(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112462670 A(43)申请公布日 2021.03.09
(21)申请号 202011390071.9(22)申请日 2020.12.02
(71)申请人 哈尔滨理工大学
地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学
府路52号(72)发明人 张惟祺 于天河 (51)Int.Cl.
G05B 19/042(2006.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图3页
CN 112462670 A(54)发明名称
一种基于STM32F103的智能家居控制系统(57)摘要
本发明是一种基于STM32F103的智能家居控制系统，属于物联网技术领域。本发明提供了一种能够帮助人们远程获取室内的相关信息、人体红外传感检测、红外控制电器设备开关、火灾监测、语音识别和无线通信的方法。火灾监测模块主要根据火灾发生时对烟雾、有毒气体等数据进行分析，判断火灾发生不同状态，当处于危险状态下，单片机模块通过检测内部数据的阈值将通过语音控制模块发出语音报警功能；无线通信模块控制室内电器多功能开关及向用户快速准确的传递信息；数据采集模块包含对家庭环境的各种数据监测,包括采集环境的温湿度、光照强度以及PM2.5等一系列数据，TFTLCD显示采集到的数据信息。本发明主要用于智能家居的控制和安防。
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权 利 要 求 书
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1.基于权利所述的一种基于STM32F103的智能家居控制系统，其特征在于，它主要包括STM32单片机主控模块、语音控制模块、火灾监测模块、数据采集模块、无线传输模块、网络通信模块、人体红外传感模块、TFTLCD显示界面和家用电器设备，它们之间通过传输协议与外部传感器进行通信，并搭载电源稳压模块实现将家用220V市电接入设备从而稳定运行；语音控制模块选用SPI连接方式与STM32F103主控模块连接，模块的音频输入和音频输出接口分别连接麦克风和扬声器；数据采集模块根据家居环境搭载多种类型的传感器模块，其中温度传感器DS18B20通过DQ引脚连接STM32F103主控模板，湿度传感器DHT11、人体红外传感模块采用HC-SR50与STM32F103主控模板之间采用单总线进行通信；火灾监测模块采集的烟雾浓度、一氧化碳浓度数据作为探测火灾的环境数据，由单片机主控模块将通过语音控制模块的麦克风发出语音报警功能；网络通信模块选取DM9000作为网络通信芯片，能够直接与STM32F103主控模板连接使用，其工作电压可以是3.3V或5V；无线传输模块采用TC35I无线通讯系统，通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现与STM32F103主控模块的连接，为数据、语音、短消息等提供可靠、安全的传输。
2.基于权利所述的一种基于STM32F103的智能家居控制系统，其特征在于，STM32F103ZET6主控模板作为系统的主控中心；其外围电路，包括CPU复位电路、实时时钟及晶振电路；晶振的两个引脚分别连接STM32F103ZET6主控模板的OSC32_IN和OSC32_OUT，复位电路按钮用来复位主控制器的，其次，添加了以太网通讯、GSM通讯功能，其中以太网通讯采用DM9000网络通讯芯片，其带有通用处理器接口的高速网络控制器，能够直接与STM32F103主控模板连接使用，其工作电压可以是3.3V或5V；GSM通讯采用TC35I无线通信系统，通过ZIF连接器及天线插头，可分别连接SIM卡支架和天线，用户可远程实现对家居系统的智能控制；系统的扩展电路，包括继电器控制电路以及串口通讯电路；继电器控制电路与STM32F103主控模板连接，扩大控制范围可同时换接、开断、接通多路电路；STM32F103主控模板和相关模块的调试主要通过串口RS232进行。
所述的火灾监测模块主要方法在于：由MQ-2采集的烟雾浓度、一氧化碳浓度数据作为探测火灾的环境数据，采用多传感器融合技术，当数据处于非正常状态下时，单片机模块将通过语音控制模块的麦克风发出语音报警功能。
所述的语音控制模块主要方法在于：其采用的LD3320集成了高精度的A/D和D/A，DSP数字信号处理器和FIFO缓冲队列，实现语音识别和语音控制；语音控制模块的核心是DSP处理器和FIFO缓冲器，在处理器中，集成了关键词语列表，用户声音输入时，经过A/D转换的语音指令和关键词语列表进行对比，匹配成功则通过FIFO输出提示信息；FIFO是用户的编程接口，用户可以通过SPI接口或并行接口对进行控制。
