一种基于STM32的智能家居控制系统

王雄 刘黎 罗旭 杨鹏

摘 要 随着科技的进步与社会生产力的发展需求，人们需要提高社会运转效率，而多模智能控制系统将极大的节约社会运转成本。对于智能系统设计，普遍倾向于STM32F10X系列与STMF40X低功耗系列，本文借用STM32F407为最小系统，通过蓝牙和语音控制以实现安全、便利的智能家居控制。实现手机控制家电：语音识别+人脸识别控制门禁;语音控制灯光、风扇、播放音乐等，同时使家庭各设备工作状态显示在显示屏上。[1]

关键词 智能家居 STM32单片机 语音控制 蓝牙无线技术

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0015-03

1 概述

1.1 研究背景

随着电子产品大量的应用于现代生活，住宅电子化出现，将家用的电子产品、通信设备、与安保防护装置各独立模块集中于一体后出现了自动化的概念，对住宅中各种电子设备通过BUS监视、控制管理和商用化。[2]

智能家居是人们理想化的管理环境，通过一个设备可以控制家里的各种电子设备，实现家庭生活的安全、智能、便利和舒适。[3]例如：人们出行在外，可以用过语音电话控制家里的空调，便于提前开空调或者出门忘记关空调;回到家里可以使用手机对家里的各种照明设备进行控制，便于提前照明;可以通过人脸识别+语音控制开关门，便于不携带钥匙出门。再例如，门口智能相机可以识别有无客人来访，确保家庭安全。智能家居的使用既节省了人力，使家居更加方便，人们生活更加舒适。[4]

1.2 智能家居的现状

智能家居最初是通过红外遥控来实现单个设备的控制，随着科技的发展，智能控制需求越来越多，把各种电子设备的遥控，集于一体，以实现人们便利、安全的生活是发展所需。

从技术层面看，智能家居目前有三种可实施方法。第一种是BUS类，将所有仪器接入一条BUS控制，是一种全分式控制网络技术。[5]第二种是无线通信技术，通过无线射频技术与VESP协议、IRDA红外技术、HOMERF协议、X2D技术等控制各种设备。第三种是电力线载波通信技术，通过利用现有的电网，在两端加解调器产生调制信号，进行信号的传输与控制。

目前智能控制也面临大数据时代不可回避的一个安全问题，家庭物联网设备存在的信息可能轻易的泄露出去，对人们生活产生影响。为解决这一问题，人们可选择可靠性大，安全的设备，且使用过程中一定要规范，避免出现其他问题。[6]

1.3 系统的综述

本系统采用STM32作为主单片机，使用蓝牙进行无线控制，中间夹杂一些传感器与LCD显示屏等期间实现智能家居控制。

2 系统理论分析

2.1 蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）通信技术，是一种小范围内无线连接技术，利用蓝牙技术能够实现手机与各设备的无线连接，从而使设备间的数据传输更加迅速高效。[7]

2.2 语音识别

语音输入后经预处理、信号特征提取、匹配模式三个步骤得出识别结果。其中预处理是将模拟信号处理为数字信号，在经过特征提取出相应的二进制值，最后得出二进制码进行匹配。[8]

2.3 人脸识别技术

人脸识别系统大致有4个模块，分别是人脸图像采集、预处理、特征提取、识别。人脸图像采集是通过摄像头进行采集，预处理是通过采集到的图像进行分析，特征提取是将采集分析得到的结果进行特征化采集再转换为二进制值，最后识别环节是通过所得二进制特征值识别的。[9]

3 智能家居系统设计

3.1 智能家居系统整体设计

智能家居系统包括：+12V电源LCD显示器、智能按键、SD卡、蜂鸣器、TPAD、通过STM32F407（下称F407）控制继电器可以控制电灯、风扇（空调）、门锁等。再通过F407可以识别蓝牙信号、语音信号、光度、人脸、室内温度与湿度等。[10]

系统指标如下：

（1）语音准确率75%以上;

（2）人脸识别准确率95%以上;

（3）蓝牙准确率99%以上;

（4）CPU功耗，工作时低于20%;

（5）光强传感器通过转换，能检测3级以上的地震。

3.2 主控芯片选择

这里我们选择STM32F407作为主控芯片，它有FPU与DSP指令、自带192KB SRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、3个SPI、两个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB、3个ADC、2个DAC、1个RTC、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个100M以太网MAC控制器、1个内嵌摄像头、1个随机数生成器以及112通用I/O口。[11]

3.3 无线传输模块

3.3.1 方案一

采用FI无线传输模块。WIFI是串口传输，将串口或TTL电平转为符合WIFI无线通信的标准嵌入式模块，可以实现无线智能家居控制。[12]

3.3.2 方案二

采用无线传输模块。蓝牙（Bluetooth）是一种标准的无线传输技术，可以实现移动设备与固定设备之间的连接，且可以连接多台设备，克服了同步困难的问题。

家居系统控制要求实现低功耗的无线传输，且传输距离要在10-15m左右，所以选择蓝牙模块做为无线连接最为合适。[13]

3.4 系統功能简述

系统蓝牙与语音控制，功能如下：

（1）通过智能设备控制家电;

1）手机可以发送ID到F407实现root注册。

2）获得权限用户可以添加/删除成员。

3）若被非法注册，可以通过一件还原重置系统。

（2）利用智能家居APP可以控制开/关门、开/光灯、开/关风扇;

（3）语音+人脸识别开/关门;

（4）语音控制开/关灯、开/关风扇、播放/暂停音乐等功能;

