摘要: 隨著人們生活水平的提高，智能化生活觀念不斷普及，物聯(lián)網(wǎng)智能家居已成為智能家居發(fā)展的新趨勢(shì)，為此基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套智聯(lián)網(wǎng)家居控制系統(tǒng)，主要由主控制器模塊、WiFi物聯(lián)網(wǎng)模塊、LED控制模塊、插座控制模塊、窗簾控制模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊組成。該系統(tǒng)使人們的生活變得更加舒適和便捷，同時(shí)還能監(jiān)控家中的安全隱患，應(yīng)用廣泛。

一、系統(tǒng)方案選擇

（一）物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)選擇

機(jī)智云為企業(yè)和個(gè)人開(kāi)發(fā)者提供了物聯(lián)網(wǎng)PaaS云服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)應(yīng)用API、完善的SDK和IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境、控制器代碼自動(dòng)生成器、App代碼自動(dòng)生成器和微服務(wù)，提供大數(shù)據(jù)分析、人工智能應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)。通過(guò)機(jī)智云Aiot開(kāi)發(fā)平臺(tái)，企業(yè)和開(kāi)發(fā)者可以快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)連接管理、設(shè)備管理、應(yīng)用支持、數(shù)據(jù)分析、計(jì)費(fèi)分析、安全控制和第三方系統(tǒng)集成能力，構(gòu)建、部署和管理物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和應(yīng)用。

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下可以連接大數(shù)量的設(shè)備，并且支撐設(shè)備采集數(shù)據(jù)上傳云端；向上提供云端API，指令數(shù)據(jù)通過(guò)API調(diào)用下發(fā)到設(shè)備端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外，IoT平臺(tái)提供其他增值能力，例如設(shè)備管理、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)分析、邊緣計(jì)算等等。

由于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相較于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)完善，開(kāi)發(fā)周期短，故本設(shè)計(jì)選用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

（二）語(yǔ)音識(shí)別方案選擇

ISD9160是應(yīng)用于音頻記錄播放的低功耗系統(tǒng)芯片（SOC）。ISD9160擁有一個(gè)CortexTM-M0核，最大工作頻率為50MHz，內(nèi)置145K字節(jié)的存儲(chǔ)器和12K字節(jié)的SRAM。ISD9160配備了豐富的外設(shè)、多種串行接口（UART,SPI/SSP,I2C,I2S）。ISD9160集成了80分貝SNR和可編程增益放大器（PGA），可搭載麥克風(fēng)，還配備了一個(gè)差動(dòng)D類放大器，可直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)8歐姆揚(yáng)聲器，輸出功率為1W。

LD3320在設(shè)計(jì)上非常注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片，如Flash、RAM等存儲(chǔ)芯片，從而降低了成本，將此芯片直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音控制、人機(jī)對(duì)話等功能，這是一個(gè)真正的單芯片解決方案。

由于LD3320語(yǔ)音識(shí)別方案比ISD9160方案技術(shù)成熟，且價(jià)格便宜，所以選用LD3320語(yǔ)音識(shí)別方案。

（三）無(wú)線通信方案選擇

藍(lán)牙是一種用于短距離的無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)藍(lán)牙把電子裝置連接起來(lái)，可以省去傳統(tǒng)布線的麻煩。在當(dāng)今數(shù)據(jù)**的時(shí)代，高速通信是必需的，而藍(lán)牙的通信速率不是很高，從而影響到它的發(fā)展，并且藍(lán)牙的頻段是一個(gè)開(kāi)放的頻段，抗干擾能力弱。

NRF24L01是由NORDIC產(chǎn)生的無(wú)線通信芯片，它采用FSK調(diào)制，集成NORDIC增強(qiáng)型短脈沖協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1至6的無(wú)線通信。輸出功率的信道選擇和協(xié)議設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行調(diào)控。它可以連接各種各樣的微控制器芯片，具備完整的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸能力。其具有無(wú)線通信速度快（可以達(dá)到2Mbps）、體積小、寬電壓工作、抗干擾能力強(qiáng)、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

因?yàn)榧彝ブ杏性S多電器，有時(shí)還要考慮信號(hào)穿透衰減等問(wèn)題，所以無(wú)線組網(wǎng)需要更強(qiáng)的穿透力以及抗干擾能力，此處選擇NRF24L01通信。

二、 硬件電路設(shè)計(jì)

（一）硬件總體方案設(shè)計(jì)

硬件方案主要由六部分組成，分別是主控制器電路、WiFi物聯(lián)網(wǎng)模塊控制電路、LED控制電路、插座控制電路、窗簾控制電路和語(yǔ)音識(shí)別電路，硬件的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)方案

