《智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)》9400字

PAGEPAGE4智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)摘要傳統(tǒng)的家庭控制系統(tǒng)必須要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的電路布置，這就導(dǎo)致家庭的電器設(shè)備則需要用對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)執(zhí)行操作。隨著語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化家居控制系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于普通家庭，給人們的生活帶來(lái)了巨大的便利。所以，如何在智能家居中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的無(wú)線控制是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化智能家居的關(guān)鍵。本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由主、從兩個(gè)部分組成，采用STM32F103C8T6為主要控制器，采用DHT11對(duì)室內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在OLED顯示屏上顯示采集的溫度、濕度，當(dāng)溫度、濕度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，該設(shè)備會(huì)自動(dòng)報(bào)警提醒。本系統(tǒng)具有基于LD3320的語(yǔ)音識(shí)別模塊，并由MCU對(duì)其進(jìn)行處理，再由nRF24L01將其傳輸至從機(jī)。從機(jī)通過(guò)nRF24L01接收到主設(shè)備的控制指令，并按照要求對(duì)家電開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、可擴(kuò)充性好、適應(yīng)性強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于各種內(nèi)部空間，如倉(cāng)庫(kù)，教室，為人們的日常生活帶來(lái)了極大的便利。關(guān)鍵詞：STM32微控制器；DHT11溫濕度傳感器；nRF24L01；LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊目錄TOC\o"1-3"\h\z219221引言 1172932系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2195072.1微處理器方案設(shè)計(jì) 2206052.2溫濕度采集方案設(shè)計(jì) 2267792.3顯示方案設(shè)計(jì) 3292462.4語(yǔ)音識(shí)別方案設(shè)計(jì) 3236942.5無(wú)線通信方案設(shè)計(jì) 3205833系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 5171993.1主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 5553.2從機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 12318544系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì) 15133244.1主機(jī)軟件 15202214.2從機(jī)軟件 21315415系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)象 2220112結(jié)論 2616892參考文獻(xiàn) 27PAGEPAGE41引言在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的今天，尤其是在智能家庭中，應(yīng)用最廣泛的就是智能家居。在此基礎(chǔ)上，用戶可以使用家庭中的各種家電設(shè)備，如風(fēng)扇、燈光、空調(diào)等電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，無(wú)需人工操作。當(dāng)使用者因?yàn)榉爆嵉氖挛锒椴婚_(kāi)身時(shí)，就可以用語(yǔ)音系統(tǒng)來(lái)識(shí)別并控制電器，從而達(dá)到使用目的。該系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控周?chē)臏囟取穸?，讓人們可以隨時(shí)掌握周?chē)那闆r，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將環(huán)境對(duì)人們生活的影響降到最低。本文重點(diǎn)介紹了一種基于STM32F103C8T6的無(wú)線家庭智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。