基于STM32智能家居系統(tǒng)程序設(shè)計摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與時代的進(jìn)步，越來越多的人群開始將注意力投入到怎樣打造一個更加溫馨、舒適以及智能化的家居環(huán)境中來，人們的這種日益強烈的需求促進(jìn)了智能家居的發(fā)展，使其成為了時下最熱門的研究領(lǐng)域之一。本文針對智能家居控制系統(tǒng)，研究分析了國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最新研究進(jìn)展與成果，并針對現(xiàn)階段已有的智能家居控制系統(tǒng)在控制精度和實時性等方面的不足，提出了一款實時性好、精度高、成本低的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用和參考價值。本文系統(tǒng)性地研究了智能家居系統(tǒng)的設(shè)計原理以及方法，在已有開發(fā)板的架構(gòu)上設(shè)計了硬件電路并且配備了軟件程序。主控芯片我們采用STM32F407微處理器作為主控單元，實現(xiàn)對LD3320語音控制模塊、光敏電阻模塊、煙霧傳感器模塊的監(jiān)測與控制，通過ESP8266WIFI模塊來實現(xiàn)手機與系統(tǒng)之間的通信。微處理器通過接收各模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)來控制室內(nèi)的燈光、空調(diào)、門窗、窗簾等家具家電，從而實現(xiàn)智能家居之間的聯(lián)動。并且用戶可以通過語音控制模塊對智能家具進(jìn)行語音控制，同時用戶可以通過手機查看室內(nèi)的狀態(tài)，如果室內(nèi)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常，比如有煙霧泄露等情況則會向手機發(fā)送報警信息。軟件部分利用KeilMDKv5進(jìn)行編程，通過調(diào)用STM32F4官方函數(shù)庫對系統(tǒng)的各個模塊等進(jìn)行編程，實現(xiàn)對智能家居的監(jiān)測與控制。關(guān)鍵詞：智能家居；STM32F407；ESP8266WIFI；LD3320語音控制第一章引言 第一章引言1.1研究背景和意義現(xiàn)代計算機技術(shù)、電子技術(shù)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，使人們在日常生活中對信息化、智能化、個性化的需求越來越大。

智能家居正是為滿足普通消費者的這些要求而產(chǎn)生的。

智能家居早在十多年前就已經(jīng)被科學(xué)家提出來并進(jìn)行了相關(guān)研究和概念定義。

隨著現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)的日益進(jìn)步，消費者對于家居的智能化也有了更高的要求。傳統(tǒng)家電已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人的日常生活需要，在這種情況下智能家居便應(yīng)運而生了。

然而，由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的巨大限制，智能家居僅僅停留在理論水平，在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用很少。

直到1980，隨著科學(xué)技術(shù)的興起和產(chǎn)業(yè)研發(fā)投入的增加，早期的智能電器才開始出現(xiàn)在市場上，智能家居的實用化成為可能。近年來，隨著許多信息巨頭以及傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)大廠對智能家居行業(yè)的攝入，人們對便捷、舒適、安全生活方式的需求也在不斷提升。

它以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，IoT傳感技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了對家庭中各種電氣設(shè)備的實時監(jiān)控與智能控制，使用戶可以在家庭環(huán)境下通過智能設(shè)備來改變自己的生活方式，同時也能改善家庭環(huán)境。

小米，阿里巴巴以及蘋果，三星等外國公司紛紛進(jìn)入我國智能家居市場。

智能家居系統(tǒng)對直接使用者來說具有很大的影響，它不僅會給使用者帶來便利，而且還會對使用者產(chǎn)生一定的使用感覺。

但是由于智能家居系統(tǒng)涉及到了許多復(fù)雜的軟硬件技術(shù)，其應(yīng)用范圍還不夠廣泛。目前，我國大部分地區(qū)都處于傳統(tǒng)的家居模式下，無法滿足人們?nèi)找嫣嵘囊蟆?/p>

所以，在智能家居系統(tǒng)的研究中，用戶的使用感和系統(tǒng)的效率是很重要的方面。

智能家居環(huán)境下，用戶可以通過軟件或硬件操作和控制智能家居設(shè)備，實現(xiàn)人與人、信息與物理空間的完全連接[1]。智能家居的普及讓人們能夠根據(jù)自己的需求設(shè)計出適合自己的家居環(huán)境，從普通家電到智能家居，這可以說是一個時代的跨度。

智能家電進(jìn)入人們生活的同時也解放了人們的雙手，提高了人們生活質(zhì)量；一些監(jiān)控裝置提高了家庭的安防水平；各種控制面板開關(guān)的集成不僅提供了視覺上的舒適度，并且高效的解決了空間浪費的問題。

不過由于移動互聯(lián)網(wǎng)還有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的家居控制方式已經(jīng)不能滿足人們的需求，而智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用又能很好地實現(xiàn)這些功能。

