基于物联网与语音控制的家用电器系统设计毕业设计论文.docx
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基于物联网与语音控制的家用电器系统设计毕业设计论文
基于物联网与语音控制的家用电器系统
摘要
智能家居通过物联网技术将家中的各种设备(如音视频设备、照明系统、空调控制、安防系统等)连接到一起,提供家电控制、照明控制、防盗报警、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。
本系统选用32位微控制器F103ZET6作为微处理器,由语音识别部分、NRF24L01无线通信模块、红外通信部分和液晶显示模块、RC522模块组成,实现语音来控制各家电的运行。
本系统控制信号的发射端,由语音识别芯片LD3320识别人的语音指令,经过32位微控制器处理,发出相应的控制命令,由NRF2401发送控制信号控制照明系统,由红外通信电视、空调等红外光家电,RC522模块来识别IC卡来作为门禁系统。
关键词:
物联网智能家居语音识别通信
ABSTRACT
IntelligentHomeFurnishingthroughtheInternetofthingstechnologytovariousdevicesinthehome(suchasaudioandvideoequipment,lightingsystem,airconditioningcontrol,securitysystemetc.)together,providinghomeappliancecontrol,lightingcontrol,burglaralarm,infraredtransmittingandcanbeavarietyofprogrammingtimecontrolfunctionsandmeans.Thissystemuses32位微控制器F103ZET6asthemicroprocessor,aspeechrecognitionpart,aNRF24L01wirelesscommunicationmodule,infraredcommunicationpartandaliquidcrystaldisplaymodule,RC522module,voicetocontrolthehouseholdappliancesoperation.
本系统控制信号的发射端,由语音识别芯片LD3320识别人的语音指令,经过STM32处理,发出相应的控制命令,由NRF2401发送控制信号控制照明系统,由红外通信电视、空调等红外光家电,RC522模块来识别IC卡来作为门禁系统。
Thetransmittersignalcontrolofthesystem,thespeechrecognitionchipLD3320recognizevoicecommands,after32bitMCUtreatment,sendsoutthecorrespondingcontrolcommand,controlbytheNRF2401tosendsignalstocontrolthelightingsystem,theinfraredcommunication,infraredTVairconditioningappliances,RC522moduletoidentifyasICcardentranceguardsystem.
keywords:
TheInternetofthingsSmartHome32bitMCUvoicerecognitionCommunication
1概述
1.1立项依据
随着社会经济的快速发展,公民的生活水平也在不断提高,对于生活用品,尤其是家用电器提出了更高的要求。
以往的半自动甚至于全自动家电越来越不能满足需要,因为现如今的家用电器要面临更多的要求,比如更复杂的工作环境,更高级的功能实现,于是对于智能家电的呼声越来越高,家电行业也注意到了这一发展态势,纷纷在智能家电这个课题上开展了各种类型的研究。
1.2课题研究的目的和意义
智能家居经过一直以来的发展,目前在传感器和微控制器技术上已经日渐成熟,子系统的稳定性和扩展性已经完全能够满足日常的需要。
但是随着技术的不断进步,智能家居的发展不会仅仅停留在子系统这种独立和一维的水平上,体现在发展趋势上就是网络化和人机交互的进一步优化,也就是建立更加友好和易用的人机交互界面。
本课题就围绕网络化(物联网)与人机界面(语音识别)两个方面进行了深入研究。
网络化方面,本设计采用了不同种类的通信方式,实现了传感器与微控制器之间以及子系统之间的互通互联、信息交流,在物联网中,通信方式并没有好坏之分,不同的通信方式有着不同的特性,故有不同的适用场合,比如红外通信的结构简单,指向性强,抗干扰能力强,但是作用距离短,NRF24L01的作用距离相对远,但是指向性弱,容易被其他类似频段的无线通信信号所干扰,硬件设计相对复杂,所以只有最适合当下通信要求的方式才是最佳方案,不同的通信方式的集成虽然会增加系统的复杂度,但是对于提升系统的运行效率以及环境适应能力具有明显的作用。
