基于樹莓派語音識別智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)目錄摘要 摘要：本次畢業(yè)項目設(shè)計依托于樹莓派作為主控芯片來開發(fā)的智能語音識別控制系統(tǒng)，一方面我們可以通過語音識別芯片語音模塊來把識別的語音數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派的控制中心，然后樹莓派依據(jù)語音發(fā)送的不同數(shù)據(jù)信息來控制不同的子系統(tǒng)，例如可以用語音來控制窗簾的開關(guān)、LED燈的開關(guān)等操作，另一方面我們可以通過無線WiFi的連接，通過手機(jī)APPP來控制繼電器開關(guān)器件，同時該系統(tǒng)配置了火災(zāi)報警系統(tǒng)，保障智能生活的同時提高生活的安全性。關(guān)鍵詞：樹莓派語音識別語音控制智能家居1緒論1.1選題背景在科技飛速發(fā)展的當(dāng)今社會，智能家居的各種產(chǎn)品普及到可以體現(xiàn)在很多的地方。比如7年前，也就是2014年被稱為智能家電年。當(dāng)時智能家電領(lǐng)域被大部分大型家電公司投資發(fā)展。只要有資本的投資，就會有產(chǎn)品的產(chǎn)出。經(jīng)過各大企業(yè)專心一致的研究和制造，各種各樣智能家居智能產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場。然而，智能家居系統(tǒng)在中國的推廣面臨許多困難障礙，尤其是在現(xiàn)代中國的普通家庭中，并且沒有得到快速的發(fā)展。智能家居系統(tǒng)大多不在普通中國家庭中使用，是因為使用它的成本太高了普通中國家庭使用的性價比極低。智能家居的設(shè)計與應(yīng)用在現(xiàn)代這個智慧社會是有巨大需求的。智能家居產(chǎn)業(yè)依然有著強大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ敲词且驗槭裁词怪悄芗揖酉到y(tǒng)總是處于低速應(yīng)用階段呢?主要原因是市場上的智能家居產(chǎn)品過于昂貴，系統(tǒng)操作使用的工程過于復(fù)雜繁瑣。市場上的智能家居智慧產(chǎn)品大多過于高端，其消費條件只能滿足少數(shù)富裕家庭，用戶使用過程及方法過于復(fù)雜。一些高端功能對于普通家庭用戶來說是不必要的，實用性和性比價相對較低。因此，低成本、高實用性的低端智能家居產(chǎn)品擁有更大的消費市場，并且能夠滿足消費者的使用目的。社會生活的智能控制成為流行話題，智能化控制更是熱點中的熱點。語音控制的普及便利了人們吃、穿、住、行等多個方方面面，人們可以使用語音識別控制就能更加方便與快捷的輔助人們做最想要做的事情，可以說智能語音識別系統(tǒng)可以包含大部分傳統(tǒng)的弱電行業(yè)，國內(nèi)市場發(fā)展前景空間十分誘人。我的專業(yè)是電氣工程及其自動化，具有一定的專業(yè)知識，學(xué)習(xí)過硬件和軟件方面的相關(guān)知識，選擇樹莓派開發(fā)的設(shè)計，是想結(jié)合自己的所學(xué)知識去運用、解決問題，其次就是想挑戰(zhàn)一下自己。1.2系統(tǒng)工作原理及目標(biāo)本次畢業(yè)項目整體設(shè)計主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)對比處理及輸出控制三個部分，數(shù)據(jù)采集部分有兩部分組成：外界物理聲音數(shù)據(jù)的監(jiān)聽與收集和客戶端通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)對比處理部分是在收集到外界的數(shù)據(jù)信息之后，外界的數(shù)據(jù)信息和我們的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較處理，輸出控制部分主要是在數(shù)據(jù)處理之后，根據(jù)處理后的信息來控制繼電器的開關(guān)；我使用樹莓派芯片作為這次設(shè)計的主控芯片主要是因為其性能豐富及擴(kuò)展接口多，便于外設(shè)接口連接等優(yōu)點。使用語音模塊來建立外部語音聲音識別系統(tǒng)，把外界識別的語音內(nèi)容數(shù)據(jù)傳輸給樹莓派中心，然后樹莓派服務(wù)端數(shù)據(jù)中心接受到數(shù)據(jù)內(nèi)容后，依據(jù)語音系統(tǒng)發(fā)送的特殊數(shù)據(jù)和樹莓派內(nèi)部的服務(wù)端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容相比較，判斷是否為正確的指令操作，正確的指令能夠來控制特定的子進(jìn)程，來實現(xiàn)控制我們要實現(xiàn)的目的及目標(biāo)。來達(dá)到設(shè)計的需求。本次設(shè)計的最終目標(biāo)是：通過語音控制燈光和窗簾的啟動和關(guān)閉，來實現(xiàn)對人們?nèi)粘Ｉ畹氖孢m化、智能化,并且還可以通過網(wǎng)絡(luò)的方式來控制燈光和窗簾的啟動與關(guān)閉，使生活更加的方便和安全多性能。其次通過火焰?zhèn)鞲衅鲿r刻保護(hù)，使居住時不受火災(zāi)危險的影響，能夠提高居住的安全性。2開發(fā)工具及關(guān)鍵技術(shù)2.1開發(fā)工具介紹2.1.1FileZilla介紹 FileZilla軟件是一個安全、可靠、方便的FTP服務(wù)器與客戶端端開源程序，具有各種特性與直觀的畫面。一個可控的、有組織的界面，以及可以使用多個站點的快捷方式，使FileZilla成為一個操作方便簡潔的文件傳輸客戶端工具，圖1是File

