基于Arduino单片机的语音控制智能家居设计

基于Arduino单片机的语音控制智能家居设计

一、选题简介、意义

１.选题的缘由

随着物联网技术的广泛应用与发展，智能家居的应用越来越广泛。与传统的家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，提供全方位的信息交互功能。

现代生活中的家居电器数量急剧增多，传统家居电器的机械化控制方式已经不能完全满足现代生活的需求，伴着家居电器的使用越来越广泛，一个智能化的控制系统，不仅能够帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。该系统的市场发展潜力尤为可观。

近年来随着现代互联网技术的发展，智能生活的理念深入人心，物联网和智能家居真正开始走向人们的视野。随着现代电力电子技术和电子元件制造工艺的发展，物联网设备的自动化程度和稳定性得到很大的提高，物联网设备也逐步向轻量化、自动化和智能化发展，还有高可靠性、高可控性、高效率等特点，功能不断增强和完善，这推动了智能家居技术的迅速发展，相继出现了多种多样的智能家居设备，如NEXT恒温器，空气净化器等，但国内外对本课题的研究尚存在待解决的问题：
(1) 家居智能化水平较低；

(2) 使用的平台不统一，功能单一且不完善；

(3) 价格相对昂贵，普及的难度比较大。

本系统以Arduino单片机为核心，实现室内家居的检测及智能控制。

２.选题的意义

现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。对于全身心投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。智能家居控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，即快捷又省力。还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，进而控制空调机的运行，达到人工模拟大自然的气息。使人们将来足不出户就能体验和享受到身临大自然的美好境地。加大了处理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居系统具有安网作为主干网，实现交互式数字视频业务。

智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

二、课题综述（课题研究目标，研究内容，拟创新之处，拟采用的研究方法、实验方案或可行性分析，研究计划与进度安排等）

1.研究目标

研究目的基于生活的便捷及高效的方向出发，主要是为了改进当下传统家居的控制方式落后及使用不方便等缺点，本设计的智能远程控制代替了传统家居设备手动机械控制，不仅效率高、成本低、使用方便、可控性强，更能提升家居便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

2.研究内容

基于Arduino单片机设计了一个模拟智能家居系统。该系统以Arduino单片机为核心，外接光照检测、温湿度传感器、有害气体、电灯和语音控制等模块。整个系统分为检测端和控制端两大部分，检测端由光敏电阻、温湿度传感器、语音通信模块和单片机组成。控制端由语音接收和电灯控制两大模块组成，包含单片机、无线通信模块和LED等。

该系统能够该系统能够实现对室内温度、湿度和光照强度等参数的实时检测，并能够通过语音发出口令触发命令触发单片机；通过温湿度检测命令，播报相应环境温湿度。通过开灯命令，关灯命令，根据光线强弱，执行开关灯命令。

本课题主要研究的是基于物联网的智能家居系统，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、远程遥控、窗帘自控、防盗报警、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。

（1）硬件

Arduino单片机

传感器

继电器等

（2）软件

流程图，源程序，主函数

3.拟创新之处

运用智能家居语音识别初级套件，运用模型，简化操作，以小见大，方便观察理解。

4.拟采用的研究方法、实验方案或可行性分析

制作步骤：

步骤1

根据硬件电路设计原理，完成硬件架构。

步骤2

硬件部分的调试

步骤3

通过USB数据线将代码下到主控板中。

5．研究计划与进度安排

(1) 2017年11月——2017年12月：首先要搜集、整理有关的资料，在网上购买原材料制作智能家居语音识别初级套件，学习系统设备的硬件组态，查阅国内外文献，选定课题方向；

