黑小東　伊婧文　蘇佳福　馬強(qiáng)　羅興維　楊偉新　馬小琴

摘要：智能收納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即為解決生活中繁瑣的“小事”，柜子的雛形定位為中藥柜、元器件柜、化學(xué)用品柜、生活用品柜等，以藥店、實(shí)驗(yàn)室、私人住宅為主要使用環(huán)境設(shè)計(jì)。文章對基于STM32控制的智能收納系統(tǒng)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：STM32F407單片機(jī)；傳感器；收納柜；語音模塊；智能收納系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP36 文章編號：1009-2374（2017）02-0074-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.035

立足于當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代，高效率的工作是大家共同追求的目標(biāo)，而智能化的設(shè)計(jì)是人們共同向往的生活。今天我們設(shè)計(jì)出了一款智能收納柜：您是否有過這樣的經(jīng)歷，家里剛剛大掃除完，急著找什么就找不到什么，隔個(gè)三五天一抬頭沒準(zhǔn)就看到了；在藥店大夫抓中藥時(shí)，看到藥物的名字之后，首先要找藥柜，有時(shí)還會(huì)找錯(cuò)；在工作室，找個(gè)元器件、小工具等這些小東西時(shí)，左翻右翻最后就在手邊。如此情況，不僅降低了效率，而且影響了心情。智能收納柜的設(shè)計(jì)即為解決此等繁瑣“小事”。直觀效果：人報(bào)物品名字時(shí)，柜子中存放相應(yīng)物品的格子燈顯示為亮，示意位置后自動(dòng)打開；取放物品后，若格子沒有合嚴(yán)實(shí)，就會(huì)有報(bào)警提示；柜子上安裝以液晶為主的顯示模塊，可自定義顯示每個(gè)格子的備注事項(xiàng)，從小做起希望能給大家?guī)砀鼮槊骼实纳罟ぷ鳝h(huán)境；通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)了手機(jī)與收納柜之間的無線通信。

1 智能收納柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組成

本收納柜由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器、語音模塊、穩(wěn)壓模塊、舵機(jī)、繼電器、多種傳感器等部分構(gòu)成。

圖1 智能收納柜的雛形

控制器由STM32F407單片機(jī)芯片為主控，對溫度、濕度、光照強(qiáng)度、藍(lán)牙模塊等進(jìn)行控制，并將各傳感器檢測到的數(shù)值靈活地顯示在TLT液晶屏上。具體過程：當(dāng)溫度超過所設(shè)置的上限值時(shí)，控制繼電器打開，繼而柜子里的小風(fēng)扇開啟，降低內(nèi)部的溫度；光照強(qiáng)度檢測柜子是否關(guān)閉好，若采集光照強(qiáng)度的值不在設(shè)置范圍內(nèi)，則說明柜子沒有關(guān)閉好，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)提示；主控將各參數(shù)通過藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)，實(shí)現(xiàn)柜子與手機(jī)之間無線通信功能。

STC89C51單片機(jī)控制語音模塊，當(dāng)語音模塊接受到聲音時(shí)，對應(yīng)的格子會(huì)亮燈提示在哪個(gè)位置，并且控制舵機(jī)打開對應(yīng)的格子。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

2 智能收納柜硬件選擇及電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32F407單片機(jī)

STM32F4系列基于最新的ARM Cortex M4內(nèi)核，在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信號處理功能，并提高了運(yùn)行速度；STM32F4x集成了定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、CRC計(jì)算單元和模擬仿真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)，具有接口豐富、設(shè)計(jì)靈活、資源充足的特點(diǎn)，因此我們使用這款單片機(jī)作為主控，可以順利實(shí)現(xiàn)所有控制功能。

2.2 穩(wěn)壓部分電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電路，是指在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)仍能保持輸出電壓恒定的電路。它的作用就是將變化的直流電壓穩(wěn)定輸出，保證電路正常工作。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣泛地為各種電子設(shè)備所采用。

本系統(tǒng)中采用LM2940-5.0低壓差三端穩(wěn)壓芯片來設(shè)計(jì)5V穩(wěn)壓電路。LM2940輸出電壓5V；輸出電流1A時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于0.8V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40℃～+125℃；內(nèi)含電流限制保護(hù)電路。它就是一個(gè)線性穩(wěn)壓器，相比于78系列的穩(wěn)壓芯片，它的壓差小、功耗低、精度高，所以選擇LM2940。

