STM32智能家居语音系统(ASRPRO版)

入眼惊鸿

已于 2025-06-20 12:25:53 修改

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文章标签： stm32 智能家居

于 2025-06-14 22:44:44 首次发布

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一、系统架构与核心硬件选型

主控芯片：STM32F103C8T6Q

性能分析

ARM Cortex-M3内核，72MHz主频，64KB Flash，20KB RAM，满足基础功能需求，但需优化代码以避免内存溢出（如动态内存分配限制、模块化编程）。

资源瓶颈：若需扩展更多功能（如WiFi通信、复杂语音指令），建议升级至STM32F4系列（如F407VET6，192KB RAM）。

外设分配

I2C接口：连接OLED屏幕、EEPROM存储器（AT24C02）。

UART接口：与ASRPRO语音模块通信。

GPIO：控制按键、继电器、LED灯、步进电机驱动信号。

PWM输出：TIM2/TIM3通道控制风扇转速、LED亮度。

ADC输入：采集光敏电阻信号（若未用数字传感器）。

传感器选型与优化

温湿度传感器

DHT22（精度±2%RH/±0.5℃）优于DHT11，但需注意单总线通信时序（建议使用HAL库的DHT驱动库）。

烟雾传感器

MQ-2需预热10分钟以上，且对酒精等气体敏感，建议增加滤波算法（如移动平均）降低误报。

光照传感器

BH1750（I2C接口，精度±20%）优于光敏电阻，但成本较高；若用光敏电阻，需分压电路+ADC采样，并通过软件校准（如建立光照强度-ADC值映射表）。

二、功能模块深度扩展

1. 检测功能：多传感器融合与数据预处理

数据采集策略：

分时轮询：

温湿度：每5秒采集一次（DHT22响应时间约2秒）。

烟雾浓度：每10秒采集一次（MQ-2响应较慢）。

光照强度：每1秒采集一次（实时性要求高）。

异常处理：

传感器故障检测（如DHT22通信超时，触发OLED报警提示）。

数据滤波（如卡尔曼滤波或滑动平均）消除噪声。

环境联动逻辑：

温湿度联动：

温度>30℃且湿度<40% → 风扇全速+加湿器开启。

温度<20℃ → 关闭风扇，LED调至暖光（PWM模拟）。

烟雾安全策略：

烟雾浓度>阈值 → 关闭所有电器（风扇、窗帘），触发蜂鸣器报警，OLED显示“烟雾超标！”。

光照智能调节：

光照强度<50lux → LED亮度自动调至80%（PWM占空比80%）。

光照强度>1000lux → 关闭LED，窗帘自动闭合（步进电机控制）。

2. 显示功能：OLED交互界面设计

界面布局：

主界面：

顶部：实时时间（通过RTC模块实现）。

中部：温湿度、烟雾浓度、光照强度（图标+数值）。

底部：设备状态（灯/风扇/窗帘/加湿器图标，开关状态颜色区分）。

设置界面：

阈值调节（按键/语音控制，数值滚动显示）。

模式切换（手动/自动，图标高亮提示）。

动态刷新优化：

仅更新变化的数据（如温湿度），减少OLED刷新频率（延长寿命）。

使用u8g2库的u8g2_FirstPage()和u8g2_NextPage()实现双缓冲，避免闪烁。

3. 手动模式：按键与语音双控设计

按键控制：

硬件设计：

4个独立按键（上/下/左/右）+ 1个确认键（减少GPIO占用）。

功能映射：

上/下键：调节LED亮度或风扇转速（PWM占空比±10%）。

左/右键：切换设备（灯/风扇/窗帘/加湿器）。

确认键：开关当前设备。

语音控制：

ASRPRO模块集成：

通过串口接收语音指令（如“打开窗帘”“调亮灯光”）。

支持唤醒词（如“小智”）避免误触发。

指令解析：

简单指令：直接映射到GPIO或PWM控制（如“开灯”→GPIO置高）。

复杂指令：解析参数（如“调光到50%”→设置PWM占空比50%）。

4. 自动模式：智能场景联动

场景预设：

睡眠模式：

22:00后自动关闭所有电器，窗帘闭合，LED调至暗光（PWM占空比10%）。

离家模式：

通过按键或语音触发，关闭所有设备，启动烟雾监测（超标时发送报警信号至手机，需扩展WiFi模块）。

阈值自适应：

根据季节调整阈值（如夏季湿度阈值降低10%，冬季温度阈值提高5℃）。

5. PWM调光/速：精细化控制

LED调光：

冷暖双色LED控制：通过PWM分别调节冷光（TIM3_CH1）和暖光（TIM3_CH2）的占空比，实现色温调节。

风扇调速：

无级调速：PWM频率20kHz（避免人耳可听噪音），占空比0-100%对应转速0-3000RPM。

6. 阈值调节：用户自定义与存储

调节方式：

按键调节：

长按确认键3秒进入设置模式，通过上下键调整阈值，确认键保存。

语音调节：

支持指令如“设置温度阈值为28度”“将湿度下限调至30%”。

数据存储：

使用AT24C02 EEPROM保存阈值（I2C通信，写入前需检查设备地址）。

上电时自动读取EEPROM值，避免每次重启需重新设置。

三、系统优化与可靠性设计

低功耗优化：

传感器休眠：

温湿度传感器在非采集周期进入低功耗模式（DHT22无此功能，可改用SHT30）。

光照传感器在夜间降低采样频率（如每5秒一次）。

主控休眠：

空闲时进入Stop模式（电流<2μA），通过RTC或外部中断唤醒。

代码架构优化：

状态机设计：

定义enum状态（如MANUAL_MODE、AUTO_MODE、SETTING_MODE），通过switch-case处理逻辑。

模块化封装：

将传感器驱动、OLED显示、PWM控制等封装为独立.c/.h文件，便于维护。

异常处理：

看门狗保护：

启用独立看门狗（IWDG），防止程序卡死。

通信容错：

语音模块通信超时重试3次，失败后切换至手动模式。

四、扩展功能与未来升级

无线通信扩展：

添加ESP8266模块，通过MQTT协议将数据上传至云平台（如阿里云IoT），实现远程控制。

AI语音交互：

升级至离线语音识别芯片（如LD3320），支持自然语言指令（如“把灯光调成阅读模式”）。

多设备联动：

通过ZigBee或蓝牙Mesh扩展更多智能家居设备（如智能插座、空气净化器）。

五、总结

该系统通过STM32F103C8T6Q实现了低成本、高集成度的智能家居控制，核心优势在于：

多传感器融合：实时感知环境并智能联动。

双控模式：按键+语音满足不同场景需求。

可扩展性：预留接口支持未来功能升级。

改进方向：

