智联网家居控制系统设计

张文霞， 闫顺斌

(青岛理工大学 琴岛学院， 山东 青岛 266106)

21世纪是信息化的时代，电信和互联网的各种新技术促使人类文明发生了巨大的变化。随着智能手机功能的增加，移动终端和家用设备之间的相互连接更加便捷，人工智能技术正在变得越来越成熟。这不仅提高了家庭智能化水平，也使得产品更加适应用户的实际需求[1-3]。目前，智能家居发展条件愈加成熟，越来越多的消费者倾向于使用智能家居，智能家居已经使百姓的生活发生了质的变化[4]。

一、系统方案选择

(一)物联网平台选择

机智云为企业和个人开发者提供了物联网PaaS云服务平台，通过应用API、完善的SDK和IDE开发环境、控制器代码自动生成器、App代码自动生成器和微服务，提供大数据分析、人工智能应用和物联网应用服务。通过机智云自助开发平台，企业和开发者可以快速实现工业级的物联网连接管理、设备管理、应用支持、数据分析、计费分析、安全控制和第三方系统集成能力，构建、部署和管理物联网产品和应用。

阿里云物联网平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下可以连接大数量的设备，并且支撑设备采集数据上传云端；向上提供云端API，指令数据通过API调用下发到设备端，从而实现远程控制。此外，IoT平台提供其他增值能力，例如设备管理、规则引擎、数据分析、边缘计算等。

由于机智云物联网平台相较于阿里云物联网平台产业链相对完善，开发周期短，故本设计选用机智云物联网平台。

(二)语音识别方案选择

ISD9160是应用于音频记录播放的低功耗系统芯片(SOC)。ISD9160拥有一个 CortexTM-M0 核，最大工作频率为50MHz，内置145K字节的存储器和12K字节的SRAM。ISD9160配备了丰富的外设、多种串行接口(UART，SPI / SSP，I2C，I2S)。ISD9160集成了80分贝SNR和可编程增益放大器(PGA)，可搭载麦克风，还配备了一个差动D类放大器，可直接驱动一个8欧姆扬声器，输出功率为1W。

LD3320在设计上非常注重节能与高效，不需要外接任何的辅助芯片，如Flash、RAM等存储芯片，从而降低了成本，将此芯片直接集成在现有的产品中，可以实现语音识别、语音控制、人机对话等功能，这是一个真正的单芯片解决方案。

由于LD3320语音识别方案比ISD9160方案技术成熟，且价格便宜，所以选用LD3320语音识别方案。

(三)无线通信方案选择

蓝牙是一种用于短距离的无线通信技术，通过蓝牙把电子装置连接起来，可以省去传统布线的麻烦。在当今数据爆炸的时代，高速通信是必需的，而蓝牙的通信速率不是很高，从而影响到它的发展，并且蓝牙的频段是一个开放的频段，抗干扰能力弱。

同场PK：对比两款白酒，Bin311是典型过桶版，Yattarna有几分勃艮第风，又很有个性，低调而内敛，香气还源源而来，绵绵不绝，入口是低调而实力慢慢展现的一款白葡萄酒。半小时后，表现又不一样，香气更加复杂和开放，1个半小时后，仍旧好喝，但底子开始有点下跌。当然，如果你没那么挑剔，就一切都好。

NRF24L01是由NORDIC产生的无线通信芯片，它采用FSK调制，集成NORDIC增强型短脉冲协议，可以实现点对点或1至6的无线通信。输出功率的信道选择和协议设置可以通过SPI接口进行调控。它可以连接各种各样的微控制器芯片，具备完整的无线数据传输能力。其具有无线通信速度快(可以达到 2Mbps)、体积小、宽电压工作、抗干扰能力强、兼容性好等优点。

