基于STM32芯片的Wi-Fi语音识别风扇控制系统的设计与实现

林 蔚

(漳州职业技术学院 电子工程系， 福建 漳州 363000)

电风扇在中国依然有庞大的需求市场[1]. 目前， 智能风扇已经开始投入市场， 并且在不断追求更加人性化的功能. 《2019年中国风扇行业市场发展现状及趋势分析》显示[2]：目前国内市面上的智能化风扇产品的销售份额超过40%， 其中智能控制、 变频及红外遥控为主要的需求点. 但市面上的传统风扇存在几个缺点[3-5]：(1)需要手动调节风速以及定时时间， 功能单一， 使用较为不便； (2)市场上的智能风扇也不断出现， 其通过红外遥控器或语音实现风速调节， 但仍需人为操作， 且价格很高； (3)室温每天中会不断变化， 但在使用者不方便移动或者睡着的情况下， 风速不能随着环境温度的变化而自行调节. 针对以上问题， 笔者设计并实现了一种智能风扇多功能自动调速系统， 其具有以下特点：(1)可以根据周围环境的温度变化自动调节风速的大小； (2)可以通过语音识别进行智能控制风速， 即人机交互； (3)可以通过智能手机APP和无线Wi-Fi技术， 远程控制风速.

1 系统总体结构

本文提出的智能风扇系统是基于USB接口的电风扇进行设计的， 此系统工作模式可以分为智能调节模式和固定挡位模式[6-7]. 在智能调节模式下， 系统可以根据温度传感器检测的温度变化来改变风扇的挡位， 在温度区间内分为4个挡位(0、 1、 2、 3)， 挡位0风扇不转， 挡位1、 2、 3, 风速递增； 在固定挡位模式下， 用户可以自由设置风扇的4个挡位. 固定挡位模式使用板载按键(固定的键盘控制)、 红外遥控或语音输入控制风扇的不同挡位. 同时风扇的转速可以通过发光二极管提示， 风扇转速越快， 灯越亮. 每次按键按下或者遥控器按键按下， 蜂鸣器会发出“滴”声进行提示. 系统框架图如图1所示， 其主要由单片机最小系统、 按键模块、红外接收模块、 语音识别模块、 温度OLED显示模块、 Wi-Fi无线模块、 风扇速度控制模块以及蜂鸣器提示模块构成. 单片机采用TI公司的STM32作为主控芯片[8]， 用于处理各模块传送来的信息数据， 温度检测电路用于检测用户的环境实时温度， 语音识别模块用于检测用户的语音输入， Wi-Fi模块、 红外接收模块和红外遥控器用于接收手机APP的指令， OLED显示电路用于界面显示， 风扇驱动电路用于控制风扇的转速， 蜂鸣器用于对用户按键进行声音提示.

图1 系统框架图

2 系统硬件设计

2.1 按键模块

按键控制电路主要实现对风扇模式的转换、 温度区间的设置和风扇挡位的调节. 当按键按下之后， 如果单片机检测到引脚为低电平， 则表示用户按下此按键； 相反当按键没有按下的时候， 单片机则检测到的是高电平. 智能温控风扇系统一共使用了4个输入按键， 分别接到单片机的P22引脚、 P23引脚、 P24引脚、 P25引脚， 每一个按键都有对应的功能， 按键电路图如图2所示.

图2 按键电路图

2.2 红外接收模块

该模块使用HS0038红外集成接收信息， 当接收到38kHz红外信号后， HS0038红外集成接收头将对信号进行解调， 数据输出引脚OUT将解调后的数据输出到单片机引脚P20， 红外接收电路图如图3所示. 本文红外遥控器红外数据解析采用NEC协议[9]. 红外遥控可实现对风扇模式的转换、 温度区间的设置和风扇挡位的调节.

图3 红外接收电路图

2.3 语音识别模块

该模块将LD3320语音识别芯片[10]模块的串口接到主控单片机的串口P11和P12， 其电路图如图4所示. 语音识别模块识别到预设话语后(包括“打开风扇”、 “设为挡位1”“设为挡位2”“设为挡位3”和“关闭风扇”这几个命令)， 通过串口发送识别信息给主控单片机， 随后主控单片机根据信息实现相应功能.

图4 语音识别模块电路图

2.4 温度检测模块

该模块使用DS18B20数字温度传感器[11]检测环境实时温度， 并将检测到的温度值送入单片机P21引脚， 其电路图如图5所示. 经过单片机处理后显示此时温度值， 并与设定温度值做比较， 之后输出相应占空比的PWM脉冲信号.

图5 温度传感器电路图

2.5 Wi-Fi无线模块

该模块使用MT7681嵌入式串口WI-FI模块[12]接收连接的手机发送来的指令， 电路图如图6所示. 其中， 引脚3为串口发送端， 引脚2为串口接收端. 通过配置软件配置Wi-Fi模块为无线AP， 并开启TCP服务器功能， 之后负责将串口发来的数据经过Wi-Fi模块， 并转换为TCP包， 发送给连接的手机， 其通信方式为Socket， 其参数配置图如图7所示.