因此，在現(xiàn)有通信技術(shù)的基礎(chǔ)上研究和設(shè)計智能家居的智能家居終端控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀智能家居不是最近的產(chǎn)物。它以一種概念的形式在消費者和行業(yè)專家中流行起來。智能家居概念始于遙控器的發(fā)明，由尼古拉特斯拉于1898年推出[2]。20世紀(jì)初西方經(jīng)歷了工業(yè)革命，為推出家用電器鋪平了道路。1901年，出現(xiàn)了第一個真空吸塵器，然后是電動洗碗機、干衣機、洗衣機和冰箱也相繼出現(xiàn)。這些不是“智能”的家電，但它們卻是現(xiàn)代智能家居的雛形[3]。到了20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們將視角轉(zhuǎn)向了家庭自動化技術(shù)，但在1966年之前，這些想法并沒有被實現(xiàn)，直到第一個智能自動化系統(tǒng)“回聲IV”的開發(fā)，該設(shè)備允許消費者創(chuàng)建計算購物列表，控制家庭的溫度并打開和關(guān)閉電器。1969年出現(xiàn)了一款可以智能化控制廚房電器的系統(tǒng)，但由于價格，該設(shè)備并未成功商業(yè)化。1971年，微控制器的開發(fā)導(dǎo)致電子設(shè)備的價格降低，使電子設(shè)備也可以進(jìn)入尋常百姓家了[4]。21世紀(jì)初歐美已經(jīng)率先進(jìn)行了智能家居技術(shù)普及。不同的技術(shù)出現(xiàn)并慢慢集成在居民家中。智能家庭開始成為許多消費者的選擇。用戶在那時便能夠通過智能家居系統(tǒng)對門窗及煙霧進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警了。發(fā)達(dá)國家尤其是美國與智能家居的淵源很深，自1984年世界上第一座智能建筑在美國出現(xiàn)以來，許多發(fā)達(dá)國家提出了多種智能家居的解決方案，智能家居在美國早先就得到了廣泛的應(yīng)用。美國擁有世界上最大的智能家居市場，目前，其智能家居產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展得更加成熟，市場已經(jīng)開始成形，產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完整。作為全球智能家居市場滲透率最大、滲透率最高的國家，美國的智能家居市場容量同時也在不斷增長，根據(jù)Statista發(fā)布的《2021年全球智能家居市場展望報告》，2020年美國智能家居設(shè)備市場規(guī)模達(dá)到233億美元[5]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在其他發(fā)達(dá)國家已經(jīng)初步步入智能家居領(lǐng)域研究的時候，我國有關(guān)智能家居領(lǐng)域的研究卻并未起步，人們對于智能化的生活還沒有概念，但是隨著我國近年來在信息科技領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，智能家居領(lǐng)域的研究也逐漸步入正軌并且擁有極大的市場潛力。

計算機、智能手機和平板電腦的出現(xiàn)，使人們能夠隨時保持聯(lián)系，同時這些跨時代的電子產(chǎn)品的出現(xiàn)又增加了市場對智能家居產(chǎn)品的需求。我國智能家居市場的快速增長離不開以下因素：人們智能家居技術(shù)的認(rèn)識不斷提高、物聯(lián)網(wǎng)市場大幅增長、政府的支持和城市化進(jìn)程加快以及遠(yuǎn)程家庭安防的重要性不斷提高。此外，電信運營商為了支持智能家居的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，正著手研究解決信號以及延遲問題，用以提供更加穩(wěn)定并且強大的聯(lián)網(wǎng)方案。預(yù)計到2025年，4G和5G網(wǎng)絡(luò)將會覆蓋全國，同時中國將擁有世界上最大的5G市場[6]。2021年底，中國的城市人口已占到全國人口的61.4%，此外，中國制造2025戰(zhàn)略、國家新型城鎮(zhèn)化計劃智慧城市項目、中國第十四個五年發(fā)展規(guī)劃和等舉措，也會推動中國智能家居市場的發(fā)展，加上政府的大力扶持也為為智能家居行業(yè)創(chuàng)造了巨大的機會，中國的智能家居市場奠定了堅實的基礎(chǔ)[7]。除了全國范圍內(nèi)的舉措，中國的大型企業(yè)，從互聯(lián)網(wǎng)巨頭到智能家電制造商，都對中國智能家居的市場投入了極大的心血。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)大廠，如阿里巴巴、華為、百度、小米和其他許多公司不約而同都涉足了“智能家居”產(chǎn)品市場，其中小米公司聯(lián)合許多智能家電制造商創(chuàng)立了一個完整的智能家居的產(chǎn)業(yè)鏈。最近兩年，因為新冠疫情的爆發(fā)而導(dǎo)致人們被隔離在家里，國家的經(jīng)濟(jì)增長也受到了很大的沖擊，但智能家居的發(fā)展卻并沒有停滯。疫情期間，人們的家務(wù)勞動的負(fù)擔(dān)增加了，反而使解放雙手的智能家居更快的進(jìn)入尋常百姓家。此外，千兆寬帶在也在居民區(qū)開始普及，更高的網(wǎng)速以及耕地的延遲加上現(xiàn)在人手一臺的智能手機，使得智能家居設(shè)備的可及性已大幅提高。1.3論文主要工作本文采用比較的方法對現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，文中對系統(tǒng)軟硬件各功能模塊進(jìn)行具體實現(xiàn)。經(jīng)過對比研究發(fā)現(xiàn)基于STM32的檢測系統(tǒng)具有更好的準(zhǔn)確性和實時性性能。

該系統(tǒng)通過采集多個傳感器的數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的正確性，旨在為大眾設(shè)計一個舒適、愉悅的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實時監(jiān)測室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，還可以根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)智能家居狀態(tài)。

這篇論文詳細(xì)介紹了設(shè)計過程中使用的相關(guān)模塊的知識，分析了各個硬件電路的工作原理，并說明了軟件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。第二章基于STM32智能家居系統(tǒng)方案的設(shè)計整體系統(tǒng)方案設(shè)計是開發(fā)智能家居控制系統(tǒng)的一個重要步驟。通過整體系統(tǒng)的方案設(shè)計，可以明確控制系統(tǒng)所需的各種功能。本章從普通家庭的實際需求出發(fā)，結(jié)合智能家居市場的實際情況，詳細(xì)分析了控制系統(tǒng)的功能需求。2.1系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與原則在項目實施前，首先要考慮項目面臨的問題，評估項目計劃，探討如何解決項目實施中可能遇到的問題，為項目的實施和設(shè)計做好充分準(zhǔn)備[9]。

