基于STM32的智慧物联公寓系统的研发与设计

王晓 关雷

摘  要：智慧物联公寓系统主控模块选择STM32F103VET6单片机作为核心处理器，采用物联网技术组建公寓内部无线通信网络，集成无线通信与远程监控、语音交互与控制、人脸识别与检测、（烟雾、雨滴、温湿度等）传感器信息采集与控制、OLED液晶智能显示等模块和功能。采用ESP8266模块组建智慧物联公寓网络系统，通过手机APP控制LED灯亮灭、风扇启停等；通过语音交互与控制模块LD3320可以实现智慧物联公寓系统的语音交互与控制功能等。

关键词：STM32F103VET6；物联网；语音交互与控制

中图分类号：TP27  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）10-0158-04

Abstract： The main control module of the smart Internet of Things apartment system selects STM32F103VET6 Single-Chip Microcomputer as the core processor， and uses the Internet of Things technology to build the wireless communication network inside the apartment， and integrates wireless communication and remote monitoring， voice interaction and control， face recognition and detection， （smoke， rain， temperature and humidity， etc.） sensor information acquisition and control， OLED LCD intelligent display and other modules and functions. The ESP8266 module is used to build the smart Internet of Things apartment network system. The LED light on and off and the fan on and off are controlled through the mobile APP. The voice interaction and control module LD3320 can realize the voice interaction and control functions of the smart Internet of Things apartment system.

Keywords： STM32F103VET6; Internet of Things; voice interaction and control

0  引  言

伴隨着物联网、传感器和自动控制等现代化科学技术的快速发展，人们在生活的各个方面都充分体验到了现代科学技术带来的便利，特别是智能便捷的公寓生活环境——智慧物联公寓系统。本课题研究一种具有无线通信、人脸识别、温湿度检测以及防火防盗等多项功能的智慧物联公寓系统，旨在为人们提供一个轻松便捷、温馨舒适、安全智能的公寓环境。

1  智慧物联公寓系统未来发展趋势

1）技术上更智能。目前，传统的家居、公寓系统基础设施依然比较落后，语音识别、人工智能、远程监控等现代智能技术还没有得到普及和应用，相信将来的智慧公寓系统将会变得更加智能。

2）生态上更开放。因为智慧物联公寓跟手机不同，由于各家厂商之间互不兼容，公寓系统存在相当大的局限性。因此，想要更加成熟稳定的发展，未来的智慧物联公寓生态肯定要开放。

3）功能上更“慵懒”。智慧物联公寓最刚需也最能打动人心的地方，就是贴合人类“懒”的本性，可有效提高生活幸福感，比如电动窗帘、智能门锁、智能音箱、扫地机器人等产品。

4）生活上更便捷。智慧物联公寓系统可以通过语音交互、无线通信、远程监控等相关技术进行监测和控制，生活更加方便，提高生活品质。

5）联网上更广泛。国家一直着力于推进“智慧城市”系统工程，打造信息化的城市连接，伴随着物联网、人工智能、大数据、云计算等相关技术的发展，“物物相连”的智慧公寓在未来某一天终将变为现实。

2  系统整体研发方案

智慧物联网公寓系统主要集成中央处理器STM32F103

VET6、电源模块、人脸识别模块、烟雾报警模块、温湿度检测模块、OLED显示模块和语音播报模块等模块，系统整体研发方案如图1所示。

1）无线通信与远程监控：采用ESP8266模块组建智慧物联公寓网络系统，实现物物相连，通过手机APP控制LED灯亮灭、风扇启停等。

2）智能语音交互与控制：通过语音交互与控制模块LD3320可以实现智慧物联公寓系统的语音交互与控制功能，如通过语音控制LED等亮灭、电机开启和关闭风扇等。

3）人脸识别与检测：本研发项目视觉模块采用OpenMV摄像头作为人脸识别与检测传感器采用LBP算法（具有旋转不变性和灰度不变性等优点），检测人脸灰度图像。当摄像头开始工作时，拍摄四次图像，并将四次的平均值与图库中已经建立的人脸灰度数据进行分析比较，当差异度较小时，向主控端发送数据，打开门禁系统，否则提示人脸检测失败。

