废棉
王艳;陈姝君;李昂;王秀梅
【摘 要】随着电子信息技术的发展,家居环境越来越智能化.文中提出了基于语音控制和蓝牙通信的智能家居系统,可通过语音对话或手机APP两种形式,智能控制家居中彩灯亮灭、彩灯颜和窗帘升降,并且增加了智能夜灯,为人们的生活提供了便利.该系统采用从机和主机的形式,从、主机间通过CC2540F256蓝牙芯片实现无线通信.从机以STM32F103芯片为微处理器,通过LD3320芯片实现语音对话功能或手机蓝牙APP发送指令;主机以STC89C52为微处理器,实现灯和窗帘的智能控制.
【期刊名称】《物联网技术》
【年(卷),期】2018(008)012
【总页数】4页(P99-102)
【关键词】智能家居;单片机;语音控制;蓝牙;步进电机
吸收二氧化硫
【作 者】王艳;陈姝君;李昂;王秀梅
【作者单位】南京理工大学紫金学院 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210046;南京理工大学紫金学院 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210046;南京理工大学紫金学院 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210046;南京邮电大学 电子与光学工程学院,江苏 南京 210046
【正文语种】中 文
【中图分类】TP39
0 引 言
随着科技的不断发展，人们对家居生活的要求不再局限于简单的物质需求，而是更加关注家居的智能化。对于用户来说，真正智能化的家居生活是需要使机器在感应环境的情况下，可以自身做判断，根据实际的环境自己做出改变。真正的智能家居应该做到真正的无感化，可以直接与其“对话”，实现对家电家居的控制，真正打造一款无感化的智能家居系统[1]。本文设计了一个基于语音控制和蓝牙通信的智能家居系统，通过语音和手机APP两
种方式控制彩灯亮灭、彩灯颜及窗帘状态。
1 系统设计
智能语音控制系统采用无线蓝牙通信的方式，分为主机和从机两个部分，系统框图如图1所示。从机通过语音模块或者手机发送信号给主机，主单片机反馈信号操控灯的亮灭与颜变化，同时，控制电机的运转，模拟窗帘的升降，内置光敏电阻检测室内环境，控制室内小夜灯的亮灭。 图1 系统框图
从机有如下两种形式：调节板
多功能开瓶器
（1）通过智能语音模块采集人的语音信号发送给从蓝牙1；
（2）通过智能手机蓝牙APP将指令发送给手机内置的从蓝牙2。
电涌耐受能力主蓝牙接收从蓝牙信号的控制信号，发送给单片机，再通过单片机控制彩灯的亮灭、彩灯的颜及窗帘的升降。
2 硬件电路设计
2.1 智能语音模块设计
智能语音模块使用LDV5语音识别模块，该模块主要包括语音芯片和微处理器。其中语音芯片采用LD3320芯片，微处理器采用STM32F103芯片。LD3320芯片是一款基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片[2]。该芯片内部集成了高精度的A/D接口，无需外接辅助的FLASH和RAM，即可实现语音识别/声控/人机对话功能；并且识别的关键词语列表可动态编辑[3-4]。STM32F103芯片是一种具有32位标准精简指令集（RISC）的处理器，其ARM内核的高性能在通常8位和16位系统的存储空间得到了极大的体现；此外，其内部集成了FLASH存储、SRAM、丰富的I/O接口及先进的中断响应系统等[5-6]。
（1）LDV5模块具备USB接口及TF卡读取U盘功能；
（2）具备支持最大4G mini低速TF卡；
（3）可实现人机对话，播放MP3功能，播放歌曲、对话等功能；
（4）具备串口输出识别码功能，支持1～12字节自定义16进制输出；
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（5）支持口令识别方式（例如，若定义模块为“智能家居”，只有每次说出“智能家居”后，模块才能接收其他操作）；
（6）支持普通识别模式、按键触发模式，以适应不同的应用环境；
（7）具备看门狗复位功能，系统更稳定耐用。
模块上有一个TF卡，在利用语音模块时，只需对TF卡内容进行修改，就可对该模块进行操作。例如，预留了PA0-PA78个I/O口，只需简单设置TF卡中菜单文对应的序号即可使用I/O口。每个端口具备高电平、低电平、高电平0.5 s点动、高电平1 s点动功能。在利用 I/O口输出时，只关联序号，与其他无关，序号对应的关键词识别正确，端口就会有对应状态输出，不受识别码的影响。
图2主菜单文件中的序号1和2，分别是控制PA0端口的低电平和高电平。若利用继电器模块，则高电平就表示开，低电平表示关。
