隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居的需求不斷增加，但仍存在設(shè)備兼容性差和成本高等問題。本文提出了一種基于STM32單片機的多模式智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫濕度、光照強度和煙霧濃度傳感器與OLED顯示屏實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測和實時數(shù)據(jù)顯示。

它結(jié)合了ASRPRO語音識別模塊與ESP8266 Wi-Fi模塊，提供手動控制、自動調(diào)節(jié)、語音識別和遠(yuǎn)程控制四種操作模式，能夠智能控制燈光、風(fēng)扇、窗簾和加濕器等設(shè)備。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測精度和語音響應(yīng)速度方面表現(xiàn)優(yōu)異，為低成本、高兼容性的智能家居解決方案奠定基礎(chǔ)。

013D實景地圖

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

本系統(tǒng)旨在實現(xiàn)家庭中常用電器的智能控制，設(shè)計了一款基于STM32單片機的多控制智能家居系統(tǒng)，整體設(shè)計框圖如圖1所示。該系統(tǒng)集成了環(huán)境檢測、自動控制、語音識別和遠(yuǎn)程通信等多種功能，采用模塊化結(jié)構(gòu)。主要由主控模塊、傳感器采集模塊、執(zhí)行控制模塊、語音識別模塊以及顯示與通信模塊構(gòu)成。各模塊通過串口、I2C、PWM和GPIO等接口進行互聯(lián)，由主控芯片協(xié)調(diào)處理，實現(xiàn)對包括燈光、風(fēng)扇、窗簾和加濕器在內(nèi)的多種設(shè)備的多模式智能控制。

02 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊電路設(shè)計

主控模塊在電路設(shè)計中以STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板為基礎(chǔ)，核心電路內(nèi)部主要由時鐘電路、復(fù)位電路、電源穩(wěn)壓電路及引腳接口組成。外部8MHz晶振通過內(nèi)建PLL實現(xiàn)主頻上升，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘源；復(fù)位端接入RC延時電路，確保單片機在上電或干擾下能可靠復(fù)位；電源模塊通過AMS1117穩(wěn)壓器將5V電壓穩(wěn)定輸出至3.3V，為核心邏輯部分供電。整體硬件電路設(shè)計圖如圖2所示。

2.2 語音識別模塊電路設(shè)計

語音識別模塊采用ASRPRO模塊，通過串口方式與STM32主控進行通信。模塊的PA2引腳連接至主控的PB11引腳，用于向主控發(fā)送識別后的語音指令編碼。模塊由5V電源供電，GND接系統(tǒng)公共地線。該模塊識別結(jié)果以串口編碼形式傳輸，主控接收后解析執(zhí)行對應(yīng)操作，完成語音控制功能。

2.3 無線通信模塊電路設(shè)計

無線通信模塊選用ESP8266-01S，用于實現(xiàn)系統(tǒng)與云平臺之間的Wi-Fi數(shù)據(jù)通信。模塊采用串口(UART)方式與主控芯片進行雙向通信，TXD引腳連接至STM32的PA3(USART1＿RX)，RXD引腳連接至PA2(USART1＿TX)，實現(xiàn)主從數(shù)據(jù)交互。模塊通過AT指令配置為STA模式后可連接路由器，結(jié)合機智云平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳與控制命令下發(fā)。

圖2 整體硬件電路設(shè)計圖

2.4 傳感器模塊電路設(shè)計

溫濕度檢測模塊采用DHT11數(shù)字型傳感器，該模塊只需一個數(shù)據(jù)引腳與主控相連，便可通過單總線方式與STM32主控進行通信。模塊的VCC端接5V電源，GND接地，OUT引腳連接至STM32的PB3引腳。模塊周期性將溫濕度數(shù)據(jù)打包輸出，主控芯片通過定時輪詢讀取并進行解析。