Zilla連接到樹莓派的配置圖，使用File

Zilla的優(yōu)點如下：File

Zilla免費開源，下載、安裝、使用都很方便快捷。File

Zilla可以雙向傳遞數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)傳遞的十分迅速。File

Zilla能夠允許多個窗口登錄同一個IP地址。File

Zilla能夠?qū)崿F(xiàn)操作登錄IP地址服務(wù)端的基礎(chǔ)文件。刪除、移動、復(fù)制等。File

Zilla對于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型沒有強制要求，傳輸條件實現(xiàn)簡單。圖1FileZilla關(guān)鍵項配置圖2.1.2SourceInsight4.0介紹 SourceInsight軟件是一個用于項目開發(fā)的代碼瀏覽器與程序編輯器。SourceInsight可以分析源代碼，并在工作時動態(tài)維護(hù)自己的符號數(shù)據(jù)庫，并自動為您顯示可用的信息。SourceInsight軟件不僅是一個功能豐富的程序編寫器，而且可以顯示引用樹、類繼承圖和調(diào)用樹。SourceInsight軟件為所有的程序編輯器的編寫底層的源代碼與源信息提供了最快的路徑。SourceInsight給予了對底層源代碼及源代碼數(shù)據(jù)信息的快捷的訪問與查詢的功能。與其它編輯器產(chǎn)品不一樣，Source

Insight可以一邊編寫你的代碼一邊分析你的代碼，然后反饋可用的數(shù)據(jù)就可以馬上進(jìn)行處理分析。圖2是Source

Insigh的工作界面圖，Source

Insigh的優(yōu)點如下：Source

Insigh支持幾乎所有的語言，C，C++.Source

Insighd的下載安裝快捷方便。Source

Insigh能夠提供分析的信息十分全面。Source

Insigh添加保存工程操作簡單。圖2SourceInsight4.0界面圖2.1.3SecureCRT介紹SecureCRT軟件是一個終端仿真程序并且支持SSH的，就是Windows下登錄UNIX或Linux服務(wù)器主機(jī)的APP。SecureCRT軟件是能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行包括：UNIX、Windows、VMS。加密文件的數(shù)據(jù)傳輸能夠使用包括的VCP命令行程序。擁有大受喜愛的CRT客戶端的大部分功能:自動腳本注冊、顏色改變設(shè)置、可變屏幕尺寸大小和出眾的VT102、VT220、VT100與ANSI競賽等功能?？梢栽诿钪泄ぷ鬟\行及在瀏覽器運行工作。其余的功能包括：制作簡單的文本腳本、方便大眾使用的工具欄、能夠創(chuàng)建獨特的ANSI界面顏色等。SecureCRT軟件的SSH協(xié)議支持RC4、DES、3DES三種密碼協(xié)議，以及可以使用RSA的密碼身份驗證。圖3和圖4是SecureCRT登錄樹莓派的關(guān)鍵項配置圖；SecureCRT的優(yōu)點如下：SecureCRT安裝快捷、方便，操作簡單，上手簡易。SecureCRT支持串口登錄和網(wǎng)絡(luò)登錄兩種方式，增添了使用的多樣化。SecureCRT能夠?qū)崿F(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)端口登錄。圖3SecureCRT網(wǎng)絡(luò)登錄關(guān)鍵項配置圖圖4SecureCRT串口登錄關(guān)鍵項配置圖2.1.4STC-ISP介紹 STC-ISP軟件是一款整合了下載、編程與燒錄程序和工程的工程軟件，支持兼容的單片機(jī)設(shè)備也是多種多樣，并且簡潔的使用方式與方法，取得了普遍大眾的應(yīng)用。圖5和圖6分別是STC-ISP的燒錄和串口通信圖，STC-ISP的優(yōu)點如下：STC-ISP的下載安裝方便，操作簡單。STC-ISP可以支持燒錄和通信兩個我需要的操作。STC-ISP可以支持多種芯片單片機(jī)。STC-ISP的數(shù)據(jù)傳輸速度快。圖5STC燒錄下載圖圖6STC串口調(diào)試圖2.1.5KeiluVision4介紹 Keil系列軟件是專門為單片機(jī)的開發(fā)設(shè)計的軟件。它采用C語言開發(fā)設(shè)計，該軟件可實現(xiàn)C語言的編譯和連接，并具有在線仿真和調(diào)試功能。圖7是KeiluVision4軟件生成目標(biāo)文件.hex后綴文件的關(guān)鍵配置圖。圖7KeiluVision4關(guān)鍵項配置圖2.2關(guān)鍵技術(shù)2.2.1樹莓派系統(tǒng)的搭建 本次畢業(yè)設(shè)計所采用的主控芯片為樹莓派，但是樹莓派只是一塊硬件，但是要能真正的使用它，讓它具有控制、分析、處理的作用，就必須為樹莓派裝上系統(tǒng)環(huán)境，就像我們的電腦只有裝上系統(tǒng)才能去實現(xiàn)我們想要的功能。首先要準(zhǔn)備一張空白的儲存卡，將準(zhǔn)備好的光盤映像系統(tǒng)文件2019-04-08-raspbian-stretch下載寫入到儲存卡中，然后將儲存卡插入到樹莓派的卡槽中，之后給樹莓派通電就會自動啟動，樹莓派第一次登錄只能采用串口登錄和藍(lán)牙登錄。用SecureCRT串口軟件可以對樹莓派的系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行操作，搭建我們后續(xù)的開發(fā)環(huán)境；首先將樹莓派進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，要讓樹莓派和我們的網(wǎng)絡(luò)建立連接通道，使用命令sudonano/etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf打開配置文件夾，在里面輸入我們的WIFI名稱和密碼，使用基礎(chǔ)指令sudoreboot重新打開樹莓派之后，樹莓派就會自動連接我們之前配置的WIFI,因為本次設(shè)計是針對家庭生活設(shè)計的，所以最好要把我們使用WIFI的IP地址固定，這樣可以方便我們后面使用IP地址進(jìn)行通訊，首先使用鍵入命令ifconfig就可以查看當(dāng)前的IP地址，記住IP地址后，鍵入命令sudonano/etc/dhcpcd.conf打開文件夾，在里面鍵入固定IP地址的命令，保存之后使用命令sudoreboot重啟樹莓派，就像當(dāng)前WIFI的IP地址就可以固定，但這種方法不支持手機(jī)熱點作為WIFI連接樹莓派(手機(jī)熱點的IP地址每次開關(guān)之后會發(fā)送改變)，上面的內(nèi)容完成之后，就要進(jìn)行VIM編輯器的搭建，雖然系統(tǒng)自帶了VI編輯器，但是VI的編輯十分的麻煩，而且經(jīng)作者親測，VI編輯穩(wěn)定性還有待深思。我們在窗口鍵入指令sudo