本系統(tǒng)使用LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片作為語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，用于語(yǔ)音識(shí)別[5]。該系統(tǒng)在識(shí)別出使用者的聲音指令后，可以對(duì)家俱的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，并利用無(wú)線通訊技術(shù)將其語(yǔ)音指令以無(wú)線方式傳送，該技術(shù)是由nRF24L01的2.4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片所完成。通過(guò)選用適當(dāng)?shù)母袘?yīng)器，可以對(duì)住戶的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將其顯示在液晶屏上，使用者可以實(shí)時(shí)獲得室內(nèi)的溫度、濕度，同時(shí)還具備溫度、濕度報(bào)警，可以隨時(shí)向使用者發(fā)出警報(bào)。該系統(tǒng)能真正地解放使用者的手腳，給使用者帶來(lái)極大的便利。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本論文所介紹的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括：主控制器、語(yǔ)音識(shí)別、無(wú)線通訊、溫、濕度顯示四個(gè)部分。利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，在識(shí)別出人類(lèi)聲音后，利用無(wú)線通訊技術(shù)，對(duì)繼電器進(jìn)行開(kāi)斷。同時(shí)，該系統(tǒng)還能對(duì)溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用傳感器來(lái)完成?？稍跓晒馄辽巷@示數(shù)據(jù)，并有報(bào)警功能，使用者也可以隨時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)定與調(diào)試。圖2.1中顯示了該系統(tǒng)的總體框架。圖2.1系統(tǒng)方案總體框圖2.1微處理器方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用了以單片機(jī)為核心，采用51微處理器和STM32作為主電路。STM32系列單片機(jī)具有功耗低、成本低、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，具有非常高的性價(jià)比。內(nèi)置大量的外部設(shè)備，內(nèi)置數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，內(nèi)置IIC、SPI、UART等多種接口。51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，而STM32系列則具有更快的運(yùn)算能力和更多的功能，以及可以隨時(shí)更新與添加更多的外部設(shè)備。鑒于該系統(tǒng)的復(fù)雜性，本次設(shè)計(jì)采用STM32系列微處理器，STM32F103C8T6作為該器件的微處理器。2.2溫濕度采集方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要用于溫度、濕度的測(cè)量，同時(shí)采用了DHT11和STH11兩種測(cè)量方法。DHT11是一種具有溫度、濕度功能的新型傳感器，其輸出為數(shù)字信號(hào)，該設(shè)備的抗干擾性和反應(yīng)速度好、質(zhì)量高、信號(hào)傳輸范圍廣，最遠(yuǎn)可以超過(guò)20M[6]。DHT11中的濕敏元件使用了一種價(jià)格低廉的濕敏電阻器。STH11同時(shí)也是一種能夠收集溫度、濕度的感應(yīng)器，它的芯片具有高度集成性，并使用了一條二線的數(shù)字串行。體積小巧，可靠性高，但由于SHT11中的濕敏元件使用了高成本的濕敏電容。為了節(jié)省成本，本系統(tǒng)使用DHT11實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濕度的測(cè)量。2.3顯示方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)需要可視化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、溫度、濕度、閾值警報(bào)等參數(shù)，這樣就可以直觀的看到所有的數(shù)據(jù)，因此必須要利用顯示屏進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)使用的是一款0.96寸OLED顯示屏。有機(jī)發(fā)光二極管幾乎能用肉眼進(jìn)行180°的觀看，而且功率消耗很小，不象液晶顯示器那樣需要背光。它具有較高的反差、結(jié)構(gòu)輕巧、反應(yīng)快、適用范圍寬等特點(diǎn)。OLED屏的成像原理和LCD有很大的不同，OLED屏無(wú)需使用背光源，因?yàn)槠湎袼攸c(diǎn)會(huì)自動(dòng)發(fā)出光芒。當(dāng)LCD顯示屏被使用時(shí)，除非該部位損壞，否則它的背光層會(huì)一直處于發(fā)光狀態(tài)。