2018年广东省大学生电子设计竞赛一等奖作品.pdf

发布时间：2022-07-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.84M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统 2018 年广东省大学生电子设计竞赛设计报告一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统 A smart home system based on Bluetooth and voice control 摘要：本项目使用 STM32F407 作为主控芯片，通过蓝牙和语音控制实现安全、便宜的智能家居系统。实现了手机实现家电控制；语音识别+人脸识别开门/关门；语音控制开关灯、开关风扇以及切歌，关闭音乐等；地震、CO、温度、湿度、光强监测等；用户可通过 LCD 显示屏操作 APP 实现人脸管理、人脸登记、语音留言、文本留言、查看语音、查看文本留言、查看门外情况(监控)，以及控制开门/关门、开灯/关灯、开风扇/关风扇等等。相比于现有的智能家居方案，我们的方案通过使用 Android ID 作为手机用户唯一识别码以及语音识别+人脸识别双重开门检测，使得整个系统更为安全。同时，我们的方案成本更低，可用于高校学生宿舍推广。关键词：智能家居；STM32；蓝牙；语音识别；人脸识别 ABSTRACT This project uses STM32F407 as the main control chip to realize a safe and cheap smart home system through Bluetooth and voice control. Achieve mobile phone to achieve home appliance control; voice recognition + face recognition to open / close the door; voice control switch lights, switch fans and cut songs, turn off music, etc.; earthquake, CO, temperature, humidity, light intensity monitoring, etc.; users can pass LCD Display operation APP implements face management, face registration, voice message, text message, view voice, view text message, view door condition (monitoring), and control door opening/closing, turning on/off, turning on/off Fans and so on. Compared with the existing smart home solution, our solution makes the whole system more secure by using the Android ID as the unique identification code of the mobile phone user and the dual recognition detection of voice recognition + face recognition. At the same time, our program costs are lower and can be used to promote college students' dormitory. INDEX TERMS Smart home; STM32; Bluetooth; Speech recognition; Face recognition

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统原创性声明本团队郑重声明：所呈交的作品及论文，是本团队在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。作者签名：日期：第 2 页共 80 页

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统目录原创性声明 ...................................................................................................................... 2 目录 ...................................................................................................................................... 3 查新说明 .................................................................................................................................. 5 第 1 章引言 ............................................................................................................................ 6 1.1 选题背景和研究意义 ............................................................................................... 6 1.2 智能家居研究现状 ................................................................................................... 6 1.3 论文研究内容和结构安排 ....................................................................................... 7 第 2 章智能家居实现的理论分析 ........................................................................................ 8 2.1 蓝牙通信技术 ........................................................................................................... 8 2.2 语音识别技术 ........................................................................................................... 8 2.3 人脸识别技术 ........................................................................................................... 9 第 3 章智能家居系统设计 .................................................................................................. 11 3.1 智能家居系统整体设计 ......................................................................................... 11 3.1.1 系统整体架构 .............................................................................................. 11 3.1.2 系统功能 ...................................................................................................... 13 3.1.3 系统指标 ...................................................................................................... 14 3.2 智能家居硬件设计 ................................................................................................. 14 3.2.1 蓝牙通信模块 .............................................................................................. 14 3.2.3 摄像头模块 .................................................................................................. 16 3.2.4 MPU6050 模块 ............................................................................................. 17 3.2.5 继电器模块和电磁铁模块 .......................................................................... 18 3.2.6 SD 卡接口电路 ............................................................................................. 18 3.2.7 数字温湿度传感器 DHT11 ......................................................................... 18 3.3 智能家居软件设计 ................................................................................................. 19 3.3.1 智能家居 APP 设计 ..................................................................................... 19 3.3.2 智能家居 STM32 控制设计 ........................................................................ 21 3.4 通信协议 ................................................................................................................. 22 3.4.1 蓝牙通信 ...................................................................................................... 22 3.4.2 系统硬件设置操作 ...................................................................................... 22 第 4 章智能家居系统实现 .................................................................................................. 23 4.1 整体系统的搭建 ..................................................................................................... 23 4.2 系统测试方案 ......................................................................................................... 23 4.3 智能家居系统的测试 ............................................................................................. 23 4.3.1 智能家居 APP 调试 ..................................................................................... 23 4.3.2 蓝牙通信部分调试 ...................................................................................... 23 4.3.3 语音控制部分调试 ...................................................................................... 24 4.3.4 人脸识别部分调试 ...................................................................................... 24 4.3.5 地震监测部分调试 ...................................................................................... 24 第 3 页共 80 页