apt-get

install

vim，在保證有網(wǎng)絡(luò)連接的前提下，指令被執(zhí)行之后系統(tǒng)便開始自動進(jìn)行VIM編輯器的下載及其安裝，等安裝完成后即可進(jìn)行使用。我們采用VIM編輯器的還有一個原因是當(dāng)我們在窗口的命令行模式下進(jìn)行操作時，能夠方便的對文檔進(jìn)行編輯，不必每次去文件目錄進(jìn)行查找待編輯文檔。至此，樹莓派的操作環(huán)境搭建完成。2.2.2TCP/IP通信技術(shù) TCP/IP通信協(xié)議是現(xiàn)有協(xié)議中最完善、使用最普及大眾的通信協(xié)議。它的優(yōu)勢在于能夠使用在不同硬件結(jié)構(gòu)中和在不同操作系統(tǒng)的計算機(jī)也能夠進(jìn)行相互通信。TCP/IP

協(xié)議不但可用于廣域網(wǎng)還能夠用于局域網(wǎng)，它是Intermnet/Intranet

的進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，TCP/IP

通信協(xié)議屬于SNMP

網(wǎng)絡(luò)管理方式的必備協(xié)議,并且能夠為使用的用戶提供一個開發(fā)客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序的環(huán)境。本次設(shè)計所用到網(wǎng)絡(luò)通信方式是采用WIFI網(wǎng)絡(luò)的IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹漭勺鹘K端為網(wǎng)絡(luò)通信的服務(wù)端，通過綁定之前固定的WIFI網(wǎng)絡(luò)IP地址，對該通道進(jìn)行監(jiān)聽，客戶端用戶則需要輸入正確的IP地址及端口號才能與服務(wù)端口建立有效的網(wǎng)絡(luò)連接，這樣才能使客戶端和服務(wù)端之間建立數(shù)據(jù)通道控制數(shù)據(jù)傳輸和啟動數(shù)據(jù)傳輸。采用WIFI通信是因為WIFI網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已經(jīng)普及大眾，幾乎每個家庭都有WIFI網(wǎng)絡(luò)，而采用WIFI網(wǎng)絡(luò)可以使產(chǎn)品的受眾面更廣闊，更加普及，并且使用WIFI通信在成本上也是非常的實惠，可以擴(kuò)大產(chǎn)品的利潤。2.2.3C語言開發(fā)編程技術(shù) 只要人們提到面向過程的程序設(shè)計語言，大多就會想到C語言，它與c++等面向?qū)ο蟮碾娔X程序編寫設(shè)計語言是不一樣的。C編程語言創(chuàng)建的主旨是是提供一種新的編程設(shè)計語言，無需編譯、處理基礎(chǔ)內(nèi)存、生成少許的二進(jìn)制代碼甚至無需執(zhí)行環(huán)境支持即可輕松運行。C語言比匯編語言解決實際問題更快、工作更少、閱讀方便、調(diào)試便捷、修改與移植，編寫代碼的質(zhì)量和匯編語言編寫的代碼質(zhì)量卻相差無幾。匯編語言生成的目標(biāo)程序代碼普遍比C語言生成的目標(biāo)程序代碼高1成到2成左右。因此，C語言設(shè)計能夠更好寫入系統(tǒng)軟件。C語言之所以被定名為C是因為C語言起源于基礎(chǔ)語言B語言，而B語言則起源于BCPL語言。二十世紀(jì)七十年代初，貝爾實驗室的肯·湯普森在BCPL語言的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款十分接近硬件的語言——B語言。而且他通過了B語言編寫設(shè)計了第一個UNIX操作系統(tǒng)；1971年，丹尼斯M.里奇加入湯普森的開發(fā)設(shè)計的項目之中，共同研發(fā)UNIX操作系統(tǒng)。他的工作內(nèi)容是改善B語言，讓B語言脫胎換骨，逐漸成熟起來；1972年，D.M.Ritchie以B語言為開發(fā)語言，成功研發(fā)出的一種新的語言，他把BCPL的第二個字母作為這種語言的名稱，最初的C語言就這樣誕生了；1973年初，C語言大致部分完成。Thompson和Ritchie急不可待地重新使用C語言再次編寫UNIX系統(tǒng)。但是編程所產(chǎn)生的快樂讓他們已經(jīng)忘記了他們的最初的目的，專注于UNIX系統(tǒng)的編寫和C語言的開發(fā)研究。伴隨UNIX系統(tǒng)的日益發(fā)展和逐漸成熟，C語言自身體系也更加成熟完善。直到現(xiàn)在，各種各樣版本的UNIX內(nèi)核與外圍工具支持使用C語言作為最重要的開發(fā)編程語言，有大量代碼出自了Thompson和Ritchie;整個開發(fā)過程中，他們還思索將UNIX移植到其他不同類型的電腦上運行使用。機(jī)器語言與匯編語言的不可移植性，對比C編程語言的可移植性使得C語言變得大受歡迎，并且在編寫和使用過程更加方便快捷。C語言程序能夠在不同架構(gòu)的處理器上運行，僅僅需要架構(gòu)的處理器有相關(guān)的C編程語言編譯器和庫，然后C源代碼就可以編譯成目標(biāo)二進(jìn)制文件之后再運行；1982年，C語言創(chuàng)建了一個標(biāo)準(zhǔn)，以使C語言持續(xù)茁壯發(fā)展。C語言作為本次項目編程設(shè)計的優(yōu)點有:簡潔的書寫方式、緊湊的整體結(jié)構(gòu)、編譯運行方便、使用快捷。C語言僅有9個控制語句與32個關(guān)鍵字。C程序的編寫規(guī)范是比較隨意的，但是編寫程序的時候，要特別注意區(qū)別英文字母的大小形式，這樣可以把低級語言的實用性與高級語言的基本結(jié)構(gòu)及語法整合到一起。豐富多元的運算符。C語言的運算符有34種，其涵蓋范圍廣闊，C編程可以在一定情況下將賦值、括號、強制類型全部當(dāng)作運算符來使用，不同情景使用不同的運算符就能實現(xiàn)高級語言不能完成的操作運算。數(shù)據(jù)類型很多。字符型、整型、實數(shù)型、結(jié)構(gòu)型、指針型、數(shù)組型、公共體型等都是C程序語言的數(shù)據(jù)類型。它們可用于實現(xiàn)各種各樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作。為了提高程序的效率，C語言定義了指針。方便實用的表達(dá)方法。C編程語言擁有許多操作符與表達(dá)式值的方式，能夠給予不同方法獲得實際問題的表達(dá)式，并且編寫程序更加方便和快捷。