基于ZigBee和WiFi的智能语音家居控制系统
杨永强，张思，刘智敏*，胡祖永，拔贤，杨钟愉
普洱学院理工学院，云南普洱
收稿日期：2023年12月16日；录用日期：2024年1月15日；发布日期：2024年1月26日
摘要
电子信息技术的高速发展为智能家居控制系统的设计提供了多样化选择，传统的智能家居无线组网方式更多地偏向于WiFi单种无线组网方式，相较于ZigBee组网技术WiFi技术在功耗、成本以及空间覆盖面上都存在一定的弊端。为了兼具低功耗、低成本、空间覆盖面广的特点，本文设计了一种混合了ZigBee及WiFi技术的混合式组网智能语音家居控制系统。该系统以STM32系列单片机作为主控芯片，感知层以ZigBee技术作为传感器的无线组网方式，网络层结合了ZigBee与WiFi技术开发了物联网网关，由网关统一进行数据转发，应用层则主要使用了SpringBoot框架及Vue框架开发了一个控制页面负责实时显示数据和远程控制硬件设备，同时在系统设计中加入语音控制模块提高了用户体验。本系统高效、节能、便捷，兼具模块化、自动化和智能化，可以实现对家庭室内环境参数指标进行采集和显示，为现代智能家居物联网系统设计提供了一种混合式无线组网方案。
关键词
智能家居，ZigBee，WiFi，语音识别
SmartHomeVoiceControlSystemBasedonZigBeeandWiFi
YongqiangYang,SiZhang,ZhiminLiu*,ZuyongHu,XianBa,ZhongyuYang
SchoolofScienceandTechnology,Pu’erUniversity,PuerYunnan
Received:Dec.16th,2023;accepted:Jan.15th,2024;published:Jan.26th,2024
ABSTRACT
Keywords:SmartHome,ZigBee,WiFi,VoiceControl
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
智能家居物联网使用各种科技手段将家庭设备、设施和家庭成员连接起来，实现远程控制、自动化控制、场景控制等功能，智能家居可以提高家庭安全性、舒适度和便利性[1]。尽管物联网技术发展迅速，但传统智能家居物联网系统仍存在一定的不足之处。传统家居物联网设备通常由不同的制造商生产，语音控制技术发展不够成熟，使用不同的通信标准这导致了设备之间的互操作性较难，难以实现设备之间的无缝连接和控制，难以实现统一的模块化设计。同时智能家居在无线组网方式上种类上往往较为单一，常见的组网方式通常为WiFi组网，WiFi技术存在能耗高、成本高、空间覆盖面小等缺陷，而ZigBee技术恰好可以解决WiFi在这些方面的不足[2][3][4][5]。为了让智能家居系统具备低成本、低能耗及语音控制功能和更好的模块兼容性，本文基于ZigBee和WiFi技术设计设计并开发了一套语音控制智能家居系统。
2.系统功能设计
2.1.功能分析
Figure1.Functiondiagramofsmarthomecontrolsystem
该系统能够实时监测室内环境的温度、湿度等参数信息，通过数据分析和处理，提供了智能家居设备的可靠保障和智能控制的优化方案，还提供了语音识别控制功能来更方便地使用智能家居控制系统。
2.2.技术架构设计
为了整合WiFi与ZigBee技术，确保底层硬件与服务器之间的通信，本系统设计了一个物联网智能网关负责收发感知层的传感器及控制元件数据，通过智能网关，可以轻松地完成设备与服务器之间的数据传输，并且能够实现精准的设备控制和状态监测。在网络层中考虑到数据转发场景，系统采用了更适合物联网通信的MQTT协议作为数据传输的通信协议，MQTT采用发布/订阅模式，主要设计用于低带宽和不稳定网络环境，非常适合在资源受限的设备上运行。应用层使用SpringBoot框架、Vue框架以及DataV可视化组件开发了一个Web页面用于图形化显示室内环境实时参数，使用的技术栈均为市面上较为流行的开源开发框架，具有成本低，普适性高，利于二次开发的优点。
Figure2.Architecturediagramofsmarthomecontrolsystem
2.3.系统结构设计
Figure3.Diagramofsystemstructure
3.系统硬件设计
3.1.感知层硬件选型
Table1.Perceptionlayerhardware
3.2.中间层硬件选型
