摘要智能窗簾控制系統是一種方便快捷的智能環境監測與調節的家居系統。隨著智能化家居產品的產生與廣泛應用，越來越多的智能化家居系統應用于人們的住宅設計中，作為智能家居系統的一部分，智能窗簾控制系統的功能越來越多，能滿足不斷升級的新型住宅需求，并實現它的實用價值。本文基于ARM-STM32單片機的數據處理和通訊控制功能設計了一套智能窗簾控制系統。重點分析研究了窗簾與單片機之間的通訊控制技術。該系統集手動控制、遠程控制、聲控以及光控等為一體，并可根據需求設置窗簾開合時間，實現對窗簾的半自動控制和自動控制功能。本設計的控制系統主要包括:光強及溫濕度檢測模塊、電機驅動模塊、多模式切換模塊、遠程控制模塊、語音識別模塊等部分。可以實現對窗簾的自動及半自動控制且該系統具有成本低廉、抗干擾能力強、靈敏度高等特點，克服了傳統窗簾功能單一，智能化程度不高的缺點，能夠實際應用在百葉窗等一系列窗簾的控制中,具有一定的推廣價值和應用前景。關鍵詞：STM32；智能窗簾；溫濕度檢測；語音識別；遠程控制；

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u引言 11.1課題背景及其意義 11.2國內外的研究狀況 21.3本文的主要研究內容 21.4論文結構安排 31.5本章小結 3 42.1整體電路的確定 42.2主控制器方案選擇 42.3溫濕度模塊方案選擇 52.4遠程控制模塊方案選擇 62.5按鍵電路方案選擇 72.6語音控制模塊方案選擇 72.7顯示屏方案選擇 82.8光照強度模塊方案選擇 82.9超聲波測距模塊方案選擇 92.10本章小結 9第三章硬件電路的設計 103.1系統整體設計 103.2主控電路 103.3電源電路 113.4按鍵電路 123.5ESP8266WIFI遠程控制模塊 123.6LM393光照強度檢測模塊 133.7DHT11溫濕度檢測模塊 143.8LD3320語音控制模塊 153.9電機驅動電路 163.10OLED顯示屏模塊 163.11HC-SR04超聲波測距模塊 173.12本章小結 18第四章系統軟件的設計 184.1編程語言選擇 184.2單片機程序開發環境 184.3系統主程序 194.4溫濕度檢測模塊程序 204.5遠程控制模塊程序 214.6按鍵電路程序 224.7OLED顯示屏程序 234.8語音控制模塊程序 244.9超聲波測距模塊程序 254.10本章小結 25第五章系統設計與調試 265.1溫濕度測試數據分析 265.2光照強度采集測試數據分析 275.3語音控制距離測試 275.40.96寸OLED顯示屏顯示測試 285.5遠程控制測試 295.6本章小結 29第六章總結與展望 316.1總結 316.2展望 31致謝 33引言1.1

課題背景及其意義隨著現代科技的不斷飛速發展,智能化技術正以難以想象的巨大速度逐步滲入社會各個領域中。窗簾作為一種日常家居用品，正在迅速發生前所未有的技術變革，尤其是在自動化控制領域，對傳統窗簾控制系統有了新的技術要求。這些改進的技術不僅為傳統家居控制帶來了新的經濟增長點，也提出了新的科研課題。當前，大部分家用窗簾依舊采用手動扣環鋼絲掛在墻上，只有很少的住戶使用智能化或電子遙控窗簾。這主要由于智能窗簾的生產成本遠比傳統手工窗簾要高出不少,再加上現在的智能窗簾大多并不能滿足用戶的需求,而人們又覺得用人工關開門窗并沒有耽誤什么時間,所以智能門窗并沒有在人類的日常生活中進行廣泛應用。也就是由于這樣,智能窗簾在人類的日常生活當中才有著更大的發揮空間。但是,如果真要進一步提高智能窗簾的普及程度,就必須我們研發出功能模塊全、智能水平高、造價成本低,并且適合于每個家庭的智能自動控制門窗。從智能窗簾的控制方式來說,主要可以包括:光照強度控制、定時控制、語音控制、紅外遙控等。但是,在人們的生活中,噪音管理往往會由于噪音而顯得很難進行。所以大部分智能窗簾并不選擇聲控的方法,但語音控制確實是一種方便且智能的控制方式。若能以低廉的價格、清晰的結構、高靈敏度、遠距離控制、定時控制和光感控制相結合的智能窗簾系統，將會有很大的發展空間。本課題從智能窗簾的實用性和智能化控制系統的應用價值出發，以窗簾為研究對象，研制一款智能窗簾。本系統在進行多個測試目標和控制模塊共同作業的同時，還必須采用多種接口規范與MCU相結合，并通過MCU進行數據的加工，從而達到實時測量和監控的目的。而利用單片機來完成家居產品智能化的控制，不但便于信息的采集而且對產品的管理也十分簡易。該方案具有柔性好等特點，能夠極大地改善各個組件與芯片之間的協同性能，極大地提升了整個應用程序的可用性。本課題的開發系統充分發揮STM32的優勢，以STM32為主要控制單元，以其軟體和軟體兩部分構成了整個系統。該硬件部分由單片機擴展的存儲器、輸入/輸出裝置、多種界面、接口、相關周邊電路或組件構成，這些電路可以滿足MCU的控制需求；軟件包括多種工作流程和管理程序，這些都是通過單片機的應用系統來完成具體的控制函數。最終，結合用戶的需求，實現了這種智能窗簾，不僅方便了人們的日常使用，也能為消費者采購智能窗簾多一種選擇。如今人們對室內設計智能化的要求也越來越高，方便與舒適的智能窗簾對于現代快節奏的人們生活來說，是適應現代化辦公和生活環境的需要，是人們生活水平提高的一個標志[1]。隨著各行業公司對研發智能窗簾的投資可以看出發展前景十分廣闊，也預見其在未來市場會占有很大空間。1.2