同時，還需制定一套切實可行的實施方案。只有這樣才能使項目得以順利地完成。然后根據(jù)項目實際需求，以STM32F4系列芯片為核心搭建智能家居系統(tǒng)。

通過軟件編程和硬件電路相結(jié)合的方式來實現(xiàn)本系統(tǒng)產(chǎn)品的功能。

經(jīng)過實驗測試，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，可根據(jù)需要量產(chǎn)投放市場。

因此，在進(jìn)行設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)遵循簡單易用、價格低廉、穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展四項原則[8]。2.2硬件選擇2.2.1微控制器選擇微控制器在系統(tǒng)的設(shè)計中起著非常重要的作用，它決定了系統(tǒng)的處理速度、性能和可擴(kuò)展性等，在對其進(jìn)行設(shè)計選型時，本文提供兩種選擇方案。（1）如果旨在僅執(zhí)行一項任務(wù)的應(yīng)用程序通常由8位微控制器來操作，這些應(yīng)用程序幾乎沒有數(shù)據(jù)處理并且用戶界面（UI）受限制。所有尺寸都可在8位微控制器中使用，范圍從6引腳設(shè)備到64引腳芯片。閃存的大小也從512字節(jié)到256KB不等，SRAM的大小從32字節(jié)到8KB或更大，而EEPROM的范圍從0到4K或更大。（2）與8位微處理器類似，但32位微控制器功能強大，并提供指令流水線，存儲器保護(hù)，浮點單元（FPU），分支預(yù)測和板載調(diào)試器等高級功能。在指令流水線中，處理器核心會在時間之前預(yù)取后續(xù)指令。在分支預(yù)測中，預(yù)先獲取了if-else條件的兩個結(jié)果的以下指令，從而使代碼執(zhí)行迅速。由FPU進(jìn)行的浮點計算比SW實現(xiàn)的方法要快。有一個內(nèi)存保護(hù)單元，以確保操作系統(tǒng)的關(guān)鍵部分不會被應(yīng)用程序代碼意外覆蓋。結(jié)合面向用戶的智能家居性能和控制要求，我們選擇了32位的STM32控制器。它很容易使用，只需要調(diào)用API函數(shù)接口就可以驅(qū)動外設(shè)而不需要操作寄存器配置，并且它快速穩(wěn)定，有許多外設(shè)和GPIO接口供以后擴(kuò)展[9]。2.2.2無線通信模塊選擇我們的智能家居控制系統(tǒng)需要選擇無線通信技術(shù)對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)智能控制，選擇合適的無線通信技術(shù)模塊對于系統(tǒng)可靠性非常重要，現(xiàn)給出兩種方案參考。（1）ZigBee技術(shù)一項新型的無線通信技術(shù)，適用于傳輸范圍短數(shù)據(jù)傳輸速率低的一系列電子元器件設(shè)備之間，特點如下[10]：①低速率，ZigBee工作在20~250kbps的速率。②近距離，傳輸范圍一般介于10~100m之間。③工作頻段常見在2.4GHz。④低功耗，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6~24個月。（2）WIFI技術(shù)是一種可以將個人筆記本、手持設(shè)備等終端以無線方式進(jìn)行相互連接的技術(shù)，特點如下：高速率，傳輸速率維持在11~54Mbps之間。距離遠(yuǎn)，通信距離覆蓋范圍為20~200m之間。工作頻段常見在2.4GHz。功耗較高，功耗平均維持在10~50mA。通過對以上無線通信模塊的比較分析，可以看出ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸不方便，通信距離短，導(dǎo)致通信中斷WIFI技術(shù)不適合智能家居系統(tǒng)應(yīng)用，因此，WIFI技術(shù)更適合智能家居系統(tǒng)的設(shè)計。2.2.3語音控制模塊選型為了實現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)的控制要求，本文設(shè)計了一個系統(tǒng)，方便用戶用簡單的語音命令來控制家居設(shè)備。同時為了滿足智能家居語識別場景和產(chǎn)品性能的需求，我們采用非特異性的非特定人語音識別模式來設(shè)計需求，給出兩種參考方案[11]。（1）利用DSP芯片和語音算法語音識別控制設(shè)計。用戶可以使用DSP芯片來設(shè)計一個一個語音識別控制系，當(dāng)語音信號通過麥克風(fēng)輸入時對模擬語音信號進(jìn)行采樣。