4）（烟雾、雨滴、温湿度等）传感器信息采集与控制：如当烟雾传感器模块MQ-2检测环境烟雾浓度过高时，通过OLED液晶屏显示烟雾浓度数据，自动开启风扇加强空气流通，同时也会发出消息上传数据到用户的手机APP上，提醒在外用户。

5）OLED液晶屏信息采集与智能显示：通过OLED液晶智能显示模块可以实时直观、清晰地智能显示温湿度、烟雾浓度等环境信息。

3  系统硬件设计

智慧物联公寓系统整体研发与设计方案选择STM32F

103VET6单片机作为核心控制器，集成无线通信与远程监控、智能语音交互与控制、人脸识别与检测、（烟雾、雨滴、温湿度等）传感器信息采集与控制、OLED液晶屏信息采集与智能显示、电机驱动与控制等模块和功能。

3.1  烟雾报警器电路设计

采用MQ-2烟雾采集与报警模块作为智慧物联公寓系统的烟雾传感器，当我们生活的公寓可燃性气体（如甲烷）浓度超过一定程度时，MQ-2烟雾传感器的电导率就会增大，电路中电流就会增大，从而进行报警。

本研发项目主要通过烟雾传感器模块实现火灾报警功能，将环境中烟雾和可燃性气体浓度转换为烟雾传感器电导率的变化。MQ-2气体传感器同样对天然气、液化气、丙烷、氢气的灵敏度也很高，还可以检测CO等一些有害气体，检测效果理想。

当烟雾浓度过高时，MQ-2气体传感器温度越来越高，响应时间也越来越快，当烟雾浓度变大时，adc烟雾采集，将采集到的烟雾上传到OLEDD显示屏上，同时由于也采用了语音交互功能，可以通过语音来启动电机带动风扇的运作以及打开窗帘，同时也会发出一道消息传到用户的手机APP上，提醒在外的用户。烟雾传感器电路原理图分别如图2所示。

3.2  语音识别电路设计

语音识别技术（Automatic Speech Recognition， ASR）是涉及自然语言学、生理学、人工智能、信号与信息处理等多种技术交叉融合而产生的一门新兴技术，通过词错误率和准确率两个指标来进行度量，在智慧公寓、智慧教育、智慧城市、智慧医疗等领域应用越来越广泛。在语音信号识别与处理过程中可以采用快速傅里叶变换等相关技术将时域语音信号转换为频域语音信号，得到语音信号频谱图像。语音识别模块LD3320模块由3.3 V、5 V、TXD、RXD、GND由五个引脚组成，兼容3.3 V和5 V电压，通过串口通信技术与单片机STM32F103VET6进行通信。LD3320模块芯片内部集成语音识别与处理电路、模数转换、数模转换、麦克风语音信号处理电路等。

LD3320语音识别模块通过“关键词语列表”达到语音识别的目的，可以对经过麦克风输入的声音实施频谱进行分析，匹配关键词语列表中的关键词，而每个关键词语句对应一个识别码，从而进行语音控制。语音识别实物图和电路原理图分别如图3所示。

3.3  人脸识别电路设计

OpenMV是一个小巧的机器视觉模块，以OV7725为摄像头芯片，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，同时提供Python编程接口，方便开发，同时具备高效、低功耗的功能。

人脸识别涉及计算机视觉、数字图像处理、信号与信息处理等相关技术，采集人脸图像形成人脸数据库。当系统再次捕捉到人脸图像时会与数据库保存的人脸图像进行检测和比对，如果再次采集到的人脸图像与数据库中的人脸图像匹配成功，则人脸识别通过，否则需要重新采集和比对人脸图像。人脸识别主要用于身份验证，比如机场、车站、政府机关等。人脸识别模块电路原理图分别如图4所示。

