 語

本文基于智能家居理念，設(shè)計了桌面智能風(fēng)扇燈系統(tǒng)，其中融合了語音識別技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)，旨在為用戶提供更便捷、舒適和智能化的生活體驗。系統(tǒng)具備語音識別功能，用戶可以通過簡單的語音指令輕松控制風(fēng)扇和燈的開關(guān)狀態(tài)、調(diào)節(jié)風(fēng)速，擺脫繁瑣的手動操作。同時，遠(yuǎn)程控制功能使用戶可以通過手機APP或云平臺隨時隨地遠(yuǎn)程控制設(shè)備，無論身在何處都能輕松管理室內(nèi)環(huán)境[9]。

展望未來，隨著智能家居行業(yè)的發(fā)展，該設(shè)計有望迎來更多創(chuàng)新和進步。此外，可以加入更多的傳感器和智能算法，實現(xiàn)環(huán)境感知和智能調(diào)節(jié)[10]，例如根據(jù)溫度、濕度等參數(shù)自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇速度和燈光亮度，為人們提供更舒適的居住環(huán)境。這將進一步拓展智能家居的應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶創(chuàng)造更智能、便捷、安全的生活方式。

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