煙霧檢測模塊使用MQ-2傳感器，能夠檢測煙霧、液化氣、酒精等可燃性氣體濃度。該模塊輸出模擬電壓信號，主控通過ADC接口進行采樣判斷。模塊供電為5V，GND接地，A0引腳連接至STM32的PA4引腳，實時讀取電壓值。當(dāng)空氣中煙霧濃度升高，輸出電壓隨之變化，主控將采樣值與設(shè)定閾值比較，從而判斷是否觸發(fā)報警。

光照檢測模塊選用GY-302光照傳感器，通過I2C接口與STM32主控進行通信。模塊VCC引腳連接至3.3V電源，GND接地，SCL與SDA引腳分別連接至STM32的PB4和PB5引腳，構(gòu)成I2C總線通信。模塊上電后可直接輸出以勒克斯(lx)為單位的光照強度數(shù)據(jù)，主控通過I2C協(xié)議讀取測量值并用于判斷是否啟用照明裝置。

2.5 屏幕顯示模塊電路設(shè)計

顯示模塊采用0.96英寸OLED屏幕，用于在本地實時顯示系統(tǒng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)與設(shè)備運行模式。該模塊采用I2C通信方式連接主控，SCL引腳與STM32的PB1相連，SDA引腳連接至PB0，供電電壓為3.3V，GND接地。OLED模塊支持字符、圖形和動態(tài)刷新顯示，模塊內(nèi)部已集成驅(qū)動芯片SSD1306，可直接通過標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議與主控進行數(shù)據(jù)通信。

2.6 執(zhí)行機構(gòu)模塊電路設(shè)計

步進電機驅(qū)動電路運用ULN2003驅(qū)動板，將其與28BYJ-48步進電機以及STM32主控相連，共同協(xié)同工作，以此來模擬窗簾開合的功能，ULN2003內(nèi)部整合了達(dá)林頓管陣列，可直接接收STM32輸出的脈沖信號，驅(qū)動步進電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動模塊的四個輸入控制信號IN1至IN4引腳，分別與STM32的PA8、PA11、PA12、PA15引腳相連接，其目的在于接收方向以及步進控制信號，而OUT1至OUT4則連接著步進電機的四相繞組。該模塊由外部5V電源進行供電，COM端連接電源正極，GND接地，主控借助定時器產(chǎn)生脈沖序列，對電機轉(zhuǎn)動的步數(shù)以及方向加以控制，再配合ULN2003的高電流輸出能力，保證電機可平穩(wěn)地運行。

繼電器模塊用于控制加濕器的開關(guān)，采用5V直流繼電器，通過STM32的PB13引腳輸出高低電平信號驅(qū)動。繼電器控制端通過NPN三極管與主控連接，基極串聯(lián)限流電阻連接至PB13，發(fā)射極接地，集電極連接繼電器線圈。當(dāng)PB13輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，加濕器通電工作；低電平時斷開，加濕器停止工作。

PWM控制電路用于調(diào)節(jié)LED亮度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，分別由STM32的PB14和PB15引腳輸出PWM信號，實現(xiàn)對輸出功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。主控芯片通過定時器模塊配置不同頻率和占空比的PWM波形，輸出至LED和風(fēng)扇控制電路。LED驅(qū)動采用MOS管，柵極通過限流電阻連接PB14，漏極串聯(lián)LED燈至5V電源，源極接地。風(fēng)扇通過PB15引腳連接驅(qū)動電路。PWM信號經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換為模擬電壓，從而實現(xiàn)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和LED亮度。

蜂鳴器用于煙霧濃度超標(biāo)時發(fā)出聲音警報。采用有源蜂鳴器，工作電壓為5V，通過STM32的PA0引腳控制。PA0連接NPN三極管基極，發(fā)射極接地，集電極接蜂鳴器負(fù)極，正極接電源。當(dāng)PA0輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴響。在電路中加入了一個撥碼開關(guān)SW1，可以用來切換蜂鳴器的工作狀態(tài)，避免蜂鳴器始終處于響聲狀態(tài)。

