【文章內(nèi)容簡介】 進(jìn)行控制 [6]。它利用 GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS 業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺。由于短信息的費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，所以從某種程度上可以取代傳統(tǒng)的無線遙控。因此本系統(tǒng)采用手機(jī)向 GSM 模塊發(fā)送短信， GSM模塊通過串口與單片機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制家用電器的功能。 基于 STM32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 5 指紋識別模塊 指紋鎖的最核心部件就是指紋識別部分，它通常被安裝于如 指紋門禁 上，用來完成指紋的采集和指紋的識別。大多的指紋模塊主要由指紋采集模塊、 指紋識別 模塊和擴(kuò)展功能模塊組成。指紋識別模塊的工作原理是 指通過比較不同用戶的指紋上細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來進(jìn)行鑒別指紋識別。這一過程涉及到的技術(shù)有： 圖像處理 、 模式識別 、 計(jì)算機(jī)視覺 、 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué) 等學(xué)科。由于每個人的 指紋 特征不同，就是同一個人的十個手指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋也可用于身份鑒定。由于每次按指紋的位置有所不同，所以也會導(dǎo)致著力點(diǎn)不同帶來的變形，同時也有可能存在大量模糊 指紋 ，所以說如何正確提取特征和正確匹配特征，是 指紋識別技術(shù) 的關(guān)鍵。 語音識別模塊 語音識別模塊主要是由語音識別芯片和一些其他的附屬電路組成的。為了實(shí)現(xiàn)語音交互的目的，并方便的將語音模塊加入到自己的產(chǎn)品中使用，開發(fā)者設(shè)計(jì)了語音模塊與主控芯片進(jìn)行通訊的技術(shù)。語音識別由訓(xùn)練和識別兩個階段組成。訓(xùn)練階段所做的具體工作是收集大量的語音語料，經(jīng)過預(yù)處理和特征提取后得到特征參數(shù)，通過特征的建模，達(dá)到建立訓(xùn)練語音的比對模型庫的目的 [7]。而識別階段 所做的主要工作是將輸入語音的特征參數(shù)和參考模型庫中的參考模型進(jìn)行相似性度比較，然后把相似性最高的輸入特征量作為識別結(jié)果輸出 [8]。這樣，最終就達(dá)到了語音識別的目的。 福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 第 3 章 智能家居系統(tǒng)的各模塊電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主控的設(shè)計(jì) 主控芯片簡介 本設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)模塊所采用的是 ST 公司的 STM32 系列的 STM32F103RCT6 芯片。其是一款擁有 32 位閃存控制器的 CortexM3 內(nèi)核，該內(nèi)核是專門用于設(shè)計(jì)高性能、低功耗、實(shí)時應(yīng)用以及成本低的嵌入式應(yīng)用 [9]。 CortexM3 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，使 STM32 的性能更加突出；它既支持 32 位的 ARM 指令，也支持 16 位的 Thumb2 指令， 16 位的 Thumb2 指令集給處理器帶來了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能。 STM32 集成了非常豐富的內(nèi)核和外設(shè)資源、簡易方便使用的架構(gòu)以及低功耗低成本的特性，使得更多的項(xiàng)目開發(fā)人員選擇使用 STM32 作為項(xiàng)目 的控制芯片，可以說是嵌入式開發(fā)的不錯選擇。 STMF103RCT6 所具備的功能完全滿足本設(shè)計(jì)的需求，不管它高效的代碼執(zhí)行效率，還是豐富的內(nèi)核資源，足夠的存儲空間，還是低功耗、低成本的特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)的主控制模塊采用該芯片。 主控芯片引腳圖 圖 31 主控引腳圖 基于 STM32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 7 主控實(shí)物圖 圖 32 主控實(shí)物圖 GSM 電路的設(shè)計(jì) GSM 芯片介紹 本設(shè)計(jì)的 GSM短消息模塊選用的是 SIM900A 模塊來實(shí)現(xiàn)短消息的發(fā)送，其電路圖如圖33 所示。該模塊支持 5V， 1A 的直流電源供電。 SIM900A 模塊是屬于 2G 模塊，不支持電信卡，支持其他的全部 2G 卡，也支持一些 3G 或 4G 的手機(jī)卡，所以綜合考慮本設(shè)計(jì)用的卡是移動的手機(jī)卡。 