当下的智能家居交互界面多通过显示方式实现,也就是光、电方式。
虽然界面直观,也可以进行触摸等人类自然操作,但是距离人的最常用的交流方式——语音,还有很大差距。
语音包含信息丰富,展示方式直接,是最接近人的自然交流方式,在所有方式中,是理论上存在交流障碍最少的,也是最直接的。
随着语音识别技术的逐渐深入和成熟,语音交互界面(VII)逐渐成为HMI(人机交互界面)研究的新热点。
语音交互界面与其他交互方式的结合,不仅可以在个方式之间取长补短,同时可以提高信息的准确性,降低使用难度,尤其是提高对于残障人士或是老年人、幼儿的友好程度,降低了系统的使用门槛,提高了系统对于不同年龄段的人的适应能力。
语音识别输入,语音助手等现实应用的成功推广,标志着语音识别引擎已经日趋成熟,降低了在简单系统里实现语音采集和识别的难度,使得智能家居人机交互界面的语音化正在逐步成为现实,真正服务于千家万户。
本课题采用建立实物模型的方式,主要对以上两个问题进行研究,以期探索两者在智能家居领域进行结合,并最终协调工作,实现网络化和人机界面语音话的可行性,以及在日常生活中的易用性。
为以后相关产品的设计提供有效的对照与参考。
1.3国内外研究状况
1984年,第一幢智能建筑在美国出现,而后,欧美以及东亚的经济发达的国家先后提出了智能家居的方案。
在美国、西欧以及东亚的发达国家内,智能家居得到了广泛应用,在制定国际智能家居产业标准,以及探索智能家居服务模型中起到了非常重要的作用。
1998年,微软提出“维纳斯计划”,在这之后,智能家居的相关行业都在积极推动这个产业的发展。
但是严格地说,目前的智能家居的发展水平仅处于初级阶段。
面对智能家居带来的巨大市场,Cisco、Intel、Motorola、国际商业机器有限公司、韩国乐金等国际大公司都加入到这个领域,研发智能家居系统。
在许多发达国家,智能家居产业已经取得了巨大的发展和进步,但由于不同国家之间,在经济水平和消费观念上存在差异,所以对智能家居的各种要求与期望也都不同。
在美国,智能家居的推广是凭借数字家庭和数字技术改造的契机,目标是追求舒适,注重享受,但与此同时消耗了巨大的能源,没有符合当下低碳环保、高效节能的理念。
而智能家居在日本,更看重用户的实际体验,更多地采用新工艺、实践新技术的同时,也充分利用网络化、IT技术、AI技术,并兼顾环保节能的理念。
在德国的智能家居,则主要追求专利功能上的开发,更多的注重系统的功能性。
韩国支持并且在政策上鼓励智能小区和智能家居的开发与建设,目前韩国国内80%以上的新建居住项目在设计上均采用智能家居系统或智能家居的理念。
相比之下,国内对智能家居系统的研究与应用起步较晚。
在2000年左右,智能家居的概念才逐步进入国人视野,之后有一部分厂家开始试水智能家居的开发和应用。
后来在2003年到2010年,国内自主研发的智能家居产品和服务逐步应用于市场,如今的市场已经初具规模。
在国内经济的快速发展以及居民生活水平的持续提高的同时,国内从事智能家居相关产业的厂家也在不断增加,但是总体上可以分为三类:
一是针对居住和工作环境进行设计的厂家,这类厂商主要在自动报警、安监、环监等领域进行设计;二是在家用电器上进行设计的厂家,它们本身多为家电的生产商,这类厂家将家用电器的设计标准化,并且以标准化平台作为基础来搭建智能家居的网络;第三类厂家专注于外围设备与元器件的生产与设计,通过配合前两类厂商,提供各类智能接口模块以及技术支持。
虽然目前国内的智能家居控制系统产品很多,但是由于国内智能家居相关的行业标准以及技术标准一直未能统一,在某种程度上制约了国内智能家居行业的进一步发展。
除了上面的原因,人机界面不友好、售后体验差、价格过高等因素也制约了国内智能家居行业进一步发展。
1.4拟解决的主要问题
本小组基于物联网技术的智能车位管理系统主要解决以下问题:
1)32位微控制器F103ZET6芯片的主控程序的编写,要求在完成主控任务之外,运行高效稳定。
2)语音模块、无线通信芯片等在32位微控制器F103ZET6的控制下的驱动程序的编写,要求能稳定与主控芯片进行通信的同时,能稳定地进行语音识别,并将信息存储到SD卡中。
3)对语音识别流程的调试和优化,即对语音交互界面的界面进行优化和改进,提高识别准确率的同时,使得界面明确、易用。
2方案的确定
2.1设计方案论证
一、开发板的选择
STM32微控制器:
该开发板是32位单片机,具有大量引脚可外接大量外设,功能强大;时钟最高可达72MHz,运行速度快;功耗小,易于安装;C语言编程操作简单。
缺点价格较高。
MCS-51:
该开发板是8位单片机,体积小易于携带,功耗低;价格低廉使用范围广;C语言编程操作简单。
