一种新型多功能智能家居控制器设计

刘子闻胡威黄从贵

摘要： 以Arduino模块为核心设计一种新型多功能智能家居控制器。控制器分别选用LD3320模块进行语音的采集、识别和报警；选用WIFI模块、Zigbee模块进行信号的无线通讯和控制；选用HR911105A网口接口模块进行网络的智能控制，从而实现对家居设备不受地域、多种方式、智能化地远程控制。

关键词： Arduino单片机；LD3320模块；Zigbee模块；HR911105A模块

中图分类号：TB 文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.11.146

1引言

随着科学技术的不断进步及对生活质量的要求不断提高，人们在选择和使用家用电器时，已从单一功能的传统家电转向智能化家电。利用智能家居控制器可以提供多种家电智能控制方案，使家居的主人更加享受家庭生活，且使他们处理家庭事务，更快、更方便，为他们提供更加适宜的生活空间。然而智能家居市场错综复杂，现有的智能家居系统很难实现真正意义上的智能性，再加上智能设备的多样性、智能系统的兼容性、价格不菲等诸多因素使得智能家居很难真正走入大众的生活。

本文根据现代生活对居住环境的便捷性、安全性、舒适性等方面的需求，设计一种新型多功能智能家居控制器，实现家居电器的低功耗、高可靠性、可扩展性、灵活性的无线传输和远程控制。

2总体方案

智能家居控制器总体方案框图如图1所示，整个系统主要由主控制器、无线传输模块、语音识别模块、网络接口模块和无线发射/接收模块组成。

主控制器选用性价比较高的Arduino单片机模块；语音识别模块负责语音指令的采集、识别以及语音报警；网络接口模块负责手机终端与主控制器之间的网络通信；无线传输模块负责接收室内温湿度、可燃气传感器的实时监测信号，并上传给主控制器；无线发射模块负责发射主控制器发出的家居电器控制命令，无线接收模块则接收命令并传给执行模块。

3硬件设计

3.1主控制器模块

主控制器模块Arduino Mega2560是美国Atmel公司2013年最新推出的一款易用型开源控制器，以ATmega2560-16AU单片机为核心。

主控制器模块电路主要包括：单片机最小系统和下载程序接口。单片机最小系统包括：单片机、电源电路和复位电路。

ATmega2560-16AU单片机资源丰富、性价比高，16MHz的晶振，处理速度可达20MIPS，同时具有54路I/O口、256KB Flash Memory、8KB SRAM、4KB EEPROM、4路UART接口。主控制器模块可以通过3种途径自动选择供电方式（外部直流电源供电、电池供电和USB接口供电），同时提供了自动复位设计，可以通过Arduino软件下载程序自动复位。

主控制器模块上的单片机已经预置了bootloader程序，可以直接通过单片机上ICSP header直接下载程序。

3.2语音识别模块

系统的语音识别模块采用ICRoute公司的高性能LD3320语音识别芯片，它集成了语音识别处理器和外部电路，可对语音信号进行捕捉、识别、处理和播报。

LD3320芯片内置16位A/D转换器、16位D/A转换器和和功放电路等接口，且不需要外接任何辅助的Flash芯片，RAM芯片和A/D芯片等，可直接实现语音识别、声控和人机对话功能。识别的种类包括单字，词组等，语音识别率比较稳定，准确率也比较高。

语音识别模块与单片机的接口方式采用并行接口，其控制信号、中断返回信号均与单片机直接相连。语音识别的工作原理为：首先对输入的声音进行频谱分析后，再提取语音特征信息，最后将训练模板中的数据与特征信息进行匹配，输出识别结果。

3.3无线收发模块

本系统中运用315M无线模块来完成单片机与设备之间的“通信”作业。通过315M无线模块对信号进行采集、发送/接收、传递。

315M无线模块分为数据发射模块和接收模块。

数据发送模块具备较宽的工作电压，最佳工作电压为12V，可最远传输至500米。采用ASK方式调制，可延长使用期。传输距离因实地环境不同而不同，主要受调制信号，发射电压，接收机灵敏度等因素影响。

接收模块在一定程度上仅仅是一种组件，只有和发送电路、单片机组合时才有效。接收模块可在电路设计中灵活的渗入，以达到减小干扰，保证信号的稳定性。

3.4无线传输模块

本设计系统中zigbee无线传输模块用于烟雾、温湿度传感器和arduino模块之间信息“交互”。

Zigbee是一种短距离、低速率的无线组网技术。在zigbee网络内，设备之间通信稳定，无需人为设定，抗干扰能力强。

Zigbee模块提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能，通信距离远。最大的亮点是zigbee技术可自组网。通过动态路由和网络拓扑结构，数据可稳定传输至目的地。

4软件设计

软件设计基于Code Composer Studio IDE集成开发环境和Keil C51语言。软件模块主要有：主函数、语音报警子函数、网络接口子函数、无线传输子函数和无线收发子函数等。

4.1主函数流程图

通过语音识别模块LD3320进行语音识别与播报，模拟信号通过arduino模块转化为数字信号给315传输模块，然后继电器接收，做出指定“动作”，见图2。

4.2语音报警子函数

通过烟雾传感器收集信息，将信号经zigbee模块传输到arduino，进而将信号转换为LD3320模块可识别的数字信号，完成语音报警，如图3所示。

4.3网络接口子函数

手机/PC的信号通过云端发送至HR911105模块，进而arduino捕获信号并转换为数字信号传输给语音模块完成报警工作，如图4所示。

5总结

本项目结合新兴的物联网技术和现有的多媒体信息化手段，设计一种新型多功能智能家居控制器，通过语音、手机、PC设备和移动网络等多种方式来无线远程控制家用电器，实现多种方式一体化控制；被控家用电器与总控制器之间采用无线通讯方式连接；同时，兼备家庭火灾监测，语音网络警报功能，真正体现智能家居的内涵，让家用电器与我们人类之间的沟通变得更加简单、快捷、高效。

参考文献

[1]严晓华.现代通信技术基础[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2010.

[3]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：航空航天大学出版社，1998.

[4]王静霞. 单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

[5]赵秀珍，单永磊.单片微型计算机原理及应用技术[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[6]金鑫，田犇，阚大顺. 基于LD3320的语音控制系统设计实现[J].电脑与信息技术，2011，（19）：22-25.

[7]苏宝林. 基于AVR单片机的语音识别系统设计[J].现代电子技术，2012，（35）：136-138.