林學(xué)偉，嚴(yán)明忠

（福建技術(shù)師范學(xué)院，福建 福清 350300）

0 引言

嵌入式技術(shù)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得更多先進(jìn)的智能商品用于日常生活中，有效改善了人們的生活質(zhì)量，提高了工作效率［1］。智能家居控制系統(tǒng)是一種將自動化、一體化、物聯(lián)網(wǎng)化、智能化融為一體的系統(tǒng)，以居家場所為平臺，將人們生活中息息相關(guān)的各類設(shè)備緊密地結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)甚至室外的控制與監(jiān)測。一個(gè)相對完整的智能家居控制系統(tǒng)主要包括：照明控制系統(tǒng)［2］、家用電器控制系統(tǒng)、多媒體控制系統(tǒng)以及安全防盜控制系統(tǒng)等。當(dāng)前智能家居控制系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的更新及添加刪除，但目前的智能家居控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在成本高、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、跨產(chǎn)業(yè)合作困難等問題。

針對上述問題，為實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)的價(jià)格合理化、標(biāo)準(zhǔn)化、易操作、注重用戶體驗(yàn)、多樣性等發(fā)展趨勢，本文設(shè)計(jì)了基于STM32 單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)。

1 智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 STM32單片機(jī)選型

選用STM32 單片機(jī)作為智能家居控制系統(tǒng)的主控制中心，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性能、低功耗等應(yīng)用需要，本文選用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的STM32K653F4210 單片機(jī)作為系統(tǒng)核心部分［3］。STM32K653F4210 型號單片機(jī)中電源供電、輸入和輸出接口的驅(qū)動電壓為2.0～3.6V，具備良好的電復(fù)位、掉電復(fù)位和可編程功能的電壓探測器，晶振為5～18MHz，內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC 振蕩電路。同時(shí)，STM32K653F4210 型號單片機(jī)采用嵌入式ARMCortex-T 內(nèi)核添加技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最高128 MHz的工作頻率，算法包括周期乘法以及硬件除法。

STM32K653F4210 型號單片機(jī)當(dāng)中還集成了42-124KB 的Flash 動畫存儲器，支持低功耗休眠模式，最低功耗小于1μA，具備兩個(gè)PWM 輸出口和一個(gè)高頻信號輸出口（CLO），實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。并且，單片機(jī)內(nèi)置32*14 Bits 數(shù)據(jù)帶電可擦可編程只讀存儲器，可實(shí)現(xiàn)信號記憶；具備串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口，具備最多同時(shí)安裝的112個(gè)快速輸入和輸出端口、最多可同時(shí)設(shè)置11 個(gè)定時(shí)器、最多達(dá)13 個(gè)通信接口；綠色友好的開發(fā)環(huán)境，支持四線制在線仿真和燒錄，支持C 語言和匯編語言開發(fā)；具備1μs 的雙32 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及8 兆位/秒的通用異步收發(fā)傳輸器以及18兆位/秒的SDH物理接口等外設(shè)，在功耗以及集成度上具有良好的表現(xiàn)。

1.2 主電路設(shè)計(jì)

首先，設(shè)計(jì)了外圍電路，主要有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和晶振電路。其次，添加了語音識別電路、以太網(wǎng)通訊電路，使系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程通信、控制以及語音識別的功能［4］。除此之外，還包括微控制器電路、串口電路、繼電器控制電路以及串口通信電路等多個(gè)電路。圖1為主電路結(jié)構(gòu)組成示意圖。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)組成示意圖

