基于STM32单片机的智能家居控制系统设计研究

崔浩斌，刘 伟

（中船重工纵横科技有限公司，湖北宜昌443000）

1 引 言

随着计算机的普及，5G 技术的到来以及人工智能[1]的推广，智能家居正不断向日常的家用电器领域延伸。在多元化的技术发展时代，不管是嵌入式硬件技术，还是软件技术，技术之间的相互融合是必然趋势。正是由于各技术间的相互整合，使得传统的家用电器能够在新技术融合的包装下满足人们高质量的生活需求。智能家居控制系统主要是提供对家居设备的智能控制方案，从而提供高效、舒适的生活环境。技术上不必非常复杂，主要以用户体验为首要指标。在当今节能减排、注重环保的趋势下，智能家居系统的推广可以提供更优质的空气、更安全的饮用水和更节能用电的生活方式，人们在享受信息时代所带来的便利的同时，对智能化生活方式还会激发出进一步的需求，从而进一步推动技术的发展。

2 系统工作原理

设计一款智能家居控制系统[2]，选用STM32 作为主控芯片，外接各模块电路。外接集成电路模块有Wi-Fi 无线通讯模块、非特定人语音识别模块、电源控制模块等。基础功能需求由这几个模块通过导线与主控模块集合在一起来实现，各个模块都需要实现特定的功能，主控模块则需要从各个模块那里获得反馈信息，再经过解析处理，下达正确的指令，通过局域网络反馈给用户相关信息，从而形成一个闭环系统。

在本系统控制中，主要以语音识别模块发送特定指令来控制室内温度控制、采光系统控制等。本智能家居控制系统可以随时随地对家居环境中的智能终端进行控制。用户可以通过语音控制模块来打开家里的空调、灯光等。例如，可对着语音识别模块说：“小智，请打开空调，并设为26℃”，系统语音输入模块就会将采集到的语音模拟量转换为数字信号，传输给STM32 主控模块，STM32 解析处理后，通过Wi-Fi 模块发送相应的指令到空调终端，空调开启，并设置为目标温度。此过程中语音输入模块与STM32 通过串口通讯，空调与STM32 通过Wi-Fi 转串口通讯，实质上也是串口通讯。

系统需要首先保证各子模块的功能正常运行，然后将各子模块与主控模块联调组合，最后通过软件不断调试改善系统的功能。利用这些功能实现真正意义家居智能化，直接有效地为用户家居生活提供便利。智能家居的控制系统图如图1 所示[3]。

图1 智能控制系统示意图

3 主要模块简介

系统具体选用STM32F103ZET6 作为主控芯片，外接各子模块实现整体设计。外接的主要子模块包括非特定人语音识别模块和Wi-Fi 模块等[4]。

3.1 主控芯片选型

主控芯片所采用的STM32F103ZET6 是由ST公司出品的STM32 系列当中的一款144 脚的芯片，它拥有512k 闪存控制器32 位Cortex-M3 内核，该内核是专门用于设计低功耗、高性能、低成本的主控芯片。64k 片内RAM（相当于内存），片内FLASH 支持在线编程（IPA），具有高达72MHz 的频率，数据、指令分别走不同的流水线，以确保CPU 运行速度达到最大化。片内双RC 晶振，提供8MHz 和32kHz 的频率。支持片外高速（8MHz）与低速（32kHz）晶振。其中片外低速晶振可用于CPU 的实时时钟，其自带的后备电源引脚可用于掉电后的时钟行走。此外还包含多达80 个IO（大部分兼容5V 逻辑），4 个通用定时器，2 个高级定时器，2 个基本定时器，3 路 SPI 接口，2 路 IIS 接口，2 路 IIC 接口，5 路 USART 等。其构成的最小系统的工作原理如图2 所示。

图2 最小系统工作原理

3.2 语音识别模块

语音识别模块选用XFMT101，目前支持语音识别、语音合成、语音播放等功能，支持 UART 作为通信接口，功能丰富，接口简单，完美展现语音技术在方案上的应用，为用户提供便捷的语音解决方案[5]。该模块由训练和识别两个阶段组成。训练阶段的主要工作是收集大量的语音语料，经过预处理和特征提取后得到特征参数，通过特征建模，达到建立训练语音模型库的目的；识别阶段的具体工作是把输入的语音的特征参数和模型库中的参考模型进行相似度对比，最后将相似度高的输入特征作为结果输出。从而实现语音识别功能。