國內外的研究狀況在歐洲，一些發達國家，窗飾智能化已經成為了時尚家居的一大標志，其智能便捷的特點使其引領國內窗飾市場的潮流。電動窗簾早已廣泛應用，10年前電動窗簾開始進入我國，在此后短短幾年時間里，生產商由最初的幾家增加到如今的百余家，發展十分迅速[2]。目前，我國遙控自動窗簾系統生產廠商、分銷商、集成商已形成相當規模，不少國內知名企業紛紛涉足遙控自動窗簾系統行業，比如小米旗下的米家、公牛電器、美的、TCL王牌等，并涌現出一些影響力比較大的智能家居生產廠商，如北京科創者科技有限公司、深圳市蘇米科技有限公司、北京美琪閣力有限公司、深圳綠米聯創科技有限公司、寧波杜亞機電技術有限公司等。智能窗簾的應用范圍也得到了擴展，除了辦公樓、酒店、演播廳、教學樓等大型公共場所以外，自動窗簾產品還走進了普通家庭，得到了用戶的諸多好評，展示了其巨大的應用潛力[3]。隨著智能窗簾熱潮的在全球范圍內蓬勃發展、電子信息技術的飛速發展和人類生活水平的日益改善,窗簾的智能化程度也日益增強,智能窗簾勢必作為未來家居風潮與發展的新方向,在不久的將來,缺乏智能窗簾控制的居室也必將落伍。據調查表明,中國國內目前的電動窗簾產品已經申報了一百七十多個國家的專利,雖然它們的技術原理基本相同,但一般售價都在第五百至數千元左右,且它們的共同缺陷是價格高、靈活性差、不能實現自動控制。1.3本文的主要研究內容本文首先分析了國內外智能電動窗簾的研究現狀、技術特點以及在智能家居方面的實際應用情況，總結了智能電動窗簾的特性。設計了以嵌入式芯片STM32F103C8T6單片機為主控的智能窗簾控制系統，完成了系統整體硬件電路的構思及采購、焊接和調試。本設計智能窗簾控制系統可以接收來自PC機串口調試助手或者手機app通過WIFI遠程發出的控制命令，完成對步進電機的控制模擬窗簾的打開關閉。通過試驗證明了本文設計的智能窗簾控制系統具有操作簡單方便、功耗低、性能穩定、可擴展性強等優點。具體的研究內容如下：（1）WIFI遠程控制窗簾工作，顯示屏實時記錄室內環境變化并根據環境變化比如光照強度控制窗簾的開關，以此應對不同天氣下窗簾的開關狀態。（2）利用智能語音識別技術，實現對窗簾不同模式下開關狀態的控制。使用STM32F103C8T6內部定時器，控制窗簾的開關時間。（3）制作模型模擬實物，測試系統各功能能否按照理論結果運行。對實驗結果進行分析總結，分析誤差和模擬失敗的原因。再查閱和學習相關軟硬件資料進一步完善相關功能，達到設計要求。在軟件程序編寫方面，對ST公司3.5固件庫進行了深入的學習和研究，從51MCU直接對寄存器進行控制的編程方式逐步轉變為利用固件庫的函數接口來間接地控制STM32的寄存器，通過對STM32進行了詳細的分析，學習和了解了STM32串口通信的通信模式，并編制了功能函數來實現對智能窗簾進行遠程控制的目的。基于上述的硬件與軟件基礎上，設計出一種智能的家庭窗簾控制系統，通過手機app實時發出控制指令，在一定距離的無線輻射下，實現對窗簾的自動控制。最后，對整個智能窗簾控制系統的各個模塊進行性能測試，得到了科學的測試數據，完成測試報告各項數據的記錄。通過測試后發現了系統的不完善部分，并經過深入的學習和研究，完成了整個系統結構的設計。1.4論文結構安排第一章總體介紹了智能電動窗簾的背景，對國內外智能窗簾的發展研究狀況進行總結，進一步分析了本文設計的智能窗簾控制系統應用的可行性。第二章分析了當前智能窗簾的主要應用技術的發展背景,根據整個控制系統的主要設計方案的特點,設計出了整個控制系統的主要智能硬件控制系統,并提供了硬件系統及電路原理圖,采購必需的元器件，完成整個系統的焊接及電路測試。第三章根據人們的不同需求，設計出兩種控制方式：按鍵控制技術和無線通信控制技術。完成無線模塊硬件電路的設計焊接調試。第四章使用KeilMDK集成開發工作環境,根據ST公司3.5固件庫的程序設計方法,并按照相應的硬件要求,來進行用軟件編寫系統項目程序的全過程。完成了控制系統接受來自于上位PC機和移動手機app,發出不同的控制指令。第五章進行了系統測試與實驗結果分析。測試系統各個模塊對數據的采集是否有誤。記錄多次實驗數據，并對實驗結果數據加以分析和匯總，對數據有誤的地方進行改進。第六章總結和展望,對本設計的涉及的所有研發設計工作都做了全面總結,并從實際產品的角度和未來發展趨勢剖析了智能窗簾控制系統在將來可進行提升優化的發展方向。1.5本章小結本章主要介紹了智能窗簾的研究背景和意義、傳統窗簾的發展歷程和存在的不足。此外，詳細闡述了本系統研究的意義和目的，與傳統智能窗簾的突出優勢和創新之處。本章通過對系統整體電路以及現今用戶對智能窗簾的需求，來確定本設計所需實際功能。通過對比各個模塊電路的設計方案及要求，綜合考慮各方面的優缺點進行最終的方案選擇，并對各個方案進行了相關描述。2.1整體電路的確定隨著科技的快速發展,形形色色的家庭電子設備也日趨智能,隨著人類對日常家居生活質量的要求不斷提高,智能家居產品也在近幾年得到了飛速發展[4]。本文設計的智能窗簾控制系統,使用STM32F103C8T6單片機作為系統主控,具備WIFI遠程控制、利用室外光照強度控制、智能人聲語音控制、超聲波測距警示、溫濕度模塊電路實時顯示室內溫濕度、定時開關、一鍵拆卸等一系列功能。根據用戶對智能窗簾功能的需求,本設計的控制系統主要包括:光照強度控制、電機驅動模塊、按鍵電路、遠程控制模塊、語音控制等部分。總體設計思路框架圖如圖2-1所示。圖2-1系統整體設計框圖2.2主控制器方案選擇系統主控芯片的選擇關系到整個系統所要實現的功能能否實現，是系統的核心控制單元。目前市場上應用比較廣泛的有51單片機和32單片機，現就對這兩款微控制芯片進行系統分析，根據實際需求和功能進行選擇。方案一：采用ATC89C51單片機51單片機最早是由Intel公司所開發的一款八位單片機,其擁有經典的架構和完備的總線專用寄存器管理、多邏輯位計算功能和豐富的控制指令系統,堪稱一代經典之作。其微型的可編程數碼控制器,分別使用了二個控制八位的可編程數字編碼器的Flash和八位的高性能系統CMOS的CPU,和其他單片機比較,它具有成本較低廉、功耗較小的特點，控制電路簡單且使用方便。