基于物联网的智能家居控制系统设计

伍莹 曾卫华 许智勇 李商显

摘  要：本文设计了一种基于物联网、ZigBee、语音识别的综合性的智能家居控制系统，系统既可以通过APP对家电进行控制，也可以通过语音进行控制，不仅能实现对智能家居的控制，而且能向下兼容普通家电，还能检测CO、烟雾、微尘浓度，防止相应安全隐患的发生，有成本低、功耗低等特点，具有一定的应用前景。

关键词：智能家居  物联网  语音识别  ZigBee

中图分类号：TN929.5;TP391.44;TU855    文献标识码：A            文章编号：1674-098X（2021）06（a）-0065-04

Design of Intelligent Home Control System Based on Internet of Things

WU Ying1  ZENG Weihua1*  XU Zhiyong2  LI Shangxian2

（1.School of Information Engineering， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing， 100191 China;2.School of Geophysics and Information Technology， China University of Geosciences （Beijing）， Beijing， 100191  China）

Abstract： This paper designed a based on Internet of things， ZigBee， speech recognition integrated intelligent home control system， the system either through the APP to control household appliances， can also be controlled by voice， can not only realize the smart home control， and can be compatible with ordinary household appliances down， also can detect CO， smoke， dust concentration. It has the characteristics of low cost and low power consumption and has a certain application prospect.

Key Words： Smart home; Internet of Thing; Speech recognition; ZigBee

随着物联网技术、自动控制技术、计算机技术和芯片技术等现代科学技术的快速发展及人们生活水平的提高，智能家居行业也获得了飞速发展，使人们的生活更加便利、安全、舒适、智能。

1984年，智能家居首次出现。此后，各西方国家相继推出自己的智能家居解决方案。各科技公司，如谷歌公司、苹果公司、三星公司都相继开发出自己的智能家居系统，各大科研机构也在智能家居系统的研发中投入更多的时间与精力。国内智能家居行业起步较晚，但近年来，由于政策的积极推进和技术的飞速发展，不断有企业跻身智能家居行业，如美的、阿里巴巴、小米、华为、京东等，智能家居的市场规模逐渐扩大。

虽然智能家居产品逐渐得到推广，国内外越来越多公司涉足智能家居行业，但不同公司的产品之间互不兼容，使用不同公司的家居产品就需要使用不同的软件对其进行操作，给用户带来了极大的不便。而且通过手机对家居进行操作的方式，对于不熟悉智能手机的老人与没有智能手機的孩子而言是具有一定难度的。虽然智能家居行业具有广阔的市场，但是中国智能家居市场渗透率还很低，这是因为智能家居系统存在成本高、技术不成熟、跨平台不兼容、没有通用标准等问题。针对这些问题，本文设计了一种控制接口丰富、成本低、人机交互友好的智能家居控制系统。系统具有2种控制方式，一种是通过手机APP控制，方便用户进行远程控制;另一种可通过语音控制，无需智能手机也能方便地控制家电。该系统采用红外遥控来实现对基于红外的家电的控制，使用继电器实现对电子阀门、智能电灯、饮水机等家电的控制。考虑到智能家居目前的普及率很低，这套装置不仅能对智能家居进行控制，而且它能对普通家电进行向下兼容，能对普通家电及普通插排进行控制。该系统功耗低、成本低，具有实用性和一定的应用前景。

1  系统总体设计

控制系统总体框图如图1所示，本系统由主控芯片STM32L151、语音识别模块HLK-V20、传感器、继电器、ZigBee模块CC2530、红外模块HXD019D、NB-IOT模块M5310A芯片组成。该智能家居控制系统设计思路是以STM32L151为核心，语音模块HLK-V20负责监听用户命令，采集到语音命令后发送给主控芯片，主控芯片根据命令对指定家电进行相应控制。系统通过ZigBee技术构建了无线通信网，主控芯片通过ZigBee控制继电器并实现传感器数据的传递，从而实现对家电的控制和对CO、烟雾、粉尘浓度的监测。主控芯片通过NBIoT模块接入到OneNET[1]云平台，实现用户终端与硬件的连接，使得用户可以通过手机终端对家电进行控制。该系统采用现有家电通常使用的控制方式——红外遥控来实现对普通的、基于红外的家电的控制，使用继电器实现对电子阀门、智能电灯、饮水机等家电的控制。用户不仅可以用APP对家电进行控制，还可以用语音作为控制方式，在不需要依靠智能手机的情况对家电进行控制。该系统还能对CO、烟雾等进行监控，一旦有发生危险的可能，就向用户发出警报，并在APP上提醒该用户，用户可以在APP上对危险源进行处理，避免发生安全事故。

