摘 要： 設計了以STM32單片機為核心的智能家居控制系統。該系統以語音識別技術和GSM通信技術為基礎，完成控制臺、手持設備及門禁密碼鎖之間的通信，實現對室內家居電器的遠程控制。實驗結果表明，該系統運行穩定，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞： 智能家居；STM32單片機；無線通信
智能家居(又稱智能住宅)是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境，是融合了自動化控制系統、計算機網絡系統和網絡通信技術于一體的家居控制系統。近年來，隨著人們生活水平的提高以及計算機技術、通信技術和網絡技術的發展,智能家居逐漸成為未來家居生活的發展方向[1]。因此在實現智能控制的同時，研制一個成本低、實用性強的智能家居系統便顯得非常有必要。
本文以STM32單片機為核心設計了一套智能家居控制系統。該系統以語音識別、GSM通信等技術為基礎，通過無線通信、串口通信對系統各部分進行串聯，用戶可通過門禁密碼鎖驗證身份后進入智能家居系統，利用總控制臺設定室內家居的狀態，亦可借助觸屏手持設備、GSM手機等對室內家居進行手動或語音控制。
1 智能家居系統硬件平臺
建立智能家居控制系統,硬件是關鍵和基礎，它對整個系統的穩定性、控制和反饋的準確性、節能性都有直接影響。本智能家居系統選用了以下硬件設備：
(1) STM32F103VET6微處理器及STC12-
C5A60S2微處理器
系統中手持設備的微處理器選用STM32F103VET6，總控制臺及門禁密碼鎖部分選用STC12C5A60S2。
STM32F103VET6基于ARM Cortex M3 32 bit的RISC內核,工作頻率最高可達72 MHz,內置高速存儲器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM),豐富的增強I/O端口和連接2條APB總線的外設[2]。
STC12C5A60S2是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051。內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉換。
(2) 語音識別芯片 LD3320
LD3320芯片是一款語音識別專用芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路,包括A/D、D/A 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。可以實現語音識別、聲控及人機對話功能，并且可以任意動態編輯、識別關鍵詞語列表。
(3) GSM模塊TC35
TC35是一款雙頻900 MHz、1 800 MHz高度集成的GSM模塊，具有性能穩定，功耗低及易于集成的特點。
(4) 無線模塊nRF24L01
nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段之間。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器及調制器等功能模塊,并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。
(5) 3.2英寸TFT真彩觸摸屏顯示模塊
該模塊功耗低,支持8 bit、16 bit總線接口,模擬I/O控制，彩屏模塊上配置ADS7843觸摸控制器,支持一個SD卡（SPI方式），支持一個SPI的DATA Flash,構成人機交互圖形界面。
2 智能家居系統設計及實現
本智能家居系統主要包括手持設備、總控制臺、門禁密碼鎖3個部分。總體結構如圖1所示。
該系統通過微處理器完成整體的控制功能，利用無線通信及串口通信對系統各部分進行串聯。通過門禁密碼鎖部分完成身份認證功能，接收處理短信指令，實現戶外控制；利用手持設備實現在室內任意地點的實時控制；通過總控制臺接收指令，最終完成各項控制操作。
本智能家居系統的操作方式如下。
（1）身份驗證
門禁密碼鎖通過串口完成與控制臺的通信，設定密碼存入STC12C5A60S2單片機EEPROM,TFT觸摸屏顯示人機界面。單片機獲取輸入信息，進行比對處理后將結果傳至控制臺。
（2）語音控制
語音信號通過語音設備輸入，STM32F103VET6單片機通過SPI總線接收。單片機處理后通過SPI傳輸指令至nRF24L01無線模塊。無線模塊發送指令至總控制臺，總控制臺接收處理信息，完成相應的控制步驟。
（3）TFT觸摸屏控制
觸摸屏操作產生電平信號，經過轉換后通過串行總線傳輸至STM32F103VET6單片機接受處理。
（4）短信控制
GSM模塊接收短信，經STC12C5A60S2單片機讀取后，通過串口傳輸發送指令至總控制臺等候處理。
（5）總控制臺操作控制
TFT觸摸屏顯示人機界面。STC12C5A60S2單片機獲取操作信息并作出相應處理。