但也存在缺點:（1）功能受限,如AD、EEPROM等基本功能都必須靠擴展,同時加大了硬件和軟件的負荷。（2）雖然I/O腳使用簡單，但高電平時無輸出能力。（3）I/O腳的使用雖然簡單,但在高電平下卻沒有輸出能力,且運算速率也太慢。（4）51單片機自身的保護能力差,芯片易損壞。方案二:采用STM32F103C8T6單片機由ST廠商推出的STM32系列單片機，是一款性價比超高的系列單片機，應該沒有之一，功能及其強大。擁有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M內核；同時具有一流的外設，1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等[5]。具備功耗低和集成度高的優點。功能特點如下：（1）采用ARM32位Cortex-M3CPU內核，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。（2）存儲器：片內集成了512KB的Flash存儲器，64KB的SRAM存儲器。（3）時鐘、復位控制和電源工作:2.0-3.6V的電源供電和I/O連接的驅動電流,POR、PDR和可編程的電流檢測器(PVD),4-16MHz的晶體振蕩器,內嵌在出廠時調校的8MHzRC震蕩集成電路,內置40kHz的RC振蕩電路,用作CPU時鐘速度調整的PLL,內帶校準的RTC的32kHz的晶體振蕩器。（4）調試模式：串行調試（SWD）和JTAG接口，最多高達112個的快速I/O端口、最多多達11個定時器、最多多達13個通信接口。STM32系列微控制具有更高的實時性能、更快的處理速度以及更多的內置外設,且能夠在最大程度上集成整合,更易于產品的開發,使其快速進入市場，是完全適合本設計的控制器。經分析對比,STM32單片機運行速度比STC89C51單片機快很多,且具有眾多片上外設,故本設計選擇STM32F103C8T6單片機作為主控制器。2.3溫濕度模塊方案選擇方案一：采用SHT20溫濕度傳感器模塊SHT20型溫度、濕度測量系統是以數碼感應技術為基礎，其工作性能可靠，使用壽命長。采用全量程定標，雙線型接，可與微處理器聯接，大幅度減少開發周期；精簡周邊線路，減少成本。另外，它具有微型化、響應快、能耗低、可浸沒、抗干擾能力強、溫濕一體、同時具有較廣的溫度和濕度測量范圍，具有較高的價格優勢，適用于各種場合。在0-100%RH下可進行水分測定。該方法具有約±3%RH的精度；溫度測量范圍：-40~125℃、溫度測量精度約為±0.3℃。工作電壓：2.1-3.6V，采用DC電源供電。方案二：采用DHT11溫濕度傳感器模塊本設計使用DHT11溫濕度傳感器的數字溫濕度一體感應器模塊,它含有已經標定的數碼信號,并使用了獨特的數字模組和溫度傳感技術,保證了本系統的可靠及持久穩定運行。該感應器主要由電阻型溫濕度傳感器元件和溫度檢測器件所構成,并由一組B位的高功能微處理器相連。且擁有優異的質量、極迅速的反應、較強的抗干擾能力,以及較高的性價比。DHT11的每一種感應器,都是在極為精密的溫濕度傳感器標定室中完成溫度標定。校正系數通常是以程序的形式儲存于存儲器中,而當對測量信息進行處理時,可以再調用這些校正系數。另外,由于它使用了單線串行接口,大大簡化了對軟件系統的整合工作,使系統集成更加簡便快捷。而憑借它超小的體積和相對較小的耗電量使其成為各工作環境中的優先選擇。綜上考慮，本設計中選擇采用DHT11溫濕度一體傳感器模塊檢測室內溫濕度，并實時上傳顯示屏反映溫濕度信息。2.4遠程控制模塊方案選擇本系統實現遠程控制方式大概有三種可行方案，有線連接、藍牙技術和WIFI技術遠程控制，基于本設計的要求，不考慮有線連接。方案一：采用BC-26遠程通訊模塊BC-26遠程通訊模塊是移遠通信開發設計的一款基于全網通的遠程通信模塊，BC-26遠程通訊模塊自帶MQTT協議，用戶僅需在MCU程序中寫入調用程序即可實現數據上傳服務器，與ESP8266WIFI模塊不同的是BC-26遠程通訊模塊不需要連接WIFI無線網絡[7]。其通信網絡是利用了運營商網絡，只要在手機信號基站覆蓋的地方就能將數據信息上傳至服務器，不會受本地局域網的制約，同時不會受到距離的影響，可以做到遠距離控制。方案二：采用ESP8266WIFI模塊ESP8266WIFI模塊是一款物聯網WiFi芯片，其內部電路簡單，但性能較為穩定，利用ESP8266WIFI模塊連接WIFI無線網絡，配合MQTT協議可連接阿里云服務器，實現數據上傳和接收，ESP8266WIFI模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對其進行控制，使用ESP8266WIFI模塊連接服務器時，有一個必要前提就是需要連接WIFI無線網絡，所以ESP8266WIFI模塊適用于一些智能居家設備的控制。方案三：采用藍牙遠程控制藍牙遠程控制技術,是一個可以支持雙設備之間實現短一段距離通訊的技術,它最大傳輸速率為0.3-50kpb,由于速率比較慢,最大傳輸距離也僅為10m左右,通過兩個同時支持藍牙通信技術的裝置,就能夠完成實時短一段距離傳輸,并且使用成本也較高，主打低功耗性能，利用藍牙設備能夠有效簡化移動終端通信的簡化。綜上所述，結合系統設計的實際需求分析，藍牙主導短距離傳輸，并且速度也相比于無線寬帶較慢，可能會造成數據延遲傳輸的后果，WiFi不具備以上的缺點，并且對人體無害，而BC-26遠程通訊模塊雖然能在智能家居上使用但考慮到所需功能和經濟，本設計采用選擇ESP8266WiFi模塊遠程控制。