图6 Wi-Fi模块电路图

图7 Wi-Fi模块参数配置图

2.6 风扇驱动模块

该模块电路图如图8所示. 其中， P1风扇通过MOSFET管与单片机P32引脚相连. P32输出是脉冲宽度调制(PWM)信号， 其利用PWM的占空比控制MOSFET管的导通时间， 通过判断导通时间长短来控制风扇的转速：PWM的占空比越高， 等效于MOSFET管的导通时间越长， P1风扇就会转得越快； 反之， PWM的占空比越低， 就等效于MOSFET管的导通时间越短， P1风扇就会转得越慢. 该程序可以通过控制单片机为脉宽调制设置不同的占空比， 以方便地设置风扇的转速.

图8 风扇驱动电路图

3 系统软件设计

3.1 系统主控端主程序设计

首先初始化系统， 初始化完毕之后， 系统进入待机状态， 在待机过程中循环检测红外遥控器是否按下、 板载按键是否按下、 系统是否进入语音识别模块以及系统是否到达刷新界面显示时间， 并根据不同动作标识进入相应不同的处理子模块， 之后调用风扇速度控制子程序依照当前的设置控制风扇的转速， 处理完毕后重新进入待机检测状态. 本系统的主程序流程图如图9所示. 具体流程操作如下：(1)系统上电后， 系统初始化， 根据温度传感器检测环境温度. (2)OLED显示屏显示出当前环境温度、 风扇挡位、 风扇工作模式. (3)检测红外遥控器和板载按键是否按下、 系统是否到达刷新界面显示时间. 当检测到红外遥控器按键按下时， 调用按键处理子程序进行按键处理； 当检测到板载按键按下时， 调用按键处理子程序进行按键处理； 当检测到系统刷新时间到来时， 调用系统刷新子程序进行系统界面的显示刷新， 并且调用风扇速度控制子程序， 按照设置控制风扇的转速. (4)当用户按下红外遥控器或者板载的按键1时， 系统在智能调节和固定挡位模式下转换. (5)如果在固定模式下， 用户按下红外遥控器或者板载的按键3、 4， 则进行挡位切换. (6)如果处于设置温度区间界面， 按下按键2、 3、 4， 则进行风扇的挡位温度区间设置， 设置完按下2返回主界面. (7)在智能调节模块下， 风扇会依据环境温度的变化而改变风扇挡位. 当环境温度低于25°时风扇关闭； 当环境温度处于25°到28°时， 风扇挡位为一挡； 当环境温度处于28°到30°时， 风扇挡位为二挡； 当环境温度高于30°时， 风扇挡位为三挡. 风扇的转速和指示灯的亮度随着风扇挡位的变化而变化：风扇挡位越高， 风扇转速越快， 指示灯越亮； 风扇挡位越低， 风扇转速越慢， 指示灯越暗. (8)当用户对着系统发出语音控制信号时， 用语音“打开风扇”或“智能调节”设置智能温控风扇为智能调节模式， 用语音“关闭风扇”设置智能温控风扇为固定挡位模式并设置为挡位0， 语音“设为挡位1”“设为挡位2”“设为挡位3”会设置智能温控风扇为固定挡位模式并设置为相应挡位. (9)当用户通过Wi-Fi无线传输手机APP控制信号时， 可以根据APP界面不同的按键进行相应的风速控制及开关等动作. (10)当系统接收到用户的输入(包括板载按键输入、 红外遥控器按键输入和语音指令输入)后， 控制蜂鸣器发出“滴”声以提示用户系统已经接收到用户的输入设置.

图9 系统主程序流程图

3.2 手机端APP设计

手机端设计包括风速控制模块和网络连接模块. 风速控制模块包含智能调节、 挡位风速控制及开关按键等. 网络连接模块连接主控端与手机之间的通信. 安卓系统的APP系统功能结构如图10所示.

图10 手机端APP设计

4 系统联机调试

系统联机调试包括硬件主控部分和手机APP控制部分. 首先， 将单片机的P32引脚接到N沟道MOSFET管(场效应管)IRL540NPBF， C8电容和C9电容为风扇提供稳压供电能力， P1排针接风扇. 当单片机的P32引脚输出为低电平时， MOSFET管不导通， 测试风扇是否不转； 当单片机的P32引脚输出为高电平3.3V时， MOSFET管导通， 测试风扇是否转动.

然后， 测试风扇自动调节功能. 当用户开启风扇后， 测试风扇是否自动开启至智能调节模式， 是否可以根据温度调节风速(即温度低于25°风扇是否呈关闭状态； 温度在25°至28°时， 风扇挡位是否为1挡； 温度在28°至30°时， 风扇是否为2挡； 温度高于30°时， 风扇是否为3挡).

最后， 测试语音指令功能. 在风扇关闭状态下， 用语音指令“打开风扇”， 测试风扇是否打开并进入智能调节模式； 分别使用语音指令“设为挡位1”“设为挡位2”和“设为挡位3”， 测试风扇挡位是否调节为相应挡位； 使用语音指令“关闭风扇”， 测试风扇是否关闭.

经测试， 可以完成上述功能.

5 结语

此系统与传统的电风扇相比较， 结合了基于Wi-Fi手机控制、 语音识别和温控等功能， 实现了远程控制、 语音人机交互、 环境温度智能控制、 红外遥控及板载按键控制等操作， 可以在一定程度上满足人们对于智能化风扇的需求.