3.3 Wi-Fi模块

模块集中器RAK831 是多通道高性能发射器/接收器模块,旨在接收多个LoRa 数据包，同时在多个通道上使用不同的扩频因子，是一款半双工的LoRa/LoRaWAN 网关模块，采用Semtech1301 芯片，支持8 个通道信道，发射功率20dBm，接收灵敏度最低-138dBm。它可以集成到网关中作为该网关的完整射频前端，在RoLa 网关和大量LoRa 终端节点之间提供距离广泛的稳健通信。本模块内部写入了OpenWrt 系统。OpenWrt 系统的软件包管理提供了一个完全可写的文件系统，并允许自定义，以适应任何应用程序使用该软件包。

4 主要电路设计

4.1 电源电路设计

在电源部分的设计中，主电源选用12V 输入，1路5V 输出，两路12V 输出，总电流为5A，为控制板、Wi-Fi 模块、语音识别模块供电。其中控制板5V电源也可以通过USB 接口提供。部分电路如图3 所示[6]。

图3 电源电路示意图

4.2 串口通讯电路设计

硬件设计主要是串口通讯部分。语音识别模块、Wi-Fi 模块通讯本质上都是通过串口通讯。示意电路图如图4 所示。

图4 串口通讯电路示意图

5 典型接口设计与系统功能实现

5.1 系统接口设计

5.1.1 温度控制接口

温度控制采用单线智能的DS18B20 温度传感器，将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出。温度不需要经电桥电路先获得电压模拟量再经信号放大和A/D 转换成数字信号，其信息传输只需要1 根信号线，与控制板接口十分方便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需要额外电源，与STM32 可以采用VCC 接外部电源，GND 接地，I/O 与STM32 的I/O 线相连；另外还可用寄生电源供电，此时，UDD 与 GND 接地，I/O 接单片机 I/O。在此设计中采用的是第二种方式。

在寄生电源供电方式下，DS18B20 从单线信号线上汲取能量，过程为：在信号线DQ 处于高电平期间把能量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。

独特的寄生电源方式有三点好处：

1) 进行远距离测温时，无需本地电源；

2) 可以在没有常规电源的条件下读取ROM；

3) 电路更加简洁，仅用一根I/O 口实现测温。

搜集室内的温度变化数据，经STM32 处理后，按照需求设定温度变化的触摸要求，打开空调制冷或制热功能。当温度达到预设的触摸要求时，就联动收回控制命令。当温度高时，空调开端制冷；当温度低时，空调开端制热。与设定的温度对比，如果有偏差则发出相应的数据指令，直到与设定的温度在允许偏差范围内，从而形成闭环控制。

5.1.2 Wi-Fi 控制接口

Wi-Fi 模块SX1301 和单片机的通讯相对比较简单，主要利用了Wi-Fi 模块的串口（VCC 、RX、TX、GND）[7-8]。Wi-Fi 模块的作用就是将串口转化成无线 Wi-Fi 信号。Wi-Fi 模块的 TXD、RXD、VDD、GND 分别连接到 STM32 的 UART_RX、UART_TX、VCC_3.3V、GND，模块供电电压为直流3.3V，接口信号电压为标准串口 TTL 电平，nRESET 引脚与STM32 连接，便于必要时对模块进行复位操作，也可将此引脚悬空，不影响正常工作。

单片机与Wi-Fi 模块连接，上电对Wi-Fi 模块进行初始化设置，对Wi-Fi 模块发送热点连接指令（连接热点的名称、密码）即可。Wi-Fi 模式工作在AP 模式，可以设置成UDP 广播模式发送广播信息，智能终端直接接入Wi-Fi 模块提供的网络，在同一热点网络实现无线控制单片机或远程通讯。Wi-Fi模式工作在STA 模式，智能终端和Wi-Fi 模块工作在无线路由提供的无线网络环境中，数据信号经过无线路由器转发，从而实现局域网无线控制。

5.2 系统功能实现

通过控制系统的Wi-Fi 路由得到对应的指令，通过控制板与Wi-Fi 建立连接，系统采用Wi-Fi 转串口模块，当串口接收到数据后，由STM32 主控来解析并发出相应的指令，因此Wi-Fi 模块要与STM32 进行数据通讯，并且STM32 主控和各个外设模块之间也要进行相互通讯。STM32 拥有很强的串口通讯能力，因此可以采用其串口实现与各个模块间的数据传输。需要对Wi-Fi 模块进行配置，本系统侧重于局域网的控制。

在接收数据时，由RXD 口负责接收数据。单片机不断对RXD 进行数据采样，当发现线路有电平变化时，经过芯片的判断，确认收到了一帧信息的起始位时，便开始一帧数据的接收过程。

6 结束语

系统针对家居的单一功能进行了智能化设计，该智能化控制系统充分利用了现有的网络资源，突破了对传统有限距离的约束，并具有很高的模块化和可扩展性，达到家居真正意义上的智能化，对提高人们的生活品质具有重要的现实意义。智能家居前景广阔，随着技术的发展，在本系统知识基础上，更细致更新颖的应用还有待进一步的探索。