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统第 5 章结论与展望 .............................................................................................................. 25 附录 ...................................................................................................................................... 26 附录 1 智能家居系统使用说明 ................................................................................... 26 附录 2 智能家居系统 Android 源程序 ........................................................................ 27 附录 3 智能家居系统 STM32 源程序主函数 ............................................................. 42 参考文献 ................................................................................................................................ 80 第 4 页共 80 页

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统查新说明在大雅相似度分析官网上查新结果： http://dsa.dayainfo.com/ 标题相似度检测时间检测状态付费状态操作一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统 22.75% 2018-08-20 完成第 5 页共 80 页

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统第 1 章引言 1.1 选题背景和研究意义智能家居的概念起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到 1984 年美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康涅狄格州（Connecticut)哈特佛市（Hartford）的 CityPlaceBuilding 时，才出现了首栋的智能型建筑[1]，从此揭开了全世界争相建造智能家居派的序幕。美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居系统是人们理想中的一种居住环境，其以住宅为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户能够远程监控自己的家居状态[2]和控制家庭电器设备。出门在外，我们可以通过电话、电脑来远程遥控家居各智能系统，例如在回家的路上提前打开家中的空调；到家开门时，借助人脸和语音识别技术[3]，可实现不用钥匙开门，安防撤防，开启家中的照明灯具和窗户迎接我们的归来；回到家里，可以使用手机或者遥控器方便地控制房间内各种电器设备，可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景，可以用语言控制音响电视播放歌曲„„这一切，主人都可以安坐在沙发上从容操作，一个手机或者直接用语音可以遥控家里的一切，比如开风扇，给植物浇水，调整窗帘、灯光的状态；在公司上班时，家里的情况还可以显示在办公室的电脑或手机上，随时查看；门口机具有语音留言和拍照等功能，家里没人而有客人来的时候，系统会记录相关信息供我们回来查询。这一切都是家居智能化给我们带来的福利，摆脱了传统的机械的家居控制，节省了人力，使居家更加的方便，增强了家庭中各种安全问题的监控，提高了住户的生活质量和幸福感[4]。 1.2 智能家居研究现状智能家居最初的发展主要以灯光遥控控制、电器远程控制和电动窗帘控制为主，随着行业的发展，智能控制的功能越来越多，控制的对象不断扩展，控制的联动场景要求更高，其不断延伸到家庭安防报警[5]、背景音乐、可视对讲、门禁指纹控制等领域。智能家居领域由于其多样性和个性化的特点，也导致了技术路线和标准众多，没有统一通行技术标准体系的现状，从技术应用角度来看主要有三类主流技术：第一类是总线技术类；总线技术的主要特点是所有设备通信与控制都集中在一条总线上，是一种全分布式智能控制网络技术，其产品模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程。典型的总线技术采用双绞线总线结构[6]，各网络节点可以从总线上获得供电，亦通过同一总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互连和通信。第二类是无线通信技术类；无线通信技术众多，已经成功应用在智能家居领域的无线通信技术方案主要包括：射频（RF）技术[7]（频带大多为 315 和 433.92MHz）、 VESP 协议、IrDA 红外线技术、HomeRF 协议[8]、Zigbee 标准[9]、Z-Wave 标准、Z-world 标准、X2D 技术等。无线技术方案的主要优势在于无需重新布线，安装方便灵活，而且根据需求可以随时扩展或改装，可以适用于新装修用户和已装用户。第三类是电力第 6 页共 80 页