它的語法自由，程序設(shè)計是免費的，較為大多數(shù)人可以使用。能夠直接查詢訪問操作硬件與物理地址。因為C語言能夠直接查詢物理地址，也能夠?qū)τ布苯涌刂?，所以C語言不但有低級語言的大部分特性，而且保留了高級語言的特性?？梢浦残院芎?。C編譯器在不同機(jī)器上大部分的代碼是通用的，因此C語言程序很容易被移植。在多種環(huán)境中可以共用一套C語言編寫的程序代碼，而不需要稍微改變。具有很強的表達(dá)能力。C語言擁有大量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與操作符。除此之外，它有豐富的圖形處理與變換功能，兼容多種驅(qū)動器，并且計算、邏輯處理及判斷分析功能豐富。3硬件設(shè)計3.1總體設(shè)計本次設(shè)計主要由語音模塊、控制處理模塊、控制模塊、火焰監(jiān)測模塊和報警模塊組成如表1所示。由以上模塊組成的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。圖8系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖表1項目總體硬件說明Pin名稱數(shù)量注釋1樹莓派1個CPU2語音模塊1個識別語音3456789104路5V繼電器1路繼電器火焰?zhèn)鞲衅鞣澍Q器電機(jī)燈電源其他1個1個1個1個1個5個1個控制燈光和電機(jī)控制電機(jī)感受溫度報警正反轉(zhuǎn)動照明供電電線，外設(shè)等3.2語音模塊設(shè)計該模塊具有1個5VTTL串口和16個單片機(jī)輸入輸出端口引線，可以與外部單片機(jī)和控制繼電器等設(shè)備進(jìn)行通信信息交換。本模塊的串口如下圖9所示，表2是語音模塊引腳說明：從下至上的5根針分別為GND、RXD、TXD、5V、3.3V，其中RXD和TXD為實際內(nèi)部單片機(jī)的串口接收和發(fā)射端口，故與外部串口設(shè)備連接時要注意RXD接TXD的交叉接法。3.3V的口為輸出口，可用于外部設(shè)備的供電利用，一般未用上直接忽略不用即可。如與其他單片機(jī)或者其他設(shè)備的連接時注意串口電平需要為5V，與語音模塊電平一致，如電平不一致可加入串口電平轉(zhuǎn)換模塊否則將導(dǎo)致通信異常甚至損壞設(shè)備端口。表2語音模塊引腳說明Pin名稱注釋1VCC供電3.3V（DC）2VCC供電5V(DC)345TXDRXDGND寫數(shù)據(jù)線串口讀數(shù)據(jù)線串口負(fù)極圖9語音模塊電路原理圖圖10LD3320芯片原理圖3.3控制處理模塊的設(shè)計本次設(shè)計的控制處理模塊模塊是本次設(shè)計的中心和關(guān)鍵，它的主要部分就是樹莓派如圖12所示，樹莓派一共有40個引腳，本次畢業(yè)設(shè)計不會全部引腳都用，只會用到一部分。樹莓派的8引腳和10引腳見圖11分別是樹莓派串口通信的TXD和RXD引腳，可以實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送數(shù)據(jù)到其他設(shè)備，本次設(shè)計用到的語音模塊就是通過RXD和TXD引腳和樹莓派的TXD和RDX相連的，就可以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，收到信息后樹莓派才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行與內(nèi)部信息分析處理，根據(jù)處理結(jié)果從而執(zhí)行特定子系統(tǒng)或者子程序。在使用樹莓派時我一般采用SSH的無線連接模式登錄，因為這樣在使用的時候會更加的方便，便捷，串口連接登錄要每次用杜邦線連接串口，導(dǎo)致操作太繁瑣。但是在使用樹莓派SSH登錄方式之前要先對樹莓派進(jìn)行刷機(jī)操作，重置樹莓派，這樣可以避免在接下來的開發(fā)中出現(xiàn)不知的錯誤，刷機(jī)重置之后可以要先進(jìn)行串口登錄，在串口登錄時，我們要用到“USB轉(zhuǎn)TTL”接口”，如圖5，這樣才能使電腦和樹莓派之間建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，才能把數(shù)據(jù)給到樹莓派，之后樹莓派才能登錄，在串口登錄然后才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的配置，這樣才能用SSH網(wǎng)絡(luò)登錄。表3是樹莓派3B和樹莓派3B+基礎(chǔ)性能的比較，其實他們的功能都相差無幾，在主要配置上都是差不多的，比如CPU、藍(lán)牙等等，但是在價格方面卻差距較大，所以我本次項目的選擇主要考慮成本較低的樹莓派3B，采用樹莓派3B就能實現(xiàn)目標(biāo)功能，但是如果經(jīng)濟(jì)條件允許最好還是選擇樹莓派3B+，這樣在后續(xù)的追加開發(fā)中存在更大的優(yōu)勢。表4是樹莓派連接的引腳說明。圖11是樹莓派引腳與其他模塊之間的連接圖，其中引腳29，引腳31，引腳33，引腳35，引腳37與控制模塊相連，引腳38與火焰監(jiān)測模塊相連，引腳40與防火報警模塊相連。圖11控制處理模塊原理圖表3樹莓派3B與3B+對比說明名稱Pi3BPi3B+SOCBCM2837BCM2837B0CPU64位1.4GH四核64位1.4GHZ四核藍(lán)牙WIFI有線網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)Poe電源管理ICUSB口工作環(huán)境價格藍(lán)牙4.1802.11n無線2.4GHZ10/100Mb/s以太網(wǎng)無SMSCLAN95144個USB2.0端口0-50攝氏度低藍(lán)牙4.2802.11AC無線2.4GHZ/5HZ雙頻wifi前兆以太網(wǎng)通過額外的HAT供電MicrochipLAN75154個USB2.0端口0-50攝氏度高表4樹莓派引腳說明Pin名稱注釋128VCCVCCTXD供電3.3V(語音模塊)供電5V(繼電器)寫入數(shù)據(jù)91017GNDRXDVCC負(fù)極讀取數(shù)據(jù)供電3.3V(火焰?zhèn)鞲衅?252931333537383940GNDOUT1OUT2OUT3OUT4OUT5IN1GNDOUT6負(fù)極控制K1端口(客廳燈)控制K2端口(臥室燈)控制K3端口(泳池?zé)?