3.2.1.主控芯片
系统主控芯片是硬件系统的核心，主要用于数据分析、处理和执行控制任务。在本次设计中选用STM32F103系列微控制器作为智能家居网关的控制核心。通过外围电路设计，连接各类传感器及通信模块，将所采集的环境数据进行转换、处理以实现家居环境的监测和控制功能。STM32F103系列微控制器集成度高，可靠性好，拥有丰富的指令系统，低功耗，串口编程，而且价格便宜[8]。
其余终端节点选用STM32G030K6作为主控芯片，该芯片它采用了ARMCortex-M0+内核，正常的运行频率可以达到64MHz，同时拥有32KB的Flash存储器[9]。此外，这款芯片还内置了18个通用I/O口、2个SPI通信接口、2个I2C通信接口、1个USART等外设。STM32G030K6具有低功耗、高性价比的优点，适用于物联网、家电、智能手表等多个领域。
3.2.2.ZigBee设计
E18-MS1-PCB是一款ZigBee无线模块，该模块使用串口通信方式与微控制器进行连接，适用于多种应用场景。该模块可以通过AT指令进行设置，在组建好一个ZigBee网络后可以上电自动组网，无需再次进行组网配置。
3.2.3.WiFi设计
ESP-WROOM-02D是基于ESP8266芯片设计开发的物联网无线模组，集成了TCP/IP网络协议栈，32位低功耗MCU，10bits精度ADC，带有HSPI、UART、PWM、I2C和I2S等接口。在本系统中使用MQTT固件配合AT指令进行开发，能够简单高效地与服务器进行连接。
4.系统硬件设计
4.1.原理图设计
4.1.1.主控芯片资源分配
Table2.Gatewaychipwiring
4.1.2.主控芯片供电带电路设计
Figure4.SchematicofSTM32powersupplycircuit
4.1.3.主控芯片复位电路设计
Figure5.SchematicofSTM32resetcircuit
4.1.4.主控芯片下载电路设计
Figure6.SchematicofSTM32downloadcircuit
4.1.5.主控芯片晶振电路设计
Figure7.SchematicofSTM32crystaloscillatorcircuit
4.2.智能网关PCB设计
PCB设计过程包括原理图设计、布局设计和线路走向设计三个方面。在原理图设计中，设计师根据
Figure8.PCBdesignofgateway
电路图符号、元器件选择和参数规格等要求，将逻辑电路转换成可执行、可实现的物理电路；在布局设计中，各个元器件被摆放在PCB板面上，并根据功能、电气和机械的要求进行位置、尺寸、形态、路径等方面的布置；线路走向则是将各个元器件之间的逻辑链接点通过铜箔连通，并在信号和电源线路的走向上进行优化。PCB设计完成后，需要进行制板和组装工艺，以达到预期的电气和机械性质要求。
5.系统软件设计
Table3.Systemsoftwaredesigntechnology
服务端使用开源的EMQX进行MQTT服务器的搭建，这是本系统中数据传输的主要方式，SpringBoot框架用于开发数据存储接口，MQTT服务器接收到数据后转发至SpringBoot设计的接口，进行简单数据处理后转存至MySQL数据库中。
6.系统功能测试
6.1.硬件测试
6.1.1.ZigBee组网测试
本系统ZigBee网络由路由器和多个设备终端节点构成，网关部分为路由器，终端节点为厨房节点、卧室节点、门窗节点等。测试时监测数据包发送、接收情况，以判断网络连接性。测试结束后，根据测试数据和实际情况分析测试结果，比较预设指标和实际测试结果间的差距，进一步优化组网方案，提高ZigBee组网质量。
Figure9.Gatewayreceivingterminalnodedevicedata
6.1.2.WiFi连接服务器测试
Figure10.Gatewayreceivesserverdata
6.1.3.语音控制测试
Figure11.Voicecontroldevicetoturnonlights
Figure12.Voicecontroldevicetoturnofflights
6.1.4.智能控制测试
Figure13.Automaticcontroloflightingfunctions
6.2.软件测试
6.2.1.系统功能测试
在搭建了整体的智能家居系统后进行联调测试，保证每一个设备正常工作，同时验证控制系统功能是否正常。需要测试所有的用电器是否能够正常控制，传感器是否能够正常采集环境数据。