2.7 按鍵模塊電路設(shè)計

按鍵模塊采用四路獨立按鍵，分別連接至STM32的PB6～PB9引腳，用于模式切換、閾值設(shè)置和設(shè)備手動控制。每個按鍵一端接至IO口，另一端接地，同時在IO口與電源之間接入10kΩ上拉電阻，確保按鍵未按下時IO保持高電平。按鍵按下后引腳電平變?yōu)榈停骺赝ㄟ^輪詢方式檢測按鍵狀態(tài)，為避免抖動干擾，軟件中設(shè)置消抖延時處理邏輯，確保操作識別準(zhǔn)確。

2.8 供電模塊電路設(shè)計

供電模塊負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，確保各功能模塊正常運行。系統(tǒng)使用外部DC 5V電源適配器作為主輸入電源，經(jīng)過AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片將電壓降至3.3V，供主控STM32以及其他3.3V模塊使用，繼電器、風(fēng)扇、語音模塊等設(shè)備直接使用5V供電。

03軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖3所示。在系統(tǒng)上電后，首先進行定時器和GPIO端口的初始化，隨后系統(tǒng)便進入到主循環(huán)之中，傳感器會實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后在OLED屏幕上展示當(dāng)前狀態(tài)信息，還會把傳感器數(shù)據(jù)借助Wi-Fi模塊上傳至機智云平臺，以此達(dá)成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)同步。

系統(tǒng)有四種控制模式，分別是手動控制、自動控制、語音控制以及遠(yuǎn)程控制，用戶可依靠語音識別、按鍵以及手機APP來切換控制模式并下達(dá)具體指令。在手動控制模式下，可通過按鍵對燈光、風(fēng)扇、窗簾、加濕器等執(zhí)行設(shè)備直接實施控制；在自動控制模式下，系統(tǒng)會依據(jù)環(huán)境參數(shù)與用戶設(shè)置的閾值作出判斷；在語音控制模式下，系統(tǒng)會識別用戶語音指令并對執(zhí)行設(shè)備進行相應(yīng)的控制；在遠(yuǎn)程控制模式下，通過手機APP將控制指令上傳至云端，系統(tǒng)自動接收來自云端下發(fā)的指令并對執(zhí)行設(shè)備進行相應(yīng)的控制。

3.2 語音識別控制程序設(shè)計

語音識別是本系統(tǒng)的人機交互核心之一,采用ASRPRO語音識別模塊進行本地離線識別,并通過USART串口與STM32主控通信。模塊在識別到有效語音指令后,將指令對應(yīng)的編號以串口數(shù)據(jù)形式發(fā)送給主控芯片,主控程序通過中斷接收方式捕獲該數(shù)據(jù),并根據(jù)編號內(nèi)容判斷用戶意圖,從而控制對應(yīng)的智能設(shè)備運行狀態(tài)。語音模塊程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 語音模塊程序流程圖

圖5 按鍵控制與閾值設(shè)置程序流程圖

程序運行過程中，首先對語音模塊初始化并配置串口接收通道。當(dāng)串口接收到來自模塊的指令編碼時，主控立即解析該編號，并在預(yù)設(shè)命令表中查找其對應(yīng)功能。若指令有效，系統(tǒng)將執(zhí)行相關(guān)控制操作，同時通過OLED模塊更新當(dāng)前狀態(tài)。若為無效或錯誤編碼，則直接忽略，并繼續(xù)監(jiān)聽下一條指令。語音識別控制邏輯反應(yīng)迅速、指令明確，特別適合在手動操作不便的場景。

3.3 按鍵控制程序設(shè)計

本系統(tǒng)配備多功能按鍵模塊，用于在無語音及無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)本地控制，主要包括運行模式切換、設(shè)備手動開關(guān)控制以及自動控制模式下的閾值設(shè)定。在程序里運用輪詢的方式來掃描按鍵狀態(tài)，按鍵輸入信號經(jīng)由GPIO引腳接入到STM32主控當(dāng)中，程序會對按鍵按下以及釋放的時間長度作出判斷，區(qū)分短按與長按操作，其中短按可用來切換運行模式以及直接控制某一設(shè)備的啟動和停止，長按則是用于進入?yún)?shù)設(shè)置流程。流程圖如圖5所示。