因为家庭中有许多电器，有时还要考虑信号穿透衰减等问题，所以无线组网需要更强的穿透力以及抗干扰能力，此处选择NRF24L01通信。

二、硬件电路设计

(一)硬件总体方案设计

硬件方案主要由六部分组成，分别是主控制器电路、WiFi物联网模块控制电路、LED控制电路、插座控制电路、窗帘控制电路和语音识别电路，硬件的总体设计方案如图1所示。

(二)控制系统六大模块

1.主控制器电路

主控制器由STM32单片机、NRF24L01无线发射模块以及OLED液晶显示模块组成。是整个项目的控制核心，其他模块都通过串口通信与主控制器连接到一起，其硬件电路如图2所示。

图2 主控制器原理图

2.WiFi物联网模块控制电路

选用STM32F103C8T6单片机为控制芯片，此款单片机具有处理速度快、扩展外设方便、运行稳定、价格便宜等优点。ESP8266为WiFi模块，DHT11温湿度传感器实时检测家中的温度湿度，MQ-2为烟雾气体传感器实时检测家中空气的烟雾或气体，能够达到实时监测的目的，为家庭安全提供保障。物联网模块控制电路如图3所示。

图3 物联网模块控制电路

3.LED控制电路

LED控制电路由单片机、NRF24L01接收模块，以及继电器模块组成，如图4所示。

图4 LED控制硬件电路

4.插座控制模块

插座控制电路与LED控制电路相同。

5.窗帘控制电路

窗帘控制电路由单片机最小系统、NRF24L01接收模块和TB6612FNG电机驱动模块构成。

6.语音识别电路

语音识别模块，选用了LD3320语音识别芯片，声音信号处理芯片选用了STC11L08XE单片机，此款单片机处理速度快能够达到处理音频信号的需求。

三、软件设计

(一)连接机智云物联网平台

单片机连接机智云物联网平台，首先是协议初始化以及各个模块的初始化函数，然后按键选择网络方式，如果网络重置则会连接新的WiFi网络，如果不操作则连接原网络。网络配置完成后开始通过传感器采集房间数据信息，并通过网络传输到云平台，以方便用户的查看。其程序流程图如图5所示。

(二)主控制软件

主控制器通过NRF24L01模块分别与从控制器通信，从而控制从控制器。其软件流程如图6所示。首先是各个模块初始化，然后等待串口发送来的数据，如果数据来了，就通过NRF24L01模块发送出去，发送成功信号指示灯闪烁，如果没有就一直等待。

四、系统调试

(一)软件调试

1.语音识别调试

编写程序，保证程序逻辑语句正确后，将程序下载到模块中，然后给模块上电，通过调试串口助手看是否可以正常识别，识别结果如图7所示。

2.物联网模块调试

物联网模块将家中的温度、湿度等信息发送到云端，通过手机就可以查看，也可以通过手机控制家中的LED插座、窗帘等电器，模块调试显示界面如图8所示。

(二)功能调试

接通电源，单片机运行指示灯点亮，出于实际考虑，此处用直流电机模拟控制窗帘，电机正转模拟开窗帘，反转模拟关窗帘。上电前电机是停止的，模块等待接收主控制器发送指令，接收到指令时电机开始动作。经测试本功能够顺利实现，模块能够正常运行。控制系统的硬件组成如图9所示。

五、结论

本系统中的手机远程控制功能的实现，关键在于利用机智云物联网平台结合硬件平台，实现语音识别安全认证机制。其中WiFi模块通过连接家中的路由器，将各电器连接到机智云平台，使室内温度、湿度以及烟雾气体浓度等信息实时发送到云端，当有烟雾气体时，通过SIM800C模块实现远程报警等功能。本设计具有投资少、成本低、可靠性高等特点，还具有良好的可扩展性。除了控制LED灯和窗帘以外，还可以将家中别的电器连接到插座上，通过插座控制别的电器，符合未来家居智能化、网络化的发展方向。

图5 连接机智云物联网平台流程图

图6 主控制软件流程图

图7 语音识别调试

图8 App界面

图9 硬件组成