STM32的語音識別智能家居

廣州工商學院工學院 范仰才 袁曉明

設計了一款以STM32單片機作微處理器，支持語音、藍牙和紅外遙控三種方式操控的智能家居系統。利用溫濕度和煙霧傳感器感知室內信息，門禁識別和超聲波測距感知門口信息，經由主控制器對參數進行處理以達到控制燈、風扇（空調）、窗簾及門等的開關，并利用OLED來顯示當前的溫濕度和安防狀態；系統的程序于KEIL5軟件上開發完成。經測試，系統實現了預定功能，操作簡單，適用性強。

在現代通訊和物聯網技術的驅使下，市場上智能家居產品種類繁多，其控制方式也朝多元化發展?，F代智能家居控制方式可以利用無線通信技術，對家電設備進行遠程操控，無線通信的廣泛使用，令人類擺脫了以往單一、繁瑣的控制方式。近年來，語音識別技術在智能家居控制的應用逐漸流行，語音識別技術的應用在改變我們生活習慣的同時，也為我們營造更便捷的居住環境和提升家居系統的舒適性、智能性。

本文旨在為用戶設計一款操作簡單，可控制多個家電設備的低成本控制系統，實現控制系統的智能化和便捷化。

1 系統總體設計方案

本系統以STM32單片機為主微控制器。設計功能包括：語音識別模塊檢測語音指令，或紅外遙控器通過按鍵發送信息，微控制器處理后將作出相應的響應，實現對居家電器、窗簾及門等的控制；門禁模塊實現刷卡進門，識別到陌生卡時蜂鳴器會長鳴；超聲波模塊測量門口是否有人經過及人離探測器的距離；環境檢測模塊檢測室內溫濕度及可燃或有害氣體是否超標，檢測的信息可以在顯示屏上顯示出來，當室內溫濕度達到設置的上限時，系統會響鈴報警或啟動室內空調。為防止語音識別出現故障，系統增加了藍牙模塊，可實現無線遠程控制，藍牙也可以修改開發板的系統時間，設置鬧鐘，設置超聲波檢測距離，錄入門禁卡信息等。系統總設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總設計框圖

2 系統硬件設計

本系統采用主流芯片增強型中的STM32F407ZET6，是一款采用ARM32位Cortex-M4內核的微控制器，具有高性能、高集成度、低功耗、低成本、豐富的外設資源等特點。芯片內部采用哈佛結構，數據總線和指令總線分開工作，與馮諾依曼結構相比工作速度更快；芯片內置512KB的FLASH和192KB的SRAM，外圍有溫度傳感器串口和電機控制串口，選擇該芯片作為主控制器能滿足本控制系統的設計要求。

2.1 語音識別模塊

語音識別模塊選用LD3320，它集成了一些外部電路和語音處理器，包括ADC、DAC、MIC等，不需要任何的輔助芯片如閃存、只讀存儲器、加密芯片等，也不需要提前錄入語音，直接可以實現語音識別和人機交互，而識別的關鍵詞語列表可以由用戶自己設定。其工作流程采用輪詢形式進行識別，當MIC識別到聲音信號時，單片機產生中斷信號，LD3320通過串口接受數據，經頻譜分析和特征提取，進行關鍵詞列表配對，識別成功后返還識別碼，再向家居設備發送指令。

2.2 環境檢測模塊

溫濕度傳感器選用DHT11數字溫濕度傳感器，它采用數字采集技術和溫濕度傳感技術。工作原理：根據信號輸出量計算出溫度和濕度值，環境濕度發生改變時，濕度傳感器通過改變濕敏電容介電常數來改變其電容值。該傳感器具有響應速度快、抗干擾能力強、傳輸距離遠等優點，適合用于室內溫濕度的測量。

煙霧傳感器選用MQ-2氣體傳感器，該傳感器的電導率會隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，并將電導率的變化轉換成對應的電信號輸出。它可以檢測多種可燃性氣體，特別適用于家居環境中一氧化碳、煤氣等的泄漏、煙霧的檢測等。

