智聯(lián)網家居控制系統(tǒng)設計

摘要: 隨著人們生活水平的提高，智能化生活觀念不斷普及，物聯(lián)網智能家居已成為智能家居發(fā)展的新趨勢，為此基于機智云物聯(lián)網平臺設計了一套智聯(lián)網家居控制系統(tǒng)，主要由主控制器模塊、WiFi物聯(lián)網模塊、LED控制模塊、插座控制模塊、窗簾控制模塊和語音識別模塊組成。該系統(tǒng)使人們的生活變得更加舒適和便捷，同時還能監(jiān)控家中的安全隱患，應用廣泛。

一、系統(tǒng)方案選擇

（一）物聯(lián)網平臺選擇

機智云為企業(yè)和個人開發(fā)者提供了物聯(lián)網PaaS云服務平臺，通過應用API、完善的SDK和IDE開發(fā)環(huán)境、控制器代碼自動生成器、App代碼自動生成器和微服務，提供大數據分析、人工智能應用和物聯(lián)網應用服務。通過機智云Aiot開發(fā)平臺，企業(yè)和開發(fā)者可以快速實現(xiàn)工業(yè)級的物聯(lián)網連接管理、設備管理、應用支持、數據分析、計費分析、安全控制和第三方系統(tǒng)集成能力，構建、部署和管理物聯(lián)網產品和應用。

阿里云物聯(lián)網平臺為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下可以連接大數量的設備，并且支撐設備采集數據上傳云端；向上提供云端API，指令數據通過API調用下發(fā)到設備端，從而實現(xiàn)遠程控制。此外，IoT平臺提供其他增值能力，例如設備管理、規(guī)則引擎、數據分析、邊緣計算等等。

由于機智云物聯(lián)網平臺相較于阿里云物聯(lián)網平臺產業(yè)鏈相對完善，開發(fā)周期短，故本設計選用機智云物聯(lián)網平臺。

（二）語音識別方案選擇

ISD9160是應用于音頻記錄播放的低功耗系統(tǒng)芯片（SOC）。ISD9160擁有一個CortexTM-M0核，最大工作頻率為50MHz，內置145K字節(jié)的存儲器和12K字節(jié)的SRAM。ISD9160配備了豐富的外設、多種串行接口（UART,SPI/SSP,I2C,I2S）。ISD9160集成了80分貝SNR和可編程增益放大器（PGA），可搭載麥克風，還配備了一個差動D類放大器，可直接驅動一個8歐姆揚聲器，輸出功率為1W。

LD3320在設計上非常注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片，如Flash、RAM等存儲芯片，從而降低了成本，將此芯片直接集成在現(xiàn)有的產品中，可以實現(xiàn)語音識別、語音控制、人機對話等功能，這是一個真正的單芯片解決方案。

由于LD3320語音識別方案比ISD9160方案技術成熟，且價格便宜，所以選用LD3320語音識別方案。

（三）無線通信方案選擇

藍牙是一種用于短距離的無線通信技術，通過藍牙把電子裝置連接起來，可以省去傳統(tǒng)布線的麻煩。在當今數據**的時代，高速通信是必需的，而藍牙的通信速率不是很高，從而影響到它的發(fā)展，并且藍牙的頻段是一個開放的頻段，抗干擾能力弱。

NRF24L01是由NORDIC產生的無線通信芯片，它采用FSK調制，集成NORDIC增強型短脈沖協(xié)議，可以實現(xiàn)點對點或1至6的無線通信。輸出功率的信道選擇和協(xié)議設置可以通過SPI接口進行調控。它可以連接各種各樣的微控制器芯片，具備完整的無線數據傳輸能力。其具有無線通信速度快（可以達到2Mbps）、體積小、寬電壓工作、抗干擾能力強、兼容性好等優(yōu)點。

因為家庭中有許多電器，有時還要考慮信號穿透衰減等問題，所以無線組網需要更強的穿透力以及抗干擾能力，此處選擇NRF24L01通信。

二、 硬件電路設計

（一）硬件總體方案設計

硬件方案主要由六部分組成，分別是主控制器電路、WiFi物聯(lián)網模塊控制電路、LED控制電路、插座控制電路、窗簾控制電路和語音識別電路，硬件的總體設計方案如圖1所示。