所以O(shè)LED的各個(gè)象素都是單獨(dú)工作的，有需求時(shí)可以隨時(shí)顯示，不想顯示時(shí)可以隨時(shí)關(guān)掉，OLED的功耗要比LCD少得多，而且，OLED顯示屏具有多種控制方式，具有操作簡(jiǎn)便、功能豐富、能夠顯示漢字、圖案等的特點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)的顯示模塊采用的是OLED。2.4語(yǔ)音識(shí)別方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了聲音的控制，通過(guò)對(duì)聲音的識(shí)別，對(duì)繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電器的開(kāi)關(guān)，該系統(tǒng)采用了LD3320型和ISD9160型。LD3320是一款可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音控制的芯片，其語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)真正的單片，并且不會(huì)識(shí)別特定的人。ISD9160是一款以CortexTM-M0為核心的單片系統(tǒng)，它為用戶提供了一種既便宜又實(shí)用的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。與ISD9160相比，LD3320具有較大的識(shí)別范圍、較高的喚醒率、較好的回音、噪聲等性能，以及較低的錯(cuò)誤率。2.5無(wú)線通信方案設(shè)計(jì)由于這種設(shè)計(jì)要求對(duì)電器設(shè)備的開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控，因此使用無(wú)線通信的方法。然后，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以nRF24L01為核心的無(wú)線通信協(xié)議。nRF24L01是一種以2.4GHz至2.5GHz為核心的單片機(jī)無(wú)線收發(fā)芯片。它的功耗很低，幾乎所有的MCU都能用到，對(duì)于需要無(wú)線數(shù)據(jù)通訊的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，它是一種非常有用的功能。該設(shè)備可以支持一對(duì)多的通訊，并且有126個(gè)信道和6個(gè)數(shù)據(jù)信道，而且還具有很好的兼容性，因此使用該設(shè)備不需要特定的信號(hào)，便于后期的維護(hù)。所以，此次設(shè)計(jì)選擇了nRF24L01作為無(wú)線通訊方案。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)主電路主要由電源電路，MCU最小化，語(yǔ)音識(shí)別，溫濕度采集，無(wú)線通訊，LCD，鍵盤(pán)等構(gòu)成。DHT11的溫、濕數(shù)據(jù)采集、LD3320的語(yǔ)音識(shí)別、nRF24L01無(wú)線通訊、OLEDLCD、LEDLCD、OLED液晶顯示屏、溫度、濕度超出閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，使用者可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)其進(jìn)行修改。圖3.1是一種常見(jiàn)的基本硬件方塊圖：圖3.1主機(jī)硬件電路總體電路框圖3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用STM32高性能微處理器STM32、STM32F103C8T6。這個(gè)處理器有48個(gè)引腳，包括37個(gè)輸入/輸出，通用通訊接口IIC和SPI兩套。微處理器的最低要求是要有一個(gè)復(fù)位和一個(gè)晶振，這兩個(gè)電路是MCU最基本的功能，沒(méi)有它們，MCU就無(wú)法工作。圖3.2展示了MCU最小化系統(tǒng)的原理：圖3.2MCU最小化系統(tǒng)的基本原理重置的方法是將NRST引腳重置，NRST引腳與輕觸鍵相連，當(dāng)鍵SW被釋放時(shí)，將高電平輸入到NRST引腳，并且電容對(duì)C2進(jìn)行充電。按下按鈕SW，C2繼續(xù)放電，這時(shí)，NRST的輸入電平從高到低的NRST引腳的輸入，可以使MCU系統(tǒng)重置。該系統(tǒng)采用兩個(gè)外接石英振蕩器，一種是8MHz的高速晶振，另一種是32.768KHz的低速晶振。為了確保Y1的穩(wěn)定性，每個(gè)晶體振蕩器都要加入兩個(gè)相匹配的電容器，Y1晶振電路中還要有一個(gè)并聯(lián)電阻。3.3V電源與GND之間的四個(gè)并聯(lián)電容C3、C4、C10、C11，可以過(guò)濾電源。利用SWDIO和SWDCLK與電源、接地構(gòu)成SWD接口，并將PA11、與PA12相連接，構(gòu)成USB接口，便于調(diào)試，并將程序通過(guò)該接口輸入到MCU中。BOOT1和BOOT0是STM32單片機(jī)的起動(dòng)方式選擇引腳，當(dāng)BOOT0處于低電位時(shí)，則是主閃存存貯器被激活，此時(shí)可以利用SWD接口進(jìn)行編程。3.1.2電源電路在MCU中，電源電路是核心部件。該系統(tǒng)可以在家庭、教室、辦公室、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所直接使用，國(guó)內(nèi)的家用電源通常為220V，但是該系統(tǒng)要求5V的DC電壓。