控制K4端口(電機(jī))控制K5端口(電機(jī))來自火焰?zhèn)鞲衅髫?fù)極控制蜂鳴器圖12樹莓派詳細(xì)接口圖圖13“USB轉(zhuǎn)TTL接口”圖圖14樹莓派引腳圖3.4控制輸出模塊的設(shè)計本次設(shè)計項目的控制輸出模塊采用繼電器控制，繼電器簡單來說就是一個具有安全保護(hù)的開關(guān)，一種電氣控制裝置的開關(guān)，當(dāng)輸入(勵磁)的改變滿足規(guī)定范圍時，在電氣輸出電路中使受控量發(fā)生預(yù)定階躍改變的一種器件。它能夠反應(yīng)控制系統(tǒng)與受控系統(tǒng)之間的相互影響。一般在自動控制電子電路中被普遍使用，事實上就是用一個小變量（一般為小電流）來控制一個大變量（一般為大電流）運行而形成的“自動開關(guān)”。就是因為這樣，使用在電子電路中作用有：安全防護(hù)、自動轉(zhuǎn)換電子電路和主動調(diào)節(jié)等功能。本次設(shè)計中采用的是4路5V繼電器如圖16所示為繼電器控制連接圖，繼電器在IN側(cè)接入電源和收入信號線之后，就可以根據(jù)輸入信號的狀態(tài)來控制K側(cè)輸出信號的狀態(tài)，從而達(dá)到控制外接設(shè)備狀態(tài)的功能。表5是4路5V繼電器引腳說明：4路5V繼電器的引腳從左到右分別是GND,IN1,IN2,IN3,IN4,VCC5個端口。圖15是1路繼電器電路原理圖，4路繼電器的電路原理圖和一路繼電器的原理圖十分相似。表54路5V繼電器引腳說明Pin名稱注釋1GND負(fù)極2IN1控制K1端口3456IN2IN3IN4VCC控制K2端口控制K3端口控制K4端口供電5V端口圖151路繼電器原理圖圖16繼電器控制原理圖3.5火焰監(jiān)測模塊的設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計中防火裝置是由火焰?zhèn)鞲衅鹘M成的。其火焰?zhèn)鞲衅鞯淖饔檬菣z測室內(nèi)是否失火或者發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生火災(zāi)就會往樹莓派中心發(fā)送數(shù)據(jù)，提醒樹莓派做出反應(yīng)，從而幫助人們得知已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)，注意避險?；鹧姹O(jiān)測模塊里面的傳感器是一種能監(jiān)測760nm~1100nm范圍內(nèi)火焰或波長光源的器件。用打火機(jī)來檢測火焰到水平距離通常是0.8m。打火機(jī)的火焰越大，實際檢測的距離就應(yīng)該越遠(yuǎn)，60度是它的最佳檢測的角度。對火焰類型有著特別靈敏的檢測效果，靈敏度能夠改變(可通過圖10中的藍(lán)色數(shù)字電位器旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié))。其內(nèi)部電路原理圖如圖18所示，表6火焰監(jiān)測模塊引腳說明Pin名稱注釋1DO數(shù)字信號端口2GND負(fù)極3VCC供電3.3V（DC）表6標(biāo)明該模塊有3個引腳，其中DO腳是火焰監(jiān)測模塊的關(guān)鍵，在平時DO腳是往樹莓派發(fā)送“1”信號也就是保持高電平，但是當(dāng)監(jiān)測到周圍環(huán)境有火焰時就會往樹莓派發(fā)送“0”也就是低電平，觸發(fā)報警模塊動作。該模塊與樹莓派的連接如圖17所示，圖17火焰監(jiān)測模塊原理圖圖18火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩韴D3.6防火報警模塊的設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計中防火報警模塊是由蜂鳴器(圖20所示)組成的。其防火報警模塊的作用是對失火狀態(tài)發(fā)出警報，提醒居住的人們注意逃離避險。蜂鳴器模塊由S8550三極管工作運行，3.3V到5V是其正常工作電壓范圍。樹莓派接受到火災(zāi)數(shù)字信號之后，就會給防火報警模塊傳輸報警的相關(guān)信息，我使用的防火報警模塊是低電平觸發(fā)報警的，表7是防火報警模塊的引腳說明，其中當(dāng)I/O端口輸入低電平情況下，防火報警模塊里面的蜂鳴器就會發(fā)出刺耳的響聲，警示人們注意火災(zāi)的發(fā)生。圖19是防火報警模塊與樹莓派模塊的連接。表7蜂鳴器引腳說明Pin名稱注釋123VCCI/OGND供電3.3V（DC）數(shù)字信號端口負(fù)極圖19報警模塊原理圖圖20蜂鳴器電路原理圖4軟件設(shè)計4.1軟件的安裝及調(diào)試本次設(shè)計主要用到了5種軟件如表7和圖21所示：FileZilla、keil4、SecureCRT、SourceInsight4.0、STC-isp。其中keil4和SourceInsight4.0是編程軟件，可以在上面進(jìn)行C語言的編程，F(xiàn)ileZilla是信息傳輸共享的媒介，在網(wǎng)絡(luò)條件的允許之下可以把電腦的數(shù)據(jù)文件傳輸給樹莓派，SecureCRT是樹莓派顯示窗口，在上面可以進(jìn)行樹莓派內(nèi)部數(shù)據(jù)的調(diào)試，處理，STC-isp可以進(jìn)行串口調(diào)試，在后期我們需要模擬相關(guān)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綐漭蛇M(jìn)行調(diào)試，以此來驗證程序是否正確，這款軟件還能夠把我們在編程軟件上寫好的程序燒錄到單片機(jī)或者是樹莓派。表8使用軟件說明說明Pin名稱注釋1FileZilla數(shù)據(jù)傳輸2keil4編寫編譯345SecureCRTSourceInsight4.0STC-isp編譯運行編寫程序燒錄調(diào)試圖21軟件圖示圖4.2主程序設(shè)計本次設(shè)計的主程序還是十分簡易的如圖22所示，整個設(shè)計完成后，在給樹莓派通電后，就會執(zhí)行程序，對相應(yīng)的引腳進(jìn)行初始化，如果接收到語音模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，主程序就會把收到的數(shù)據(jù)和我們預(yù)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果不符合預(yù)定，就會繼續(xù)等待接受后面的數(shù)，如果符合預(yù)定，就會進(jìn)入不同的子程序，實現(xiàn)不同的功能。