1. 引言

科技的快速发展推动了智能家居的普及，声控装置作为智能家居的有一个核心部分，在别墅住宅中的应用需求日益增长。别墅声控装置通过声音指令控制各类电子设备，提高了居住的便捷性。通过声音指令，可以实现对家庭照明、电器开关、空调温度等的远程控制，极大地提升了居住的舒适度和便利性。目前，已经有了一些研究成果和应用案例，例如，基于语音识别的智能家庭阳台种植系统，实现了设备间的快速语音交互[1]。基于Arduino的智能家居管理系统，通过数据采集模块和通信模块实现环境参数的采集、上传和系统控制[2]。国外提出基于区块链的智能家居架构的差分隐私模型[3]。和一种分布式智能家居系统无线控制模块的技术、定性和能量分析等[4]。本文综合运用单片机技术、无线通信技术和语音识别技术，设计与实现一种别墅智能声控家居系统。该系统将实现家居环境的智能监控、声控操作、运程控制等功能，并考虑与移动APP的连接，以满足现代高端别墅生活的智能化需求。通过这一创新设计，旨在提升别墅居住的舒适度和便利性，为智能家居系统的进一步发展和应用提供技术支持。

2. 系统整体方案

对别墅智能声控家居系统所需要实现的功能进行分析，采用STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，系统主要实现以下四种功能：

(1) 多参数环境传感器集成：系统集成了温湿度、烟雾和光照传感器，能够实时监测并显示家居环境的各项参数。这些传感器通过高精度的数据采集，为用户提供家居环境的全面信息，确保居住环境的舒适度与安全性。采用直观的OLED显示屏或APP界面展示数据，用户可随时掌握家中环境的细微变化。

(2) WiFi无线通信与远程控制模块：利用WiFi通信技术，系统能够实现与智能手机的无缝连接。用户通过专用的手机APP，可以远程监控和控制家居设备，如调节空调温度、开关灯光和窗帘等。

(3) 智能语音识别与控制模块：系统内置了先进的语音识别技术，用户可以通过语音指令来控制家居设备。例如，用户可以说出“打开空调”、“关闭灯光”等命令，系统将自动识别并执行相应的操作。这种智能化的控制方式不仅简化了操作流程，使家居生活更加便捷和智能。

(4) 预警功能：系统具备预警功能，能够根据预设的条件自动执行相应的操作。例如，当检测到室内温度过高时，系统会自动启动空调进行降温；当烟雾浓度超标时，系统会自动打开窗帘进行通风；当光照不足时，系统会自动打开灯光进行照明。同时，系统还能通过APP或短信等方式向用户发送预警信息，提醒用户及时处理异常情况，确保家居安全。

3. 系统硬件设计

本设计的硬件部分负责参数的采集和控制外设，硬件电路模块包括温湿度、烟雾和光照传感器模块，语音识别模块，舵机控制窗帘模块，继电器控制空调模块，按键模块，显示屏模块，LED灯模块和WiFi通信模块。软件部分则负责数据处理、通信以及用户界面的展示，主控通过通讯模块使用MQTT协议将采集到的数据上传至云端服务器；手机APP再通过MQTT协议获取云端的数据并显示在手机界面上。整体别墅声控智能家居系统框架图如图1所示。

Figure 1. System framework diagram

图1. 系统框架图

3.1. STM32单片机模块

STM32F103C8T6单片机最小系统作为此次设计的中央处理器，它由五个电路构成，分别为电源、时钟、调试、复位，以及控制芯片五大部分。电源系统的作用是由LDO低压差线性稳压器由5 V转换为3.3 V，为主控芯片供电。时钟电路则是晶振电路为主控芯片提供系统时钟，所有的外设工作，CPU工作都要基于该时钟工作，调试电路是程序开发的过程中，需要下载bin/hex文件，以及在线仿真调试，可采用SWD或者JTAG的方式。复位电路采用电容滤波，防止抖动复位误动作。

3.2. 温湿度传感器模块

DHT11传感器内部包含一个电阻式湿度感应元件和一个NTC测温元件。当DHT11感应到周围环境中的湿度和温度变化时，感应元件的电阻值会随之发生变化，从而检测出当前的湿度和温度值。在数据传输过程中，DHT11会先发送一个低电平信号，主机收到信号后拉高数据线，等待DHT11响应。DHT11在接收到主机发出的高电平信号后，会根据自身的检测到的数据，在20~40 us时间内将数据线拉低，表示发送数据的开始。然后，DHT11会按照特定的数据格式依次发送湿度和温度数据。DHT11温湿度传感器和STM32单片机之间的通信协议采用的是单总线方式进行数据的交互，单片机只需要引出一个控制I/O接口即可完成控制和数据的交互，即采用PA5接口与传感器的DATA端口进行连接，实现信息的交互。

3.3. 烟雾传感器模块

MQ-2烟雾传感器是以二氧化锡为主体的半导体气敏元件，对天然气，液化石油等气体烟雾很有敏感度，尤其对烷类烟雾更为敏感，当有害烟雾出现时，传感器中电导率会出现变化，从而导致可能触发报警，气敏式烟雾传感器可以通过引脚直接与单片机连接，方便实用，该传感器在进行气体浓度检测时因为吸附和释放过程时间短，所以可以长时间进行使用。烟雾传感器检测可燃气体的浓度在空气中的比率，当烟雾浓度变高时，阻值变小，并输出模拟电压数值。通过单片机的A/D采样接口PA4进行处理分析。