SIM900A 模塊屬于雙頻 GSM/GPRS 模塊，采用 SMT 封裝形式，十分適用于中國市場，而且其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，能滿足短消息的發(fā)送與打電話的多種需求 [10]。本設(shè)計(jì)采用的是 SIM900A 模塊與單片機(jī)連接，需要將 SIM900A 模塊 的 TXD 端與單片機(jī)上的 RXD 相連，即單片機(jī)上的 PA1 管腳， SIM900A 模塊的 RXD 端與單片機(jī)的 TXD 相連，即單片機(jī)上的 PA2 管腳， GND 與單片機(jī)上的 GND 相連接。 GSM 模塊實(shí)物圖如圖 34所示。 福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 SIM900A 模塊屬于接上電源就會自己啟動，檢查模塊是否可以正常工作的話，通過模塊中的兩個燈 D5 和 D6 的狀態(tài)就可以判斷了。如果 D5 常亮， D6 亮一秒滅一秒，表示模塊正在搜索網(wǎng)絡(luò)，如果 D5 常亮 ， D6 亮一秒滅三秒，表示模塊已經(jīng)搜索到網(wǎng)絡(luò)了，可以正常進(jìn)行工作了，如果 D5 反復(fù)常亮幾秒滅一秒， D6 亮一秒滅一秒， 電源的電壓和電流不能滿足工作條件 [11]。 圖 33 SIM900A 模塊 圖 34 GSM 的實(shí)物圖 基于 STM32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 9 GSM 模塊通信接口電路設(shè)計(jì) 當(dāng) GSM 模塊接收到信息后，要由 STM32 主控來解析并做出相應(yīng)的命令。因此 GSM 模塊要與 STM32 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且 STM32 主控和各個外設(shè)模塊間也要進(jìn)行相互的通信。幸運(yùn)的是 STM32 擁有很強(qiáng)的串口通信的能力，所以可以采用其串口實(shí)現(xiàn)與各個模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。 STM32 有 4 串口分別與 4 個單片機(jī)通訊，還有 1 個串口和 PC 機(jī)通訊。 在接收數(shù)據(jù)時，由 RXD 口負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。單片機(jī)不斷對 RXD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路有電平的變化時，經(jīng)過芯片的判斷，確認(rèn)收到了一幀信息的起始位時，便開始一幀數(shù)據(jù)的接收過程 [12]。 此模塊的優(yōu)點(diǎn)見表 31 。 表 31 GSM 模塊的優(yōu)點(diǎn) 指紋模塊的設(shè)計(jì) 指紋采集與識別電路芯片簡介 考慮到整個系統(tǒng)的計(jì)劃要求以及實(shí)際情況，所以本設(shè)計(jì)決定 采用 FPM10A光學(xué)指紋模塊。這是 一款指紋模塊成品，該指紋模塊已經(jīng)設(shè)計(jì)的相當(dāng)成熟，只要通過 標(biāo)準(zhǔn)的串口就可以與外界通信。而且該款模塊可以與任何類型的單片機(jī)，以及等帶串口的設(shè)備進(jìn)行連接。 FPM10A 使用 FPC 上接插座引出了 5 個引腳。五個引腳的作用見表 32。指紋識別模塊的實(shí)物圖如圖 35。 串口電路 采用 TVS 和磁珠保護(hù)器件來保護(hù)板子，使板子不會受到浪涌、高電壓的傷害 SIM 卡電路 增加 SMF05C 靜電釋放芯片 天線電路 保證的短且直，這樣才能保證信號強(qiáng)度 PCB 展示 各個接口絲印標(biāo)出，方便二次開發(fā)，設(shè)計(jì)時完全遵循 SIM900A 硬件設(shè)計(jì)手冊 一路 5V 供電電源接口 做了保護(hù)，即使接反了也不會燒板子 一路 TTL 接口 支持 單片機(jī)和 5V 單片機(jī)，也就是說支持 51 類的 5V 單片機(jī)和 STM32單片機(jī)。 福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 表 32 指紋模塊引腳功能表 圖 35 指紋識別模塊的實(shí)物圖 指紋顯示板模塊的芯片簡介 STC15F204EA 系列單片機(jī)是新一代的單片機(jī)，其有著高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)。該 單片機(jī) 是一種匯集 A/D 轉(zhuǎn)化， 1 個時鐘 /機(jī)器周期 ，高 速、高可靠， 8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換，內(nèi)部高精度 R/C 時鐘， 177。1%溫飄，徹底省掉外部昂貴的晶振， 5MHz~35MHz寬范圍可設(shè)置 [13]。 STC15F204EA 內(nèi)部含有 256 字節(jié)的 RAM 和 1024 字節(jié)的 SRAM， 能滿足對程序代碼長度的需求和緩沖區(qū)大小定義的要求。 