其缺点是管脚太少,若外挂模块则容易发生混乱。
在经过讨论后本课题小组决定使用32位微控制器STM32F103。
选用32位微控制器,首先确保智能家居系统的稳定运行,以及各无线模块的稳定通讯;再者物联网功能复杂需要外接大量外设,便于系统的开发;MCS-51因为性能限制正逐渐被淘汰,选用32位微控制器也大大延长了系统被淘汰的时间。
本系统采用32位微控制器开发板作为总控平台,以物联网技术作为系统支撑,语音识别和NRF24L01模块作为信息交换的通道。
通过各个模块之间的信息交互与数据判断来执行各种指令,实现对家电的控制。
2.2工作原理
在本系统中,采用两块32位微控制器STM32F103作为控制总机。
智能家居系统的接收端由语音识别芯片接收人发出的声音,进行识别,32位微控制器处理识别到的指令,发出相应的控制命令,经过NRF通信和红外通信发送到对应的接收端,来控制相应家电;LCD显示屏显示相应操作,直观展示所有功能。
工程模型如下图2.1所示。
图2.1系统模型框图
2.3功能模块简介
2.3.1红外通信模块:
NEC协议
红外遥控的编码目前广泛使用的是:
NECProtocol的PWM(脉冲宽度调制)和PhilipsRC-5Protocol的PPM(脉冲位置调制)。
本设计使用的是NEC协议,其特征如下:
1)8位地址和8位指令长度;
2)地址和命令2次传输(确保可靠性)
3)PWM脉冲位置调制,以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”;
4)载波频率为38Khz;
5)位时间为1.125ms或2.25ms;
NEC码的位定义:
一个脉冲对应560us的连续载波,一个逻辑1传输需要2.25ms(560us脉冲+1680us低电平),一个逻辑0的传输需要1.125ms(560us脉冲+560us低电平)。
而红外接收头在收到脉冲的时候为低电平,在没有脉冲的时候为高电平,这样,我们在接收头端收到的信号为:
逻辑1应该是560us低+1680us高,逻辑0应该是560us低+560us高。
NEC遥控指令的数据格式为:
同步码头、地址码、地址反码、控制码、控制反码。
同步码由一个9ms的低电平和一个4.5ms的高电平组成,地址码、地址反码、控制码、控制反码均是8位数据格式。
按照低位在前,高位在后的顺序发送。
采用反码是为了增加传输的可靠性(可用于校验)。
2.3.2无线通信模块:
NRF24L01
NRF24L01无线模块,采用的芯片是NRF24L01,该芯片的主要特点如下:
1)2.4G全球开放的ISM频段,免许可证使用。
2)最高工作速率2Mbps,高校的GFSK调制,抗干扰能力强。
3)125个可选的频道,满足多点通信和调频通信的需要。
4)内置CRC检错和点对多点的通信地址控制。
5)低工作电压(1.9~3.6V)。
6)可设置自动应答,确保数据可靠传输。
该芯片通过SPI与外部MCU通信,最大的SPI速度可以达到10Mhz。
本章我们用到的模块是深圳云佳科技生产的NRF24L01,该模块已经被很多公司大量使用,成熟度和稳定性都是相当不错的。
相比于普通的无线点信号,NRF24L01的优势在于2.4GHz的频段不仅数据量大,而且数据传输稳定,传输距离也比较远,通过调整发射功率,可与普通家用无线路由器的信号覆盖范围相当,真正实现在家用环境下的信号无缝覆盖。
模块的主要任务是在系统中传递语音识别的结果。
2.3.3语音识别模块:
LD3320
LD3320是一颗基于非特定人语音识别(SI-ASR:
Speaker-IndependentAutomaticSpeechRecognition)技术的语音识别/声控芯片。
提供了真正的单芯片语音识别解决方案。
LD3320芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口,不再需要外接辅助的Flash和RAM,即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。
并且,识别的关键词语列表是可以动态编辑的。
基于LD3320,可以在任何的电子产品中,甚至包括最简单的51单片机作为主控芯片的系统中,轻松实现语音识别/声控/人机对话功能。
为所有的电子产品增加VUI(VoiceUserInterface)语音用户操作界面。
语音识别ASR技术,是基于关键词语列表识别的技术。
只需要设定好要识别的关键词语列表,并把这些关键词语以字符的形式传送到LD3320内部,就可以对用户说出的关键词语进行识别。
不需要用户作任何地录音训练。
ASR技术最重要的现实意义就在于提供了一种脱离按键,键盘,鼠标的基于语音的用户界面VUI:
VoiceUserInterface。
使得用户对于产品的操作更快速,更自然。