但同時用戶必須自建一個含有數(shù)百個樣本的語音庫。（2）LD3320語音識別芯片采用ASR技術(shù)，用戶只需將識別的關(guān)鍵詞以字符串的形式轉(zhuǎn)入芯片，即在下次識別時就可以立即生效。用戶只需對芯片的寄存器進(jìn)行設(shè)置，將諸如“你好”等關(guān)鍵詞的內(nèi)容動態(tài)地傳輸?shù)叫酒校酒涂梢宰R別所設(shè)定的關(guān)鍵詞。每個關(guān)鍵詞可以是一個單字、一個短語、一個短句或任何中文讀音的組合。基于LD3320的語音識別系統(tǒng)可以在運行過程中動態(tài)改變關(guān)鍵詞列表的內(nèi)容，這樣就可以用一個系統(tǒng)支持多種不同的場景，并且不需要用戶進(jìn)行任何錄音訓(xùn)練。因為DSP芯片需要采集聲音樣本，建立語音識別數(shù)據(jù)庫，需要更多的時間和成本，編程開發(fā)困難，成本較高，所以采用LD3320芯片來實現(xiàn)語音識別控制。2.3系統(tǒng)總體設(shè)計方案基于STM32智能家居系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的功能為非特定語音控制和手機APP實時監(jiān)控家居狀態(tài)、智能控制家電狀態(tài)、遇到煙氣如煤氣泄漏及時報警。系統(tǒng)整體框架圖如圖2.1所示，該系統(tǒng)由硬件模塊、主控部分、家具家電控制部分和互動通訊部分組成。互動通訊部分允許用戶使用手機APP查看客廳的狀態(tài)，使用LD3320語音識別來控制家里的門窗、燈光等，硬件模塊部分由一些傳感器和檢測模塊組成。在這個系統(tǒng)的基本功能上還可以擴(kuò)展其他功能，如TFLCD液晶屏、溫濕度傳感器、PM2.5檢測裝置等[12]。圖2.1系統(tǒng)整體框架圖2.4本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容是對基于STM32系統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行辯證分析和可行性論證，簡要說明了系統(tǒng)設(shè)計的目的和原則，介紹了系統(tǒng)設(shè)計中器件選擇的對比分析，最后介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和系統(tǒng)設(shè)計的總體框架。第三章基于STM32智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計我們選取了STM32F407ZGT6作為智能家居系統(tǒng)的主控中心，此系統(tǒng)的整體電路示意圖如圖3.1所示。首先，我們設(shè)計外圍電路，包括系統(tǒng)復(fù)位電路、時鐘電路和晶體電路。其次，我們設(shè)計硬件電路，如光敏電阻模塊電路、煙霧傳感器模塊電路、LD3320語音控制模塊電路和ESP8266WIFI模塊電路。最后，在系統(tǒng)中加入一些擴(kuò)展電路，包括門窗燈的繼電器電路、手機APP的串行通信電路等。圖3.1系統(tǒng)電路示意圖3.1STM32F4梗概3.1.1STM32F4介紹STM32F407ZGT6芯片實物如圖3.2，作為CortexM3市場的最大股東，意法半導(dǎo)體在2011年推出了基于CortexM4內(nèi)核的STM32F4系列產(chǎn)品。與STM32F1/F2等CortexM3產(chǎn)品相比，STM32F4的最大優(yōu)勢在于增加了硬件FPU單元和DSP指令。這使得STM32F4特別適合需要浮點運算或DSP處理的應(yīng)用，也被稱為DSC，具有非常廣泛的應(yīng)用[13]。圖3.2STM32F407ZGT6芯片實物與STM32F1相比，STM32F4主要有以下優(yōu)點[14]：更先進(jìn)的內(nèi)核、擁有更多的資源、外設(shè)功能更多、性能更優(yōu)越、功耗更低。表3.1為STM32F4系列處理器詳細(xì)對比分析介紹。3.1.2STM32F4時鐘系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)是CPU的脈沖，就像人的心跳一樣。所以時鐘系統(tǒng)的重要性不言而喻，STM32F4一共有五個時鐘源，HSI、HSE、LSI、LSE、PLL其中PLL實際上分為兩個時鐘源，分別是主PLL和專用PLL。從時鐘頻率上看要分為高速時鐘源和低速時鐘源，在這五個中HSI、HSE和PLL是高速時鐘，LSI和LSE是低速時鐘。LSI和LSE是低速時鐘。從源頭上可以分為外部時鐘源和內(nèi)部時鐘源，外部時鐘源是指通過連接晶振從外部獲得的時鐘源，其中HSE和LSE是外部時鐘源，其他是內(nèi)部時鐘源。內(nèi)部高速時鐘HSI由一個RC振蕩器產(chǎn)生，頻率為16MHz，可直接用作系統(tǒng)時鐘或鎖相環(huán)時鐘輸入。外部高速時鐘HSE一般由外部石英或陶瓷振蕩器和外部時鐘源產(chǎn)生，時鐘頻率范圍為4MHz至26MHz。內(nèi)部低速時鐘LSI由一個頻率為32kHz的RC振蕩器產(chǎn)生，提供一個低功耗時鐘，專門用于獨立看門狗和自動喚醒單元。外部低速時鐘LSE由一個外部石英晶體產(chǎn)生，頻率為32.768kHz。鎖相環(huán)時鐘PLL是鎖相環(huán)頻率倍增器的輸出時鐘。STM32F4有兩個鎖相環(huán)時鐘（PLL）。系統(tǒng)時鐘SYSCLK時鐘源由RCC_CFGR配置寄存器的SW位配置，以選擇要使用的時鐘源。可以配置選擇的時鐘源是HSI振蕩器時鐘、HS振蕩器時鐘和PLL時鐘。3.1.3STM32F4最小系統(tǒng)STM32F4最小系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)的核心控制部分，最小系統(tǒng)的電路設(shè)計要保證系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行。電源電路增加了濾波電路以保證電壓穩(wěn)定，時鐘電路選擇了性能良好的8MHz和32.768晶振電路，復(fù)位電路保證了系統(tǒng)在工作不正常時立即復(fù)位。