該單片機(jī)可以選擇傳統(tǒng)的 DIP28 直插式的封裝， STC15F204EA 能提供 26 個通用 I/O 口，均可以進(jìn)行位操作，通過對 IO 寄存器的配置可以設(shè)置為強(qiáng)推挽輸出，滿足系統(tǒng)使用要求。 STC15F204EA 單片機(jī)的管腳引腳圖見圖 36。 指紋顯示板模塊的實(shí)物圖如圖 37。 1 VCC 電源的正極接 – 2 GND 電源的負(fù)極 接地 3 TXD 串口的發(fā)送 4 RXD 串口的接收 5 NC 懸空不需要使用 基于 STM32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 11 圖 36 STC15F204EA管腳引腳圖 圖 37 指紋顯示板模塊的實(shí)物圖 福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 語音識別模塊的設(shè)計(jì) 考慮到語音識別受環(huán)境影響比較大，本設(shè)計(jì)所采用的 ASR M08A 語音模塊，該模塊最大的特點(diǎn)是使用方便，穩(wěn)定可靠，通過簡單的串口指令 就能實(shí)現(xiàn)語音播放，并且沒有復(fù)雜的程序底層 ， 而且都以 常見的 信號 輸出。 ASR M08A 支持與多種單片通訊，通過語音來使單片機(jī)正確的執(zhí)行用戶的意圖，同時能完成對 MP3 和 WAV 的硬解碼。該模塊以 SPIFLASH 做為存儲介質(zhì) ， 也是深度定制的產(chǎn)品，直接外接喇叭即可放音，集成了 3W 的功放 [14]。 這種語音模塊不但具備語音識別功能，還有 MP3 播放的功能，通過芯片對該語音芯片里面?zhèn)魉瓦M(jìn) MP3 數(shù)據(jù)，它就會有一個引腳播放音樂，這個引腳是可以直接帶動喇叭的，效果非常好。此芯片使用 伏特進(jìn)行供電，開發(fā)人員可以輕松的應(yīng)對開發(fā)，用戶可以容易的對它進(jìn)行供電 。 ASR M08A 語音模塊如圖 38 所示。 圖 38 語音模塊實(shí)物圖 基于 STM32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 13 第 4 章 智能家居系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的硬件單路一旦確定以后，系統(tǒng)的主要功能還需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用STM32 為主控， C 語言編寫，具有使用范圍廣、可維護(hù)性能好等特點(diǎn)。集成開發(fā)調(diào)試工具采用 keil C51 編譯器，該編譯器軟件提供豐富的庫函數(shù)以及功能強(qiáng)大的開發(fā)調(diào)試工具 [15]。 為了保證智能家居系統(tǒng)軟件代碼的可維護(hù)性，借鑒硬件設(shè)計(jì)時的模塊化思想方式。在軟件代碼的編寫上也采用同級模塊化的處理，此外對不同層次的子程序做了封裝并制定出清晰的結(jié)構(gòu)，保證了整個系統(tǒng)的代碼可維護(hù)性和簡潔度。所以在本章節(jié)以下的 內(nèi)容中，將會對主程序的設(shè)計(jì)流程和各個模塊的程序設(shè)計(jì)流程做出介紹。 編程軟件 KEIL 介紹 2021 年 ARM 公司收購了 Keil 公司，隨后 Keil 推出了基于 uVision 界面，可對 ARM 單片機(jī)進(jìn)行編程及開發(fā)。本設(shè)計(jì)軟件編寫平臺為 Keil Vision4。 Keil Vision4 是德國 Keil 公司開發(fā)專門用于單片機(jī) C 語言開發(fā)的程序編譯器，不僅支持 C 語言，也支持匯編語言， keil 4 提供了多種調(diào)試工具，比如，通過 Memmory 窗口可以查看內(nèi)存中的值，通過 local 窗口可以觀察程序中有個變量的值，這對程序的調(diào)試提供了很大的幫助。 Keil Vision4 提供了 C 語言編譯器等工具，通過 uVision 將這些部分組合在一起。具有使用簡單便于操作及仿真的特點(diǎn)，界面圖如圖 41 所示。 圖 41 Keil 操作界面 福州大學(xué)至誠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 主程序流程圖及編程 主程序流程圖 圖 42 所示為本設(shè)計(jì)的主程序流程圖。由圖可知， 當(dāng) 開始啟動家居系統(tǒng)時，各個模塊開始進(jìn)行初始化。而后系統(tǒng)開始檢測 GSM模塊是否正確接入系統(tǒng)。當(dāng)檢測到 GSM 模塊已正確接入系統(tǒng)，則開始正常工作。 GSM 模塊在等候是否接受到短信，并根據(jù)所收到的短信內(nèi)容對外設(shè)模塊發(fā)出控制指令。 圖 42 主程序流程圖 各功能模塊初始化程序 基于 STM32的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 15 Stm32_Clock_Init(9)。 //系統(tǒng)時鐘設(shè)置 delay_init(72)。 //延時初始化 uart_init(72,9600)。 //串口 1 初始化 LCD_Init()。 //初始化液晶 LED_Init()。 //LED 初始化 (72)。 //usmart 初始化 USART2_Init(36,115200)。 //初始化串口 2