3.基于权利所述的一种基于STM32F103的智能家居控制系统，其特征在于，其根据家居环境搭载多种类型的传感器模块，其中温度传感器DS18B20通过DQ引脚连接STM32F103主控模板，湿度传感器DHT11与STM32F103主控模板之间采用简单的单总线进行通信；光照强度传感器BH1750，它是一种两线式串行总线接口的数字型环境光强度传感器，其分辨率在1lx与65535lx之间，光照强度传感器的ADDR端口接地，时钟端SCL，数据端SDA分别外接到了微处理器STM32F103的PB6和PB7口，风力传感器和噪声传感器与STM32F103主控模板的通用接口连接，分别对环境中的风速和噪声等数据进行统计，通过TFTLCD显示界面动态显示相应的数据；PM2.5传感器GP2Y1014AU来检测PM2.5的浓度，该传感器内部结构为对角分布的红
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权 利 要 求 书
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外发光管和光电晶体管，依靠输出脉冲的电压值来计算PM2.5的浓度值。
4.基于权利所述的一种基于STM32F103的智能家居控制系统，其特征在于，TC35I无线通讯系统，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、电源模块、ZIF连接器、天线连接器组成，可以快速安全地实现数据、语音的传输、短信息服务等功能，可以工作在GSM900KHZ和1800KHZ两个频段,通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输；通过ZIF连接器及天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线；该模块向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音和短消息提供快速、安全的传输。
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说 明 书
一种基于STM32F103的智能家居控制系统
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技术领域
[0001]本发明具体涉及一种基于STM32F103多数据采集以及家用设备智能控制系统，属于物联网技术领域。
背景技术
[0002]随着互联网、嵌入式等技术的快速发展与应用，人们的日常生活中逐渐涌现出大量的智能化电子产品。这些电子产品不仅给人们带来了舒适、便捷，同时也提高了人们做事的效率。为此在家居环境中提高生活舒适度、智能性以及安全性，使人们可以高效、轻松的完成日常生活中的琐事，成为全人类日趋关注的热点。作为未来物联网研究发展的重要方向，智能家居控制系统有着很大的发展前景。智能家居控制系统是应用多方面的技术形成的一种一体化、自动化、互联网化的智能系统，以住宅为平台将与生活密切相关的各种各样设备有机地结合在一起，进行室内或者室外的监视与控制，它不仅能够为居民营造一个舒适度较高、便捷性强、高效安全的居住环境，同时也能够使住宅环境变得越来越智能化与人性化。
[0003]目前传统的家居还存在很大的缺陷和不足，一是智能家居产品种类繁多，但大多数都是独立的系统，造成了操作繁琐、使用和维护成本的浪费；虽然目前已经有部分智能设备应用在生活中，但由于费用髙昂、操作复杂、性能单一等原因，使其一直难以普及。发明内容
[0004]为了克服现有家居的不足之处，本发明提出了一种智能性、综合性的智能家居控制系统。与现有技术相比，该设备有效解决了以下几个关键问题：一方面有效解决人们远程获取室内的环境信息、并将所有信息通过TFTLCD界面显示出来，方便用户查看；而在控制室内电器设备、火灾报警、远程控制等方面，采用多传感器融合技术和语音识别技术，提高火灾检测的准确性和家庭控制的智能化；本发明所涉及的一种基于STM32F103的智能家居控制系统的技术方案具体如下：
[0005]该系统的设计主要部分包括以下几个方面：STM32F103ZET6主控模块、语音控制模块、数据采集模块、火灾监测模块、人体红外传感模块、网络通信模块和无线传输模块分别与所述主控模块连接。
[0006]所述的STM32F103ZET6主控模块作为主控中心的CPU，它是STM32“增强型”系列。各个模块通过传输协议与STM32F103主控模块之间进行数据的传输，为了方便查看传输的数据，令其通过TFTLCD液晶显示器显示出来。