系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6控制器，它具有144個GPIO端口，LQFP144封裝，1024KBFLASH，最大處理速度為168MHz，占地面積小，功能強大，是設(shè)計面向用戶的智能家居系統(tǒng)的理想選擇。在復(fù)位電路中，當(dāng)未按下復(fù)位按鈕時，保證系統(tǒng)正常工作，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時，保證系統(tǒng)由非正常工作轉(zhuǎn)為正常工作。在啟動電路中，配置BOOT0和BOOT1可以組合為閃存啟動模式、系統(tǒng)存儲器啟動模式和SRAM模式。STM32有三種啟動模式如表3.2所示，本控制系統(tǒng)中設(shè)置的啟動模式是內(nèi)置1024KBFLASH主閃存的啟動模式。當(dāng)BOOT0連接到X（可以是高電平或低電平），BOOT1連接到低電平時，啟動模式為閃存啟動。[15]。表3.2STM32啟動模式引腳BOOT0引腳BOOT1啟動模式說明X0主閃存存儲器啟動區(qū)域改為主閃存存儲器01系統(tǒng)存儲器啟動區(qū)域改為系統(tǒng)存儲器11內(nèi)置SRAM啟動區(qū)域改為內(nèi)置SRAM3.2光敏電阻模塊在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計中，光敏電阻模塊可以實時監(jiān)測室內(nèi)外的光線強度，在早晨通過監(jiān)測陽光強度智能打開窗簾、門窗，晚上隨著光線強度的降低智能關(guān)閉窗簾、門窗，智能調(diào)節(jié)客廳的燈光強度。光敏傳感器是最常見的傳感器之一，其種類很多：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光電晶體管、太陽能電池、紅外傳感器、紫外傳感器、光纖光電傳感器、彩色傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。光傳感器是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的傳感器之一，在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。光敏傳感器是一種使用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。圖3.3所示的光敏電阻模塊，對可見光波長附近的波長敏感，包括紅外波長和紫外波長。光傳感器并不局限于對光的檢測，它還可以作為檢測元件組成其他的傳感器來檢測許多非電氣量，只要這些非電氣量被轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。圖3.3光敏電阻模塊開發(fā)板板載了一個光敏二極管（光敏電阻），作為一個光敏傳感器，它對光線的變化非常敏感。光電二極管也被稱為光敏二極管。光電二極管在結(jié)構(gòu)上類似于半導(dǎo)體二極管，它的核心是一個具有光敏特性的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦裕运枰粋€反向電壓才能工作。當(dāng)沒有光照時，有一個很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光電二極管截止。當(dāng)有光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光的強度而變化。當(dāng)光照射到PN結(jié)時，可以使PN結(jié)產(chǎn)生電子—空穴對，從而使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，這增加了反向電流。因此，可以利用光的強度來改變電路中的電流。利用這一電流變化，我們串聯(lián)一個電阻，它可以轉(zhuǎn)化為電壓的變化，這樣電壓值就可以由ADC讀取，以確定外部光的強度。3.3煙霧傳感器模塊人們在家中不可避免使用一些天然氣或液化氣燒水、做飯等一系列事件，而很有可能會發(fā)生沒關(guān)天然氣或者天然氣泄漏的情況，這時需要天然氣或者氣體檢測裝置來測量天然氣或氣體的泄露來確保人們的居家安全。煙氣泄漏檢測模塊采用ZYMQ-2型氣敏式傳感器，ZYMQ-2型氣敏式傳感器是根據(jù)二氧化錫在潔凈空氣中的導(dǎo)電性原理制成。當(dāng)傳感器處于有毒氣體泄漏的環(huán)境中時，氣敏型傳感器的電導(dǎo)率會隨著環(huán)境中有毒氣體濃度的增加而增加。由于ZYMQ-2氣敏型傳感器對氮氣、甲烷、一氧化碳和空氣等氣體的電阻值不同，所以使用時應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。ZYMQ-2型煙霧傳感器模塊實物如圖3.4所示，該煙霧傳感器具有以下特點[16]：（1）有一個信號輸出指示燈，便于查看測量結(jié)果的變化。（2）采用兩種輸出模式，TTL量輸出模式和模擬量輸出模式。（3）輸出高電平表示環(huán)境中沒有可檢測的氣體泄漏，輸出低電平表示環(huán)境中存在可檢測的氣體泄漏。（4）對甲烷和天然氣的檢測靈敏度高。（5）壽命周期長，監(jiān)測穩(wěn)定性和可靠性高。（6）響應(yīng)恢復(fù)特性快，實用性強。圖3.54煙霧傳感器實物圖煙霧傳感器的工作原理是：在清潔的環(huán)境中，氣敏材料的電導(dǎo)率較低，當(dāng)環(huán)境中發(fā)生可燃?xì)怏w或有毒氣體泄漏時，隨著泄漏氣體濃度的增加，煙霧傳感器的氣敏材料的電導(dǎo)率變大，煙霧傳感器模塊的輸出端輸出低電平，STM32監(jiān)測到低電平輸入時，蜂鳴器發(fā)出警報。3.4ESP8266WIFI模塊ESP8266WIFI模塊實物圖如圖3.5所示，ATK-ESP8266是ALIENTEK的高性能UART-WiFi（串行-無線）模塊。ATK-ESP8266搭載了愛思考的ESP8266模塊，該模塊通過了FCC、CE認(rèn)證，可以直接用于產(chǎn)品出口到歐美國家。