選用型號為LD553的非特定人語音識別芯片，該型號芯片電路中集成了更高精度的語音識別處理器、輸入/輸出轉(zhuǎn)換器等，因此不需要其他外界輔助芯片的連接。LD553型號非特定人語音識別芯片的工作電壓為2.5V，輸入主控始終頻率為2.5MHz～35MHz，在省電模式狀態(tài)下的電流消耗為0.98μA。LD553型號非特定人語音識別芯片可以獨(dú)立完成對用戶語音的識別，并且具有MP3的播放功能，核心為數(shù)字信號處理和先入先出隊(duì)列緩沖器［5］。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)用戶在室內(nèi)環(huán)境中通過語音質(zhì)量相應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)對各類電子設(shè)備的控制，將語音識別電路與主控制器之間采用串行外設(shè)接口連接，其主要目的是節(jié)省主控制器中的計(jì)算機(jī)接口資源。在LD553型號非特定人語音識別芯片支持的最大時(shí)鐘頻率2.1MHz的條件下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對語音識別和控制的實(shí)時(shí)暢通［6］。將LD553 型號非特定人語音識別芯片MD引腳與邏輯高電平相互連接，SCK、MOSI 分別對應(yīng)時(shí)鐘信號、通信訊號。將LD-EDS 和LG-TRQ 接口對應(yīng)復(fù)位輸入信號以及中斷輸出信號，并保證在低電平條件下依然有效。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，用戶要將自己的語音參考樣本存儲到系統(tǒng)當(dāng)中的資料庫中，利用該資料庫在系統(tǒng)運(yùn)作之前首先進(jìn)行特定的語音識別訓(xùn)練［7］。通常情況下，只需要按照相應(yīng)的訓(xùn)練指示完成兩遍語音的錄入即可開始正常使用。

2 智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)置語音識別關(guān)鍵詞列表

針對用戶控制指令的語音識別是通過系統(tǒng)內(nèi)部的音素識別實(shí)現(xiàn)的。用戶說出的控制指令，由語音識別芯片將各類音素采集，并與系統(tǒng)中對應(yīng)的控制指令匹配，輸出相應(yīng)的信息，從而成功完成識別并將識別碼返回［8］。將語音識別關(guān)鍵詞列表實(shí)現(xiàn)寫好并存儲在SD卡當(dāng)中，SD卡中的關(guān)鍵詞包括：收到指令、開關(guān)燈指令、開關(guān)窗簾指令、開關(guān)房門指令等。不同關(guān)鍵詞指令對應(yīng)著不同的音頻編碼書寫方式，例如，收到指令為：“P0：A1 10 11 01：xiao zhi xiao zhi：收到.mp3”其中“P0”表示為序號；“A1 10 11 01”表示為識別碼；“xiao zhi xiao zhi”表示為關(guān)鍵詞；“收到”表示為識別用戶控制指令成功后返回的語音［9］。若用戶在這一階段說出“小智，小智”兩個(gè)字，則設(shè)計(jì)系統(tǒng)會將其與前一個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行比較，在完成匹配后，得知關(guān)鍵詞“xiao zhi xiao zhi”仍然滿足相應(yīng)的要求詞語［10］。此時(shí)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)會自動將返回碼發(fā)出，并將內(nèi)容顯示為“A1 10 11 01”，此時(shí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)會播放之前已經(jīng)完成加載并進(jìn)入到音頻編碼的片段，即“收到”，結(jié)束上述所有動作，設(shè)計(jì)系統(tǒng)就自動完成一次對用戶控制指令語音識別的過程。

當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)成功完成對用戶控制指令的識別后，會返回一個(gè)相應(yīng)的識別編碼，并播放對應(yīng)的回復(fù)音頻編碼。該音頻編碼在上微機(jī)當(dāng)中是輸入漢字合成的發(fā)音，以此可以更加生動形象地反映系統(tǒng)是否成功識別了用戶的控制指令［11］?？刂浦噶顚?yīng)的音頻編碼回復(fù)音內(nèi)容包括，“小智”：“收到，請說出指令”；“打開廚房燈”：“好的，廚房燈已為您打開”；“打開房門”：“好的，房門已為您打開”等等。涵蓋對應(yīng)控制指令的回復(fù)音頻編碼文件均存儲在SD卡根目錄下，當(dāng)相應(yīng)的一次控制指令語音成功識別后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)將會自動播放與關(guān)鍵詞之后對應(yīng)的提示音頻編碼。

