基于M0开发板的智能家居

龙忠霞

（西北民族大学电气工程学院，甘肃兰州，730030）

0 引言

近年来，越来越多的智能化产品投放市场，小到智能手机、手表、耳机、充电器，大到智能电视、冰箱、空调等，智能设备已成为当下人们不可或缺的生活消费品，给人们的生活带来了巨大的便利，整个市场对智能设备的需求也随之越高涨，尤其是对功能的需求越来越复杂。为了进一步提升家居设备的智能化，满足人们对于家居便利性的需求，本文设计出了一款基于M0开发板的智能家居系统，该系统有助于提高用户的生活便利度，并且符合绿色环保的理念。

1 系统总体方案设计

系统的硬件部分主要包括：温湿度传感器、声音传感器、光敏传感器、按键。设计以M0开发板为核心，使用LCP11C14作为基板，传感器采集到的温湿度信息由LPC11C14处理器进行处理，经处理器处理后可以完成一系列相应的功能操作，并将处理后的信息传递到OLED显示屏上。利用声音传感器、ADC模数转换器实现语音信号的采集，将数据传到给上位机进行保存，最后由计算机完成噪声的滤除，实现噪声的检测与处理这一功能。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 系统功能

该智能家居主要完成的主要功能如下：

（1）用户通过刷卡进入房间，如果卡号和预设值一样则成功开锁，并且会在OLED显示屏上显示出“解锁成功”和卡号等信息。如果卡号和预设值超过三次不一样则会触发报警系统，蜂鸣器会一直发出声响，直至同时按下按键两次才可以解除报警。

（2）具有温湿度检测装置，能随时调整环境的舒适度，当温湿度超过一定值时，系统会自动打开风扇，降低温湿度。当温湿度低于一定值时，风扇关闭。

（3）通过光敏传感器控制灯的亮灭。

（4）按键是控制其他程序运行的开关，是一个程序必须具有的功能，是控制其他程序的基础。本次系统功能由五向键控制，它可以实现音乐播放、灯的亮灭、风扇的开与关、解除警报等功能。按键设置清晰分明，操作上手对户主也会显得轻松容易。

（5）通过对上位机发送相应的指令，能让下位机实现相应的功能操作。如如发送“led on”指令灯就会亮，发送“led oあ”指令灯灭，发送“M”指令播放音乐等等，用户可以根据需求自由设置，真正体现智能科技给人们带来的快捷与便利，同时满足人们个性化的生活。

（6）能实时语音信号进行检测与处理，当检测噪声时能滤除噪声，为户主营造宁静舒心的生活或工作环境。

3 系统硬件部分

■3.1 M0开发板

M0开发板自带串口、无线通讯模块（可扩展为zigbee，WIFI，IPv6,Blue-4.0）。有多个传感器,如：声音传感器、光敏传感器、热释红外传感器、霍尔线性传感器等，可以通过5V供电独立使用。这些不仅为应用开发节省时间，提高效率，还可以为使用者提供一个简单方便的良好开发环境。同时支持8位0.36寸数码管、12864液晶接口、1602液晶接口。本设计选用了12864液晶显示屏，该显示屏能方便显示英文字母、数字、符号等，通过自定义还可显示简单的汉字。不需要用到背光板，具有体积小、便于携带，画质清晰等特点。

■ 3.2 基板

本次设计使用LPC11C14作为基板，该板拥有48个引脚，并配了许多模块以及提供串口和SPI接口，通过串口就能实现上位机和下位机之间的通信。具有高性能、低功耗、指令集简单、地址统一等优点。此外，与市场上现有的8/16位体系结构相比，它有效地减少了代码长度。LPC11C14处理器有4组输入/输出端口,每组端口都具有复用功能，例如，它们可以用作输入/输出端口，也可以定义为IC接口功能。如果未使用某些管脚的复用功能，可先将该管脚设置为通用I/O端口，LPC11C14原理图如图2所示。

图2 LPC11C14芯片原理图

■3.3 声音传感器

声音传感器需要5V的供电电压，此音频探测器是一个小型并易于使用的音频感应板,该产品尺寸为 5mm×2.3mm。其有三种不同输出包括音频输出(AUDIO ),声音有无的二进制指示(GATE) ,声音模拟振幅(ENVELOPE)。这三种输出是同时并相互独立的,所以每次想用多少都可以。ENVELOPE输出(引脚)可以通过简单地测量模拟电压读取声音振幅。可以通过通孔电阻器来调整增益,进而改变进制 GATE输出引脚的阈值。这三种输出(引脚)位于板边缘,在预焊接0.1英寸的接头处。它们是同时活动的。如果在特定应用程序中没有使用其中某种输出信号，只需将对应引脚断开即可。

■3.4 光敏传感器

光敏传感器是利用光敏电阻测量环境中的光线变化，并将测得数据转化为模拟电压（0～3.3V），光敏电阻是一种对光敏感的材料，这种材料会随着光照强度的变化而引起自身的阻值变化，通过光敏传感器可以对灯的亮灭进行控制。