圖22主程序流程圖4.3監(jiān)聽程序設(shè)計本次設(shè)計的監(jiān)聽程序如圖23所示，指令程序設(shè)計的作用就是接受外界的聲音信息。該程序設(shè)計采用的口令模式，意思是一共要喊出兩級口令，首先要喊出一級口令，等識別成功之后才能說出下面一級的口令操作?？诹钅Ｊ娇梢苑乐拐`操作，可以提高一定的安全性和準(zhǔn)確性。圖23監(jiān)聽程序流程圖4.4指令程序設(shè)計本次設(shè)計的指令程序如圖24所示，指令程序設(shè)計的作用就是把監(jiān)聽程序輸入的信息與我們剛開始錄入樹莓派的信息進(jìn)行比較判斷，然后根據(jù)程序做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出。圖24指令程序流程圖4.5火災(zāi)報警程序設(shè)計本次設(shè)計的火災(zāi)報警程序設(shè)計如圖25所示，火災(zāi)報警程序設(shè)計的作用就是監(jiān)測外界環(huán)境溫度的變化(是否發(fā)生火災(zāi))，如果發(fā)生火災(zāi)，該程序就會接受到火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)出的動作信號，然后給相應(yīng)的引腳輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，蜂鳴器收到動作信號就會進(jìn)入報警狀態(tài)，發(fā)出刺耳的聲音提醒人們注意身邊的環(huán)境。圖25火災(zāi)報警程序流程圖4.6網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計本次設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計如圖26所示，網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計的作用就是在支持語音通信的同時，能夠同時支持網(wǎng)絡(luò)通信，支持客戶端的連接和控制。網(wǎng)絡(luò)通信是建立在有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接的前提下的，首先要先給樹莓派配置網(wǎng)絡(luò)，使其連接上網(wǎng)絡(luò)才能使用，之后把樹莓派的IP地址固定，這樣方便我們后續(xù)的客戶端連接和測試。這里我們可以用手機(jī)作為我們的客戶端去連接樹莓派，在客戶端根據(jù)IP地址連接樹莓派之后，我們就可以往、樹莓派發(fā)送數(shù)據(jù)，樹莓派接收到數(shù)據(jù)信息之后，就會根據(jù)指令程序做出判斷，如果合符，就會打開相應(yīng)的引腳去實現(xiàn)相應(yīng)的功能。如果不符合，就會停留在待接收狀態(tài)，繼續(xù)等待下次數(shù)據(jù)的到來。圖26網(wǎng)絡(luò)通信程序流程圖5硬件測試本次設(shè)計的硬件測試主要包括硬件基礎(chǔ)測試和硬件總體測試。硬件基礎(chǔ)測試就是把硬件買回來之后我們進(jìn)行的操作：查看硬件是否損壞，接通電源后查看是否通電，查看是否能夠輸入輸出等等。硬件總體測試就是在軟件完成后，把單獨的硬件組合到一起查看是否通電、是否能夠輸入輸出，查看總體目的是否達(dá)到等等。5.1硬件基礎(chǔ)測試本次設(shè)計的硬件基礎(chǔ)測試主要包括繼電器的基礎(chǔ)測試、樹莓派的基礎(chǔ)測試和LED燈測試、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)測試、蜂鳴器的響應(yīng)測試、火焰?zhèn)鞲衅骰A(chǔ)測試和語音模塊模塊測試等等。繼電器的基礎(chǔ)測試就是把繼電器通上電源之后能夠正常的使用：當(dāng)信號發(fā)生改變，繼電器能夠改變它的開關(guān)狀態(tài)；樹莓派的基礎(chǔ)測試：把樹莓派通電之后，進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)置后，能夠順利的連接到網(wǎng)絡(luò)，能夠接收到輸入信號，并且能夠輸出信號，能夠使用操作庫等；LED燈測試：通電之后能夠正常工作(led燈能夠正常工作);電機(jī)的正反轉(zhuǎn)測試：電機(jī)通電之后能夠轉(zhuǎn)動起來，把電源線正負(fù)反接之后電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)反向轉(zhuǎn)動；蜂鳴器的基礎(chǔ)測試：通電之后，在I/O口出輸入低電平之后，蜂鳴器開始響應(yīng)(報警)，在I/O口輸入高電平后，蜂鳴器停止響應(yīng)(報警停止)；火焰?zhèn)鞲衅骰A(chǔ)測試：通電之后，正常情況下能夠通過I/O口輸出高電平，有火焰之后，能夠通過I/O口輸出低電平；語音模塊基礎(chǔ)測試：給語音模塊通電之后，當(dāng)外部口令輸入時，能夠正確的識別語音內(nèi)容，并做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出，并且能夠通過RXD和TXD引腳傳輸和寫入數(shù)據(jù)。5.2硬件總體測試本次設(shè)計的硬件總體測試主要就是在軟件調(diào)試完成之后，把所有是硬件裝置組合成一個整體如圖27，然后給整個整體裝置通電之后，整個裝置能夠?qū)崿F(xiàn)我們的期望和目的效果：當(dāng)我們對著語音模塊說出我們的正確口令時，樹莓派能夠打開對應(yīng)的硬件設(shè)備；同時，我們能夠通過手機(jī)APP里面的TCP連接和樹莓派進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，連接之后進(jìn)入開關(guān)界面就可以通過無線網(wǎng)絡(luò)控制硬件開關(guān)。表9是通過語音測試控制硬件開燈、關(guān)燈、開窗、關(guān)窗的測試說明表，在通常情況下都能夠正確識別語音并完成相關(guān)的操作，但是不能保證百分之一一百正確識別并操作。 