[0007]所述的火灾监测模块主要根据火灾发生过程通常会伴随着烟雾、有毒气体浓度的变化，根据分析这些数据的变化特征，可以判断火灾发生不同状态，MQ-2适宜于监测烟雾和多种易燃气体浓度的烟雾报警传感器，将采集的烟雾浓度、一氧化碳浓度数据作为探测火灾的特征参量，并对数据进行融合处理，综合判断检测环境的火灾发生情况，当处于危险状态下，单片机模块通过检测内部数据的阈值将通过语音控制模块发出语音报警功能。
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说 明 书
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所述的语音控制模块选用的是LD3320非特定人语音控制模块，核心是DSP处理器
和FIFO缓冲器,在DSP处理器中，集成了关键词语列表。FIFO是用户的编程接口，用户可以通过SPI接口或并行接口对LD3320进行控制。本系统的语音不仅能控制家用电器的开关，还具有反馈设备控制情况。
[0009]所述的数据采集模块包含对家庭环境的各种数据监测,包括对环境的温湿度、对光照强度以及PM2.5等一系列数据的采集。生成的相关数据会在TFTLCD界面上显示。[0010]所述的无线传输模块采用TC35I无线通信系统.可以快速安全地实现数据、语音的传输、短信息服务等功能，可以工作在GSM 900KHZ和1800KHZ两个频段。与微处理器之间通过串口进行通信，实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输，进而实现对家居系统的智能控制。
[0011]所述的网络通信模块选取DM9000作为网络通信芯片，它是一款集成度高、带有通用处理器接口的高速网络控制器。能够直接与STM32F103连接使用，其工作电压可以是3.3V或5V。
[0012]所述的人体红外传感模块采用HC-SR50作为该设计的人体红外传感器。其可靠性强、灵敏度高、稳定性高。当人体向外辐射红外线的时候，该模块中的热释电元件接收红外线后会将其向外释放电荷，最后经处理后输出高电平信号。[0013]本发明的有益效果为：
[0014]一种基于STM32F103的智能家居控制系统，本发明提出了一种功能齐全的可快速实现智能化的家居控制系统。该设备解决了当前家居功能比较单一、操作复杂的问题，完成了多种设备信息采集与控制系统，方便用户远程控制室内电器设备，获取室内相关信息，如火灾报警等重要情况，提高家庭环境的智能化，帮助人们对家庭环境更好的掌控。针对后期设备进行升级的问题，可以不需要拆开设备实现远程对系统设备进行升级改造。该系统嵌入TFTLCD显示界面实现无需电脑即可对家庭智能化设备信息的动态显示。附图说明
[0015]图1为系统整体结构框图；
[0016]图2为系统整体模块电路框图；[0017]图3为语音控制模块的组成框图；[0018]图4为数据采集模块的组成框图；[0019]图5为火灾监测模块电路原理框图；[0020]图6为无线传输模块的组成框图；
具体实施方式
[0021]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。[0022]实施例1
[0023]一种基于STM32F103的智能家居控制系统，主要特征在于图1的组成框图，它主要包括STM32单片机主控模块(1-1)、语音控制模块(1-2)、火灾监测模块(1-3)、数据采集模块
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说 明 书
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(1-4)、无线传输模块(1-5)、网络通信模块(1-6)、人体红外传感模块(1-7)、TFTLCD显示界面(1-8)和家用电器设备(1-9)，它们之间通过传输协议与外部传感器进行通信，并搭载电源稳压模块实现将家用220V市电接入设备从而稳定运行；语音控制模块(1-2)选用SPI(3-8)连接方式与STM32F103主控模块(1-1)连接，模块的音频输入(3-1)和音频输出(3-2)接口分别连接麦克风和扬声器。数据采集模块(1-4)根据家居环境搭载多种类型的传感器模块，其中温度传感器DS18B20(4-5)通过DQ引脚连接STM32F103主控模板(1-1)，湿度传感器DHT11(4-6)、人体红外传感模块(1-7)采用HC-SR50与STM32F103主控模板(1-1)之间采用单总线进行通信。火灾监测模块(1-3)采集的烟雾浓度、一氧化碳浓度数据作为探测火灾的环境数据，由单片机主控模块(1-1)将通过语音控制模块(1-2)的麦克风发出语音报警功能。网络通信模块(1-6)选取DM9000作为网络通信芯片，能够直接与STM32F103主控模板(1-1)连接使用，其工作电压可以是3.3V或5V。无线传输模块(1-5)采用TC35I无线通讯系统，通过独特的40引脚的ZIF连接器(6-3)，实现与STM32F103主控模块(1-1)的连接，为数据、语音、短消息等提供可靠、安全的传输。[0024]实施例2