4  系统软件设计与测试

智慧物联公寓系统整体研发与设计方案选择STM32F

103VET6单片机作为核心控制器，集成无线通信与远程监控、智能语音交互与控制、人脸识别与检测、（烟雾、雨滴、温湿度等）传感器信息采集与控制、OLED液晶屏信息采集与智能显示、电机驱动与控制等模块和功能。具备智能控制、安全可靠、操作方便、简约美观等优点。

1）智慧物联公寓系统会采集和录入人脸数据，形成人脸数据库，当学生回到公寓时，摄像头会扫描人脸进行比对，如果比对成功，驱动电机打开门禁系统，如果检测失败，会通过语音提示：“人脸检测失败，请重新扫描”。

2）通过语音交互与控制模块LD3320可以实现智慧物联公寓系统的语音交互与控制功能，如通过语音控制LED等亮灭、电机开启和关闭风扇等。

3）系统集成（烟雾、雨滴、温湿度等）传感器信息采集与控制模块。如，当烟雾传感器模块MQ-2检测环境烟雾浓度过高时，通过OLED液晶屏显示烟雾浓度数据，自动开启风扇加强空气流通，同时也会发出消息上传数据到用户的手机APP上，提醒在外用户；当雨滴传感器采集到水滴时，自动驱动电机关闭窗帘；当DHT11温湿度传感器检测周边环境温度与湿度数据发生变化时，将检测的数值与设定的阈值进行比较，从而实现窗帘的自动控制。

4）通过OLED液晶智能显示模块可以实时直观、清晰地智能显示温湿度、烟雾浓度等环境信息。

智慧物联公寓系统流程图具体如图5所示。

下面以温湿度采集为例进行系统测试。DHT11的DATA引脚输出40位数据后，继续输出低电平54微秒后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。但DHT11內部重测环境温湿度数据，并记录数据，等待外部信号的到来。

显示DHT11温湿度传感器的参数使用OLED，当温度高于30摄氏度时，开启小风扇，进行降温；当温度低于10摄氏度时，电热丝加热；当湿度小于40%时，开启加湿器，使空气保持湿润；当湿度过高时，则进行干燥处理，即开窗通风。温湿度数据信息可以实时显示在OLED液晶显示屏上。温湿度采集与调试程序控制界面如图6所示。

基于STM32的智慧物联公寓系统整体运行实物如图7所示。

5  结  论

基于STM32的智慧物联网公寓系统的研究与设计主要包括中央处理器STM32F103VET6、电源模块、人脸识别模块、烟雾报警模块、温湿度检测模块、OLED显示模块和语音播报模块等。本研发项目以OpenMV为人脸识别的核心芯片，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，以STM32F103VET6为系统逻辑控制芯片，同时加入语音播报模块、温湿度检测模块、烟雾报警模块等。功能模式分别是人脸识别、温湿度检测、烟雾报警、语音播报。人脸识别采用OpenMV，实现了对人脸信息的实时录入，方便了人脸识别的管理。硬件方面系统还加入了语音播报模块、温湿度检测模块、烟雾报警模块、OLED显示等，系统界面简洁操作简单，同时具备语音播报功能，智能化程度高。

参考文献：

[1] 申斌，张桂青，汪明，等.基于物联网的智能家居设计与实现 [J].自动化与仪表，2013，28（2）：6-10.

[2] 白亮生.基于智慧校园理念的智能学生公寓管理系统设计 [J].科学咨询：科技·管理，2019（24）：29-30.

[3] 刘辉，王魏魏，许开杰，等.物联网环境下智慧公寓项目建设 [J].信息与电脑：理论版，2018（15）：82-83.

[4] 钱揖斌，赵建岭，刘建光，等.基于智慧协同的学生公寓管理与服务——中国矿业大学智慧公寓建设实践 [J].高校后勤研究，2017（5）：23-26.

[5] 顾晗甄.“互联网+”背景下高校智慧公寓建设研究 [J].科教文汇：下旬刊，2021（9）：25-26+33.

[6] 李国良.智慧教室物联网技术研究与实现 [J].电子技术与软件工程，2021（24）：9-10.

作者简介：王晓（1990.06—），男，汉族，山东泰安人，专技11级/电子信息工程技术专任教师，硕士研究生，研究方向：信号与信息处理。