2.2 控制指令與控制動作通信連接

完成對用戶控制指令的識別后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制動作時(shí)，采用ZigBee 協(xié)議，在STM32 單片機(jī)當(dāng)中采用實(shí)際輪訓(xùn)機(jī)制，完成系統(tǒng)相應(yīng)的工作流程:在設(shè)計(jì)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先進(jìn)行初始化硬件描述、媒介控制、網(wǎng)絡(luò)以及操作控制。其次，進(jìn)行操作任務(wù)輪詢，當(dāng)用戶提出相應(yīng)的控制指令時(shí)，系統(tǒng)從休眠狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為喚醒狀態(tài)，并進(jìn)行中斷處理，本文設(shè)置了控制指令的優(yōu)先級［12］。因此，當(dāng)有優(yōu)先級極高的事件發(fā)生時(shí)，優(yōu)先處理優(yōu)先事件。最后，當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成對事件的處理后，繼續(xù)查看是否存在其他待辦事件，若沒有則繼續(xù)等待下一次事件的發(fā)生。通信方式主要采用通訊芯片與微處理器串口方式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)通過用戶語音識別控制［13］。語音控制在程序運(yùn)行的過程中需要對串口進(jìn)行處理，當(dāng)串口接收到相應(yīng)的語音控制指令時(shí)，判斷緩沖區(qū)內(nèi)的字符是否為控制信息，若是則繼續(xù)判斷該語音是否為預(yù)設(shè)語音。同時(shí)啟動定時(shí)器中斷服務(wù)程序，并將定時(shí)器的時(shí)間設(shè)定為15s，在15s 內(nèi)識別語音控制指令，完成相應(yīng)的控制動作。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

使用傳感器的數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，利用無線局域網(wǎng)和Internet 網(wǎng)絡(luò)通過獲取傳感器數(shù)據(jù)以對比兩種系統(tǒng)的運(yùn)行情況［14］。

利用網(wǎng)線將設(shè)計(jì)系統(tǒng)或傳統(tǒng)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，完成微處理器、以太網(wǎng)以及計(jì)算機(jī)三者的相互連接。兩種控制系統(tǒng)在通電后，進(jìn)行一系列的初始化，包括芯片初始化、申請內(nèi)存，同時(shí)添加并打開網(wǎng)卡等操作［15］。分別在安靜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及嘈雜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)，由同一實(shí)驗(yàn)人員向多種家用設(shè)備發(fā)出相同的操作控制指令，例如開窗、關(guān)窗、開門、關(guān)門等。實(shí)驗(yàn)人員的語速設(shè)置為3 字/s，每一條關(guān)鍵詞讀取均為5 次，記錄兩種系統(tǒng)指令準(zhǔn)確識別次數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖2 和圖3 對比可以看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)無論是在安靜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境還是在嘈雜的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，均可以保證對指令的準(zhǔn)確識別次數(shù)高于80次，而傳統(tǒng)系統(tǒng)均為50 次以下。同時(shí)，在嘈雜實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，傳統(tǒng)系統(tǒng)的指令準(zhǔn)確識別次數(shù)又進(jìn)一步降低，與設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間的差距更大。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)用了相關(guān)的控制算法，能夠?qū)⒏黝愃惴ňC合運(yùn)用，并通過控制指令語音識別列表對用戶控制指令進(jìn)行識別，從而將用戶的控制指令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的指令信號，控制開窗、關(guān)窗、開門、關(guān)門等動作。利用SIM32單片機(jī)也可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，通過簡單的控制指令便可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的訓(xùn)練，達(dá)到改善用戶居家環(huán)境的效果，讓用戶感受到智能家居帶來的方便、快捷。實(shí)驗(yàn)證明，基于STM32 單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的精確性，針對用戶的控制指令可實(shí)現(xiàn)高效的交互。

圖2 安靜實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下兩種系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖3 嘈雜實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下兩種系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)語

基于STM32 單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)具有良好的交互性和精準(zhǔn)的識別指令功能，可以保證用戶在遠(yuǎn)距離對室內(nèi)甚至室外的家用電器進(jìn)行很好的控制。但由于研究水平有限，該系統(tǒng)在應(yīng)用中仍然存在一些問題需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，例如系統(tǒng)整體耗電量高、通訊傳遞網(wǎng)速較慢、上位機(jī)中的數(shù)據(jù)并未進(jìn)行加密處理等。針對上述問題還需進(jìn)行更加深入的研究，從而為智能家居控制系統(tǒng)的普及提供技術(shù)支撐。