智能家居控制系统设计

李雪锋 学江煜 张光旭 刘晓波 陈辉金 黄潇涵

【摘   要】   设计了以STM32单片机为主控芯片，结合LD3320语音识别模块、WIFI通信模块、步进电动机驱动模块以及各环境参数检测模块，实现对家居的远程及智能语音控制。设计了基于专家系统的软件架构，实验表明该系统能够对环境温湿度变化做出智能调整，能够针对用户习惯做到自适应调整。系统具有语音控制、WIFI远程控制以及按键控制，添加了OLED液晶显示屏和温湿度传感器进行数据可视化，为人们居住环境提供便利。

【关键词】   单片机；专家系统；语音识别；智能家居；OLED

Design of Smart Home Control System

Li Xuefeng， Xue Jiangyu， Zhang Guangxu*， Liu Xiaobo， Chen Huijin， Huang Xiaohan

（Quanzhou University of Information Engineering， Quanzhou 362000， China）

【Abstract】    In this design， STM32 microcontroller was used for the main control chip.LD3320 voice recognition module， WIFI communication module，stepping motor drive module and various enviromental parameter detection modules were combined to achieve remote control and recognize the vioce of non-special people on the smart home. Expert system was used for this system.Experiment showed that the system notonlycould intelligently adjust the change of environment temperature butalsocould adjust to the user's habits.The system had varied control scheme ， such as voice control ， WIFI remote control and button control， OLED liquid crystal was used for displaying data. The system could provide convenience for people's living environment.

【Key words】     MCU; expert system; speech recognition; smart home; OLED

〔中图分类号〕  TP274                 〔文献标识码〕  A              〔文章編号〕 1674 - 3229（2023）01- 0029 - 05

0     引言

近年来，随着计算机网络技术、电子技术以及人工智能技术的迅猛发展，众多智能家居控制系统获得相应的技术支撑。智能家居控制就是以家庭为设计平台，利用网络技术、检测技术、自动识别技术及自适应控制技术，设计智能家居系统方案，将与家居生活相关的设备集成，提高家居的安全性、便利性和舒适性［1］。智能自动化系统［2］不仅包括室内灯光、家居设备控制、家用电器控制及家庭的环境安全监测，也包括安全防盗控制与家用设备远程控制等功能［3］，不仅可以让人们在外工作时实时观察家中安全情况，而且对家中老人、小孩的安全及时做出保护，从而实现对家庭室内外的全方位控制与安全监测。

1     系统总体设计

1.1   设计构想

系统框图如图1所示，其中各模块主要完成以下任务。

（1）语音识别模块：通过非特定人发出语音，实现对灯、窗帘、空调、电视等家用设备的控制。

（2）人体红外检测控制模块：通过采集人体红外传感模块信号，判断房间内是否有人，当房间处于长时间无人的状态且设备处于工作状态时，自动关闭相应家电设备，以达到节能目的。

（3）显示模块：单片机将采集到的温湿度数据以及家电设备的工作状态显示在液晶显示屏上，便于用户实时了解。

（4）WIFI控制模块：利用手机WIFI远程查看设备工作状态或远程控制设备，从而实现对家电设备的远程控制。

（5）报警模块：当检测到环境温湿度超过设定温湿度值自动开启报警模式并可自动调整温湿度以解除报警。

（6）按键模块：当家里断网或语音识别模块失效时，可通过一键式选择，开启本智能家居语音控制辅助系统，即切换到家居原有的手动控制功能。

1.2   关键问题

根据调研结果，目前智能家电场景存在以下技术痛点：

（1）设备参数固定，不能根据用户习惯自动进行调整和适应；

（2）多个智能家电不能实时控制、统一调度；

（3）用户有远程遥控或者声控的需求。

2      系统设计

2.1   硬件设计

本系统利用STM32作为中央处理单元［3-4］，在系统中嵌入温湿度控制的专家系统，以语音识别、WIFI远程控制为主，按键控制为辅，可实现家居设备语音控制、WIFI远程控制、按键控制，通过STM32进行数据处理自动开启关闭负载。OLED液晶显示当前家电设备状态和温湿度参数。

（1）LD3320A语音识别电路设计

本系统语音识别芯片选用LD3320A，该芯片可识别任意命令，其电路图如图2所示。该模块供电的电压为3.3V，所以采用lm117降压模块进行降压。系统语音模块采用串行接口通过SPI协议和外部主CPU连接，首先要将MD接高电平，而将（SPIS*）接地。

（2）DHT11温湿度采集电路设计

DHT11温湿度采集电路如图3所示。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温度和湿度的复合传感器［5］。将STM32单片机的数据口A7与传感器的Pin2连接，用来发收串行数据。在本部分硬件电路设计上，由于检测范围电路小于20m，因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个10K电阻；传感器的第三脚悬浮放置。

（3）无线WIFI模块

本次设计无线通信部分［6-7］采用ESP8266无线串口模块作为数据发送模块，通过局域网进行数据通信。ESP8266模块不仅功耗低、体积小、成本低而且其通信距离较远。电路中A9是STM32单片机的发送端，rxd代表接收，无线WIFI通过txd引脚发送到单片机接收引脚A10，实现将数据发送给单片机，其电路连接见图4。