2.5按鍵電路方案選擇方案一：選擇獨立式按鍵輸入此方案每個鍵值對應一個I/O口，當按下某個按鈕時，其對應鍵值發生改變，從低電平轉為高電平或從低電平轉到高電平，產生輸入信號，進一步實現相應功能，且各個按鍵獨立作用。方案二：選擇矩陣鍵盤輸入矩陣鍵盤通過占用單片機8個IO信號端口實現擴展按鍵信號編碼功能，即可實現一種擴展式的按鍵信號編碼中斷功能，當按下按鍵產生中斷請求時，CPU轉向自動執行矩陣鍵盤信號掃描子程序并自動標識出鍵號，完成輸入的作用。綜上所述,若結合系統設計的功能分析,由于所需完成的功能并不多,故所需的鍵盤數量不宜過多,而且獨立鍵盤比矩陣鍵盤編程更簡便,因此使用獨立按鍵。2.6語音控制模塊方案選擇語音識別技術是近年來信息技術領域重要的科技發展技術之一，為實現科技智能化提供了很大的便利。目前家居領域也出現了語音識別控制各種家居產品，為人們提供了更方便快捷的生活環境[8]。隨著物互聯的蓬勃發展,對家居產品的智能控制管理將會得到越來越大的應用,而語音作為一個自然簡單的手段也是一個高效簡單的控制方法。語音識別技術,是讓機械經過辨識與理解過程將聲音信息轉化為一定的語言或指令的技術。語音識別目前主要運用于車載聯網、智慧翻譯、智慧家庭、自動駕駛、車載導航等方面。方案一：采用隱馬爾可夫模型（HMM）的方法語音訓練模塊的重要功能就是對多次收集和獲得的語言特征標準向量進行概率統計分析,從而獲得講話人的最佳語言特征標準向量,避免由于講話人的個人情緒、環境等原因,造成語言特征參數的提取過程不正確,影響效率。因此,該模式一般包含了概率計算、參數評估等過程,用隱馬爾可夫模型實現[9]。該算法主要使用于大量識別命令,要求更多的模型訓練數量、較長的練習時間和識別時間以及很大的存儲空間。方案二：采用LD3320語音識別模塊LD3320語音識別模塊采用LD3320語音識別芯片，它集成語音信號的采集以及語音信號的識別為一體。最多可識別50個預內置命令。可以識別所有普通話，芯片中有語音識別處理器。該處理器能夠快速、穩定地完成任務。它需要提前錄入并存儲用戶的語音,這樣就能夠識別用戶的語音做出對應的動作,識別準確度相當高。綜上所述，結合對語音控制的具體要求以及本人知識儲備，本設計并不需要特定人聲識別控制，且操作越簡便越好。所以本設計采用LD3320語音識別芯片作為語音識別電路的主控芯片。2.7顯示屏方案選擇方案一：采用LCD電容觸摸屏電容式接觸屏的基本原理是利用人體的電流傳感器實現的,只需通過人體輕輕觸摸就可以識別。電容式觸摸顯示屏也可以實現多觸點操控,當外部的氣溫與相對濕度出現變化或是當與外部環境間的電荷出現變化時,都會導致電容式觸控顯示屏產生漂移而使屏幕的顯示效果丟失,而電容式觸摸顯示屏在用戴拳套的雙手或手持不導電的物品接觸時不會反應。電容式觸摸屏幕的外表很易損壞,即使是不小心磕碰屏幕造成可見損壞，電容式觸摸顯示屏就不能正常工作。方案二：采用LCD電阻屏電阻式觸摸屏的工作原理是通過壓力傳感工作的，使用任意物品觸摸都可以。電阻式觸摸屏是一種觸摸式傳感器，它是將矩形區域中觸摸點(X,Y)的物理位置轉換為代表X坐標和Y坐標的電壓[10]。這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產生屏幕偏置電壓，同時讀回屏幕觸摸點的觸摸電壓。電阻屏的最外層是薄膜，需要將其按下去以達成壓力的傳感，較電容屏而言不易摔壞。相比于電容屏，電阻式觸摸屏的性價比高。方案三：LCD1602液晶顯示屏LCD1602顯示器液晶顯示模塊是專門用于顯示字母、數字元、符號等的點陣型液晶顯示模塊。具有使用壽命長，抗干擾能力強等特點，但LCD顯示屏需要背光、功耗較高。方案四：采用OLED顯示屏OLED顯示器擁有自然發亮的特點能夠自行發亮,不要求背燈光,所以擁有耗電量少,屏幕顯示的數據比較穩定直觀,清晰度高優點。更加適合于小系統、模塊的電源有3.3V,也有5V、模塊的電路大小也不需進行調整、OLED屏有多種操控命令、能夠調控OLED的光度、反差度、開關升壓電路等命令、操控方式簡單、功能豐富可表示漢字、ASCIl、圖形等等[11]，且OLED屏幾乎不存在視角盲區，但LCD材質的屏幕的顯示響應速度會隨溫度的降低而變慢，從而會造成拖影，影響觀看效果。綜上所述，由于三者發光材料的不同，在不同的環境中OLED的顯示效果好且經濟便捷。OLED更能滿足本設計要求并且其顯示更加穩定，抗干擾能力更強、功耗低且價格也比較實惠，因此，本設計選擇OLED顯示屏。2.8光照強度模塊方案選擇方案一：采用光電傳感模塊雖然光電傳感器面對光照的檢測反應靈敏度高，但容易受環境的影響，環境適應性差，在不密封的環境很容易就失去其檢測效果。溫度影響其響應速度不快，而且器件價格較為昂貴。方案二：采用光敏電阻模塊它是利用光信號轉變為電信號的一種傳感器，在沒有光照下呈現高阻狀態，對光照強度具有敏感性。光敏電阻采用環氧樹脂膠封裝可靠性好、光譜特性好、靈敏度高、反應快、體積小[12]。光敏電阻傳感器產品在一般狀況下應用于對反射光的光強測試、使用光強做控制,光敏電阻主要由感光半導體材料所制成,在弱照明狀況下,光敏電阻的阻值能夠超過10兆歐,而在高照明狀況下,光敏電阻的阻值則會變成數百歐,或者更小。方案三：采用BH1750數字型光強采集BH1750數字型光強采集模塊是一種不區分光源的數字光照強度傳感器，其使用的通訊協議為IIC，檢測分辨率高達六萬多流明，并且其支持較大范圍的光照強度數據采集，較多情況下應用于手機、電腦、液晶電視等電子設備的外界亮度光線檢測。通過比較，選用方案二，利用光敏電阻傳感器，此方案體積小可以使電路更簡潔，且其靈敏度高、反應快、光譜特性好、驅動能力強，能實現比較精確的光照檢測，所需成本較低。