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统线载波通信技术；电力线载波通信技术充分利用现有的电网，两端加以调制解调器，直接以 50Hz 交流电为载波，再以数百 KHz 的脉冲为调制信号，进行信号的传输与控制。目前智能家居也面临一个大数据时代所不可回避的问题就是安全。目前对于物联网设备，可以采取的安全措施大概可以分为四类。一是前端，即用户的设备端，通过增强设备本身的可靠性来降低风险，比如提高生物识别模块的准确度；二是网络，即防范数据传输过程中可能出现的安全风险；三是系统和数据库，即防范操作系统、通用应用平台系统方面存在的风险以及威胁到信息数据库的安全风险；四是应用、管理、终端，即防范实现业务应用自身及应用交互过程中的安全风险，防范网络和系统管理不善产生的风险，防范控制终端及其操作系统面临的风险[10]。不过放眼整个智能家居行业，很少有企业能完全做到上述措施，因为涉及的领域极其广泛。另一方面，从市场的角度来说，智能家居的发展不仅受限于技术的发展，也受限于用户的体验。对于市场来说，智能家居系统作为一款产品[11]，用户关心的是他的用户体验以及价格方面的问题，但就目前而言，智能家居系统受到价格的影响，他的使用范围还仅仅局限在那些高档住宅小区，对于那些相对老式的住房，智能家居的寥寥无几。 1.3 论文研究内容和结构安排本论文主要是采用 STM32 作为主单片机，使用蓝牙通信和语音识别实现智能控制，使用摄像头、蜂鸣器、温湿度传感器、光敏传感器、LCD 显示屏、继电器、马达等硬件模拟整个智能家居系统。论文的内容安排如下: 第 1 章：引言。本章包括选题背景和研究意义，概述智能家居系统的发展现状。第 2 章：智能家居实现的理论分析。本章主要智能家居系统的蓝牙通信技术、语音识别技术、人脸识别技术。第 3 章：智能家居系统设计。本章对比分析了 STM32 单片机和 51 单片机、蓝牙通信和 WIFI 通信，并展开硬件设计和软件设计，最终搭建整个智能家居系统。第 4 章：智能家居系统实现。本章主要对系统方案进行实现并测试相关功能，验证设计的合理性与有效性，并进行整体测试。第 5 章：结论与展望。本章总结了本论文所做的工作，并指出可改进的地方，深入认识基于蓝牙和语音控制的智能家居系统的优势与技术难点，预测智能家居的发展走向。附录给出了智能家居系统的程序清单、使用说明、Android 源码、STM32 源码。第 7 页共 80 页

一种基于蓝牙和语音控制的智能家居系统第 2 章智能家居实现的理论分析 2.1 蓝牙通信技术蓝牙(Bluetooth)通信技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化笔记本电脑和智能手机、单片机等终端设备之间的通信，从而使这些设备之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路，其实际应用范围可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。“蓝牙”技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案。蓝牙通信的传输速率最高为 1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为 10 米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。 HC-05 是一款高性能的主从一体蓝牙串口模块，该蓝牙模块的特点如下：（1）采用 CSR 主流蓝牙芯片，蓝牙 V2.0 协议标准；（2）输入电压:3.6V--6V,禁止超过 7V；（3）波特率为 1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200 用户可设置；（4）带连接状态指示灯,LED 快闪表示没有蓝牙连接;LED 慢闪表示进入 AT 命令模式；（5）板载 3.3V 稳压芯片,输入电压直流 3.6V-6V;未配对时,电流约 30mA(因 LED 灯闪烁,电流处于变化状态)；配对成功后,电流大约 10mA。（6）用于 GPS 导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统；（7）可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器等设备进行无缝连接。（8）HC-05 嵌入式蓝牙串口通讯模块（以下简称模块）具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）三种工作角色。 2.2 语音识别技术语音识别部分的原理图如以下框图所示：图 1 语音识别原理第 8 页共 80 页

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