■3.5 温湿度采集模块

温度采集模块选用DS18B20温度传感器，在测量温度的准确度的同时，转换时间，传输速度都比传统的温度采集器有所改进和完善。检测温度范围-55℃～+125℃，精度为正负0.5℃。编程分辨率9～12位，相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。湿度采集模块选用湿度传感器HS1101，检测湿度范围0～100%，响应速度快，经过计数转成湿度值。通过该温湿度采集模块可以对室内的温度湿进行实时监测。

■3.6 RFID射频模块

射频模块主要通过无线波进行识别，发展相对成熟，须在规定的频率和一定的距离内才可以使用，工作频率通常是125kHz。具有成本低、体积小、使用寿命长特点，是市场应用最广的产品，比如公交卡、食堂餐卡、银行卡等等，这些在我们的日常生活中都随处可见，属于近距离接触式识别类。本次设计中通过RFID射频模块就可以实现刷卡这一功能。

4 系统软件设计

■4.1 上位机

系统采用QT软件设计编写上位机界面，QT现如今已经被当成是一个GUI库，它具有访问数据库、图像处理、音频和视频处理等多种功能。通过QT编写的上位机可以与下位机之间进行串口通讯，让下位机实现相应的功能，通过上位机也还可以实现对系统功能的调试。

上位机界面图如图3所示。

图3 上位机界面图

■4.2 噪声环境下的检测与处理

系统通过声音传感器采集语音信号，由于M0开发板自带ADC模数转换器，因此语音信号可以通过ADC转化成方便存储的数字信号，并通过串口发送到上位机进行保存，接着通过MATLAB软件读入所采集语音信号，由于信号可能太长，为了方便处理，先将它截取一段再将它赋值给某一向量，然后综合运用数字信号处理的理论知识绘制出信号频谱图，这样方便对加有噪语音信号的音频进行时域、频域分析，根据频谱图设计出相应的滤波器，完成对噪声的滤除。

■4.3 系统主程序设计与流程图

图4 主程序流程图

本次设计使用的软件是Keil5，这是一款使用率最高的程序，它的操作简单，具备完整的结构性，在可读性上也有明显的优势，编程起来有很清晰的思路，支持C语言编程。只有设计好了系统软件，整个系统才可以正常工作。在编写代码时，先将代码分成多个程序模块，分别编写、调试并生成.h文件，没有问题后再对它们引用放在一起形成一个完整的程序。这样可以不仅提高了编写代码的效率，还提高了代码的可读性。完成软件程序设计之后，就需要进行软硬件联合仿真调试。先将系统源程序编译，并生成（＊.hex）目标代码文件，然后将其加载到串口上，方便对系统功能进行调试。

5 实验结果

接通电源后不立即对整体功能进行测试，首先观察整个电路有无异常现象，电路中元器件是否有发热烧坏等现象，是否有漏电现象，电源是否有短路和开路现象等。如果电路在测试过程中出现异常，首先应该立即关闭电源，检查后排除故障再重新通电测试，以保证各个元器件能正常工作。

当各个元器件正常工作后，打开电源，对刷卡、音乐播放、温湿度控制风扇、火灾检测功能等进行测试。系统测试成功后，OLED显示屏能够显示出温度、湿度信息,使得用户能够随时地了解周围环境变化。如果室内温度过高则风扇开启降低温度，如果温度过低则风扇关闭，并且在光线过亮时，如果灯处于开启状态，系统能自动熄灭灯，能够节约能源，在一定程度上体现出了绿色理念。当烟雾浓度过高时能正常触发报警功能，这表明该智能家居设计不仅保证了用户的安全，还大大提高了用户的生活质量，具有一定的安全性、便利性、环保性、舒适性。OLED显示结果如图5所示。

图5 OLED结果显示图

6 结束语

本文的总体结构是基于M0开发板的智能家居系统的研究，主要考虑的是家居的智能化水平，以及智能化的家居给人们带来物质享受，让人们的物质生活更加可靠、充实、丰富。自动化、安全性、精准性是智能家居的主要性能，也是智能家居在社会博得众彩的重要因素，更是其在快节奏时代取得众人青睐的一大亮点。本次设计实现了温度、湿度的显示，湿度控制风扇的开与关、刷卡入室，并在此基础上也增加了报警功能，进一步保证用户的安全以及不必要的意外发生。总而言之，该智能家居有高效、便利、环保、舒适、安全等特点，符合现代人们对居住环境需求以及当前国家提倡的绿色理念，同时顺应社会发展趋势，满足当代人们精神物质的追求。当然，事物都具有两面性，难免十全十美，科技总是浩瀚无界。未来，面对市场不绝的冲击与挑战，我们定会积极担当起社会责任，坦然面对，并对其进行更深入的研究，不断优化智能家居的性能，并在这一基础引入新的功能，使这一系统更加完善，从而使人们能更好的感受它的便利性与舒适性。