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基于STM-32的红外语音控制系统

日期:2018年12月29日

基于STM-32的红外语音控制系统

王国力;绳鹏;谢越;魏子乾;程亮亮;安钰强

合肥工业大学 合肥230002   

 

 

摘要目的:设计一种低成本、适应性强的基于WIFI的智能家居网关的语音控制系统。方法:搭建基于STM-32单片机内核的硬件平台,通过语音指令的收集处理和识别,做出相应反馈,并通过WIFI和红外射频做媒介,达到远程控制家电的目的。结果:经实验测试表明,文章所设计的智能家居网关能够很好的满足智能家居控制系统对家居环境智能化的需求。结论:以STM-32为核心的智能家居网关系统的方案可行,为廉价智能家居的推广提供了参考依据。

 

关键词:智能家居;物联网;语音识别;ESP8266;红外识别;触摸屏。

     

Infrared Voice Control System Based on STM-32 Microcontroller

AuthorGuoli Wang Peng Sheng

UnitHeFei University of Technology  HeFei  23002

 

Abstract: Objective: To design a low cost and adaptable voice control system based on WIFI-based smart home gateway. Methods: A hardware platform based on the STM-32 single-chip microcomputer core was set up. Through the collection, processing, and recognition of voice commands, corresponding feedback was given and the purpose of remote control of household appliances was achieved through WIFI and infrared RF media. Results: The experimental tests show that the smart home gateway designed by the article can meet the intelligent home control system's intelligent demand. Conclusion: The scheme of smart home gateway system based on STM-32 is feasible, which provides a reference for the promotion of cheap smart home.

 

Keywords: smart home; internet of things; speech recognition; ESP8266; infrared recognition; touch screen.

 

计算机技术的高速发展和芯片工艺的迅速提高,使得单片机和电路集成度也越来越高,市场上出现了越来越多功能丰富、价格低廉的模块,这使得物联网方案的成本有了很大程度的降低。智能家居作为物联网重要应用之一,具有非常好的发展前景。文章分析了当前国内外智能家居控制系统现状,针对目前智能家居在控制方面存在的高成本、高复杂性等问题,设计了一款基于WIFI的智能家居网关的控制系统。论文设搭建了基于STM-32单片机内核的硬件平台,编写了相关的驱动和指令程序,在传输层TCP、UDP协议的基础上,用户能通过WIFI接入控制系统,通过语音对家电进行远程控制。经实验测试表明,文章所设计的智能家居网关能够很好的满足智能家居控制系统对家居环境智能化的需求,能够较好的实现对家电设备的集中化管理与远程控制,同时具备易上手、适应广、成本低等特点,为廉价智能家居的推广提供了参考依据。

1 控制系统设计方案

系统是搭建了基于STM-32单片机内核的硬件平台,通过语音指令的收集处理和识别,做出相应反馈,并通过WIFI和红外射频做媒介,传送数据到电器,达到远程控制家电的目的。

1.1数据采集 系统获取用户控制指令的主要途径是语音,采用的WEGASUN-M6 模块是珠海时代电子科技有限公司推出的一款具有语音识别、语音合成、语音(MP3)点播、RF(射频)功能,接从模块 TTL 串口的 VIN 和 GND 端输入 5V 电源供电,该模块可以对用户语音指令进行识别和处理,并通过RS323通讯协议将处理好的数据传给上位机,完成数据采集的操作。

                                             

                       图1 WEGASUN-M6原理图

1.2指令确认 数据采集得到的指令,经MCU处理后转化成汉字,显示在一块2.4 寸 240*320, ST7789V,多接口彩色液晶显示模块带电容触摸屏上,通过触摸屏幕选择对指令的执行/否认,编写程序,使得触摸后的反馈可以通过上位机进行处理,完成指令确认操作,并通过语音模块反馈用户语音信息。

1.3数据传输 数据传输是以WIFI作为媒介,STM-32通过RS-323协议与ESP8266模块进行通信,并以接收端的ESP8266作为数据接收器,可以实现两片穿墙模块的数据互传,ESP8266 模块,是在 ESP8266 芯片基础上,加上必要的晶振、电容、电阻、SPI Flash、WiFi 天线组成的一个最小 WiFi 系统,我们使用Arduino 开发环境对模块进行必要的设置,即可利用模块自身带有的TCP协议进行数据的传输,可以大大降低传输过程中丢包的现象,并且传输范围可以达到10-15米。

                     图2  ESP8266模块引脚图

1.4红外控制 系统的远程控制装置由ESP8266模块,MCU和99IRset红外学习模块构成,ESP8266模块负责接受由STM-32处理后得到的指令,由MCU进行简单的处理后,传输给99IRset模块,该模块采用高速 32 位 arm 处理器,内置看门狗,可靠性高。可以学习并存储市面上大多数家用电器(如电视,机顶盒,空调,风扇)等红外遥控设备。能够满足多个遥控器的学习需要。兼容 3.3V 和 5V。使用过程中设置波特率为 9600,工作电压为3.3V 或 5V,可以全向发射红外线,发射距离≥10米,达到对家用电器的有效控制。