圖1 硬件總體設計方案

（二）控制系統(tǒng)六大模塊

1．主控制器電路

主控制器由STM32單片機、NRF24L01無線發(fā)射模塊以及OLED液晶顯示模塊組成。是整個項目的控制核心，其他模塊都通過串口通信與主控制器連接到一起，其硬件電路如圖2所示。

圖2 主控制器原理圖

2. WiFi物聯(lián)網模塊控制電路

選用STM32F103C8T6單片機為控制芯片，此款單片機具有處理速度快、擴展外設方便、運行穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點。esp8266為WiFi模塊，DHT11溫濕度傳感器實時檢測家中的溫度濕度，MQ-2為煙霧氣體傳感器實時檢測家中空氣的煙霧或氣體，能夠達到實時監(jiān)測的目的，為家庭安全提供保障。物聯(lián)網模塊控制電路如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網模塊控制電路

3. LED控制電路

LED控制電路由單片機、NRF24L01接收模塊，以及繼電器模塊組成，如圖4所示。

圖4 LED控制硬件電路

4．插座控制模塊

插座控制電路與LED控制電路相同。

5．窗簾控制電路

窗簾控制電路由單片機最小系統(tǒng)、NRF24L01接收模塊和TB6612FNG電機驅動模塊構成。

6．語音識別電路

語音識別模塊，選用了LD3320語音識別芯片，聲音信號處理芯片選用了STC11L08XE單片機，此款單片機處理速度快能夠達到處理音頻信號的需求。

三、 軟件設計

（一）連接機智云物聯(lián)網平臺

單片機連接機智云物聯(lián)網平臺，首先是協(xié)議初始化以及各個模塊的初始化函數，然后按鍵選擇網絡方式，如果網絡重置則會連接新的WiFi網絡，如果不操作則連接原網絡。網絡配置完成后開始通過傳感器采集房間數據信息，并通過網絡傳輸到云平臺，以方便用戶的查看。其程序流程圖如圖5所示。

（二）主控制軟件

主控制器通過NRF24L01模塊分別與從控制器通信，從而控制從控制器。其軟件流程如圖6所示。首先是各個模塊初始化，然后等待串口發(fā)送來的數據，如果數據來了，就通過NRF24L01模塊發(fā)送出去，發(fā)送成功信號指示燈閃爍，如果沒有就一直等待。

四、 系統(tǒng)調試

（一）軟件調試

1．語音識別調試

編寫程序，保證程序邏輯語句正確后，將程序下載到模塊中，然后給模塊上電，通過調試串口助手看是否可以正常識別，識別結果如圖7所示。

2．物聯(lián)網模塊調試

物聯(lián)網模塊將家中的溫度、濕度等信息發(fā)送到云端，通過手機就可以查看，也可以通過手機控制家中的LED插座、窗簾等電器，模塊調試顯示界面如圖8所示。

（二）功能調試

接通電源，單片機運行指示燈點亮，出于實際考慮，此處用直流電機模擬控制窗簾，電機正轉模擬開窗簾，反轉模擬關窗簾。上電前電機是停止的，模塊等待接收主控制器發(fā)送指令，接收到指令時電機開始動作。經測試本功能夠順利實現(xiàn)，模塊能夠正常運行?？刂葡到y(tǒng)的硬件組成如圖9所示。

五、結論

本系統(tǒng)中的手機遠程控制功能的實現(xiàn)，關鍵在于利用機智云物聯(lián)網平臺結合硬件平臺，實現(xiàn)語音識別安全認證機制。其中WiFi模塊通過連接家中的路由器，將各電器連接到機智云AIoT開發(fā)平臺，使室內溫度、濕度以及煙霧氣體濃度等信息實時發(fā)送到云端，當有煙霧氣體時，通過SIM800C模塊實現(xiàn)遠程報警等功能。

本設計具有投資少、成本低、可靠性高等特點，還具有良好的可擴展性。除了控制LED燈和窗簾以外，還可以將家中別的電器連接到插座上，通過插座控制別的電器，符合未來家居智能化、網絡化的發(fā)展方向。

圖5 連接機智云物聯(lián)網平臺流程圖

圖6主控制軟件流程圖

圖7 語音識別調試

圖8 APP界面

圖9 硬件組成