在電力系統(tǒng)中，220伏AC由變壓器的電壓下降至12V左右，然后通過(guò)整流橋?qū)λ膫€(gè)二極管進(jìn)行整流，把AC電變成DC[2]。另外，在2200uF的電容器和100nF的小容量電容器中，一個(gè)用來(lái)過(guò)濾低頻，一個(gè)用來(lái)過(guò)濾掉電流。經(jīng)過(guò)處理的DC電源被輸入到三端穩(wěn)壓器LM7805的輸入，它的GND接地，然后將100uF和100nF的電容器連接在一起，最終輸出5V。不過(guò)5V的電源還是不夠的，STM32F103C8T6和DHT11的輸出電壓都是3.3V，再加上RT91393降壓穩(wěn)壓器，就能把5V的DC電壓降低到3.3V。本次設(shè)計(jì)的供電線路可將5伏、3.3伏直流電壓變換為5伏、3.3伏，從而滿足了整個(gè)系統(tǒng)中各晶片的需要，確保了系統(tǒng)的正常工作。圖3.3顯示了供電線路的示意圖：圖3.3電源電路原理圖3.1.3語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320的三個(gè)輸入端都能輸出3.3V的工作電壓，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。LD3320使用AMS1117的降壓穩(wěn)壓器，將5V的電壓降低至3.3V。LD3320具有3V的最低操作電壓，如果電源電壓不足，LD3320將不能正常工作。LD3320的語(yǔ)音識(shí)別模塊內(nèi)置STC11MCU，該系統(tǒng)使用22.118兆赫晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)，重置回路復(fù)位。LD3320的語(yǔ)音識(shí)別芯片和STC11通過(guò)8比特的串口通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)STC11的通信。將STC11的RXD和TXD與STM32的PA9和PA10相結(jié)合，即TX和RX，可以進(jìn)行串行通信。LD3320的MD引腳與STC11的INT2引腳相連接，在低壓狀態(tài)下，LD3320為并行工作方式，在高電平為串行SPI方式。語(yǔ)音識(shí)別首先要讓模塊接收到音頻，然后連接到MICP和MICN，然后通過(guò)咪口接收MICP和MICNLD3320。LD3320的INTB與STC11的外部中斷引腳P3.2/INT0相連，當(dāng)存在語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，此中斷將使STC11的識(shí)別成功。語(yǔ)音識(shí)別模塊的基本原理如圖3.4所示：圖3.4語(yǔ)音識(shí)別模塊原理圖3.1.4溫濕度采集電路該系統(tǒng)的溫、濕度采集電路采用DHT11感應(yīng)器，它是一種能同時(shí)測(cè)量溫度、濕度的復(fù)合芯片，無(wú)需兩個(gè)獨(dú)立的電路來(lái)獲取溫度、濕度。DHT11的線路很簡(jiǎn)單，僅有4個(gè)引腳。第一引腳是一個(gè)VCC，它與一個(gè)3.3V的DC電源相連；引腳2是DATA，該系統(tǒng)為單總線的輸入、輸出接口，連接單片機(jī)的I/O接口，并在PA6上增加一個(gè)上拉電阻；引腳3是一個(gè)空引腳，沒(méi)有連接；4引腳是GND，接地。在圖3.5中顯示了溫度和濕度的獲取方式：圖3.5溫濕度采集原理圖3.1.5無(wú)線通信電路本系統(tǒng)采用“SPI”通訊的nRF24L01來(lái)完成無(wú)線通訊，但與MCU相對(duì)應(yīng)的引腳并不一定要SPI，通過(guò)一般的輸入和輸出端口就能完成SPI通訊，僅需用軟件進(jìn)行仿真即可。該芯片需要外部的時(shí)鐘回路，使用16MHz的晶體振蕩，需要在2個(gè)22pF的小電容器中加上1M歐姆的電阻器，以確保其工作。該芯片具有三個(gè)電源，全部為3.3V，并聯(lián)10nF、1nF電容。DVDD是電源輸出端，由33nF電容器串聯(lián)而成。ANT1和ANT2是用于芯片的天線，并將其與天線電路相連接，而VDD_PA則是其內(nèi)部的功率放大器，作為其輸出電源，并與該天線線路相連。引腳1至4是一個(gè)NRF24L01的數(shù)字輸入，引腳5和6是一個(gè)數(shù)字輸出。CE是一種方式選擇端口，它與芯片中的CONFIG寄存器一起控制，并與PA5相連接；CSN是一種片選線，當(dāng)一組SPI接口與多臺(tái)SPI從機(jī)相連時(shí)，可以選擇一種特殊的從機(jī)通訊，這一處理低級(jí)的晶片即可工作；SCK是SPI時(shí)鐘線路，它是SPI通訊所必需的，它是由主機(jī)連接到PA4上的；MOSI和MISO是PA1、PA3的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口，RQ是用NRF24L01發(fā)送的中斷引腳，它與PA2相連。在圖3.6中顯示了無(wú)線通訊的線路示意圖：圖3.6無(wú)線通信電路原理圖3.1.6顯示電路顯示屏為0.96英寸OLED，8引腳，內(nèi)置中文字庫(kù)，SPI通訊接口，OLED與字庫(kù)芯片共用SPI。引腳1為GND，接地，引腳2為VCC，直流電源為3.3V，在VCC和GND之間串聯(lián)兩個(gè)電容器，以穩(wěn)定電壓；引腳3是CLK，是SPI時(shí)鐘線路，OLED顯示屏和字庫(kù)芯片共有，PB9與MCUPB9相連，以單片機(jī)為主機(jī)，向主機(jī)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。