2 控制系统工作流程

多功能红外语音控制系统主要由两部分构成,用户手中所持的手持终端机和负责控制家用电器的远程控制器。

2.1 手持终端机 该部分主要由搭建基于STM-32单片机内核的硬件平台,负责信号采集的语音识别模块,指令显示和确认的多接口彩色液晶显示模块,和负责信号传输的ESP8266WIFI模块构成,该部分主要负责将用户的语音指令进行识别和处理,并通过RS323通讯协议将处理好的数据传给上位机,完成数据采集的操作。数据采集得到的指令,经MCU处理后转化成汉字,显示在触摸屏上,触摸后的反馈可以通过上位机进行处理,完成指令确认操作,并通过语音模块反馈用户语音信息。数据传输是以WIFI作为媒介,STM-32通过RS-323协议与ESP8266模块进行通信,并以接收端的ESP8266作为数据接收器,实现控制指令的远程传输。

2.2 远程控制器 该部分由交流变压器,ESP8266模块,51MCU和红外红外学习模块构成。交流变压器负责给该部分提供5V交流电源,ESP8266作为信号接收模块置于Station模式负责接收来自手持终端机的指令,并将信号透传到51MCU,MCU将处理后的信号通过TTL传给红外学习模块,该模块会根据信号作出相应的处理,根据红外协议,发射相应的红外进行智能家电的控制。

 

 

 图3 手持终端工作流程图          图4 远程控制器工作流程图

3 讨论

文章基于以STM-32为核心的智能家居网关系统的方案可行,使用嵌入式平台作为核心控制器能够提高整个系统的稳定性,数据传输采用TCP/IP协议能够很好解决目前一些系统中存在的数据传输不稳定问题。基于嵌入式的方式能够降低智能家居系统的成本,大大降低市场中由于智能家居价格较高无法普及现象,使智能家居能够走入普通百姓家中。

同时,采用语音控制,解放双手。可以实现一机多控,操作简单。用wifi作为数据传输媒介,设备使用范围更大,操作更方便。利用红外直接控制电器,大大降低了普通家庭实现智能家居的改装费用。红外协议的极强通用性,也使得设备可以适配家庭绝大部分电器,让家居生活变得时尚和舒适。

    此外,系统在某些情况下,尚且存在不稳定的因素:

3.1电源纹波大造成识别率下降。 由于模块是通过麦克风声电转换得到电信号送进芯片进行识别处理的,如果电源纹波大,电源噪声也会同时送进芯片内部,造成芯片识别处理困难。

3.2语音识别模块供电电压不足,电流太小。电压请保证有 5V,电流 1A 以上。

3.3所处环境噪音大 谈话声、环境噪音对模块的识别能力影响很大

3.4地方空旷,回声大。 房间家具少的时候回声很大(有时人耳甚至分辨不出来),会造成语音识别错乱或者灵敏度大大下降。

3.5传输距离过远或过载导致的ESP8266的丢包现象。

4 总结

生活在21世纪的现代化社会,家中堆满了各式各样的电器用品,从空调电视,到台灯插座。寻找相应的电器遥控器已经列入家庭生活中十大繁琐事件。而多功能红外语音智能控制系统则可以通过对家用电器红外遥控器按键的学习,实现一机多控,语音操作,每个房间只需要一个设备便可以控制该房间绝大多数所需遥控的电器,实现真正的智能家具。

根据市场调查,99.9%以上的家庭都覆盖了生活用电,空调、电视、电风扇、音响、台灯都已成为家中必备,虽然通过wifi控制的电器近几年发展迅速,但由于wifi协议的复杂性,多样性,以及品牌电器的不开源,目前市面上还未能有一款产品可以同时控制几个品牌的wifi电器。加之在市场上中有95%以上的电器依然是红外控制,并且红外电器在未来很长一段时间内都不会被淘汰,所以多功能红外语音智能遥控拥有非常不错的市场前景。因此,文章中的方案为廉价智能家居的推广提供了参考依据。

 

 

参考文献:

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【4】智能家居的现状及发展趋势[J]. 李刚.  中国新通信. 2016(19)

【5】ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J]. 范兴隆.  单片机与嵌入式系统应用. 2016(09)

【6】基于Wi-Fi和红外技术的远程家居控制系统的设计与实现[J]. 沈俊慧,朱其祥.  宁德师范学院学报(自然科学版). 2016(03)

【7】物联网关键技术及系统应用[M]. 机械工业出版社 , 张鸿涛, 2011

【8】红外通信模块的设计与实现[D]. 鄢盟.吉林大学 2012

【9】RFID关键技术研究与实现[D]. 丁治国.中国科学技术大学 2009

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