本文采用AIOT技術、語音識别技術與傳統的空調遙控器結合，STM32F103主控芯片與紅外發射電路實現發射紅外編碼信号，設計一款集語音交互、聯網控制功能于一體的空調紅外遙控器。該遙控器有兩種方式對空調進行控制，分别為語音控制和聯網控制。這兩種方式都是主控芯片收到不同的控制命令，發射出相對應的紅外編碼信号，從而達到控制空調的目的，同時空調運行狀态顯示在1.44寸的TFTLCD屏幕上。另外，為了達到類似語音助手的交互，作品搭載了語音播放模塊，可以依據識别到的關鍵詞語做出相應的語音回複，提升交互感，帶來全新的，智能的生活體驗。

1引言

2研究意義及背景

(1）理論意義。随着社會的飛速發展，社會生活變得更加便捷和智能，智能家居概念逐漸融入社會，将會為人們組建一個智能、安全和快捷的數字化家居空間。在智能家居給人們帶來便捷生活的同時，人們的控制習慣逐漸發生改變，語音交互和APP遠程聯網控制是現在智能家居行業内，使用的最多的智能控制方式，而空調又是現代家庭生活中最重要的電器之一，将會是智能家居系統中重要的組成部分。本設計結合這個背景，将設計一款集語音交互、聯網控制功能于一體的空調紅外遙控器，帶來全新的、智能的生活體驗。

(2）工程背景。随着物聯網技術的發展，智能家居概念逐漸融入社會，很多的家電産品也紛紛帶有了聯網功能，使用APP就可以控制和查看家電的運行狀态，十分方便，但是一般的家電使用壽命都很長，為了一個新的功能去換一套家電，顯然是不劃算的。可以換個思路，大多數的家電都是采用紅外遙控器控制的，隻需制作一個聯網的遙控器，從而家電也具備聯網的功能，這種方式隻需要換一個遙控器，而不是換一套家電。

(3）本作品選擇了聯網意義較高的空調作為控制對象，制作一款具備語音交互與聯網控制的空調紅外遙控器。

(4）研究内容及任務。設計一款語音交互空調遙控器，要求：能夠語音識别并做出對應的語音反饋；控制空調，具體操作可以為切換空調模式，升降溫，定時，掃風等；LCD顯示屏顯示空調模式，溫度，掃風等；夜燈功能，根據語音指令開關燈啟用夜燈功能；遙控功能可以使用手機APP遠程控制；具有間隔定時功能。

(5）主要工作。本設計中的重點工作是對空調遙控器紅外波形采集和解碼，并設計發射功率較大的紅外發射電路，以及遙控器的聯網，能實現手機對空調遙控器的遠程控制。

3系統整體設計

圖1系統設計框架圖

系統設計框架圖，如圖1所示，圖中MCU主控左側共包含語音播放、語音識别、ESP-12F、紅外發射電路、LCD顯示屏、溫濕度傳感器和小夜燈共計7個模塊，MCU将運行RT-Thread嵌入式實時操作系統，創建的5個線程，交由操作系統進行統一的管理調度。

其中語音識别模塊主要用于識别與控制相關的關鍵詞，達到語音控制的效果，為了達到類似語音助手的交互邏輯，系統搭載了語音播放模塊，提升交互感。而将MCU與機智雲平台聯系起來的就是ESP-12F無線聯網模塊，可以使用手機對空調遙控器的遠程控制。系統将通過該紅外發射電路發射紅外編碼信号，實現對空調的控制。1.44寸的LCD屏幕将顯示空調當前運行狀态、室内溫濕度、WIFI的連接狀态。小夜燈可以在夜裡提供臨時的照明。

因為系統中的模塊比較多，實時性要求也比較高，使用裸機編程難度大，所以選用了RT-Thread操作系統，讓操作系統對模塊進行任務調度。

3.1芯片選擇

MCU作為整個系統的“大腦”，選擇尤為重要，要同時滿足系統中各個模塊、電路的工作需求，表1為語音交互空調遙控器設計中各個模塊所需的外設。

表1各個模塊所需的外設

C51系列芯片：僅擁有2個定時器，1個串口，32個普通10口，5個中斷源，是8位的MCU,4k的ROM,128bytes的RAM，可用的外設資源較少，達不到系統設計的需求。

Cortex-M4系列芯片：雖然在性能遠遠超過Cortex-M3系列芯片，能夠滿足系統設計的需求，但價格更貴，并且性能會過剩，性價比不高，故不選擇此系列的芯片。

Cortex-M3系列芯片：意法半導體公司生産的基于CortexM3系列的STM32F103RCT6芯片，芯片引腳數為64，最高主頻為72M，工作電壓2V～3.6V，它擁有的資源包括：48KBSRAM、256KBFLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、3個SPI、2個ⅡC、5個串口、及51個通用10口[1]。此芯片開發過程簡單，性價比極高，被廣泛用于各個領域。經過與表2-1作比較後，選用該芯片作為主控芯片完全能夠滿足系統設計的需求。