3 智能家居系統軟件設計
整個智能家居系統以STM32微處理器為控制核心，使用C語言編寫。智能家居系統的軟件可分為手持設備、總控制臺以及門禁密碼鎖3個部分，主要由底層驅動程序、系統主程序、顯示子程序、無線通信子程序、語音識別子程序及GSM子程序等部分組成。手持設備的軟件控制流程如圖2所示。總控制臺的軟件控制流程如圖3所示。門禁密碼鎖的人機界面軟件控制流程如圖4所示。
3.1 語言模塊軟件設計
語音識別是本系統的重要功能之一。語音識別程序的設計，參考了LD332X開發手冊[3]，采用中斷方式工作,其操作順序如下：
（1）初始化
在初始化程序里，主要完成軟復位、模式設定、時鐘頻率設定、FIFO設定等程序設置[4]。
（2）建立識別列表
識別列表在LD3320中建立，規則是每個識別條目為標準普通話的漢語拼音（小寫）,每兩個字（漢語拼音）之間用一個空格間隔。每個識別條目對應一個特定的編號（1個字節），不同的識別條目的編號可以相同，且不用連續，但數值要小于256（00H～FFH）。LD3320最多支持50個識別條目。
（3）開始識別
設置相關的寄存器，開始語音識別。在LD3320芯片正式開始識別之前設置當前狀態(例如：LD_ASR_RUNING狀態或者LD_ASR_FOUNDOK狀態)。ADC通道為麥克風輸入通道，ADC增益即麥克風音量，可設定值00H～7FH。本系統采用40H～6FH的設定值。設定值過大容易造成識別啟動過于敏感，產生誤識別；設定值過小則需要近距離說話才能啟動識別功能。
（4）響應中斷
麥克風采集到聲音后，將產生一個中斷信號。中斷程序根據寄存器的值分析結果，通過讀取BA寄存器的值獲取候選答案個數；讀取C5寄存器里的值，獲取最正確答案的對應編碼。
3.2 無線模塊軟件設計
nRF24L01無線傳輸程序的設計采用增強型的ShockBurstTM模式下工作。典型的雙向鏈接為：發送方要求終端設備在接收到數據后有應答信號，以便于發送方檢測有無數據丟失。一旦數據丟失，則通過重新發送功能恢復丟失的數據。
發射數據：設置nRF24L01為發射模式；將地址TX_ADDR和數據TX_PID按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區，TX_PLD在CSN為低時連續寫入，TX_ADDR在發射時寫入一次；CE置為高電平并保持10 ?滋s，延遲130 ?滋s后發射數據；開啟自動應答,nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式,接收應答信號。如果收到應答,則認為此次通信成功，TX_DS置高,清除TX_PID；若未收到應答,則自動重新發射該數據[5]。
接收數據：設置nRF24L01為接收模式，延遲130 ?滋s后進入接收狀態等待數據。當檢測到有效數據時，存儲數據包，同時進入發射狀態回傳應答信號。
3.3 GSM模塊軟件設計
TC35模塊采用AT賀氏指令。單片機可以通過正確的AT指令對TC35模塊進行初始化和短消息的接收發送。對短消息的控制有Block模式、PDU模式和Text模式。使用Block模式需要手機生產廠家提供驅動支持。目前PDU模式已取代Block模式，而Text模式不支持中文,因此本系統使用PDU模式進行短消息的接收和發送[6]。
本文設計了一個基于STM32的智能家居控制系統。由STM32及STC12C5A60S2微處理器完成整體控制功能，通過移動手持設備、總控制臺及門禁密碼鎖系統3部分實現人機界面在家居系統的智能化應用，以期達到人機交流的最優化；該系統具備識別性好、安全性高、節能環保、易控制、抗干擾及成本低等優點。系統實驗階段運行良好，其實驗成果將為家居系統智能化的進一步推廣應用提供新的方向。
參考文獻
[1] 張逢雪,王香婷,王通生,等.基于STM32單片機的無線智能家居控制系統[J]. 自動化技術與應用, 2011,30 (8):
98-101.
[2] STM32F103x8/B增強型系列中容量產品數據手冊[EB/OL].(2009-04) [2012-04]. http://www.stmicroelectronics.corn.Cn/stonline/mcu/MCU-Pages.htm.
[3] ICRoute.LD332X開發手冊[EB/OL]. [2010-10-13].http:// www.icroute.com/web_cn/DownLoad.html#LD332X-Manual.
[4] 蘇鵬,周風余,陳磊.基于STM32的嵌入式語音識別模塊設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2011,11(2):42-45.
[5] 時志云,蓋建平,王代華,等.新型高速無線射頻器件nRF24L01及其應用[J].國外電子元器件,2007(8):42-44.
[6] 劉濤,張春業,韓旭東,等.基于手機模塊TC35的單片機短消息收發系統[J].電子技術,2003,30(3):36-38.