（二）控制系統(tǒng)六大模塊

1．主控制器電路

主控制器由STM32單片機(jī)、NRF24L01無(wú)線發(fā)射模塊以及OLED液晶顯示模塊組成。是整個(gè)項(xiàng)目的控制核心，其他模塊都通過(guò)串口通信與主控制器連接到一起，其硬件電路如圖2所示。

圖2 主控制器原理圖

2. WiFi物聯(lián)網(wǎng)模塊控制電路

選用STM32F103C8T6單片機(jī)為控制芯片，此款單片機(jī)具有處理速度快、擴(kuò)展外設(shè)方便、運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。esp8266為WiFi模塊，DHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)家中的溫度濕度，MQ-2為煙霧氣體傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)家中空氣的煙霧或氣體，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，為家庭安全提供保障。物聯(lián)網(wǎng)模塊控制電路如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)模塊控制電路

3. LED控制電路

LED控制電路由單片機(jī)、NRF24L01接收模塊，以及繼電器模塊組成，如圖4所示。

圖4 LED控制硬件電路

4．插座控制模塊

插座控制電路與LED控制電路相同。

5．窗簾控制電路

窗簾控制電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、NRF24L01接收模塊和TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。

6．語(yǔ)音識(shí)別電路

語(yǔ)音識(shí)別模塊，選用了LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片，聲音信號(hào)處理芯片選用了STC11L08XE單片機(jī)，此款單片機(jī)處理速度快能夠達(dá)到處理音頻信號(hào)的需求。

三、 軟件設(shè)計(jì)

（一）連接機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

單片機(jī)連接機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，首先是協(xié)議初始化以及各個(gè)模塊的初始化函數(shù)，然后按鍵選擇網(wǎng)絡(luò)方式，如果網(wǎng)絡(luò)重置則會(huì)連接新的WiFi網(wǎng)絡(luò)，如果不操作則連接原網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)配置完成后開(kāi)始通過(guò)傳感器采集房間數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，以方便用戶的查看。其程序流程圖如圖5所示。

（二）主控制軟件

主控制器通過(guò)NRF24L01模塊分別與從控制器通信，從而控制從控制器。其軟件流程如圖6所示。首先是各個(gè)模塊初始化，然后等待串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)來(lái)了，就通過(guò)NRF24L01模塊發(fā)送出去，發(fā)送成功信號(hào)指示燈閃爍，如果沒(méi)有就一直等待。

四、 系統(tǒng)調(diào)試

（一）軟件調(diào)試

1．語(yǔ)音識(shí)別調(diào)試

編寫(xiě)程序，保證程序邏輯語(yǔ)句正確后，將程序下載到模塊中，然后給模塊上電，通過(guò)調(diào)試串口助手看是否可以正常識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如圖7所示。

2．物聯(lián)網(wǎng)模塊調(diào)試

物聯(lián)網(wǎng)模塊將家中的溫度、濕度等信息發(fā)送到云端，通過(guò)手機(jī)就可以查看，也可以通過(guò)手機(jī)控制家中的LED插座、窗簾等電器，模塊調(diào)試顯示界面如圖8所示。

（二）功能調(diào)試

接通電源，單片機(jī)運(yùn)行指示燈點(diǎn)亮，出于實(shí)際考慮，此處用直流電機(jī)模擬控制窗簾，電機(jī)正轉(zhuǎn)模擬開(kāi)窗簾，反轉(zhuǎn)模擬關(guān)窗簾。上電前電機(jī)是停止的，模塊等待接收主控制器發(fā)送指令，接收到指令時(shí)電機(jī)開(kāi)始動(dòng)作。經(jīng)測(cè)試本功能夠順利實(shí)現(xiàn)，模塊能夠正常運(yùn)行。控制系統(tǒng)的硬件組成如圖9所示。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)中的手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于利用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)結(jié)合硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別安全認(rèn)證機(jī)制。其中WiFi模塊通過(guò)連接家中的路由器，將各電器連接到機(jī)智云AIoT開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使室內(nèi)溫度、濕度以及煙霧氣體濃度等信息實(shí)時(shí)發(fā)送到云端，當(dāng)有煙霧氣體時(shí)，通過(guò)SIM800C模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

本設(shè)計(jì)具有投資少、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，還具有良好的可擴(kuò)展性。除了控制LED燈和窗簾以外，還可以將家中別的電器連接到插座上，通過(guò)插座控制別的電器，符合未來(lái)家居智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。

圖5 連接機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)流程圖

圖6主控制軟件流程圖

圖7 語(yǔ)音識(shí)別調(diào)試

圖8 APP界面

圖9 硬件組成