基于领先的语音识别核心引擎,经过在各大主流手机产品中三年来超过一千万份的量产检验,LD3320提供了可以真正实用的语音识别/声控功能。
ASR技术是基于关键词语列表识别的技术。
每次识别的过程,就是把用户说出的语音内容,通过频谱转换为语音特征,和这个关键词语列表中的条目进行一一匹配,最优匹配的一条作为识别结果。
比如在手机的应用中,这个关键词语列表的内容就是电话本中的人名、手机的菜单命令、TF卡中的歌曲名字。
不论这个列表的条目内容是什么,只需要用户设置相关的寄存器,就可以把相应的待识别条目内容以字符形式传递给识别引擎。
LD3320可以识别列表中的关键词,用户说的语音可以是这个列表中任意的关键词语,而且不需要用户在识别前进行任何训练。
模块提供了语音识别功能,同时也提供了本系统的语音交互界面。
综上所述,LD3320的主要特征有:
♦通过ICRoute公司特有的快速而稳定的优化算法,完成非特定人语音识别。
不需要用户事先训练和录音,识别准确率95%。
♦不需要外接任何辅助的Flash芯片,RAM芯片和AD芯片,就可以完成语音识别功能。
真正提供了单芯片语音识别解决方案。
♦识别句内容可以动态编辑修改,因此可由一个系统支持多种场景。
♦芯片内部已经准备了16位A/D转换器、16位D/A转换器和功放电路,麦克风、立体声耳机和单声道喇叭可以很方便地和芯片管脚连接,能产生清晰响亮的声音。
♦支持并行和串行(SPI)接口,串行方式可以简化与其他模块的连接。
♦可设置为休眠状态,而且可以方便地激活,节能。
♦支持MP3播放功能,无需外围辅助器件。
♦工作供电为3.3V,如果用于便携式系统,使用3节AA电池就可以满足供电需要。
2.3.4存储模块
本课题中的存储模块是指挂载于开发板上的SD卡存储器,SD卡(SecureDigitalMemoryCard)中文翻译为安全数码卡,它是在MMC的基础上发展而来,是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,它被广泛地于便携式装置上使用,例如数码相机、多媒体播放器等。
SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。
大小犹如一张邮票的SD记忆卡,重量只有2克,但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
SD卡一般支持2种操作模式:
1)SD卡模式(通过SDIO通信);
2)SPI模式;
主机可以选择以上任意一种模式同SD卡通信,SD卡模式允许4线的高速数据传输。
SPI模式允许简单的通过SPI接口来和SD卡通信,这种模式同SD卡模式相比就是丧失了速度。
存储模块在本系统中的作用为记录语音识别后产生的识别结果,用户可以直接在生成的文本文件中查看记录。
2.3.5LCD屏显示模块
LCD屏显示模块除了由明显的触摸屏本身组成之外,还有一个负责驱动显示的驱动芯片,本设计中采用的是ILI9341(屏幕)与XPT2046(驱动芯片)的组合。
我们一般液晶所用的触摸屏,最多的就是电阻式触摸屏了(多点触摸属于电容式触摸屏,比如几乎所有智能机都支持多点触摸,它们所用的屏就是电容式的触摸屏)本课题中使用的是电阻式触摸屏,下面简单介绍下电阻式触摸屏的原理。
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。
电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏,这是一种多层的复合薄膜,它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层,表面涂有一层透明氧化金属(透明的导电电阻)导电层,上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层、它的内表面也涂有一层涂层、在他们之间有许多细小的(小于1/1000英寸)的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。
当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了接触,电阻发生变化,在X和Y两个方向上产生信号,然后送触摸屏控制器。
控制器侦测到这一接触并计算出(X,Y)的位置,再根据获得的位置模拟鼠标的方式运作。
这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。
本设计的触摸屏模块自带的触摸屏控制芯片为XPT2046。
XPT2046是一款4导线制触摸屏控制器,内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器。
XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压I/O接口。
XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置,除此之外,还可以测量加在触摸屏上的压力。
内部自带2.5V参考电压可以作为辅助输入、温度测量和电池监测模式之用,电池监测的电压范围可以从0V到6V。
XPT2046片内集成有一个温度传感器。
触摸屏模块通过显示与触摸,提供除了语音交互之外的输出与输入方式,方便在不同情况下查看系统工作状态以及对系统输入指令,增强系统的灵活性。
2.3.6射频识别模块
MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片,是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片,是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。
MFRC522利用了先进的调制和解调概念,完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。
支持14443A兼容应答器信号。
数字部分处理ISO14443A帧和错误检测。
此外,还支持快速CRYPTO1加密算法,用语验证MIFARE系列产品。
MFRC522支持MIFARE系列更高速的非接触式通信,双向数据传输速率高达424kbit/s。
作为13.56MHz高集成度读写卡系列芯片家族的新成员,MFRC522与MFRC500和MFRC530有不少相似之处,同时也具备许多特点和差异。
它与主机间通信采用SPI模式,有利于减少连线,缩小PCB板体积,降低成本。
3硬件设计
3.1总体硬件电路设计
本系统硬件部分主要由微处理器模块、语音识别模块、NRF通信模块、红外通信模块以及液晶显示模块组成。
人发出的声音命令由语音识别模块进行识别,经过32位微控制器微处理器处理后发出相应的控制指令,并存到SD卡,通过NRF通信和红外通信发射信号,接收端接收到控制信号后作出相应动作,并由液晶屏界面直观显示出来,总体电路示意图如图3.1所示。
图3.1系统总体电路示意图
3.2各模块硬件设计
3.2.1主控模块
主控模块的电路图如图所示:
图3.232位微控制器F103ZET6电路图(包含晶振)
图3.332位微控制器F103ZET6复位及启动选择管脚
3.2.2NRF24L01无线通信模块
本课题使用的NRF24L01模块的硬件电路设计如图所示(主控模块预留了NRF24L01的专用排针接口):
图3.4无线通信模块电路图
3.2.3LD3320
本课题采用的是ICRoute公司生产的M-LD3320语音识别模块,本模块的硬件主电路设计如图所示:
图3.5语音识别模块实物图
图3.6M-LD3320模块示意图
图3.7LD3320模块电路图
图3.8LD3320模块晶振以及电源部分电路图
图3.9LD3320引脚示意图
图3.10L3320内部逻辑电路示意图
3.2.4HS0038
本课题中HS0038的硬件电路设计如图所示(HS0038位于主控模块上):
图3.11HS0038电路图
3.2.5液晶显示模块
本设计的触摸显示模块中采用的ILI9341(屏幕)与XPT2046(驱动芯片)的硬件电路如图所示:
图3.12显示屏模块电路图
图3.13XPT2046管脚定义图
3.2.6射频识别模块
图3.14射频识别模块电路图
3.2.7SD卡模块
图3.15SD卡模块电路图
4软件设计
4.1设计思想
本课题中的系统主要涉及语音识别、无线通信、触摸显示以及红外通信,所以程序应该围绕这四个功能展开,首先这几个模块在硬件上与主控芯片兼容,故可以按照定义直接连接,在编写程序时应该注意避开管脚上的冲突。
从每个模块的硬件特征上分析,每个模块中的芯片均为针对其特定功能所设计,故每个芯片在被正确设置、正常供电的情况下,可以稳定的工作,主控芯片只负责协调各个模块之间工作而不负责具体的功能,所以程序的设计重点应该在于保证主控与模块芯片之间的通信稳定高效,具体到软件上就体现为,基于32位微控制器平台的各模块芯片的驱动程序的编写。
因此,为了提高程序运行的稳定性,并且使程序易于维护,应该将每个模块的驱动程序设计为单独的程序块,这样不仅能方便、独立地调试每个模块的工作,而且使开发和维护人员能很轻松地对系统的功能进行扩展,通过增加不同程序的专用程序块,将对应模块的驱动程序进行独立封装,即可以做到类似于“即插即用”的效果。
将每个模块的功能被写成单独的循环主函数,主循环中依次调用这些模块主函数,因为主控芯片运行速度快,调用函数代码简单,所以用户不会察觉出这些功能函数之间切换产生的空白时间。
如此将各个功能条理地组合起来,成为一个
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