优化代码结构以应对资源瓶颈。增加传感器冗余设计（如双温湿度传感器互校验）。引入OTA升级功能，便于远程维护。

原理图

系统总体框架

程序：

#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>

// 假设的驱动初始化函数声明
void PlatformDrvInit(void);
void DelayInit(void);
void Usb2ComDrvInit(void);
void STEP_MOTOR_Init(void);
void led_init(void);
void KeyDrvInit(void);
void BH1750_Init(void);
void fan_init(void);
void OLED_Init(void);
void OLED_ColorTurn(uint8_t color);
void OLED_DisplayTurn(uint8_t display);

// 假设的任务函数声明
void HmiTask(void);
void DisplayTask(void);
void Intelligent_Voice_Task(void);

// 假设的定时器回调注册函数声明
void TaskScheduleCbReg(void (*cb)(void));

// 传感器数据结构体
typedef struct {
    uint8_t temp_threshold;
    uint8_t light_threshold;
} SensorData_t;

SensorData_t g_sensor_data;

typedef struct{
    uint8_t run;                    // 调度标志，1：调度，0：挂起
    uint16_t timCount;              // 时间片计数值
    uint16_t timRload;              // 时间片重载值
    void (*pTaskFuncCb)(void);      // 函数指针变量，用来保存业务功能模块函数地址
} TaskComps_t;

static TaskComps_t g_taskComps[] = 
{
    {0, 10,   10,   HmiTask},
    {0, 500,  500,  DisplayTask},
    {0, 100,  100,  Intelligent_Voice_Task},
    /* 添加业务功能模块 */
};

#define TASK_NUM_MAX   (sizeof(g_taskComps) / sizeof(g_taskComps[0]))

static void TaskHandler(void)
{
    for (uint8_t i = 0; i < TASK_NUM_MAX; i++)
    {
        if (g_taskComps[i].run)                      // 判断时间片标志
        {
            g_taskComps[i].run = 0;                  // 标志清零
            if (g_taskComps[i].pTaskFuncCb == NULL)
            {
                continue;
            }
            g_taskComps[i].pTaskFuncCb();            // 执行调度业务功能模块
        }
    }
}

/************************************************************** 
@brief 在定时器中断服务函数中被间接调用，设置时间片标记，
       需要定时器1ms产生1次中断
@param*
@return
************************************************************/
static void TaskScheduleCb(void)
{
    for (uint8_t i = 0; i < TASK_NUM_MAX; i++)
    {
        if (g_taskComps[i].timCount)
        {
            g_taskComps[i].timCount--;
            if (g_taskComps[i].timCount == 0)
            {
                g_taskComps[i].run = 1;
                g_taskComps[i].timCount = g_taskComps[i].timRload;
            }
        }
    }
}

static void DrvInit(void)
{
    PlatformDrvInit();
    DelayInit();
    Usb2ComDrvInit();
    STEP_MOTOR_Init();
    led_init();
    KeyDrvInit();
    BH1750_Init();
    fan_init();
    OLED_Init();
    OLED_ColorTurn(0);
    OLED_DisplayTurn(0);
}

static void AppInit(void)
{
    TaskScheduleCbReg(TaskScheduleCb);
}

// 假设的任务函数实现
void HmiTask(void) {
    // 实现HMI任务逻辑
}

void DisplayTask(void) {
    // 实现显示任务逻辑
}

void Intelligent_Voice_Task(void) {
    // 实现智能语音任务逻辑
}

int main(void)
{   
    DrvInit();
    AppInit();
    g_sensor_data.temp_threshold = 33;
    g_sensor_data.light_threshold = 50;
    while (1)
    {
         TaskHandler();
    }
}

通过以上设计，该系统可广泛应用于家庭、办公室等场景，实现真正的智能化环境管理。