引腳4是MOSI，是SPI的數(shù)據(jù)線路，OLED與字庫(kù)芯片共有，并與PB8相連，以MCU為主機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇臋C(jī)。引腳5是DC，用于數(shù)據(jù)/指令的選擇，并與PB7的MCU相連。引腳6為CS1，與引腳8一樣，是連接PA6和PA4的CS2的選擇界面。當(dāng)向引腳6輸入低電平時(shí)，單片機(jī)與OLED的SPI通訊，而在將低電平時(shí)，MCU與字庫(kù)芯片進(jìn)行SPI通訊。引腳7是FSO，是字庫(kù)的數(shù)據(jù)輸出引腳，并與PB5相連接。在圖3.7中示出了顯示電路的示意圖：圖3.7顯示電路原理圖3.1.7報(bào)警電路該警報(bào)電路包括一條線路和兩條LED線路。該系統(tǒng)可以對(duì)溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度和濕度，就會(huì)發(fā)出警告。圖3.8顯示了警報(bào)電路的原理圖：圖3.8報(bào)警電路原理圖3.1.8鍵盤(pán)電路鍵盤(pán)電路包括5個(gè)S1，S2連接到PA7,S2連接到MCUPB0，S3和S4連接到MCUPB10,S5與PB11連接。使用者可以設(shè)定溫度和濕度的警報(bào)門(mén)限，S5和S4是與溫度警報(bào)門(mén)限相關(guān)的，按S5+1，S4減1；S3和S2與濕度警報(bào)門(mén)限相關(guān)，按S3+1，S2減去1。S1可以控制蜂鳴器的開(kāi)啟，當(dāng)有警報(bào)聲音發(fā)出時(shí)，可以按下相關(guān)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，再按一次將其的重啟。鍵盤(pán)的電路圖如圖3.9所示：圖3.9鍵盤(pán)電路原理圖3.2從機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)從機(jī)系統(tǒng)主要包括最小微系統(tǒng)，電源電路，無(wú)線通訊電路，中繼控制電路。圖3.10中顯示了從機(jī)硬件電路的流程圖：圖3.10從機(jī)硬件電路總體框圖3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)主控制器采用STM32F103C8T6作為主控制器，通過(guò)按鍵對(duì)其進(jìn)行重置。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)晶振電路組成，分別為8MHz和32.768MHz的低速晶體振蕩。圖3.11展示了單片機(jī)最小化系統(tǒng)的基本情況：圖3.11單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.2.2電源電路從機(jī)的供電線路與主電源線路的設(shè)計(jì)是一樣的，該系統(tǒng)能將220伏交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，再將其轉(zhuǎn)化為3.3伏直流電，能在5V、3.3V范圍內(nèi)供電。3.2.3無(wú)線通信電路從站的無(wú)線通訊線路與主站的無(wú)線通訊線路相同，均使用NRF24L01型無(wú)線通訊芯片NRF24L01為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與從機(jī)之間的無(wú)線通訊。圖3.12顯示了無(wú)線通訊線路的原理：圖3.12無(wú)線通信電路原理圖3.2.4繼電器控制電路在接到主機(jī)指令后，對(duì)應(yīng)的從站開(kāi)始對(duì)電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。其功能是通過(guò)對(duì)微處理器輸出的小電流進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的控制。引腳1是一個(gè)常閉口，繼電器前端與引腳2相連，引腳2是一個(gè)公共的終端，引腳3是一個(gè)經(jīng)常關(guān)閉的終端。在P12將高電位輸入到中繼電路時(shí)，K1開(kāi)關(guān)因EMI的作用而被吸合，將引腳2與引腳3相連接，從而構(gòu)成一個(gè)電流回路；在低壓狀態(tài)下，松開(kāi)引腳1和引腳2，進(jìn)行接合。該設(shè)備通過(guò)引腳2和引腳3相連，可以根據(jù)單片機(jī)的命令進(jìn)行切換。圖3.13中顯示了這種繼電器的控制電路的原理圖：圖3.13繼電器控制電路原理圖4系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)分為主、副兩大部分。該系統(tǒng)采用LD3320語(yǔ)言識(shí)別模塊，通過(guò)nRF24L01實(shí)現(xiàn)與從站的無(wú)線通訊。通過(guò)DHT11的溫度、濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的測(cè)量，并將其顯示在OLED屏幕上。