表9語音控制硬件測試結(jié)果說明Pin語音名稱測試結(jié)果1開客廳燈完成2關(guān)客廳燈完成345678開臥室燈關(guān)臥室燈開泳池?zé)絷P(guān)泳池?zé)糸_窗簾關(guān)窗簾完成完成完成完成完成完成6軟件測試本次設(shè)計的硬件測試主要包括硬件基礎(chǔ)測試和硬件總體測試。硬件基礎(chǔ)測試就是把硬件買回來之后我們進(jìn)行的操作：查看硬件是否損壞，接通電源后查看是否通電，查看是否能夠輸入輸出等等。硬件總體測試就是在軟件完成后，把單獨的硬件組合到一起查看是否通電、是否能夠輸入輸出，查看總體目的是否達(dá)到等等。6.1軟件分模塊程序測試本次設(shè)計的軟件分模塊程序測試主要包括：監(jiān)聽程序測試，火災(zāi)報警程序測試，指令程序測試，網(wǎng)絡(luò)通信程序測試。監(jiān)聽程序測試：程序是否能夠編譯、執(zhí)行，執(zhí)行后是否能夠?qū)崟r監(jiān)聽YS-LDV7模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，火災(zāi)報警程序測試：程序是否能夠編譯、執(zhí)行，執(zhí)行后是否能夠?qū)崟r檢測火焰?zhèn)鞲衅鞯妮斎?，并根?jù)輸入判斷是否執(zhí)行后續(xù)。指令程序設(shè)計測試：指令程序就是包含了輸出的數(shù)據(jù)，程序是否能夠編譯、執(zhí)行，執(zhí)行后是否在輸入數(shù)據(jù)之后進(jìn)行比較，從而決定之后的輸出。網(wǎng)絡(luò)通信程序測試：程序是否能夠編譯、執(zhí)行，執(zhí)行后網(wǎng)絡(luò)通信程序是否有客戶端連接，客戶端連接之后，是否有數(shù)據(jù)輸入，是否能夠操作控制硬件。6.2整合程序測試本次設(shè)計的整合程序設(shè)計就是把所有的子程序匯總在一起進(jìn)行編譯，執(zhí)行。查看子程序之間是否存在問題，編譯是否正確，如果不正確，該如何改正，執(zhí)行是否成功，如果不成功，什么地方有錯誤，該怎么改正，執(zhí)行是否達(dá)到期望效果，是否能夠控制總體硬件工作，總體成功之后，查看有什么地方可以加以改進(jìn)的，可以更加的簡潔，更加的美觀。我們可以使用手機(jī)APP如圖27所示的TCP軟件作為客戶端連接，圖28是主要的操作界面。表10是用TCP手機(jī)軟件控制硬件的測試結(jié)果說明，能夠完成對硬件的控制，并且手機(jī)軟件控制的效果比語音控制的效果更好，出錯率幾乎為零。圖27手機(jī)APP圖標(biāo)圖圖28連接APP開關(guān)控制界面 表10TCP手機(jī)軟件控制硬件測試結(jié)果說明Pin操作名稱測試結(jié)果1開客廳燈完成2關(guān)客廳燈完成345678開臥室燈關(guān)臥室燈開泳池?zé)絷P(guān)泳池?zé)糸_窗簾關(guān)窗簾完成完成完成完成完成完成7結(jié)果與總結(jié)本次設(shè)計已經(jīng)基本完成了，在整個過程中，其實還是很辛苦的，雖然很辛苦，但是就目前的效果來看還是可以的。整個過程不乏出現(xiàn)煩躁的時候，你會因為軟件的安裝大費苦心，在網(wǎng)站上海量搜索軟件安裝的教程，并仔細(xì)閱讀它，然后再去親自嘗試。你會因為程序的錯誤廢寢忘食的調(diào)試，改正，只為找到錯誤，找到代碼調(diào)試成功的喜悅感和成功感。你會因為硬件的連接錯誤，而找不到到底哪里出現(xiàn)錯誤，而產(chǎn)生心情煩躁。雖然整個過程是無聊、枯燥的，但是自己也在這個過程中學(xué)到許多東西，比如怎么去查找自己不懂知識，如何有效率的學(xué)習(xí)，怎么向別人請教問題，怎么保持自己的心態(tài)，還有怎么和比人討論問題等等。在這期間我大致完成并且改善了通過語音控制燈光的開關(guān)與語音微控電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動來帶動窗簾的開關(guān)，并且給整體項目配置了火光報警裝置。參考文獻(xiàn)[1]張永安.基于樹莓派的智能家居系統(tǒng)[J].電子世界,2016.[2]馬振,宋雅慶,王珂,等.低成本智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表,2015.[3]許亞迪,張凱,張興.基于樹莓派的簡易電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].《電腦迷》2018.[4]崔陽,張維華,白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014.[5]李社蕾,周磊,劉杰,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2014.[6]汪開元,胡大春.基于樹莓派的智能家居語音控制系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新,2017.[7]安瑩,吳先梅,藍(lán)俊歡,等.基于樹莓派的智能語音控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子世界.2018.[8]張偉.面向智能家居的嵌入式語音控制系統(tǒng)的研究[D].鄭州大學(xué),2015.[9]息曉靜,林坤輝,周昌樂,等.語音識別關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2006.[10]蘇祥林,陳文藝,閆灑灑.基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺[J].電子科技,2015.[11]李文勝.基于樹莓派的嵌入式Linux開發(fā)教學(xué)探索[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014.[12]靳祺楨.芻議樹莓派在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016.[13]謝衛(wèi)華，宋蟄存.家庭智能防火防盜系統(tǒng)[J].自動化儀表，2010.[14]SimonMonk著；姜斐祚譯RaspberryPiPython編程入門科學(xué)出版社，2014.2.1.[15]MaikSchmidt著；王峰、王江偉、王汝波譯RaspberryPi快速入門指南科學(xué)出版社,2014.1.[16]崔武子,付鈧,鞠慧敏.C語言程序設(shè)計實踐教程[M].清華大學(xué)出版社,2005