2.3 超聲波模塊

選用HC-SR04超聲波測距模塊，它可以測量2cm-400cm的非接觸式距離，測量精度可達3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。

2.4 門禁識別模塊

本系統采用RFID-RC522來實現門禁安防，通過在存儲器上讀寫數據，實現錄入卡和識別卡，進而啟動電機（模擬防盜門的開閉）。RC522是應用于非接觸式通信中的讀寫卡芯片，它使用了先進的調制和解調技術，與主機間的通信采用SPI模式，通信速度極快。

2.5 電機驅動模塊

選用L9110直流電機驅動模塊驅動直流電機，實現對居家電器如風扇的開、關和調速的操作。一個L9110模塊可驅動兩個直流電機，可實現對兩個家用電器的控制。利用步進電機的正反轉來模擬門和窗簾的開和關，所用的步進電機是四相五線制，它可以將電脈沖信號轉化為角位移來驅動設備，改變脈沖的順序可以方便地改變電動機的旋轉方向。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序流程

本系統采用KEIL5軟件進行編程，具有界面和使用簡單的特點。圖2為系統軟件控制流程圖?；赟TM32語音控制的編程設計主要分為四部分：語音識別控制、藍牙控制、紅外遙控和智能安防部分。各模塊將收到的信息或模塊發送的信息傳送給MCU，MCU對這些信息進行處理，并控制系統對各模塊作出相應的操作。

圖2 系統軟件控制流程圖

3.2 各控制模塊程序

語音識別程序：每次的語音輸入需對設備進行喚醒，喚醒先使用一級口令，成功喚醒時，LD3320的指示燈（紅燈）亮起，喚醒后使用二級口令進行下一步指令識別操作，當二級口令配對成功后，相應的設備會打開。程序設計是對語音識別代碼進行編寫，通過while循環來控制程序，switch檢測ASR狀態，如果識別正在進行或LD3320內部出現錯誤都會退出識別流程，繼續等待下一個指令；如果指令識別有結果，繼續執行用戶函數，并對程序狀態初始化。

藍牙控制：無線控制采用HC-06藍牙控制，當通過APP下達指令時，HC-06接受數據，對應的引腳會有高低電平的變化，通過電平的變化實現對設備的控制。程序設計的實現通過if-else if函數判斷按鍵的輸入值，并通過中斷服務函數的接收數據判斷指令。

紅外控制：紅外接收頭接收到遙控器發出的指令，并把數據進行拆分，識別出指令，開啟相應的電機或LED燈。

溫濕度模塊：DHT11完整的數據輸出為40字節，單片機完成下達開始信號指令時，DHT11的工作模式會發生轉變，此時由休眠模式轉換為高速模式。而當單片機開始信號結束時，DHT11做出響應，將40字節數據送出，并觸發DHT11完成一次環境信息數據的采集。

煙霧傳感器模塊：若傳感器的引腳電壓值超過設定的警報值，藍牙會發送警報到手機。

門禁模塊：將門禁卡靠近識別模塊，識別成功后，步進電機會轉動一圈，表示門已打開，若識別的是陌生卡，則蜂鳴器會長鳴。

4 系統實現與功能測試

各部分編程完成后，利用JLink下載器將代碼燒錄到STM32上。給系統上電，然后對各模塊的功能進行測試。語音輸入開燈、關燈，開風扇、關風扇，開門、關門等指令后（每個指令各進行了10次測試），結果表明LD3320識別率在95%以上；超聲波模塊能實現防盜監控；溫濕度傳感器、可燃氣體傳感器、RFID讀寫卡、OLED、藍牙模塊、紅外接收頭、步進電機和直流電機都工作正常；當系統獲取相應信息后，對應的模塊能做出正確的反應，設計和測試成功。

基于STM32的語音識別智能家居控制器實現了語音控制、藍牙遠程和紅外遙控三種方式對室內窗簾、燈光、風扇以及溫濕度信息采集、火災報警、門禁控制等智能化控制。設計思路簡單，功能較全面，操作簡單，成本低廉，有一定的實用推廣價值。