2.9超聲波測距模塊方案選擇方案一：采用紅外測距紅外測距速度較快，但是當陽光存在時就不準確，因為陽光中也含有紅外線，所以在接觸面不同的情況下反射回去的光強也不同，例如：黑色的面接收到的數據相對較多，而白色數據就較少，在此情況產生測出距離不準確，然而考慮到在本設計中需要在陽光下使用，故不考慮紅外測距。方案二：采用超聲波測距超聲波傳感器有效探測距離較廣，相對其他測距方式此測距較短，但也足夠滿足本課題要求。超聲波在正常工作時受周圍環境影響較小,在應用場合中較為普遍,特性比較穩定,檢測高度準確,高精度,盲區少。通過比較選擇方案二，本次用到的測距不用特別遠，超聲波的測試距離即可，考慮到各種天氣環境影響，測距需要在多種環境條件下保持穩定，測距距離準確，所以選擇超聲波測距的方式。2.10本章小結本章首先介紹了智能窗簾控制系統的設計功能，講述了本設計的系統框架結構。根據要求，確定了各個模塊的選擇方案，以及對整個系統進行了簡單的介紹，接著按照各個模塊的選擇進行電路的設計以及整個系統的完成。

硬件電路的設計本章對智能窗簾控制系統的硬件框圖組成、相關模塊的工作原理以及電路設計進行介紹。在確定好各個模塊的選擇方案后，對所使用到的模塊進行分析和系統電路的搭建是本系統硬件部分的重中之重。3.1系統整體設計本設計在充分考慮智能窗簾控制系統結構特點的基礎上，設計了基于單片機STM32F103C8T6為主控器的智能窗簾控制系統的硬件電路，其功能模塊主要包括：光照強度檢測模塊、ESP8266WIFI模塊、DHT11溫濕度傳感器、語音識別模塊，按鍵電路、超聲波報警模塊等。利用C語言編寫程序，通過軟硬件結合的方式實現對窗簾的智能控制。該智能系統可以用移動手機app發送控制命令，隨時完成窗簾的控制及應對相應環境的智能控制等。系統框架如圖3-1所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1系統硬件結構圖3.2主控電路在整個智能窗簾控制系統的總體設計當中,控制器設計是最為關鍵的，智能窗簾的所有功能都在控制器的統籌協調前提下完成,而控制系統設計的策略則決定了整個系統的功能特征與可擴展性。本系統選用STM32F103C8T6原理圖作為主控制芯片，選擇此款控制芯片能夠提供給外圍硬件電路更多的接口，更有利于擴展所需外圍電路。具體設計過程中,各模塊硬件以及軟件部分力求相對獨立,給日后的產品更新和后續升級帶來了便利。STM32F103C8T6主控芯片的主要優勢在于，芯片封裝體積較小，成本價格相比較于同系列的RCT6、RBT6等更低，但且成本低性能好[13]，是小型項目設計的性價比首選。通過對單片機課程的研究表明STM32單片機相比于8位的51系列單片機性能更好，STM32F103C8T6主控芯片性能更穩定，且該芯片資源足以承擔本設計的程序和控制功能。STM32F103C8T6芯片內部含有48KBSRAM、256KBFLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI通信接口、2個IIC通信接口、5個串口、1個USB口、1個CAN、3個12位ADC數模轉換器、1個12位DAC、1個SDIO接口及51個通用IO口。配置一些IO口外設使用，用于各個模塊與主控芯片STM32F103C8T6原理圖之間的連接。通過單片機從IO口輸出的高低電平來控制一些設備的開關。STM32F103C8T6原理圖芯片除了向外傳輸信號之外，還會接收一些模塊傳輸過來的信號，從而做出反應執行相應的語句控制著整個系統。STM32F103C8T6單片機芯片接口原理如圖3-2所示：圖3-2STM32F103C8T6主控原理圖3.3電源電路本設計的供電電路是5V直流供電，在市電進入電路之前，通過變壓器把電壓降低。過了變壓器就會通過一個降壓穩壓電路。通過7805穩壓三極管把電壓再次降下來，將電壓降到主控電路和外設所要求的5V直流電壓。供電電路如圖3-7所示。圖3-7電源電路3.4按鍵電路本設計按鍵電路采用獨立式按鍵電路，它是指每個獨立按鍵占用一個I/O輸出端口線并且各個按鍵之間互不影響。該控制電路不僅具有信號接口靈活，又有使用方便，適用于按鍵數量少的應用電路。按鍵電路圖如圖3-6所示。圖3-6按鍵電路3.5ESP8266WIFI遠程控制模塊本次設計采用了ESP8266-12FWIFI模塊實現了遠程控制，而ESP8266-12FWIFI模塊也是一種大眾所使用的WIFI無線模塊，它不但在體積上較小在功能上還非常強，可以直接把用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡上，從而完成兩者的互聯網或局域網通信，實現聯網功能[14]。ESP8266WIFI模塊是一款物聯網WiFi芯片，其內部電路簡單，但性能較為穩定，利用ESP8266WIFI模塊連接WIFI無線網絡，配合MQTT協議可連接阿里云服務器，實現數據上傳和接收，該模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對其進行控制，使用該模塊連接服務器時，有一個必要前提就是需要連接WIFI無線網絡。其重要的產品參數如表3-3所示：表3-3ESP-12F產品重要參數模塊型號ESP-12F說明SPIPALAH9Mbit支持接口UART/GPIOUART/HSPI/I2C/I2S/GPIO/PWM串口速率4608000bps支持300~4608000bps,默認115200bps頻率范圍2.4GHz2400~2483.5MHz工作電壓/電流3.3V3.0~3.6V，電流約為80mA工作溫度工業級-40°~+125°AT支持內置智能化處理可通過AT指令命令讀取ESP8266-12FWiFi模塊核心處理器是ESP8266芯片，在較小尺寸封裝系統中整合了業內世界領先的TensilicaL106超小功耗的32位微型微控制器，并具有16位精簡模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA于一體，含板載天線。