在閾值設(shè)置功能里，用戶可以借助按鍵去設(shè)置溫度，濕度，光照等參數(shù)的上下限數(shù)值，這些閾值并非會立刻對系統(tǒng)行為產(chǎn)生影響，而是只有在切換到自動控制模式的時候，才會作為環(huán)境判斷的依據(jù)來加以使用，系統(tǒng)處于自動模式時，會按照一定周期讀取當(dāng)下的環(huán)境數(shù)據(jù)，并把它和用戶所設(shè)定的閾值進行對比。如果超出了范圍，那么就會觸發(fā)執(zhí)行模塊做出響應(yīng)，比如自動開啟或者關(guān)閉風(fēng)扇，窗簾，加濕器，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲。

在閾值設(shè)置的過程當(dāng)中OLED顯示屏?xí)崟r反饋當(dāng)前設(shè)置的項目以及對應(yīng)的數(shù)值，用戶可以依靠加減鍵來調(diào)整參數(shù)，借助確認(rèn)鍵來保存設(shè)置，最終會把設(shè)定值存儲在主控變量之中。并且配置寫入EEPROM來實現(xiàn)掉電保存功能。

3.4 OLED顯示程序設(shè)計

OLED顯示程序流程圖如圖6所示。所選OLED模塊基于SSD1306驅(qū)動芯片，采用I2C總線方式與STM32主控通信，在程序?qū)崿F(xiàn)方面，首先需要在STM32CubeMX中對I2C接口進行配置，包括選擇I2C通道、映射引腳、開啟中斷及波特率設(shè)置。配置完成后生成初始化代碼，并在工程目錄中添加OLED顯示模塊所需的驅(qū)動文件，用于封裝底層顯示函數(shù)及命令通信接口。在主函數(shù)中包含相關(guān)頭文件，完成驅(qū)動初始化調(diào)用，即可實現(xiàn)對屏幕的控制。

3.5 無線通信模塊程序設(shè)計

ESP8266-01S作為WiFi通信模塊，負(fù)責(zé)將本地STM32主控與機智云平臺建立數(shù)據(jù)交互通道。該模塊通過串口與主控芯片通信，使用AT指令集完成無線網(wǎng)絡(luò)連接、云平臺接入以及控制指令與傳感器數(shù)據(jù)的雙向傳輸。WiFi模塊流程圖如圖7所示。

當(dāng)ESP8266成功連接到局域網(wǎng)后，模塊會嘗試與機智云平臺建立通信連接。平臺接入方式基于USART串口和MQTT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，由機智云平臺生成的通信協(xié)議文檔和數(shù)據(jù)點格式統(tǒng)一規(guī)范通信內(nèi)容。開發(fā)者無需手動構(gòu)建MQTT包結(jié)構(gòu)，只需遵循平臺提供的協(xié)議說明，封裝上傳數(shù)據(jù)和解析下發(fā)指令。

圖6 OLED顯示程序流程圖

圖7 Wi-Fi模塊流程圖

04 系統(tǒng)功能測試

4.1 顯示功能測試

首先，確保所有硬件模塊正確連接，檢查各模塊電源、引腳、通信接口，確保它們連接牢固，沒有松動或接觸不良。使用Type-C接入電源模塊給整個系統(tǒng)供電，供電后可通過供電模塊的按鍵開關(guān)啟動整個系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后會進行一系列程序的初始化之后OLED屏幕開始工作顯示由傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)當(dāng)前運行模式。第一行顯示的是溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，第二行顯示的是光照強度，第三行顯示的是煙霧濃度，第四行顯示的是系統(tǒng)當(dāng)前模式。硬件整體實物圖如圖8所示。