本系統(tǒng)采用ESP8266作為WIFI模塊，主要是因為其超低的成本和精致的處理器與WIFI芯片的集成，具有GPIO、PWM、I2C、1-Wire、ADC等功能，為我們提供了一個性價比極高的開發(fā)平臺。ESP8266是一個完整的、獨立的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠承載軟件應(yīng)用，這意味著應(yīng)用程序可以直接在ESP8266上運行，也可以通過其他應(yīng)用處理器進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯處理，而只使用ESP8266的WIFI網(wǎng)絡(luò)功能（通常作為串口直通。目前淘寶上賣的大部分已經(jīng)寫好了基于AT指令的串口轉(zhuǎn)WIFI固件，方便直接連接到原單片機系統(tǒng)上）[17]。圖3.5ESP8266WIFI模塊ESP8266WIFI模塊支持串行通信，兼容3.3V和5V微控制器系統(tǒng)，只需要幾個簡單的AT命令就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。該模塊有三種模式：串行AP、串行STA和串行STA+AP模式，以快速實現(xiàn)該模塊與其他設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信。ESP8266WIFI模塊支持STA、AP和STA+AP三種模式。（1）串口無線WIFI（COM-AP）模式，模塊作為無線WIFI熱點，允許其他WIFI設(shè)備連接到本模塊，實現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無線（WIFI）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換互傳。（2）串口無線STA（COM-STA）模式，模塊作為無線WIFISTA，用于連接到無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無線（WIFI）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換互傳。（3）串口無線AP+STA（COM-AP+STA）模式，模塊既作無線WIFIAP，又作無線STA，其他WIFI設(shè)備可以連接到該模塊，模塊也可以連接到其他無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無線（WIFI）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換互傳[18]。3.5語音控制模塊方便友好的智能家居系統(tǒng)不需要每次都手動操作，例如，坐在沙發(fā)上看電視可以通過語音控制打開和關(guān)閉空調(diào)，睡覺前可以通過語音調(diào)整燈光的亮度和開關(guān)。LD3320芯片實物圖如圖3.6所示，綜合實際情況，達(dá)到面向用戶的智能家居系統(tǒng)語音控制要求選取LD3320語音控制模塊。圖3.6LD3320芯片實物圖本模塊的實際電路是由STC11單片機和LD3320芯片組成的語音識別模塊，它支持并行接口和串行接口。本系統(tǒng)語音識別模塊芯片LD3320模塊電路中，LD3320芯片通過8位并行接口與STC11單片機進(jìn)行通信，此時使用8個數(shù)據(jù)線信號、4個控制信號和1個中斷信號；LD3320芯片與STC11單片機的串行通信采用SPI協(xié)議，首先將MD信號拉高，SPIS信號拉低接地然后使用4條信號線，即片選信號、時鐘信號、輸入信號、輸出信號。LD3320識別原理圖如圖3.7所示，用戶的語音進(jìn)入語音識別部分后，LD3320將處理后的數(shù)據(jù)并行傳輸給主控制器，主控制器將命令數(shù)據(jù)發(fā)送到可擴(kuò)展的外圍串口設(shè)備，實現(xiàn)處理后的控制操作。本設(shè)計的主要技術(shù)關(guān)鍵是語音信號的采集以及處理和判斷，語音芯片LD3320提供的語音識別技術(shù)是基于關(guān)鍵詞列表的識別技術(shù)。隨著識別結(jié)果的輸出，再利用單片機的IO口來控制家電產(chǎn)品[19]。圖3.7LD3320語音識別過程LD3320語音控制模塊中斷響應(yīng)，只要音頻采集電路采集到聲音信號，模塊就會產(chǎn)生中斷信號。3.6本章小結(jié)本章首先介紹了面向用戶的智能家居系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖，并從整體上總結(jié)了系統(tǒng)的硬件電路；其次，主要介紹了STM32F4最小系統(tǒng)幾個模塊的電路、工作模式和工作原理以及硬件設(shè)計，并完成了整個系統(tǒng)的構(gòu)建和各個模塊的功能。第四章基于STM32智能家居系統(tǒng)程序設(shè)計及調(diào)試軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，也是各功能模塊能夠正常運行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由三部分組成：光敏電阻和煙霧報警模塊、LD3320語音控制模塊和ESP8266WIFI通信模塊的程序設(shè)計。4.1KeilMDKv5簡介MDK起源于德國的KEIL，是RealViewMDK的簡稱。全球有超過10萬名嵌入式開發(fā)工程師在使用MDK。最新版本是MDK5.14，它使用uVision5IDE集成開發(fā)環(huán)境，是目前ARM處理器，特別是CortexM內(nèi)核的最佳開發(fā)工具。MDK5向后兼容MDK4、MDK3等。以前的項目也可以在MDK5上開發(fā)（但是你必須自己添加所有的頭文件），MDK5還加強了對Cortex-M微控制器開發(fā)的支持，并升級了傳統(tǒng)的開發(fā)模式和界面。軟件包可以獨立于工具鏈進(jìn)行升級，以獲得新的芯片支持和中間庫。