且支持國際標準的IEEE802.11b/g/n協議，具有完整的TCP/IP協議棧[15]。可利用該模塊為已有的設備增加聯網功能，也可以構建自己的網絡控制器。WIFI遠程控制電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5ESP8266-12FWIFI模塊通信電路3.6LM393光照強度檢測模塊本設計的光照采集電路使用的是光敏電阻傳感器模塊，它使用了靈敏型的光敏電阻感應器，通過比較器進行輸出，信號干凈雜波少，波形好，最大驅動能力可超過15mA。可以使用電位器來調節需要檢測的光線亮度。工作電壓范圍在3.3V-5V之間。它的輸出形式為DO開關量輸出(0和1)和AO模擬量輸出（電壓)，采用寬電壓LM393比較器[16]。其引腳定義如下表3-2所示：表3-2光敏電阻傳感器模塊的引腳定義引腳號名稱說明1VCC供電電壓源正級2GND供電電壓源負極3DOTTL開關信號輸出4AO模擬信號輸出光敏電阻模塊對周邊自然環境光線較為敏感，普遍用來測量周圍環境的光線的光照強度的變化來觸發單片機或繼電器模組等。在周邊環境光照強度達不到設定的閾值范圍時，DO端提供高電平，當外界環境光照強度超過設定閾值時，DO端提供低電平;DO輸出端可與單片機直接通過串口相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測周圍環境光照強度的改變;DO輸出端也可以直接控制驅動繼電器模組，從而組成一個光控開關。小板的仿真模擬量輸出AO和AD模塊相連，再利用AD轉換，就可以得到所要檢測環境光照強度的精準數據。光照強度檢測電路圖如圖3-4所示。圖3-4光敏電阻傳感器電路圖3.7DHT11溫濕度檢測模塊本設計采用DHT11溫濕度檢測模塊來實時檢測室內溫度和濕度變化。它具備緊湊體積小、超低功耗、響應迅速、高性能、抗干擾能力強等優點。并采用獨特的一線端口連接，數字量輸入輸出直接將溫濕度轉成串行數字信號給單片機獲得精確的溫濕度數據。它還應用了專門的數碼模塊實時采集技術和溫濕度傳感器技術。傳感器中包含了一組電阻式感濕元器件和一組NTC測溫元器件，并與一個高性能B位MCU相連接，數據處理更迅速[17]。該模塊還具有品質優良、性能卓越、響應快、抗干擾能力強、性價比高等優點。每個DHT11傳感器均在極精密的溫濕度校驗室中完成了校正。校準系數通常以程序的形態存在于OTP存儲器中,而感應器內部在測量信息的過程中要使用這種校正系數。單線制串行接口,使控制系統的實現工作更為簡單方便。而且,它還具有超小型的體積、很低的功率。其重要技術參數如表3-1所示：工作電壓直流3.3v~5v溫濕度測量范圍0—100%RH濕度測量精度±2%RH溫度測量范圍-40℃—80℃溫度測量精度±0.5℃響應時間濕度<5s、6s<溫度<20s工作電壓DC5V圖3-3DHT11溫濕度檢測電路圖3.8LD3320語音控制模塊本次設計采用了LD3320語音識別模組,它含有16個單片機IO口,包括有一個八位的IO擴展端口、一個定時器、一個外部中斷,可為嵌入式單片機設計的最小系統完成控制。本系統設計的語音識別電路和主控制器之間采取了串口通訊的方法,以便獲得通過語言標識的指令,來實現對窗簾的控制功能[18]。LD3320語言辨識模塊使用LD3320語音辨識芯片,該芯片集成語音信號采集、識別算法于一體。能夠識別所有普通話的中文,且在芯片內部內置設有語音識別處理器,此處理器能夠迅速而又穩定的進行非特定人語言識別,但需要提前錄制保存所使用的語言,并能夠識別所使用的語言并進行相關的控制,因此辨識的精確度超高。語音識別模塊電路圖如圖3-8所示。圖3-8語音控制電路3.9電機驅動電路本設計采用EG-530AD-2F加減速輪構成減速電機來模擬及控制門窗開關狀態,該電機有2個輸入信號,A為高電平B為低電平的有效時間內,電動機正轉模擬門窗開啟,反之窗簾則關閉。當所有輸入都是低電平時,電動機停止運轉。具體電路如圖3-9所示。圖3-9電機驅動電路3.10OLED顯示屏模塊本設計采用0.96寸OLED顯示屏，在硬件連接上通過串行SPI接口方式連接。從硬件上就是在單片機上選取2個普通的IO口充當串行時鐘線和雙向數據線,然后再連上OLED上的相應端口,當然用硬件IIC也是可能的,只是需要改變OLED的驅動庫函數,VCC只能接3.3V或5V,而GND接電源負極。程序上,就選用了對應的四腳的IIC驅動OLED的例程,修改管腳,在重新調用了OLED初始化函數之后就能夠運行OLED的另一個API函數[19]。本設計的顯示器部分使用的是0.96寸OLED顯示器屏,而0.96寸OLED顯示器屏的清晰度是128×64,即橫向由128個發光二極管組成，縱向由64個發光二極管組成，在顯示控制方面，0.96寸OLED屏幕一次只能控制垂直方向的八個發光二極管亮滅，因此在顯示過程中垂直坐標方向可選的坐標為0至7共8位，水平方向可選的坐標為0至127共128位。0.96寸OLED屏幕有兩種接口協議，一種是7針腳的SPI協議，另一種是4針腳的IIC協議，在本次設計中使用的是4針腳的IIC協議的0.96寸OLED屏幕，4針腳的IIC協議包括VCC、GND、SCL/SCK、SDA，VCC和GND分別為電源口和接地口，SCL/SCK是IIC通信中的時鐘控制腳，SDA是IIC通信中的數據控制腳。0.96寸OLED顯示屏原理圖如圖3-10所示。圖3-10OLED顯示電路3.11HC-SR04超聲波測距模塊本模塊使用了HC-SR04作為測距報警工具,其測試的方法是利用連接引腳Trig控制設備發送一個10us以上的高電平信號,在信號發出時就能夠進入定時器計數,之后在接收口自動檢查有沒有信號返回。