在溫、濕度超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器和LED發(fā)出警報(bào)，并由鍵盤(pán)設(shè)定門(mén)限，由機(jī)使用nRF24L01無(wú)線通訊模塊與主機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊，并從主機(jī)接受命令，并按照指示將中繼器的高、低電平開(kāi)啟或關(guān)斷中繼的開(kāi)關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的聲音控制。本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言，以Keil5為基礎(chǔ)，編寫(xiě)了相應(yīng)的程序。4.1主機(jī)軟件4.1.1主程序流程圖著重介紹了LD3320語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，包括nRF24L01通信、溫、濕度的采集、OLED屏幕的開(kāi)發(fā)。首先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，先開(kāi)啟RCC時(shí)鐘，再進(jìn)行相應(yīng)的I/O配置，OLED顯示器和nRF24L01都是使用SPI通訊協(xié)議的，需要配置相應(yīng)的SPI接口。在LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊中，STC11必須與本地控制器STM32F103C8T6進(jìn)行串口通訊，并設(shè)定相應(yīng)的TX、RX，設(shè)定TX作為推挽輸出，RX作為浮動(dòng)輸入。LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊在識(shí)別出聲音的同時(shí)，對(duì)所選的關(guān)鍵字進(jìn)行判定，并對(duì)所使用的口令進(jìn)行識(shí)別，利用NRF24L01通訊模塊向從機(jī)傳輸，由機(jī)可以按照命令進(jìn)行相應(yīng)的操作來(lái)控制LED燈和電機(jī)。通過(guò)DHT11溫度、濕度傳感器對(duì)溫度、濕度進(jìn)行檢測(cè)，首先確定了溫度、濕度的報(bào)警閾值，AlarmTemp=0,AlarmTemp=0；它的溫度、濕度報(bào)警門(mén)限，可以根據(jù)按鍵的大小來(lái)設(shè)定，并根據(jù)按鍵的大小來(lái)調(diào)節(jié)門(mén)限的高低。在超過(guò)臨界溫度時(shí)，LED0=1,BUZZER=1,D2發(fā)光二極管點(diǎn)亮，蜂鳴聲；當(dāng)濕度超過(guò)時(shí)，LED1=1,BUZZER=1,D1發(fā)光二極管燈點(diǎn)亮，蜂鳴聲響起。最終，通過(guò)OLED顯示屏，將溫度、濕度、報(bào)警閾值、家電狀況等全部顯示出來(lái)。圖4.1顯示了主程序的流程圖：圖4.1主機(jī)主程序流程圖4.1.2溫濕度采集模塊流程圖本系統(tǒng)需要對(duì)溫度、濕度進(jìn)行測(cè)量，并由DHT11實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輸出為數(shù)字信號(hào)，不需要進(jìn)行數(shù)模變換。DHT11僅有一條數(shù)據(jù)線路，因此DHT11的溫度、濕度傳感器通過(guò)特殊的控制時(shí)間來(lái)讀取數(shù)據(jù)。其時(shí)序包括三個(gè)部分：首先，啟動(dòng)DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；第二項(xiàng)是從1中讀出；第三項(xiàng)是從0中讀出數(shù)據(jù)。在DHT11進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先要向DHT11發(fā)出一個(gè)重置信號(hào)，接收到的DHT11開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，然后向MCU發(fā)出一條接收信號(hào)，通知MCU接收數(shù)據(jù)。DHT11傳輸?shù)拿總€(gè)比特?cái)?shù)據(jù)都是先設(shè)置低電平，再設(shè)置高電平，01可以通過(guò)高電平的持續(xù)時(shí)間來(lái)比較該數(shù)據(jù)信號(hào)，70微秒是1，28微秒是0。將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，從高到低，高位先出，總共40bit，5個(gè)字節(jié)。第一個(gè)大第四個(gè)字節(jié)是溫濕度，最后一個(gè)是檢查，它的功能就是檢查數(shù)據(jù)的正確性，把前面四個(gè)字節(jié)的數(shù)值的末尾八位進(jìn)行比較，表示數(shù)據(jù)是對(duì)的，而不等表示的是反的。在正確的測(cè)試數(shù)據(jù)后，把溫度儲(chǔ)存在DTemp中，在DHumi保存濕度。溫度和濕度采集程序的流程如圖4.2所示：圖4.2溫濕度采集程序流程圖4.1.3OLED顯示模塊流程圖本系統(tǒng)的顯示屏是OLED屏幕，選擇0.96英寸的尺寸。本系統(tǒng)使用SPI通訊協(xié)議，單片機(jī)首先要設(shè)定相應(yīng)的輸入/輸出端口，方能進(jìn)行通訊。首先將OLED進(jìn)行初始化，將指令寫(xiě)到OLED上，可以設(shè)定成對(duì)比性等設(shè)定，然后設(shè)定數(shù)據(jù)在多個(gè)列中顯示，此點(diǎn)為起點(diǎn)，從起始位置開(kāi)始。