[0025]一种基于STM32F103的智能家居控制系统的模块电路框图如图2所示，STM32F103ZET6主控模板(1-1)作为系统的主控中心。其外围电路(2-2)，包括CPU复位电路(2-5)、实时时钟(2-3)及晶振电路(2-4)。晶振的两个引脚分别连接STM32F103ZET6主控模板(1-1)的OSC32_IN和OSC32_OUT，复位电路(2-5)按钮用来复位主控制器的，其次，添加了以太网通讯(2-9)、GSM通讯(2-8)功能，其中以太网通讯(2-9)采用DM9000网络通讯芯片，其带有通用处理器接口的高速网络控制器，能够直接与STM32F103主控模板(1-1)连接使用，其工作电压可以是3.3V或5V。GSM通讯(2-8)采用TC35I无线通信系统，通过ZIF连接器(6-3)及天线插头(6-2)，可分别连接SIM卡支架和天线，用户可远程实现对家居系统的智能控制。系统的扩展电路，包括继电器控制电路(2-6)以及串口通讯电路(2-7)。继电器控制电路(2-6)与STM32F103主控模板(1-1)连接，扩大控制范围可同时换接、开断、接通多路电路。STM32F103主控模板(1-1)和相关模块的调试主要通过串口RS232进行。[0026]所述的火灾监测模块(1-3)如图(5)主要方法在于：由MQ-2采集的烟雾浓度、一氧化碳浓度数据作为探测火灾的环境数据，采用多传感器融合技术，当数据处于非正常状态下时，STM32F103主控模板(1-1)将通过语音控制模块(1-2)的麦克风发出语音报警功能。[0027]所述的语音控制模块(1-2)如图(3)主要方法在于：其采用的LD3320集成了高精度的A/D(3-3)和D/A(3-4)，DSP数字信号处理器(3-5)和FIFO缓冲队列(3-6)，实现语音识别和语音控制。语音控制模块(1-2)的核心是DSP处理器(3-5)和FIFO缓冲器(3-6)，在处理器中，集成了关键词语列表，用户声音输入(3-1)时，经过A/D(3-3)转换的语音指令和关键词语列表进行对比，匹配成功则通过FIFO(3-6)输出提示信息；FIFO(3-6)是用户的编程接口，用户可以通过SPI接口(3-8)或并行接口(3-7)对进行控制。[0028]实施例3
[0029]一种基于STM32F103的智能家居控制系统的数据采集模块(1-4)如图(4)所示，其根据家居环境搭载多种类型的传感器模块，其中温度传感器DS18B20(4-5)通过DQ引脚连接STM32F103主控模板(1-1)，湿度传感器DHT11(4-4)与STM32F103主控模板(1-1)之间采用简单的单总线进行通信。光照强度传感器BH1750(4-2)，它是一种两线式串行总线接口的数字
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型环境光强度传感器，其分辨率在1lx与65535lx之间，光照强度传感器(4-2)的ADDR端口接地，时钟端SCL，数据端SDA分别外接到了微处理器STM32F103(1-1)的PB6和PB7口，风力传感器(4-6)和噪声传感器(4-1)与STM32F103主控模板(1-1)的通用接口连接，分别对环境中的风速和噪声等数据进行统计，通过TFTLCD显示界面(1-8)动态显示相应的数据。PM2.5传感器GP2Y1014AU(4-3)来检测PM2.5的浓度，该传感器内部结构为对角分布的红外发光管和光电晶体管，依靠输出脉冲的电压值来计算PM2.5的浓度值。
[0030]一种基于STM32F103的智能家居控制系统的无线传输模块(1-5)如图(6)所示，采用TC35I无线通讯系统，主要由GSM基带处理器(6-5)、GSM射频模块(6-4)、电源模块(6-6)、ZIF连接器(6-3)、天线连接器(6-2)组成，可以快速安全地实现数据、语音的传输、短信息服务等功能，可以工作在GSM900KHZ和1800KHZ两个频段,通过独特的40引脚的ZIF连接器(6-3),实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输；通过ZIF连接器(6-3)及天线连接器(6-2)，可分别连接SIM卡支架和天线。该模块向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音和短消息提供快速、安全的传输。
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