如果產生了低電平的有效信號,則代表著此段信息已經傳送完畢,而完成后的引腳Echo將會再產生一次高電平,電平長度為超聲波測試技術的往返時限之和。因此只需要測量出高電平所維持的時限,就能夠通過公式確定測量距離,測試距離的公式如下式3.1，超聲波模塊電路圖如下圖3-11所見：測試距離=（高電平*聲速（340m/s））/23.1圖3-11超聲波電路3.12本章小結本章系統的介紹了智能窗簾所要實現具體功能的步驟，包括系統的硬件框圖組成、模塊工作原理及電路設計。并且對所需要得模塊進行了系統的分析，對各個電路的設計和組成也進行了相應的描述。系統軟件的設計一個完整操作系統的構成分為硬件操作系統和軟件應用系統。第三章,簡單性的闡述了系統的整體軟硬件功能集成電路結構以及軟件系統的總體軟硬件功能架構,軟件系統的具體功能還必須通過軟件程序中燒錄單片機來實現軟硬件平臺化。本軟件系統設計環境使用ARM為主要控制中心,采用目前較火的STM32F103C8T6單片機,軟件開發環境則采用了目前STM32單片式微型計算機的主要系統軟件,KeiluVision5byARM。4.1編程語言選擇整個系統的程序更為復雜，計算更為繁瑣，并且采用浮點的數量更多，因此使用C語言對本系統進行編程。在STM32系列單片機中，使用C語言具有以下優點：不要求了解與處理器有關的命令集以及有關的寄存器結構。擁有指定變量的組合，使程序更加簡單易讀。用戶可以自由設定關鍵字和操作函數，使程序易于識別記憶。縮短程序調試時間，使程序更容易開發利用。為用戶提供了許多標準的例程，使程序更容易二次開發。用戶可實現模塊化編程后整合到新的程序中。4.2單片機程序開發環境本操作系統設計使用目前較為普遍的嵌入式開發環境KeiluVision5byARM編寫程序,軟件為用戶提供簡易單完整的開發環境界面，支持C/C++語言開發且編譯速度極快，為使用者縮短了軟件開發時間。如下圖4-1所示：圖4-1KeiluVision5開發界面圖4.3系統主程序系統的整體軟件設計主要實現對溫度、電壓、電流信息的采集，將采集到的物理量通過STM32單片機ADC模數轉換后使用OLED顯示屏顯示，單片機輸出控制信號實現繼電器及各模塊數據檢測的功能。軟件程序主要分為語音識別控制模塊編程、鍵盤控制程序、OLED顯示屏程序、溫濕度檢測程序及WIFI遠程控制程序等。系統主要程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2系統流程圖4.4溫濕度檢測模塊程序本設計通過DHT11的溫濕度檢測模塊收集環境溫濕度數據,并首先進行DHT11端口的初始化,判斷是否收到主控發出的指令脈沖，接收后發出檢測指令，通過AO口將模擬電壓信號傳輸至主控制部分。主控制器部分利用ADC模數轉換器，將室內溫濕度模擬量轉換為數字量。主控制器利用室內溫濕度數字量判斷計算出實時室內溫濕度。溫濕度檢測模塊程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3溫濕度檢測程序流程圖4.5遠程控制模塊程序核心模塊使用ESP8266WIFI模塊遠程通訊模塊自帶阿里云MQTT協議，該模塊與阿里云服務器配對將室外室內溫濕度信息實時上傳服務器，再通過網絡顯示在用戶手機端，同時也可以遠程控制窗簾開啟或關閉，以及模式選擇;在使用ESP8266WIFI模塊之前，首先需要用AT指令集配置網絡及地址；其次要與MQTT服務器建立TCP連接，注冊阿里云物聯網平臺，配置好屬于自己的物聯網設備，記住設備的三元組，將三元組定義在頭文件中；通過預先設定好的標識符，依次將溫度、濕度、光強等指數信息上傳各項環境數據信息至阿里云物聯網平臺。配置阿里云云智能APP，分別配置四個開關接口，用于控制系統的窗簾的開啟與關閉，實現遠程控制。本設計用到的ESP8266-12FWIFI模塊進行聯網數據傳輸，根據資料了解到ESP8266是通過串口進行通訊，程序設計流程圖如圖4-4所示：圖4-4遠程控制流程圖本設計的采用ESP8266-12F的WIFI模塊是一種大眾使用的WIFI無線模塊,它不但體積小功能強,而且可以直接把使用者的物理裝置連接到WiFi網絡上,從而達到與互聯網或局域網通訊,達到物互聯的功用。ESP8266WIFI模塊是一種物聯網的WiFi芯片,其內置電路結構非常簡單,且性能比較穩定,可以使用ESP8266WIFI模塊直接接入WIFI或無線,配合MQTT協議可連接阿里云服務器，實現數據上傳和接收，該模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對其進行控制，使用ESP8266WIFI模塊連接服務器時，必要前提就是需要連接WIFI無線網絡。4.6按鍵電路程序在使用按鍵進行操作時，當按下按鈕后，按鍵的機械觸點具有彈性作用，出現機械抖動的現象，因此注意在程序上要加上去抖動的程序，防止機械抖動引起單片機與之相連的I/O口電平發生跳變，所以該系統在程序中在按鍵后延抖動期間加上了10ms的軟件消抖動延時處理。鍵盤在上電后被設定為上拉模式,同時該鍵所在I/O口也變成了高電平,而在按下鍵后按時,同時該鍵所在I/O口也變成低電平仍然有效,通過程序掃描邊可以知道相應的鍵值。如圖4-5為按鍵控制程序流程圖：圖4-5按鍵程序流程圖4.7OLED顯示屏程序本設計所使用的顯示屏為0.96寸OLED顯示屏，顯示屏會實時顯示工作的模式及相關數據信息。要想在OLED顯示屏上面顯示數字和漢族，需要先從取模軟件上面對所需要的漢字和數字進行取模。取模的軟件還需要進行相應的設置。首先取模，將取模得到的字體模型數組存入oled.h文件中。