利用DTemp和DHumi的數(shù)值，可以在OLED顯示屏上顯示溫度、濕度警報(bào)閾值A(chǔ)larmTemp。該屏幕也可以顯示目前的設(shè)備狀況，通過(guò)LigFlag和FanFlag來(lái)判定該設(shè)備是否處于開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)。在圖4.3中示出了OLED顯示器的流程：圖4.3OLED顯示程序流程圖4.1.4無(wú)線通信模塊流程圖通過(guò)nRF24L01來(lái)完成本系統(tǒng)的無(wú)線通訊。單片機(jī)與MCU之間的通訊采用SPI，因此在進(jìn)行初始化時(shí)，首先要設(shè)定好微處理器的輸入、輸出端和SPI通訊，然后通過(guò)微處理器STM32F103C8T6與nRF24L01進(jìn)行通訊。由于該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的語(yǔ)音控制，因此，主設(shè)備必須在從機(jī)之前完成無(wú)線通訊，而NRF24L01的通信則有若干個(gè)條件[7]。第一步是把信道設(shè)定成同樣的，通訊信道被設(shè)定成40，該RF_CH寄存器的內(nèi)部地址是0x05；第二個(gè)地址是一樣的，它有5個(gè)8位地址，把5個(gè)地址分別寫(xiě)到0x34、0x43、0x10、0×10、0x01；第三種方法是，每次傳輸和接收的數(shù)據(jù)都具有同樣的寬度，最多32個(gè)字節(jié)，并且把數(shù)據(jù)寬度設(shè)定成32，而RX_PW_P0寄存器是0x11。在將NRF24L01設(shè)定為傳輸方式之前，將主機(jī)端用作傳輸端，配置CONFIG寄存器作為寫(xiě)函數(shù)，設(shè)置PWR_UP和PRIM_RX為1，并將高電位輸入到芯片的CE輸入引腳，則可以設(shè)定為傳輸方式，也就是0x0e。向從機(jī)發(fā)送TX_Data陣列中的數(shù)據(jù)。在圖4.4中顯示了無(wú)線通訊程序的流程圖：圖4.4無(wú)線通信程序流程圖4.1.5語(yǔ)音識(shí)別模塊流程圖該系統(tǒng)使用LD3320作為語(yǔ)音識(shí)別的核心，其中LD3320僅用STC11單片機(jī)存儲(chǔ)50個(gè)關(guān)鍵字，每個(gè)關(guān)鍵字都有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)代碼，見(jiàn)表格4.1：將關(guān)鍵字加入LD3320模塊，要求在FIFO緩沖中加入關(guān)鍵字，然后用0x37寄存器把關(guān)鍵字寫(xiě)到04H上。它的識(shí)別項(xiàng)必須是漢語(yǔ)拼音，而且是國(guó)際通用語(yǔ)言。漢字的每一個(gè)拼音都要有一個(gè)空格。標(biāo)識(shí)原則是，每一標(biāo)識(shí)項(xiàng)都有一個(gè)空格字符，可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的，可以按照個(gè)人的想法來(lái)使用。由宏定義了每一關(guān)鍵句的標(biāo)識(shí)代碼，從1至5的標(biāo)識(shí)代碼分別是0xB0,0xB1,0xB2,0xB3,0xB4,，如果兩個(gè)關(guān)鍵字的標(biāo)識(shí)代碼是相同的，則最終會(huì)得到同樣的結(jié)果。將06H寫(xiě)到0x37的寄存器上，語(yǔ)音識(shí)別就會(huì)啟動(dòng)。在確定了語(yǔ)音之后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)中斷，接著在BA的寄存器中會(huì)出現(xiàn)幾種不同的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)讀出C5的寄存器，可以獲得最優(yōu)的識(shí)別效果。在完成身份驗(yàn)證后，要將測(cè)試結(jié)果傳送給主機(jī)，因此，STC11必須與STM32F103C8T6進(jìn)行串口通訊，必須對(duì)RXD和TXD進(jìn)行串口初始化。聲音識(shí)別程序的流程圖如圖4.5所示：圖4.5語(yǔ)音識(shí)別程序流程圖4.2從機(jī)軟件4.2.1主程序流程圖從機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)繼電器的斷開(kāi)和斷開(kāi)進(jìn)行控制，無(wú)論做任何事情，都必須要得到主設(shè)備的命令。如果接收到的信息是“LigFlag=0”，則操作該繼電器，使其熄滅；當(dāng)接收到LigFlag=1時(shí)，操作繼電器使其打開(kāi)；當(dāng)接收FanFlag=0的時(shí)候，控制繼電器將小風(fēng)扇關(guān)掉；當(dāng)接收到FanFlag=1時(shí)，操作繼電器，使小風(fēng)扇開(kāi)啟。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)兩個(gè)電源進(jìn)行控制，點(diǎn)燈板僅對(duì)LigFlag信號(hào)做出響應(yīng)，僅對(duì)LED燈開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，對(duì)FanFlag信號(hào)不做任何動(dòng)作；馬達(dá)面板僅對(duì)FanFlag信號(hào)做出響應(yīng)，僅能控制風(fēng)扇的開(kāi)啟和關(guān)閉，而不會(huì)對(duì)LigFlag信號(hào)進(jìn)行處理。