附錄本次程序設(shè)計串口通信基本完成，準(zhǔn)備開始語音識別代碼的修改然后燒錄到語音模塊(這部分采用源碼進(jìn)行修改，使其識別后傳輸我想要的數(shù)據(jù))和網(wǎng)絡(luò)通信的編寫。其他部分的代碼有待完善，主函數(shù)代碼如下：/*建立全局變量*/intc_fd;structEquip*tmp=NULL;structEquip*equiphead=NULL;structInputcommand*voicephead=NULL;structInputcommand*sockethand=NULL;structInputcommand*voicehand=NULL;主程序：intmain(){ pthread_tvoice_thread; pthread_tsocket_thread; pthread_tfire_thread; if(wiringPiSetup()==-1){ return-1; } //輸入指令 voicephead=addvoicecontrol(voicephead); voicephead=addsocketcontrol(voicephead); //輸出設(shè)備初始化 equiphead=addonelight(equiphead); equiphead=addtwolight(equiphead); equiphead=addwaterlight(equiphead); equiphead=adddianshan(equiphead); equiphead1=addfire(equiphead1); //語音線程的建立 pthread_create(&voice_thread,NULL,voicethread,NULL); //按鍵線程的建立 pthread_create(&socket_thread,NULL,socketthread,NULL); //防火報警線程的建立 pthread_create(&fire_thread,NULL,firethread,NULL); //等待線程指令結(jié)束 pthread_join(voice_thread,NULL); pthread_join(socket_thread,NULL); pthread_join(fire_thread,NULL); return0;}//防火報警程序模塊：void*firethread(void*data){ equiphead1->equipInit(equiphead1->number); while(1){ if(digitalRead(equiphead1->number)==0){ equiphead1->equipInit1(equiphead1->number1); equiphead1->open(equiphead1->number1); }else{ equiphead1->equipInit1(equiphead1->number1); equiphead1->close(equiphead1->number1); } }}//語音控制程序模塊：void*voicethread(void*data){ intnread; voicehand=findcommandname("voice",voicephead); if(voicehand==NULL){ printf("finderror\n"); pthread_exit(NULL); } else{ if(voicehand->Init(voicehand)==0){ printf("Initerror\n"); pthread_exit(NULL); } else{ printf("%svoicesuccess\n",voicehand->commandname); } while(1){ nread=voicehand->getcommand(voicehand); if(nread==0){ printf("nodatavoice\n"); }else{ printf("sh:%s\n",voicehand->command); tmp=findEquipname(voicehand->command,equiphead); if(tmp!=NULL){ if(strcmp(tmp->equipname1,voicehand->command)==0){ tmp->equipInit(tmp->number); tmp->open(tmp->number); if(tmp->equipInit1!=NULL){ tmp->equipInit