MDK核心分為四個部分：帶編輯器的uVisionIDE、ARMC/C++編譯器、軟件包安裝程序和帶跟蹤功能的uVision調(diào)試器。uVisionIDE從MDK4.7開始提供。軟件包（包安裝程序）分為三個子部分。設(shè)備（芯片支持）、CMSIS（ARMCortex微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)）和Mdidleware（中間庫）。軟件包安裝程序允許我們安裝最新的組件以支持新的設(shè)備，提供新的設(shè)備驅(qū)動庫和最新的例程以加速產(chǎn)品的開發(fā)。KeilMDKv5界面如圖4.1所示。圖4.1KeilMDKv5界面圖4.2STM32庫介紹STM32庫是建立在驅(qū)動層和特殊寄存器層上的功能接口API（應(yīng)用程序接口），開發(fā)者無需配置底層的特殊寄存器，只需調(diào)用相關(guān)API即可驅(qū)動外設(shè)，具有開發(fā)速度快、易讀、維護(hù)成本低等優(yōu)點。STM32開發(fā)方式對比如圖4.2，庫開發(fā)方式由驅(qū)動層、庫函數(shù)層、特殊寄存器層組成，開發(fā)者直接調(diào)用庫函數(shù)；直接配置寄存器方式由驅(qū)動層、特殊寄存器層組成，開發(fā)者需要配置特殊寄存器來驅(qū)動外設(shè)。圖4.2STM32開發(fā)方式對比4.3光敏電阻和煙霧傳感器模塊光敏電阻模塊主要功能實現(xiàn)智能控制門窗燈等的狀態(tài)，煙霧傳感器主要實現(xiàn)及時檢測煙氣的泄漏并報警。4.3.1光敏電阻和煙霧傳感器設(shè)計光敏電阻和煙霧傳感器的輸出模式為TTL電平。當(dāng)檢測到光敏電阻和煙霧傳感器輸出引腳的低電平時，將顯示相應(yīng)操作的開關(guān)或報警狀態(tài)。首先初始化開發(fā)板的PE4引腳，然后主功能檢測PE4引腳是否為低電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作[20]。煙霧傳感器流程圖如圖4.3，煙霧傳感器和光敏電阻的工作過程是檢測程序中的低電平動作，檢測程序中是否有低電平動作可以添加到防抖動程序中，可以有效地防止因誤動作引起的干擾。圖4.3煙霧傳感器流程圖4.3.2光敏電阻和煙霧傳感器調(diào)試結(jié)果調(diào)試結(jié)果如圖4.4，煙霧傳感器可有效防止氣體泄漏并被及時發(fā)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的煙霧傳感器可以檢測到氣體泄漏并產(chǎn)生低電平輸出。一旦主控芯片STM32F407檢測到低電平的煙霧傳感器，系統(tǒng)的開發(fā)板就會發(fā)出紅色的閃爍燈和蜂鳴器，提醒用戶注意燃?xì)庑孤21]。圖4.4煙霧傳感器調(diào)試結(jié)果4.4ESP8266WIFI模塊程序ESP8266WIFI模塊的主要功能是實現(xiàn)面向用戶的智能家居系統(tǒng)與手機之間的通信，并監(jiān)控智能家居的狀態(tài)。ESP8266WIFI模塊設(shè)置為TCP客戶端模式，連接微處理器，手機設(shè)置為TCP服務(wù)器端模式，監(jiān)控智能家居的門、門窗燈、煙霧傳感器等狀態(tài)。4.4.1ESP8266WIFI模塊設(shè)計圖4.5為ESP8266WIFI模塊流程，首先通過主控芯片向ESP8266發(fā)起AT指令，完成參數(shù)配置，配置完成后，將ESP8266斷電重啟一次，使配置生效，重啟后，ESP8266會自動連接到AT指令指定的WIFI，成功后通過串口返回OK，連接到WIFI后，建立模塊工作模式，建立模塊客戶端等。然后啟動直通模式，即按照網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將本地設(shè)備之間的通信轉(zhuǎn)換為互聯(lián)網(wǎng)通信，這樣就可以在不改變設(shè)備的情況下在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行簡單的本地設(shè)備通信，最后設(shè)置手機APP在TCP服務(wù)器之間進(jìn)行通信[22]。圖4.5ESP8266WIFI模塊流程圖4.4.2ESP8266WIFI模塊調(diào)試結(jié)果STA模式下選擇TCP服務(wù)器，接著出現(xiàn)AP模式下的工作狀態(tài)，我們選擇TCP服務(wù)器。接著就是我們的串口無線APTCP服務(wù)器+STATCP服務(wù)器測試。我們通過手機鏈接到SSID為ATK-ESP8266的wifi無線接入點，并且通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手連接到192.168.4.1，8086，模塊分配給手機的ID號是0。同樣的方式通過電腦鏈接到192.168.1.xxxxx，8086，模塊分配給電腦ID是1。AP+STA模式下的ID號分配是按照連接到模塊的順序來分配的[23]。連接成功后我們可以通過按按鍵KEY0和KEY1分別發(fā)送數(shù)據(jù)到手機和電腦。調(diào)試結(jié)果如圖4.6和圖4.7所示4.5LD3320語音控制模塊程序LD3320語音控制模塊的主要功能是通過語音來控制智能家居的狀態(tài)。用戶可以不通過手動遙控來調(diào)整智能家居的各種狀態(tài)。4.5.1LD3320驅(qū)動步驟芯片復(fù)位，就是向芯片的復(fù)位引腳RSTB發(fā)送一個低電平，然后需要一次拉低拉高片選信號CS操作來激活內(nèi)部的DSP。語音識別是通過設(shè)置多個按鍵寄存器的值、設(shè)置語音初始化寄存器、設(shè)置關(guān)鍵詞列表寄存器、設(shè)置開始識別寄存器、寫入中斷響應(yīng)操作程序、打開中斷配置寄存器來實現(xiàn)的。表4.1顯示了寫入語音識別列表的情況。寫入語音識別列表的規(guī)則包括數(shù)字和字符串（可以是連續(xù)的或不連續(xù)的），以及由小寫漢語拼音組成的字符串。每個字符串都是小寫的國家標(biāo)準(zhǔn)普通話，每個漢語拼音之間應(yīng)該有一個空格[24]。