图2 主菜单文件
该模块还配备3.3 V TTL电平的串口，可以利用串口通信。在本文设计中，该模块与从蓝牙进行通信，成功识别关键词后，串口会自动输出识别码，并且发送给从蓝牙。识别码可在1～12字节（16进制格式）内自由规定数值。如要输出 A1 A5 11 11 5B 给串口，那么就将主菜单文件编写修改为《1：A1 A5 11 11 5B FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF：guan bi tai deng：关台灯.mp3》即可。最多输出12个数据，后面跟FF，连续3个FF之前的数据为串口输出的数据，则该识别码长度共为15 B，且必须保持该格式。
2.2 蓝牙模块设计
本文采用HC-08蓝牙串口模块，该模块采用CC2540F256芯片，是一款基于Bluetooth Specification V4.0 BLE蓝牙协议的数传模块，具备2.4 GHz ISM的工作频段和GFSK的调制方式。该蓝牙最大发射功率的接受灵敏度达4 dBm，-93 dBm，可以实现长达80 m的远距离传输。
本文设计中蓝牙连接方式有两种：一种是蓝牙与蓝牙间的连接；另一种是蓝牙与手机连接。
图3 蓝牙和蓝牙的连接
（1）蓝牙与蓝牙的连接
蓝牙与蓝牙的连接通过蓝牙模块将从蓝牙与主蓝牙连接，如图3所示。
本文设计是由语音模块发送指令，通过蓝牙传输给单片机，单片机接收信号后，采取相应的措施操控灯的亮灭和颜变化，以及驱动电机改变窗帘状态。
当使用模块与模块之间的连接时，需要将蓝牙和语音模块、单片机根据图3所示方式连接，①为语音模块LDV5，②为主机单片机STC89C52。由于HC-O8默认为从蓝牙，所以需要对蓝牙进行设置，只要将蓝牙与串口转TTL模块相连，使用串口调试助手通过AT指令发送“AT+ROLE=0”即可，当蓝牙断电再上电时，即可变成主蓝牙模式，从蓝牙上电后，主、从蓝牙会自动连接，实现透传功能。
（2）蓝牙与手机的连接
该连接方式通过蓝牙模块实现手机和单片机的无线传输，如图4所示。手机发送指令，通过蓝牙传输给单片机，单片机接收信号后，采取相应的措施实现操控彩灯的亮灭和颜变化，以及驱动电机改变窗帘状态的要求。
图4 模块与手机的连接
当使用手机与蓝牙连接时，选用手机中的蓝牙。手机下载蓝牙助手APP，通过蓝牙助手连接主蓝牙，如图5所示。由于蓝牙助手默认为16进制，因此写入“f8”“ff”等指令时，该指令就会发送给单片机，从而实现家居控制。
2.3 主微处理器设计
主机的处理器选择STC系列的STC89C52芯片[7]。这是一种功耗较低但性能很高的芯片，具备8位CMOS微控制器，内含8 kB可编程FLASH存储器，支持ISP下载，常用于控制电路的检测。此外，当调试电路时，若需要重新载入程序，可通过软件直接烧录程序，避免多次拔插芯片，所以不会对芯片造成损坏。STC89C52总共有40个引脚，具有4 kB的FLASH片内存储器，128 B的随机存储数据存储器（RAM），32个外部双向I/O口，5个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口片内时钟振荡器。它有空闲模式、正常模式及掉电模式等，不同模式配合不同情况，以合理分配内部资源。
图5 蓝牙助手服务
2.4 电机模块设计
由于步进电机操作方便、误差小，不超载的情况下不受重量限制，故可在与速度、位置等相关的需要控制的领域使用步进电机，因此本文电机模块采用步进电机。其将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机驱动板采用ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。ULN2003的每1对达林顿都串联一个2.7 kΩ的基极电阻，在5 V的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接相连，处理原先需要标准逻辑缓冲器处理的数据[8]。电机模块电路如图6所示。
图6 电机模块电路图
本文采用 ULN2003 驱动，驱动端口为 P0.0（A），P0.1（B），P0.2（C），P0.3（C）。正转次序为：AB组-BC组-CD组-DA组；反转次序为：AB组-AD组-CD组-CB组。“-”即一个脉冲，正转、反转都是5.625°。四相五线制步进电机连接P0.0，P0.1，P0.2，P0.3口，分别对应步进电机A，B，C，D四相。
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