與此同時(shí)，電路中采用的AMS1117正向低壓降穩(wěn)壓器來設(shè)計(jì)3.3V穩(wěn)壓電路，在1A電流下壓降為1.2V。AMS1117內(nèi)部含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇，它有限流功能，而且具有過熱切斷的特性。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路輸入為12V，輸出為3.3V和5V。以滿足系統(tǒng)中對繼電器、舵機(jī)的5V供電，主控、傳感器等其他部分使用3.3V供電。電路設(shè)計(jì)如圖3所示：

2.3 語音識別系統(tǒng)

我們所選取的語音識別部分采用WT7010語音芯片，它內(nèi)部擁有8位DSP核心，它能提供高分辨率ADC模擬采樣和高質(zhì)量的差分音頻輸入及麥克風(fēng)輸入，配備數(shù)學(xué)處理器以精確處理高壓縮語音編解碼或語音識別。我們通過編程將語音特征存儲(chǔ)到芯片內(nèi)部，當(dāng)語音輸入時(shí)，語音芯片會(huì)將輸入的聲音特征和參考模塊庫內(nèi)的特征進(jìn)行匹配，匹配成功則輸出成功值。到目前為止，我們項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)語音的采集與識別，即當(dāng)語音模塊接收到聲音時(shí)，對應(yīng)的格子會(huì)亮燈提示在哪個(gè)位置，然后控制舵機(jī)推開格子。

2.4 藍(lán)牙模塊

HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊（以下簡稱模塊）主要用于短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域，可以方便地和PC機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連，也可以兩個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)互通。模塊支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，并支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。通過控制模塊外部引腳，輸入電平，實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。最高傳輸速率可達(dá)2.1m/s，傳輸距離超過20m。通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)柜子與手機(jī)之間的無線通信功能，避免繁瑣的線纜連接，具有高強(qiáng)度的信號傳輸，從而更加體現(xiàn)出柜子的智能化。

2.5 TFT-LCD液晶顯示系統(tǒng)

將各傳感器檢測到的數(shù)值傳回給單片機(jī)，再經(jīng)過單片機(jī)控制將其顯示在液晶屏幕上。TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。其英文全稱為：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。TFT-LCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)像素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。該模塊支持65K色顯示，顯示分辨率為320×240，接口為16位的80并口，自帶觸摸屏，因此我們控制的液晶屏具有圖標(biāo)、觸摸等功能，如圖4所示：

3 控制軟件程序設(shè)計(jì)

在收納柜的程序設(shè)計(jì)上，運(yùn)用了主控芯片上的I/O口、串口和4個(gè)通道的ADC采集口。通過單片機(jī)對語音模塊的控制，實(shí)現(xiàn)了語音的采集與識別，即當(dāng)語音模塊接受到聲音時(shí)，對應(yīng)的格子會(huì)亮燈提示在哪個(gè)位置，并且控制舵機(jī)打開相對應(yīng)的格子。單片機(jī)的ADC采集口采集光敏電阻接收到的信號，將其轉(zhuǎn)化為電壓值并對其實(shí)施控制。單片機(jī)的串口負(fù)責(zé)藍(lán)牙無線傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)與柜子之間的無線通信。而單片機(jī)的I/O口則負(fù)責(zé)采集溫、濕度傳感器傳回的數(shù)據(jù)，輸出信號控制繼電器，進(jìn)而控制小風(fēng)扇、蜂鳴器以及LED燈泡，并且I/O口接TLT液晶顯示模塊，將其各個(gè)傳感器接收到的數(shù)據(jù)顯示出來，給人一種直觀、智能、方便的感覺。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)在測試過程中，一切運(yùn)行正常，能夠?qū)⒏鱾€(gè)傳感器檢測到的數(shù)值顯示在TFT液晶屏上，并完成了相應(yīng)的控制功能。與相同規(guī)格的普通柜子相比，此收納柜具有智能性、方便性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：智能收納柜具有語音控制功能，操作簡單、識別準(zhǔn)確、執(zhí)行高效、實(shí)用性能高。

5 結(jié)語

本文通過對智能收納柜硬件制作、電路原理及其軟件的控制原理的系統(tǒng)介紹，系統(tǒng)結(jié)合了硬件模擬電路控制和單片機(jī)程序控制兩種方式，先經(jīng)過模擬電路初步調(diào)節(jié)，再通過單片機(jī)程序軟件逐步精細(xì)優(yōu)化，在測試過程中表現(xiàn)出了穩(wěn)定、靈活、高效的特點(diǎn)，能夠有效體現(xiàn)出柜子的智能化，具有廣闊的應(yīng)用前景、研究和市場價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：西北民族大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號：201610742084）。

作者簡介：黑小東（1994-），男，甘肅蘭州人，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：智能控制系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：王 波）