(2) 2017年12月——2018年2月：大量阅读已有的关于语音控制智能家居方面的文献。；

(3) 2018年2月——2018年4月：总结实验过程，对比分析结果，整理前期资料，撰写毕业论文并修改，准备毕业答辩。

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

设计体系：

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 课题研究的目的意义

1.3 国内外研究现状

1.4 论文的主要内容

第二章系统分析

2.1 需求分析

2.2 可行性分析

2.3 总体设计方案的选择

第三章硬件电路的设计

3.1 系统控制中心

3.1.1 DFR0216 UNO控制板的简介

3.1.2 拓展板

3.2 语音模块

3.2.1 中文语音识别模块设计

3.2.2 语音合成模块

3.3 模拟接口传感器

3.3.1 温湿度传感器模块

3.3.2 气体传感器模块

3.3.3 环境光线传感器模块

3.4 数字接口传感器

3.4.1继电器模块

3.4.2 LED灯模块

3.5 基础系统结构图

4.1 LED灯模块

4.2 中文语音识别模块程序设计

4.3 语音合成程序设计

4.4 继电器模块程序设计

4.5 温湿度采集程序设计

4.6 光照采集程序设计

4.7 气体传感器程序设计

第五章系统调试及测试

5.1 系统调试

5.1.1 硬件制作与调试

5.1.2 软件调试

5.2 系统测试过程及结果

5.2.1 测试过程

5.2.2 测试结果及分析

第六章总结

6.1 总结与展望

致谢

附录

第一章绪论

1.1 研究背景

在这个经济、信息和计算机科学快速发展的时代，我们的生活相较二十世纪可谓发生了巨多的改变。有很多高科技产品不再只存在在电视、电影或小说中，而是逐渐进入我们的日常生活。同时我们也学会用这些智能技术享受生活，享受智力革命带给我们的成果。我觉得物联网算是比较标新立意的存在，物联网就是将互联网和现实中的使用工具结合起来，特别是对家居产品如电灯、洗衣机、电视、电饭煲灯等各类场品进行智能遥控，便由此诞生了智能家居这一智能化的系统。由于智能家居系统能够让人们的生活方式更加舒适、方便、快捷、安全以及高效率，所以智能家居的发展也是非常急速的。随着现在的生活节奏越来越快，所以现在的年轻人更加向往方便快捷的生活方式，因此房地厂商更是抓住了这个热点，努力钻研让互联网结合我们生活中的种种工具，创造的智能家居系统能够跟上我们的快节奏的生活步伐。相信未来不久，智能家居一定能像电脑、洗衣机、智能手机一样广泛的进入到我们的生活，也能更好的造福人类。当人们出差郊游或者有事出远门时忘记关掉任何电器的电源，或者忘记锁门关窗，就可以通过一部手机或者一个小遥控器关掉家中所有电器，也能检查在出门期间家里是否存在安全隐患。当家中出现不速之客或者危险人物时，家里的警报器就会发出响声，并能通过控制器显示器告诉人们不速之客目前的位置，必要时可以实现一键报警。无论位于什么地方，都能通过手机，观察家中的任何情况，真的非常方便。

1.2 课题研究的目的意义

智能家居走进国门已经有十多年了，现如今智能化的信息已经越发的普遍流行起来，例如说某大型企业就充分的利用了智能家居的这个平台来解决了许多麻烦，让人民的生活更加的方便。现在的智能家居或者类似于智能家居的商品对于我们来说应该司空见惯了，真的不再像以前那样觉得思想是天马行空了。

现如今智能家居不再是纸上谈兵，而是更加的要让它加入到我们的普通生活中，研究开发智能家居的实际应用意义，只有这样才能被用户接受，口碑好了，自然这个概念就会被加以推广。智能家居也是这样为了满足用户的需求和要求，不断的改革创新，让其更加人性化。在未来社会，智能家居的特点会更趋向于人性化、节能化、云服务、以及权限性发展。智能家居的目的就是使控制系统与家居设备互相完美的互通起来，智能家居的内涵就是可以很好的对家居理念加以修饰，促进家居理念发展，并产生一定的社会效益。智能家居不仅具有让人民生活便捷的功能，还将会是我们安全有品质生活的保障，在不久的未来相信智能家居能带给我们的益处比我们能够想得到的多得多。

1.3 国内外研究现状

不用怀疑的是智能家居肯定在发达国家比较普遍，毕竟发达国家的经济能力和对计算机的研究能力更强。研究应用语音控制智能家居的时间比发展中国家要久，并且这类产品因为比较贴切生活更加有利于生活，能加快他们的生活节奏而广受欢迎。在我国，智能家居的使用虽然被用到实际生活中比较晚，但中国后劲足不影响其在中国快速的发展步伐，生产厂家如雨后春笋般出现并逐年增加，而产品类型也是非常丰富。值得一说的是虽然这些厂家遍布全国的各个地方也有能力负责生产过程中的各个环节，但是大型、有号召力和竞争力的企业却比较少。在外在条件和产品性能产品质量上，国内的与国外的总体上还是有一定的差距，但是并非所有的产品都是如此，有些产品，国内的与国外的相差无异，相信未来智能家居的普遍化指日可待。

1.4 论文的主要内容

第一章：绪论。主要包括智能家居背景的研究、为什么发展智能家居、发展智能家居的意义以及国内外现状的分析。

第二章：系统分析。主要是介绍怎么做这个模型，是总方案的设计。

第三章：语音控制智能家居硬件电路设计。介绍每个模块所需要的元器件并画出系统原理图。

第四章：智能家居软件的设计。介绍各个模块的所需要的传感器的相关参数、引脚连接以及程序设计。

第五章：系统调试方法及测试结果。主要是说明调试中遇到的问题、解决的方法以及分析最终测试的结果

第六章：总结。包括致谢、参考文献。

参考文献：

[1]张毅刚.单片机原理及应用 [M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]马玉志, 张国艳. 基于Arduino技术的家用电器非特定人语音控制系统的实现[J]. 科研, 2016.

[3]崔阳, 张维华, 白云峰. 一种基于Arduino的智能家居控制系统[J]. 电子技术应用, 2014.

[4] 《无线电》部. Arduino智能硬件开发进阶[M]. 人民邮电出版社, 2016.