圖4.6中顯示了從主機(jī)的主程序的流程：圖4.6機(jī)主程序流程圖4.2.2無(wú)線通信模塊流程圖從機(jī)nRF24L01的無(wú)線通訊模組與主機(jī)的基本相同，其通訊信道、位址、接收資料的寬度均應(yīng)相同。而從機(jī)則負(fù)責(zé)從主設(shè)備接收資料，并將其設(shè)定為接收方式。NRF24L01可以被設(shè)定為一個(gè)CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX均為1，也就是0x0f，并將高電位輸入到芯片CE端口。在圖4.7中顯示了無(wú)線通訊程序的流程圖：圖4.7無(wú)線通信程序流程圖5系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)象本系統(tǒng)在硬件、軟件設(shè)計(jì)完成后，對(duì)PCB板進(jìn)行了焊接，并將其分成三塊。一塊主板，兩塊從機(jī)板。主板上電后，開(kāi)啟電源，按下重置按鈕，可以看見(jiàn)OLED屏幕正常，此時(shí)，系統(tǒng)探測(cè)到25℃，濕度67%，警報(bào)溫度為25℃，報(bào)警濕度為65%。通過(guò)測(cè)試，顯示溫度為25℃，濕度為69%，DHT11的溫度和濕度都在正常范圍內(nèi)，顯示出該系統(tǒng)的溫度、濕度和OLED顯示屏都能夠正常工作。電源接通后，主機(jī)的整體外觀如5.1所示。圖5.1通電后的主機(jī)總體外觀另外兩塊從機(jī)面板，一塊控制面板，一塊控制一些風(fēng)扇從面板。用聲音來(lái)識(shí)別無(wú)線設(shè)備的開(kāi)關(guān)，首先要對(duì)主機(jī)說(shuō)一聲“小愛(ài)”，然后通過(guò)語(yǔ)音喚醒識(shí)別模塊，再說(shuō)“開(kāi)燈”，這時(shí)，機(jī)板上的LED燈就會(huì)亮起來(lái)。當(dāng)小燈從機(jī)器上點(diǎn)亮?xí)r，見(jiàn)圖5.2：圖5.2小燈從機(jī)打開(kāi)小燈圖5.3風(fēng)扇從機(jī)板上打開(kāi)時(shí)，其流程如下：首先對(duì)該設(shè)備說(shuō)“小愛(ài)”，然后再說(shuō)“打開(kāi)電機(jī)”，這時(shí)風(fēng)扇從機(jī)盤(pán)上的小扇子上打開(kāi)。圖5.3風(fēng)扇從機(jī)板打開(kāi)風(fēng)扇鍵盤(pán)操作，可正常設(shè)置溫、濕度閾值，此時(shí)溫度報(bào)警率26℃，濕度報(bào)警率79%。將空氣呼入感應(yīng)器，增加濕度，這時(shí)溫度超過(guò)臨界點(diǎn)會(huì)發(fā)出警報(bào)，D1燈亮起時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音，警報(bào)功能正常，見(jiàn)圖5.4。圖5.4報(bào)警狀態(tài)在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)進(jìn)行了溫度和濕度測(cè)量，結(jié)果顯示在表5.1中。系統(tǒng)測(cè)試溫度值系統(tǒng)測(cè)試濕度值檢測(cè)器溫度值檢測(cè)器濕度值20°C65%RH19°C67%RH18°C70%RH20°C69%RH21°C71%RH20°C69%RH15°C64%RH15°C65%RH17°C67%RH19°C66%RH結(jié)論本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心，研制了DHT11溫度、濕度采集模塊，以及DHT11的溫度、濕度采集模塊，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。OLED顯示屏、LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊、nRF24L01和鍵盤(pán)模塊進(jìn)行控制。LD3320的語(yǔ)音識(shí)別模塊在接收到聲音信號(hào)后，通過(guò)nRF24L01的無(wú)線通訊模塊向從設(shè)備控制面板發(fā)出命令，從而控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)。OLED顯示屏能實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，通過(guò)DHT11感應(yīng)器收集和處理環(huán)境中的溫度和濕度，并將其傳輸至OLED顯示屏。在溫度和濕度超過(guò)警報(bào)范圍時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定溫度、濕度的警報(bào)。該系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程語(yǔ)音遙控開(kāi)關(guān)，對(duì)溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并具備報(bào)警功能，可根據(jù)需要設(shè)定報(bào)警門(mén)限。本系統(tǒng)所選用的組件并不昂貴，但性能都很好，符合本系統(tǒng)的要求，并且都是對(duì)環(huán)境友好的，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，會(huì)將所有的垃圾都處