響應(yīng)中斷，只要音頻采集電路采集到聲音信號就會對聲音信號進(jìn)行處理分析，中斷系統(tǒng)就會產(chǎn)生一個中斷信號。4.5.2LD3320驅(qū)動程序設(shè)計圖4.6為LD3320語音識別控制流程圖，語音識別的工作流程是LD3320語音識別初始化，寫入識別列表并開始識別，設(shè)置中斷操作打開中斷寄存器，最后選擇最佳匹配作為識別結(jié)果。由于LD3320的內(nèi)部硬件電路在識別過程中容易出錯，所以在語音識別芯片的過程中，只要出現(xiàn)識別錯誤，LD3320芯片的軟件就會重置。圖4.6LD3320語音識別控制流程圖4.5.3LD3320語音識別控制調(diào)試結(jié)果LD3320語音識別有兩級密碼，第一級密碼可自行設(shè)定，系統(tǒng)設(shè)定為"杰"，第二級密碼設(shè)定為所需操作，如開燈、關(guān)燈、開窗簾、關(guān)窗簾等。只要對LD3320語音控制模塊說"杰"并打開燈，就可以操作客廳里的燈了[25]。圖4.7LD3320調(diào)試結(jié)果圖4.6本章小結(jié)本章主要介紹面向用戶的智能家居系統(tǒng)程序設(shè)計和調(diào)試，首先介紹了KeilMDKv5軟件的使用和STM32F4的開發(fā)方法。其次，介紹了幾個硬件模塊的軟件設(shè)計，主要包括STM32F4系統(tǒng)自帶的定時器功能，光敏電阻模塊和煙霧傳感器模塊的程序流程圖和調(diào)試步驟及調(diào)試結(jié)果，ESP8266WIFI作為TCP客戶端和移動調(diào)試助手APP作為TCP服務(wù)器的調(diào)試步驟，以及LD3320語音識別控制模塊的驅(qū)動調(diào)試步驟。LD3320語音識別控制模塊驅(qū)動程序的流程圖和調(diào)試結(jié)果。第五章結(jié)論5.1論文總結(jié)本文的設(shè)計研究從用戶的實際需求出發(fā)，遵循安全、舒適、方便、美觀的智能家居設(shè)計理念，將傳感系統(tǒng)與窗簾、窗戶、空調(diào)、燈光相結(jié)合，通過傳感器監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，處理器接受來自傳感器的數(shù)據(jù)。本設(shè)計系統(tǒng)具有監(jiān)測有毒氣體泄漏的感應(yīng)裝置，當(dāng)用戶不在家時，一旦發(fā)生有毒氣體泄漏，就會立即向用戶報警，同時系統(tǒng)配備了互動通訊系統(tǒng)，用戶可以通過LD3320語音控制語音控制模塊控制智能家居的燈光、窗簾和空調(diào)等智能家具，還可以通過手機實時觀察客廳的各種參數(shù)變化，了解智能家居的控制情況。本文的具體工作可以分為以下幾個部分：首先，本文介紹了以用戶為中心的智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其中微處理器是系統(tǒng)設(shè)計控制的核心部分，它相當(dāng)于人體的心臟。本文介紹了STM32F407處理器的基本知識和STM32最小系統(tǒng)的電源電路、時鐘電路線、復(fù)位電路和微處理器。然后介紹了光敏電阻傳感器和煙霧傳感器的工作原理以及如何檢測低電平。然后介紹了ESP8266WIFI模塊的STA、AP和STA+AP模式，并選擇STA模式作為我們的通信模式。ESP8266WIFI模塊作為客戶端，移動調(diào)試助手APP作為服務(wù)器。最后，介紹了語音控制模塊的通信模式和工作原理。通過比較，確定選擇LD3320作為本系統(tǒng)的語音控制模塊。其次，本文展示了面向用戶的智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計和調(diào)試，給出了煙感傳感器、ESP8266WIFI模塊、LD3320語音識別控制模塊的具體軟件設(shè)計，詳細(xì)介紹了調(diào)試步驟和調(diào)試結(jié)果。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以查看客廳的狀態(tài)，在發(fā)生漏煙時及時報警，并可以通過語音模塊對智能家居進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)等。該系統(tǒng)滿足了安全、可靠、便捷的工作要求，是一個舒適、愉悅的智能家居系統(tǒng)。5.2論文展望該系統(tǒng)可以使用戶的智能家居設(shè)計系統(tǒng)更加完善，需要增加更多的傳感器模塊，如溫濕度傳感器、客廳溫濕度檢測模塊、PM2.5監(jiān)測模塊等。該系統(tǒng)實現(xiàn)了智能語音識別控制，將語音識別控制和語音智能相結(jié)合，為家電和智能家居提供了一個語音控制可靠的現(xiàn)代化平臺。用戶應(yīng)急檢測一直是現(xiàn)代科技智能家居的重點和難點，后期可在系統(tǒng)中加入應(yīng)急檢測模塊。系統(tǒng)采用有線電路繼電器控制智能家居的可靠性，解決這一問題的有效途徑是采用2.4G無線模塊ZigBeeWIFI的無線電路控制。參考文獻(xiàn)許迅，鄭哲清，楊菁．基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的老年人智能家居設(shè)計研究[J]．信息系統(tǒng)工程，2016(11)：113-114.張勝英，王煙軍．我國智能家居的現(xiàn)狀和未來．江蘇商論，2012(16)：60.李文勇．智能家居系統(tǒng)的發(fā)展趨勢．企業(yè)科技與發(fā)展，2017(2)：73-75.夏勤艷，馬立磊．淺談智能家居系統(tǒng)的功能及發(fā)展前景[J]．民營科技，2010(2):31-31.何聯(lián)民，劉東．淺談中小城市的智能住宅小區(qū)設(shè)計[J]．中國住宅設(shè)施，2013(1)：45-47．張紹宸，程曉東．ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的智能家電控制系統(tǒng)[J]．科技創(chuàng)