2.2   系统软件设计

智能家居控制系统采用专家系统设计，控制系统可根据用户的使用习惯自动调整温湿度。专家系统是智能计算机程序的一种，由知识库和推理机两个部分构成，其结构图如图5所示。

专家系统经由推论引擎、知识库及接口而组成的系统即所熟知的专家系统［8］。知识库是专家知识、经验或常识构成的存储装置。常用的表示形式有逻辑表示、语义网络表示、规则表示、框架表示和子程序表示等。本次设计的规则库由两方面构成：（1）来自专家知识的专家规则库，用于实现设备的基础功能；（2）基于用户使用习惯自动产生的规则，用于实现个性化的设备需求。

推理机负责控制、协调整个系统，并且会根据当前系统运行的状态，基于知识库中的知识按一定的推理策略进行推理，最终解决问题。常用的推理策略有正向推理、反向推理和正反向混合推理。

（1）知识库编码规则

每条规则由16位编码构成，这样可以方便地用4个十六进制数表示。具体的编码规则如表1所示。

（2）知识库结构与更新

知识库由“专家知识库”和“用户知识库”构成，“专家知识库”在设备出厂前已经固化好，只能通过更新固件的方式进行更新。“用户知识库”由用户行为构成，由于不同个体对“温度”和“湿度”的敏感程度不同，实现对温湿度控制的自适应调节。

（3）推理机构建

推理过程分为两个部分，首先会根据“专家知识库”进行推理，如果置信度超过阈值的操作则执行对应操作并结束推理，否则会转入“用户知识库”继续推理。推理专家知识库或用户知识库时的流程均如图6所示。

3     系统测试结果

3.1   测试条件

基于上述分析，设计了相应的设备样机，如图7所示。

在软件部分采用了基于专家系统的程序架构。其中知识库的预设信息如表2和表3所示。

3.2   测试结果

（1）基础功能测试

利用外部环境变化，使温度传感器标定值降低至0001以下。在线调试结果如图8所示，其中ODR4为报警器端口，显示为高，说明单片机报警，Expert_Explain为解释寄存器输出支持报警操作的知识868F（温度低于标定下限0001报警）。其余测试结果如表4所示。

（2）自适应功能测试

利用外部环境变化，使温度标定值高于1000，但低于最高阈值，设备会自动开启降温，同时解释寄存器会输出用户知识“A123”，0DR8为降温模块对应寄存器（高表示开启降温），在线调试结果如图9所示。

在上述条件下，等待设备自动开启降温后，使用按鍵、语音或遥控手动关闭降温，使温度自然升高至1010后再手动打开降温。

在用户手动操作后，用户知识库新增了知识“A923”（温度大于标定值1010后关闭加温或开启降温），同时预设知识“A123”因为与新增知识冲突，所以置信度降低为“A121”。在线调试结果如图10所示。

重复上述操作，新增知识“A923”的置信度进一步提高为“A926”，原知识“A121”的置信度进一步降低“A120”，如图11所示。

在上述2次操作后，重启设备，利用外部环境变化使温度标定值升高至1000（预设用户知识“A123”所对应的温度），此时设备不会动作。

继续升高至1010时，设备会根据新增用户知识“A926”自动开启降温（见ODR8寄存器），同时解释寄存器输出对应知识“A926”。如图12所示。

（3）语音、遥控和按键功能测试

分别测试了语音、按键和遥控功能远程操作设备，测试结果表明设备可以根据用户输入进行对应操作，如图13、14、15所示。

4     结论

本文设计了一种基于STM32单片机的智能家居控制系统，能够对多种家用电器实现自适应控制。硬件部分涵盖多种传感器模块、液晶显示模块以及多种继电器输出模块，能够对复杂的家中环境全面检测，并做出相应调整。软件部分基于专家系统进行设计，整体架构高效、稳定。所设计的知识库体能够基于用户使用过程自动产生合适的知识，而解释器则可以对系统自身行为给出解释，有利于工程技术人员对系统进行调试与维护。同时，该智能家居系统还支持语音、WIFI遥控和按键等多种控制方式。实验结果验证了所设计系统的有效性。

［参考文献］

［1］ 朱匆，刘宏，彭华，等.利用专家系统构建智能家居的研究与设计［J］.计算机工程与应用，2008，24（3）：73-74.

［2］ 崔浩斌，刘伟. 基于STM32单片机的智能家居控制系统设计研究［J］.中船重工纵横科技有限公司，2020，2（1）：61-64.

［3］ 周赛清，宋文璐，杨聪.基于STM32单片机智能家居音控系统硬件设计［J］.西安思源学院学报，2020，16（6）：239-242.

［4］ 李泽彬，姚有峰，张飞龙，等.基于单片机的智能家居语音控制系统设计［J］.电子设计工程，2017，25（8）：175-182．

［5］ 黄先贵，荆睿，陈素安. 基于无线通信的温室大棚监测系统设计［J］. 乡村科技， 2018（24）：2.

［6］ 李云红，张恒，张亚林，等.基于ARM的WiFi无线终端系统设计［J］.计算机与数字工程，2017，45（3）：498-543．

［7］ 肖清泉，顾竟成.面向智能家居的无线语音控制系统设计［J］.贵州大学学报（自然科学版），2020，37（4）：65.

［8］ 李春生，豆立宪，张可佳，等. 基于专家系统的Web日志数据处理方法研究［J］. 计算机技术与发展， 2022（32）：7.