圖8 硬件整體實物圖

4.2 語音控制功能測試

語音控制是本設(shè)計的核心內(nèi)容，為避免誤觸發(fā)，系統(tǒng)設(shè)定了喚醒機制。用戶需先說出喚醒詞“你好，小智”以激活語音識別通道，系統(tǒng)接收到喚醒信號后將進入十秒倒計時監(jiān)聽階段，在此期間內(nèi)可識別有效控制指令。若超過十秒未識別到任何指令，系統(tǒng)將自動退出語音模式，返回默認(rèn)運行狀態(tài)。對系統(tǒng)語音控制功能進行了5次近距離、5次遠(yuǎn)距離測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)距離指令發(fā)出者5m內(nèi)能3s內(nèi)快速響應(yīng)，且識別準(zhǔn)確，超過5m時會因語音信號有干擾時受到影響。

4.3 手動控制功能測試

在無網(wǎng)絡(luò)或語音不可用的情況下，系統(tǒng)可以通過按鍵手動控制，以實現(xiàn)模式切換、設(shè)備控制與閾值調(diào)整三類操作，按鍵控制如圖9所示，系統(tǒng)右下方從左往右依次有四個功能按鍵，短按K1按鍵可進行模式切換，當(dāng)前系統(tǒng)模式可直接顯示在OLED屏幕上，K2、K3、K4按鍵分別控制燈光、風(fēng)扇和步進電機。K2、K3按鍵通過按動不同次數(shù)，還可以調(diào)整燈光亮度和風(fēng)扇風(fēng)速，K4按鍵用來控制步進電機轉(zhuǎn)動，正轉(zhuǎn)模擬窗簾打開，反轉(zhuǎn)模擬窗簾關(guān)閉。長按K1兩秒鐘進入閾值設(shè)置界面，可以通過按鍵調(diào)整溫度、濕度、光照強度以及煙霧濃度參數(shù)，用于在自動模式下的閾值判斷。閾值參數(shù)設(shè)置圖如圖10所示。

圖9 按鍵控制測試結(jié)果

4.4 自動模式功能測試

通過按鍵以及語音控制可切換為自動模式，在自動控制模式下，系統(tǒng)將依據(jù)傳感器實時采集的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的閾值進行比較。當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前溫度大于設(shè)定閾值時，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，超于閾值越高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快。溫度低于設(shè)定閾值時，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前濕度低于設(shè)定閾值時，加濕器開啟，濕度高于設(shè)定閾值時，加濕器關(guān)閉。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前煙霧濃度高于設(shè)定閾值時，蜂鳴器便會觸發(fā)聲音警報，當(dāng)煙霧濃度持續(xù)高于設(shè)定值時，可通過蜂鳴器報警開關(guān)手動關(guān)閉聲音警報。當(dāng)系統(tǒng)檢測到當(dāng)前光照強度大于閾值時，窗簾打開燈光關(guān)閉用來模擬白天，反之當(dāng)光照強度低于閾值時，窗簾關(guān)閉燈光打開用來模擬黑夜。自動模式測試圖如圖11所示。

圖10 閾值參數(shù)設(shè)置

圖11 自動模式測試結(jié)果

4.5 遠(yuǎn)程控制功能測試

系統(tǒng)上電后，使設(shè)備與手機控制端處于同一局域網(wǎng)下，打開機智云手機APP，添加設(shè)備，并進行一鍵配網(wǎng)，數(shù)據(jù)將通過ESP8266Wi-Fi模塊與機智云平臺完成設(shè)備與云端數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)遠(yuǎn)程對智能家居系統(tǒng)的操控。通過機智云APP可以實時顯示當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧濃度數(shù)據(jù)、光照強度數(shù)據(jù)以及煙霧濃度數(shù)據(jù)。通過手機APP還可以實現(xiàn)對風(fēng)扇、加濕器、燈光以及窗簾的控制。

圖12 遠(yuǎn)程控制測試結(jié)果

05總結(jié)

該設(shè)計基于STM32主控制器，結(jié)合溫濕度、光照、煙霧傳感器，以及語音、通信和Wi-Fi模塊，構(gòu)建了一個支持手動、自動、語音和遠(yuǎn)程四種控制模式的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低成本、高兼容性和強可操作性的優(yōu)勢，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥砜赏ㄟ^擴展環(huán)境傳感器類型來提升系統(tǒng)的環(huán)境感知能力，并可接入云端語音識別服務(wù)，以增強語言識別性能。