2  硬件设计

2.1 主控制器模块

主控制芯片采用STM32L151低功耗單片机[2]，该单片机内部提供稳压器支持动态电压调整，以优化系统运行时的功耗。主控芯片主要负责接收语音模块识别到的语音信号、根据用户命令发送相应的红外控制信号、接收并处理传感器数据、通过用户终端与用户交互、控制家电的开启与关闭。主控电路通过AMS1117芯片将两节串联的3.6V的电池转换成3.3V和5V对系统进行供电，外接一个24MHz晶振作为高速外部时钟，一个32.768kHz晶振作为低速外部时钟，利用时钟模块DS2321作为定时器，并可以通过按键进行复位。主控电路的示意图如图2所示。

2.2 ZigBee无线通信

ZigBee无线通信具有功耗低、传输距离远、灵活等特点[3]，本系统采用E18-MS1PA2-PCB实现ZigBee无线通信，具有低功耗、传输距离远等特点。ZigBee无线通信示意图，如图3所示。主控芯片与传感器、电灯、插座、风扇等家电之间通过ZigBee模块进行通信，如图3所示，主控芯片外接有ZigBee模块，用于接收来自传感器的数据及发送对家电的控制命令。传感器端及家电端也接有ZigBee模块以实现控制命令的接收和传感器数据的发送，并接有继电器实现对家电的控制。

2.3 NB-IoT网络通信

NB-IoT网络通信[4]示意图如图4所示，该模块主要由M5310A芯片、RF天线、SIM卡座、TVS_SMF05C组成。NB-IoT技术具有灵活、功耗低、覆盖广、速率快、成本低、架构优等特点[5-6]。系统用M5310A芯片通过OneNET基站将智能家居的控制模块接入OneNET平台，再与用户终端相连，从而实现用户终端与底层硬件的连接。

3  软件设计

软件系统主程序流程图如图5所示，系统开始工作后主控芯片先进行初始化，然后检测通信状态是否正常，若通信状态异常，则对芯片进行复位。将语音识别模块设为实时唤醒模式，对用户的命令进行监听。若监听到用户的语音，查询是否为唤醒词，若不是为唤醒词则返回继续监听唤醒词，否则继续识别关键词，识别到用户继续发出的指令后，查询关键词序号是否存在，若不存在返回继续监听，若存在，通过关键词指令判断要操作的家电类型，若为空调、电视机、机顶盒，调用红外模块发送响应命令，否则通过ZigBee模块发送相应命令。与此同时，芯片定时接收传感器的数据，并判断数据是否正常，若不正常则通过蜂鸣器发出警报并通过OneNET向手机终端发送警报。用户通过手机终端发送指令，NB-IoT模块接收OneNET平台下发的控制指令，并通过串口发送给底层硬件，硬件判断所要操作的家电类型并进行相应操作。

4  测试

烧写好程序对系统供电，进行系统测试。首先利用HXD019D的红外学习功能学习家电的红外码，然后对主控板说出唤醒词“小科小科”，系统被唤醒后会发出“我在”的回复，然后继续说出命令词，如“打开空调”“打开电视”等指令，系统识别成功后会回复”已为您打开空调”“已为您打开电视”并执行相应操作。登录OneNET云平台的开发者中心，设备状态显示为在线状态，说明能成功连接云平台。通过云平台发出对家电的控制指令，可以成功控制相应家电。测试结果表明，系统能成功运行且响应速度较快。

5  结语

本文设计了一种基于物联网的智能家居控制系统。本系统能通过NB-IoT模块将底层模块与用户终端连接起来，让用户可以通过手机APP实现对家电的控制。若无法使用智能手机，用户可以通过语音对家电发出指令，让智能家居的智能面向了更广泛的人群。系统能通过红外控制普通的基于红外操作的家电，且能利用继电器控制插座、饮水机、电子阀门、智能电灯等普通家电以及智能家居。系统还能检测CO、微尘、烟雾浓度，在烟雾、CO浓度异常时发出警报并且用户能通过手机终端关闭危险源。本系统具有成本低、功耗低等特点，具有一定的应用前景。

参考文献

[1] 石瑛.基于ZigBee与WiFi深度结合的智能家居系统的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2019.

[2] 成澜.基于STM32L151R8芯片的NB_IoT技术在文物保护中的应用研究[J].电脑知识与技术，2019，15（17）：239-240.

[3] 武斌.基于ZigBee与语音识别技术的智能家居系统设计与研究[D].太原：中北大学，2020.

[4] 王平，王焱.基于物联网平台的智能家居中心控制系统设计[J].计算机测量与控制，2020，28（11）：79-83.

[5] 程翔，许正荣，张昆明.基于物联网的智能家居控制系统设计[J].传感器与微系统，2021，40（3）：106-108，111.

[6] 彭楚翰，周莹，陈贵镔，等.基于蓝牙Mesh与NB-IoT的物联网智能家居控制系统[J].电子世界，2020（24）：154-155.