基于物联网的智能家居系统

薛家峰

随着无线通信技术的发展推动了ZiBee、wifi、蓝牙等技术在日常生活中的广泛应用，并出现了基于无线通信技术的智能家居应用，即物联网技术在智能家居中的应用。论文主要探讨了如何采用ARM Cortex-M3为内核的STM32处理器作为微处理器，由NRF24L01构成无线通信，融入蓝牙、RFID射频技术构建具有语音识别功能和人机交互功能的智能家居系统，并实现家居设备网络化、人机交互，解决传统智能家居仅停留在家居设备独立子系统独立运行水平上。

RFID技术智能家居物联网技术人机交互语音识别

0引言

Internet of things简称IoT即物联网，物联网是基于互联网实现物品与物品间的连接，是互联网技术的扩展，是继计算机、互联网应用后的第三次浪潮。物联网在智能家居中的应用就是要实现家居设备（如：电视机、冰箱、室内温度计、空调等）设备间的互联，通过互联实现远程监控、遥控、定位、跟踪以及管理功能，提高家居设备整体工作效率和协调性。本论文主要探讨了基于物联网技术对智能家居设备进行系统研究和设计实现的课题，课题围绕智能家居设备网络化（物联网）与人机界面（语音识别）进行展开分析。家居设备的网络化主要通过不同种类的通信方式（如Zigbee、红外通信、蓝牙等）实现传感器与微控制器间和设备各个子系统间的互联、互通、信息交互；智能家居交互界面指通过界面显示、触摸屏幕交互、语音交互等方式实现人机指令交互，目前人机交互界面技术目前主要讨论的是语音交互界面（VII）。

1智能家居系统整体结构

在本课题中智能家居系统主要功能有：（1）通过语音控制实现人与智能家居设备间人机交互；（2）家居环境检测，如发生异常或者有人闯入等自动告警功能；（3）安防门禁系统功能，系统自动识别主人和非主人。其系统整体架构如图1所示。

智能家居互联系统中语音信号接收与识别部分由语言识别芯片（ASR）来完成，语音与指令匹配与校验由STM32微处理器完成，设备与设备间通过无线通信发射与接收器进行指令数据交互，整个智能家居设备最终通过指令执行实现设备控制与响应。

2无线通信模块设计

2.1无线通信技术选择

物联网设备连接是通过无线通信技术进行连接，在物联网通信技术中广泛应用的无线通信技术主要有红外线通信技术、蓝牙通信技术、RFID射频识别技术、NRF24L01技术。在本智能家居系统设计中根据设备类型选择不同的无线通信技术，例如红外线通信技术用于具有红外线控制家电设备中，设备远程控制则采用NRF24L01通信技术，蓝牙则应用于具有蓝牙功能的所有设备中。

2.2无线通信单元设计

红外线通信技术主要通过波段在940nm的红外线进行传输信息，进行红外线信号发送时发送端将信号码数按照一定协议转换成脉冲信号，并通过红外线发射管发送信息，在智能家居中通过红外线进行控制设备的主要是电视机、空调、风扇等，这些设备主要通过遥控器中红外线信号进行控制设备，红外线设备在接收红外线信号后通过接收器HS0038解码为PWM脉冲，设备通过PWM脉冲信号进行控制晶体管设备，从而实现开关控制和调节控制。

手机通信技术主要是指蓝牙通信技术和GSM通信技术，目前移动电话、电脑、相机等设备都具有蓝牙功能，这部分设备控制则需要通过蓝牙通信技术和GSM通信技术进行信息交互。在本课题中对于这类设备的控制主要通过HC-06蓝牙通信模块进行控制。HC-06蓝牙通信设备通过串口与微处理器连接实现通信。

NRF无线通信电路则主要用于远距离数据传输。例如数据传输需要穿墙功能，则红外线、RFID是无法实现该功能，NRF通信模块具有抗干扰、远程操作的功能。

RFID射频无线通信技术是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动检测目标，从而实现物体追踪和数据交互，本课题中RFID选择RC522作为射频识别模块。

3语音识别单元设计

语音识别单元通过语音直接控制家电，例如通过语音控制电视机开关、调台等。语音识别原理主要是对于语言信号进行采集，采集后语音分析芯片分析声波频幅特征，提取特征信息，在下次语音信号采集时候通过与原来声波信号进行匹配，若匹配一致则执行相关指令信息。

在语音识别中语音分析芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，例如包括AD、DA、转换器、麦克风、语音等。在本课题中语音识别模块主要使用LD3320芯片，其芯片具有稳定的语音优化算法，可以实现非特定人语音识别，其识别率和准确率很高，不需要增加Flash芯片和AD芯片就可以完成语音识别功能。

在具体设计时语音信号的采集和识别通过读写寄存器来实现，微处理器则通过软件、硬件的并行传输和软件模拟SPI传输和硬件传输方式进行信息交互。

4结束语

本课题主要在分析智能家居發展趋势基础上探讨了基于STM32以及语音交互界面的智能家居系统研究，提出了其系统软硬件结构和功能实现方法。

基金项目：国家自然科学基金资助项目。