（5）可以时刻监察家中的温度/湿度，当地震发生时会自动报警。

3.5 硬件设计部分

3.5.1 蓝牙通信模块

鉴于上述系统指标，我们这里选择HC-05蓝牙模块，38400bit/s满足要求、5V/3.3V电源可直接接入，引出口包括VCC、GND、TXD、RXD、KEY几个接口，较为丰富。

HC-05与单片机连接只需要4根线即可：VCC、GND、TXD、RXD，VCC和GND供电，模块TXD和RXD与F407的RXD和TXD连接即可。

HC-05蓝牙模块接收设备发送的指令，再发送至F407，整个过程采用的是串行通信。串行通信是指数据按位串行按顺序传送的通信方式，构成的二进制数在一条通道上传输，以位为单位，按时间顺序输入方式。

3.5.2 摄像头模块

摄像头采用OV2655，OV2655是一款图像传感器，体积小，工作电压3.3V/5V，可供F407UXGA摄像头和影像处理的所有功能。通过SCCB总线控制，可以调整输出帧数、子采样、窗取景等各种功能。OV（OmmiVision）公司独特的图像传感器技术，可以通过减少或消除光学、电子缺陷，来提高图像质量。

3.5.3 光强传感器模块

本系统光强传感模块选择TSL2561，其反应速度快、功耗低、量程宽、且工作电压为3.3V，适合F407进行编程控制。

3.5.4 SD卡接口电路

F407的SDIO控制器支持多媒体卡、SD卡等设备。

3.5.5 温湿传感器

该系统采用SHT11作为温湿传感器， SHT11是一款高度集成的传感芯片，提供全程标量的数字信号输出，不用外接ADC，较为方便。

4 系统调试

4.1 系统测试内容

該系统将模拟几个生活中常见的情况，进行测试。

（1）住户回家人脸识别+语音控制开门;

（2）住户回家LCD屏显示温湿度;

（3）语音控制灯、风扇、音乐等;

（4）地震报警;

（5）使用手机控制家电。

4.2 蓝牙部分调试

测试内容：在有效范围内（12m），用手机与系统连接，仅限一个设备连接，防止系统报错。

4.3 语音控制部分调试

测试内容：在房间内，早中晚三次分别进行指令测试20次，测试结果如下：

早上：识别13次，准确率65%。

中午：识别19次，准确率95%。

晚上：识别20次，准确率100%。

从上结果知，早上可能因温度原因测试不准确，但中午晚上准确率较高，符合要求。

4.4 人脸识别部分测试

测试内容：人脸识别准确率。

白天96%。

夜间81%。

符合技术指标。

4.5 地震部分测试

测试内容：摇动系统，检测系统是否出现报警声。

当系统摇晃到一定角度时，系统发出报警声，符合技术指标。

5 结论

本系统通过STM32F407作为主控芯片，设计了智能家居系统，通过该系统，能够方便、高效、安全的对家电设备进行实时控制，极大的提高了生活的安全性和自主创新性。

附录

附录一：硬件使用

1.DS0（连接在PF9），DS1（连接在PF10）

2.蜂鸣器（连接在PG14）

3.按键KEY0（PE4）/KEY1（PE3）/KEY2（PE2）/KEY_UP

4.外部SRAM（IS62WV51216，通过FSMC驱动，FSMC_NE3接SRAM）

5.串口1

6.串口3

7.定时器TIM1，TIM2，TIM3，TIM6，TIM7，TIM12

8.RTC（实时时钟）

9.ADC（读取内部温度传感器）

10.WM8978（音乐播放/视频播放/NES游戏）

11.光敏传感器（连接在PF7）

12.24C02（IIC连接在PB8/PB9上面）

13.DS18B20传感器一个（接在PG9上）

14.NRF24L01模块

15. OV2655摄像头模块

16.USB_SLAVE接口

17.USB_HOST接口

18.LAN8720

19.SD卡

参考文献：

[1] 李伟强.物联网技术成引擎为智能家居添动力[J].中国公共安全（综合版），2012，14（06）：64-66.

[2] 夏宏波.基于ARM Linux的小区智能监控系统设计[D].西安交通大学，2007.

[3] 吕长飞.智能小区管理控制系统的设计研究[D].河北农业大学，2008.

[4] 蒋立兵.基于STM32的智能家居控制系统的设计与开发[D].北京邮电大学，2011.

[5] 程明明.智能家居无线传感器网络设计与实现[D].大连理工大学，2011.

[6] Zhiliang Chen; Liguotoning system based Tian; Meng Li;on  NRF24L01 [J] Design of wireless Zhang; Yongliang Wang， "LED control，" Control and Decision Conference （CCDC）， 2012 24th Chinese vol.no.pp.656，659，23-25 May 2012.

[7] 韦积慧.基于nRF24L01的无线网络设计与实现[D].吉林大学，2012.

[8] 朱桂峰.基于nRF24L01的无线传感局域网络的研究与设计[D].河北大学，2011.

[9] 满莎.基于ARM的智能家居系统的研究[D].湘潭大学，2010.

[10] 王君.嵌入式智能家居安防监控系统的设计[J].微计算机应用，2010（10）：45-49.

[11] 岳强，李明，吕宪伟.基于STM32控制的智能门铃阴[J].机电产品开发与创新，2013（02）：93-95.

[12] 王超，骆德汉，郑魏，姚长标，廖中原.基于STM32的嵌入式智能家居无线网关设计[J].计算机技术与发展，2013（03）：241-244.

[13] 李扬.基于嵌入式技术的智能家居系统设计与实现[D].华东理工大学，2012.

西华大学，四川 成都