智能家居系统的功能模块设计

高鑫茹

【摘 要】智能家居主要为人们提供更加便捷、舒适、安全的生活环境，将是以后家居发展的主体。它是指将家里的电子产品、家用设备通过无线网络进行连接，建立由屋里环境检测、处理、工作、家居自动化的管理系统。智能家居贴合我们的生活，具有非常重要的现实意义。本文设计了一款以无线网络作为远程传输方式，以语音控制为近距离控制方式，并且能与互联网进行连接的智能家居系统。基于本系统设计要求，选用了STM 15系列单片机作为硬件控制平台，使用Keil软件进行编程、调试，在设计过程中使用Altium Designer软件完成电路设计，并通过Proteus进行电路仿真实验验证电路的可靠性，最终建立了稳定的智能家居系统。

【关键词】智能家居；功能模块；自动检测；语音控制

1.项目设计中的功能介绍

本系统主要实现语音控制部分家电启动、自动检测室内环境、自动控制部分家电启动、无线控制部分家电的功能。其整体系统功能示意图如图1所示。

2.智能家居系统的功能模块介绍

2.1无线控制模块功能介绍

以网页的形式显示监控界面。用户可通过手机或者任何能够与互联网连接的设备。通过点击网頁上的按钮来控制改变家居环境。这种显示方法更加简单、更加直观、更加人性化，让用户可以随时随地监控家居环境。

通过无线传输的方式实现家居内部设备的集中控制。将WiFi模块与嵌入式控制器通过串口连接起来，通过嵌入式网关实现家庭内部网络与因特网的互联互通。如：可通过使用WiFi技术将开关与电灯组成无线控制网络，可以通过控制终端向开关发送命令，调节灯光的明暗状况。除此之外，还可以控制窗帘的开合、蜂鸣器报警。

2.2自动检测模块功能介绍

1.烟雾浓度检测

通过使用烟雾传感器，全天24小时监控可能发生的煤气泄漏，检测到危险信息时，通过预警装置，发出警报信息，提醒住户存在安全隐患。

2.空气质量检测

通过使用空气质量传感器，可通过监控室内氨气、硫化物等有害气体和烟雾的量。将气体含量在单片机中的反馈控制LED灯的开关，可通过观看LED的开关状态来得到室内的空气质量是否合格，从而能在室内空气质量不合格时及时对室内通风进行调整。

3.室外天气检测

通过使用雨滴传感器，当检测到外界的雨滴时，将信号传入单片机，单片机带动电机运动，实现窗帘的关闭功能。

2.3语音控制模块功能介绍

1.通过语音控制模块，以语音的形式控制改变家居环境。这种显示方法更加简单、更加方便、更加人性化。

2.可通过使用语音控制模块将开关与电灯、运作窗帘开合的电机、运作窗户开关的电机以及蜂鸣器，分别组成语音控制网络，可以通过语音控制向开关发送命令，调节灯光的开关、窗帘的开合、窗户的开关以及蜂鸣器的开关状况。

3.智能家居系统的功能模块研究

本课题的测试环境模拟家庭环境，在实验室中进行。在该环境下测试智能家居的各模块性能，如语音模块、自动检测及控制模块等是否符合实际要求。

3.1对自动检测模块的研究

选择的烟雾传感器为ZYMQ-2气体传感器，适用于家庭和工厂的气体泄漏，可用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等的检测，拥有广泛的探测范围，较高的灵敏度，可快速响应恢复。除此之外还有优异的稳定性，使用寿命长，驱动电路简单的特点。其原理图如下图2。

3.2对自动控制模块的研究

本系统中，为更好的实现家居的智能控制，对窗帘、窗户等家居都设计了自动的控制系统。对窗户和窗帘开合的自动控制，将雨滴传感器分别与运作窗帘开合的电机、运作窗户开关的电机组成自动控制网络，当雨滴传感器检测到雨滴时，运作窗帘开合和运作窗户开关的两个电机即刻开始转动，带动窗户和窗帘关闭。即可实现当外界检测到下雨时，自动关闭窗户与窗帘。

对于电机的驱动，选择的电机驱动模块为L298N驱动板。该驱动版可驱动两路直流电机，若要对直流电及进行PWM调速，只需设置IN1和IN2确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲即可实现调速。

3.3对语音控制模块的研究

语音识别ASR技术，是基于关键词语列表识的技术。只需要设定好要识的关键词语列表，并把这些关键词语以字符的形式传送到芯片内部，就可以对用户说出的关键词语进行识。不需要用户作任何地录音训练。非特定人语音识技术ASR，是对几十G的语音数据经语言学家语音模型分析，科学家建立数学模型，并经过反复训练提取基元语音的细节特征，以及提取各基元间的特征差异。可以得到在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征。最后才由资深工程师将算法以及语音模型转化为硬件芯片以应用在嵌入式系统中。

基于领先的语音识核心引擎，本文选择的语音识别模块是LD3320。LD3320是一颗基于非特定人语音识技术的语音识、声控芯片。提供了真正的单芯片语音识解决方案。LD3320芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接辅助的Flash和RAM，即可以实现语音识、声控、人机对话功能。并且，语音识别的关键词语列表是可以动态编辑的。基于LD3320，可以在任何的电子产品中，甚至包括最简单的51作为主控芯片的系统中，轻松实现语音识、声控、人机对话功能。

参考文献：

[1]施磊磊.基于STM32的智能家居控制系统研究[D].中原工学院，2017.

[2]李伟，张秀娟.基于STM32单片机的智能家居控制系统设计与实现研究[J].科技创新与应用，2016（03）：50.

[3]黄展.基于STM32的智能家居控制系统的设计与研发[D].大连工业大学，2014.

[4]韩晓英，张方樱，朱静.基于STM32单片机的智能家居控制系统设计与实现[J].硅谷，2013，6（12）：14-15.

[5]蒋明明.基于STM32的低端智能家居控制系统研制[D].西南交通大学，2013.

（作者单位：山东科技大学（泰安））