然后對IO口進行初始化，將IIC端口設置到相應的IO口出。再寫入顯示漢族和顯示數字的函數。最后在主函數中設置顯示的漢字和數字還有顯示的位置。本系列所使用的OLED顯示器通過IIC端口的形式,與STM32嵌入式單片機設備實現了通訊,IIC由SDA數據線與SCL的時鐘連線構成,當SCL線電平較高時,SDA線電平由高變成低,并開機傳輸數據信息;SCL線電平為低時,SDA的電平就由低轉高,結束了傳輸的信號。OLED顯示屏程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6OLED顯示屏流程圖4.8語音控制模塊程序本設計的語音識別模塊使用LD3320語音識別芯片,該芯片將集合語言信息的收集和辨識算法集于一身。利用串口通訊的方法可以把已識別到的語音信息經過串口方式發送給單片機實現,并執行相關指示。語音識別控制程序流程圖如圖4-7所示。圖4-7語音控制模塊流程圖4.9超聲波測距模塊程序通過超聲測距原理可得超聲波程序流程圖如圖4-2所顯示,控制口提供了10us以上的高電平脈沖信號,整個系統便能產生8個40khz的超聲脈沖,在模塊內部實現了頻率環路,定時器開始工作，檢測到有回波下降沿觸發，停止定時器工作，從而計算出超聲波距離。圖4-8超聲波測距模塊流程圖4.10本章小結本節詳細描述了系統的各個模塊的設計過程中，模塊重點的程序理解及說明其編譯步驟。本章重點是利用整體的系統流程圖和不同模塊的程序流程圖對本設計的系統設計概念加以說明,并運用流程圖的方法加強對不同模塊程序軟件設計的認識。系統設計與調試系統的設計和調試工作關系到整個硬件系統能否穩定運行。在硬件制作和軟件開發周期中，智能窗簾控制系統各個具體功能的完善實現必須依靠實際的調試。而且硬件部分往往是能夠作為一個軟件在執行過程中的基礎，軟件的調試通常能夠保證支持整個硬件的正常工作和運行。本系統制作前期先在網上查閱資料結合書本課程及所學到的知識進行資料整合，確定本系統設計的最佳選擇方案。設計好硬件電路的組成及連線后，查找所用硬件相關資料及相關例程，使用Keil5軟件開發平臺編寫系統程序代碼。繪制好電路后仔細檢測各個模塊走線是否正確，將系統電子器件集成在板上，做出了實物并進行硬件調試。在完成了硬件集成電路的設計技術與相應軟件開發工作后,便對溫濕度采集模塊、光照強度采集電路、按鍵控制電路、超聲波報警電路、顯示電路等各個模塊進行調試測試，最后成功完成了智能窗簾控制系統的設計。5.1溫濕度測試數據分析本系統采用DHT11溫濕度采集模塊對室內環境溫濕度采集。測試過程：對室內溫濕度完成實時采集，分別對溫度和濕度進行六組對照測試結果分析，用室內空調控制溫度，實現測試的六種不同的溫度，再用室內加濕器加濕實現不同的室內濕度，測試在不同的溫度、濕度情況下，傳感器的工作情況是否穩定，測得數據是否準確。測試數據如表5-1、5-2所示。表5-1溫度測試測試次數實際溫度值（攝氏度）測量得溫度值（攝氏度）誤差比（%）11918.52.6%220200322214.5%423224.3%526260629276.8%表5-2濕度測試測試次數實際濕度值（%RH）測量得濕度值（%RH）誤差比（%）140%38%2%250%50%0360%60%0470%69%1%580%79%1%690%88%2%誤差分析結果:在測試前查詢資料,可知DHT11溫度、濕度采集模塊的溫度采集范圍為-20℃至60℃,當溫度為25℃時,溫度采集精度為±2℃,而濕度采集范圍為5％至95％,當溫度為25℃時,溫度采集精度為±5％,本次測試進行了多組測試，測試結果溫度的誤差范圍在2℃以內，濕度的誤差范圍在2%以內，經過分析在實驗過程中造成溫度、濕度產生了誤差的主要原因有：（1）光敏電阻傳感器內部響應時間有延時；（2）光敏電阻傳感器出現遲滯現象；（3）光敏電阻傳感器隨著使用時間的增長出現了漂移現象。5.2光照強度采集測試數據分析本系統采用的是光敏電阻傳感器進行光照強度的采集。光照強度測試過程：完成室外的光照強度采集，利用一天中的不同時間段不同的光照強度，對光敏電阻采集光照強度做了六組對照實驗，測試使用光量子計采集室外光照強度。測試光敏電阻傳感器在不同光照強度情況下工作的穩定度及采集的光照強度數據。光照強度采集到的數據數值，如表5-3所示：表5-3光照強度采集測試數據表測試次數測試時間實際值（lx）測量值（lx）誤差（%）16:00150014910.6%29:00180017880.67%312:00200019980.1%415:00180017980.1%518:00150014980.13%619:0060583.3%誤差分析：光敏電阻傳感器模塊測試過程中，影響產生光照強度誤差的最大因素是在夜晚光照強度較弱的情況。當外界環境光照強度偏高時，測量得到的光照強度值與實際光照強度值的誤差基本都在0.7%以內，當外界環境光照強度較低時或者為夜晚弱光情況時，測量得到的光照強度值與實際光照強度值的誤差會偏大，誤差范圍在4%到10%之間。通過實驗，總結出實驗過程中造成光照強度產生了誤差的原因有：（1）弱光條件下光敏電阻阻值變化不大；（2）光敏電阻受到了環境溫度的影響。5.3語音控制距離測試對語音識別部分的語音識別準確率經過了檢測后,本設計選用的LD3320語音識別模組。具體測試操作如下：用手機錄音保存語音“溫馨模式”“朦朧模式”“陽光模式”“一鍵拆卸”共四條語音。然后用手機在不同的距離下用相同聲音按順序播報各個語音,反復播十次,并計算了正確識別率和錯誤識知率,測試數據如表5-1所示。表5-1語音家居語音識別率實驗序號距離/m實驗次數正確率（％）誤差（％）10.2100100%020.510097%3%3110094%6%41.510089%11%5210083%17%誤差分析：（1）聲源距離語音識