3.4. 语音识别模块

该模块可以在智能公元平台上用户自主定制语音指令和固件，最快三分钟生成，SDK开源支持代码开发。模块上配备了32BIT RISC内核，运行频率240 M，采用串口通信的方式与单片机进行实时的信息交互，其中TXD与单片机的PA9端口连接，RXD与单片机的PA10端口连接，VCC与电源+5V电压连接，GND与单片机的地线进行共地。

3.5. 无线通信网络模块

ESP8266支持丰富的Socket AT指令，也支持UART/GPIO数据通信接口命令，支持Smart Link只能进行网络连接的功能，此外，还支持远程固件升级(OTA)。用于控制这款模块的通信协议为串口的协议，其中单片机的PA2与单片机的PA3分别于模块的RXD以及TXD接口进行连接，VCC与电源+3.3 V电压连接，GND与单片机地进行共地。

3.6. 其他控制模块

Figure 2. Hardware design diagram

图2. 硬件设计图

由于窗帘电机不能直接通过单片机输出电平信号进行控制，因此采用ULN2003驱动板对其进行驱动。该驱动板可通过PB8这几个I/O接口控制电机驱动器。要给它供电，可以选择+5 V电压。同时，需要将GND与单片机的地线相连。本文中采用继电器控制空调，因为继电器一般用于控制高电压或高电流的电路，或者需要隔离控制电路和负载电路的情况，从而实现对弱电信号的控制强电的功能，其中单片机的控制端口为PB9，高电平时闭合，低电平时打开，电源与+5 V电压相连。

设计的按键的作用是进行有效的人机交互的功能。其中，设计了多个按键进行配合实现模式选择，参数阈值设置，外部电气设备的控制，控制的端口分别为PB12~PB15，采集到低电平的情况下有效。显示屏模块使用IIC协议进行数据交互。PA11端口控制SCL引脚，PA12端口控制SDA引脚。GND与单片机地线连接，VCC通过+5 V电源供电。其他引脚可以空置或连接电平信号来执行通信协议操作。整体硬件设计图如图2所示。

4. 系统软件设计

4.1. 主程序设计

Figure 3. Main program flow chart design

图3. 主程序流程图设计

本设计主程序的流程图如图3所示，它的执行过程主要包括下面的步骤：首先，初始化系统时钟和其他硬件模块，包括配置系统时钟，包括波特率、时序等关键参数。随后，系统获取到温湿度、烟雾和光照传感器返回的数据，并进行初步的处理和分析。进入主循环后，系统不断读取这些传感器的数据，实时更新系统状态，并将参数值显示在液晶屏和APP界面上。在手动模式下，用户通过外部的按键或者APP界面按钮设置温度、烟雾和光照阈值，并手动控制窗帘、空调和灯的开关；在自动模式下，系统会根据预设的阈值自动调整家居环境，如温度过高时启动空调降温，光照过低时启动灯光照明，烟雾过高时则启动窗帘通风。主循环函数执行完毕后，系统会返回到循环体的开头，持续执行这一过程。

4.2. 软件APP设计

软件APP程序设计部分包括客户端功能说明、客户端框架设计和通信模块设计。客户端功能包括设备管理、单个设备和区域设备控制以及情景模式关联的设备联动控制等功能。客户端框架设计部分是利用Android Studio等开发工具进行设计和调试。软件采用模块化设计的思路，将各个功能模块分别进行设计和实现，并在主程序中进行集成和调用。通信模块设计则负责客户端和服务器或网关之间的消息通信和链路维护，采用TCP/UDP、HTTP或MQTT等通信方式，并设计了消息格式、数据字段和命令定义等内容。在数据传输和指令交互方面，软件采用WiFi无线通信模块与智能家居系统的硬件部分进行通信。

5. 系统实现与测试

系统设计完成后进行硬件和软件的调试。首先，检查所有硬件设备是否正确连接，使用万用表检测每个模块的线路是否存在短路或者断路的情况，然后再上电进行测试，当观察到外部的电源指示灯正常的点亮，各个模块开始工作，先进行传感器进行测试，以确保它们能够准确、稳定地采集信息。再进行按键测试，以确保按键的功能正常、灵敏度良好，并与系统的其他部分正确交互。最后进行外部设备控制测试，对系统中的窗帘、空调和灯光功能进行测试，以确保其能够准确、可靠地控制外部设备的开关、调节等操作。整体的功能测试图如图4所示。

Figure 4. Hardware circuit test

图4. 硬件电路测试

6. 结论

本文提出了一种别墅智能声控家居系统设计，提升了别墅生活的便捷性，为居住者带来了更加舒适的生活体验。系统设计采用STM32F103C8T6单片机作为核心，集成了温湿度、烟雾和光照传感器检测、语音识别控制、窗帘舵机控制、空调继电器控制、按键操作、OLED显示屏显示以及WiFi通信等功能，同时实现了家居环境的全方位监控。通过设计的安卓手机用户界面，可以实时监测和控制家居环境，增强了系统的实用性和互动性。本设计系统成本较低，性能稳定，具有较高的实用价值和市场推广前景。不仅适用于别墅，还可扩展到公寓、酒店等多种住宅和商业场所，为智能家居领域的发展注入了新的活力。

参考文献