3.2RT-Thread嵌入式實時操作系統

圖2RT-Thread操作系統架構圖

本設計作品中，需要用到很多的模塊，實時性要求也比較高，單純的裸機系統已經不能夠完美地解決問題，反而會使編程變得更加複雜，可以考慮引入RTOS實現多線程管理，将各個模塊分成一個個任務，交由操作系統進行合理地多任務調度、充分利用系統資源，提高實時性[2]。RTOS有許多種，需要一個能運行在STM32F103RCT6芯片上的操作系統，同時占用的系統資源FLASH和RAM比較少，不會影響程序的運行。

RT-Thread是一款嵌入式實時操作系統（RTOS），内核最小的資源占用情況是3KBROM,1.2KBRAM，完全符合需求。RT-Thread基本屬性之一是支持多任務，允許多個任務同時運行并不意味着處理器在同一時刻真地執行了多個任務。事實上，一個處理器核心在某一時刻隻能運行一個任務，由于每次對一個任務的執行時間很短、任務與任務之間通過任務調度器進行非常快速地切換，給人造成多個任務在一個時刻同時運行的錯覺[3]。

3.3ESP-12F 機智雲物聯網雲平台

作品中需要APP遠程聯網控制，需要一個WiFi模塊和一個物聯網雲平台，系統将數據采集發送給雲端，雲端将數據處理完成後，再把結果發送給用戶的手機APP。esp8266是一顆高性能無線SOC，被廣泛的應用于物聯網行業。為了減小開發的難度，選擇基于ESP8266設計開發的ESP-12FWIFI模塊，該模塊支持标準的IEEE802.11b/g/n協議，完整的TCP/IP協議棧，用戶可以直接使用它為設備添加聯網功能。

機智雲物聯網平台為開發者提供了自助式智能硬件開發工具與開放的雲端服務。GAgent是機智雲為硬件接入提供的運行于通信模組等環境的嵌入式固件系統，主要的作用是數據轉發，是設備數據、機智雲、應用端（APP）的數據交互橋梁。借助機智雲物聯網雲平台，也可以省去雲端服務器的搭建，降低開發難度，節省成本田。所以，将GAgent固件燒入WIFI模組中，再配合機智雲平台，主控MCU隻需要負責把發送的數據告訴ESP-12F模塊，它将自動地把數據打包發送給雲端，雲端再将數據發送到移動端（APP)，這樣就能将系統聯網的橋梁打通。

3.4語音識别

在智能家居中，語音交互是很重要的一種人與物的交互方式，當前市面上大多數使用的嵌入式語音識别芯片為LD3320，基于非特定人語音識别技術的語音識别/聲控芯片。

非特定人語音識别技術ASR，語言學家建立語音模型對大量的語音數據進行分析，建立數學模型後，反複訓練提取基元語音的細節特征，以及各基元間的特征差異。可以得到在統計概率最優化意義上的各個基元語音特征。最後由資深工程師将算法以及語音模型轉化為硬件芯片以應用在嵌入式系統中S1。隻需要設定好要識别的關鍵詞語列表，以字符的形式把這些關鍵詞語傳送到LD3320内部，不需要用戶作任何地錄音訓練，将用戶說出的詞語與關鍵詞語列表進行比較，就可以識别關鍵詞。

3.5其它組成部分

(1）語音播放。為了達到類似語音助手的交互，系統搭載了語音播放模塊，提升交互感。因為系統針對性很強，所以隻需要預存與空調操控相關的應答語句，也是這一點，選擇便宜的MP3播放模塊就可以滿足需求，而不用去選購比較昂貴語音合成模塊。

(2）HDC1080溫濕度傳感器。空調主要的目的就是調節室内的溫度，系統搭載了一顆高精度的溫濕度傳感器，實時測量室内的溫度和濕度，同時溫濕度數據也将通過WIFI，同步到移動端APP上，可遠程查看室内溫度。

(3)紅外發射電路。紅外發射電路是整個系統最關鍵的部分，系統将通過該電路發射紅外編碼信号，實現對空調的控制。

(4）觸摸按鍵。觸摸按鍵主要作用是控制LCD屏幕的背光，降低LCD屏幕的功耗，同時按鍵上的LED燈可以作為語音識别時的識别指示燈。

(5）小夜燈。小夜燈模塊由一個大功率的LED燈組成，在夜晚提供臨時照明，可使用語音或手機APP控制夜燈的開關。

(6）)LCD屏幕。1.44寸的LCD屏幕将顯示空調當前運行狀态、室内溫濕度、WIFI的連接狀态，以及通過WIFI網絡獲取的日期時間，LCD屏幕背光開關将通過觸摸按鍵控制，在背光點亮60秒後，會自動熄滅，這樣做主要是為了降低功耗，延長使用壽命。

4結束語

本文主要介紹了作品整個系統的組成模塊，系統中兩個重要的功能，一是聯網服務主要由機智雲物聯網雲平台提供，二是語音識别則交由LD3320模塊來實現。因為系統所包含的模塊比較多，選擇植入RT-Thread實時操作系統，不僅提高了系統的實時性，還大大降低了編程的難度。

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