毕业课程设计基于STM32的智能灯光控制系统物联网智能家居手机APP控制语音控制
毕业/课程设计——基于STM32的智能灯光控制系统（物联网、智能家居、手机APP控制、语音控制）
文章 首先介绍本系统所包含的功能 ，主要包含六方面功能， 之后逐步分享开发过程 ，其流程如下：点亮灯带（三极管） → 调节灯光亮度（PWM）→为系统添加远程控制功能→为系统添加语音识别功能→添加超声波姿态监测功能→添加OLED显示功能
特别主要：本文不是将所有程序罗列在一起，而是按照上放所说的流程进行，添加一个功能，展示一下该功能的程序，这种方式对学习者非常有利，观看完本文肯定能明白类似的智能家居系统如何开发！！！！
低端有完整工程的链接
演示视频：
基于stm32的智能灯光系统（智能家具、远程控制、语音控制）
一、功能介绍
1、远程控制灯光：手机端app远程控制灯光开关(手机app自主开发)
手机端通过触发相应的组件，将相应的控制命令上传至云平台，esp-01s通过wifi信号连接该云平台获取到该指令，由stm32控制 灯光亮灭、暖光与冷光切换、一档、二档、三档调节 。
2、语音控制功能：通过语音控制灯光
采用高识别率离线语音识别模块，识别使用者的语音命令，通过说话的方式控制 灯光亮灭、暖光与冷光切换、一档、二档、三档调节 。
3、远程显示功能：环境温度、湿度在手机端显示
系统具备dht11测温传感器，单片机驱动这个传感器工作，并将相应的数据通过esp-01s 、云平台，上传至手机app显示。
4、坐姿异常监测显示：超声波传感器测距身体的距离
使用本系统制作台灯时，可添加该功能，监测坐姿是否规范，若距离过近，蜂鸣器报警，并在OLED屏幕上显示。
5、系统当前状态显示：灯光是否开启、挡位显示、坐姿是否异常等在OLED屏显示
将当前时刻系统的工作状态显示在OLED屏幕上，包括灯光是否打开、挡位、坐姿是否异常，当以上状态发生变化时，OLED及时更改显示（既OLED始终显示最新的状态）。
6、RTC实时时钟：OLED显示实时时钟，且支持按键离线修改
本项目利用核心板上的RTC时钟晶振，开发实时时钟，在时间显示界面可以观察到具体时间，且本项目支持“通过按键修改时间”。K1：进入时间设置界面、切换所修改的时间单位、返回时间显示界面，K2：时间加一个单位，K3：时间减一个单位
在时间显示界面触发K1按键，进入时间设置界面；之后触发K1按键设置不同的时间单位，刚进入时间设置界面时是对年份进行修改，再按一下K1对月份进行修改，如此递推(oled屏幕上有个小箭头，小箭头所指的就是当前正在修改的时间单位)，当最后在按下一次K1时，返回时间显示界面，并进行时间更新。
二、详细阐述开发流程
2.1、先让灯亮起来
正如章节3中所说，灯带是通过三极管（NPN）驱动的，单片机的IO口连接三极管基极，可以将其看成控制信号，当该引脚输出高电平时，可以认为三极管导通，电流由集电极所连的VCC提供，也就是用电源给灯带供电，这个电流远大于IO口直接输出的电流，足以满足灯带的需求。
2.2、调节灯光亮度
刚刚已经介绍过如何使用三极管点亮灯带。那么又该如何控制灯的亮度哪？也就是如何控制电流呢？这就需要常说的PWM输出了，可以将三极管看成一个“水龙头”，PWM可以理解为我们拧水龙头的力气，通过调节不同的占空比，使得三极管“打开不同的口子”，控制逻辑如下：
①PWM占空比大→“打开的口子大”→输出的电流大→灯带更亮
②PWM占空比小→“打开的口子小”→输出的电流小→灯带更暗
在程序中首先将IO口配置为PWM输出，本设计选用的定时器4的通道3与通道4产生PWM（两个灯，一个冷光一个暖光，需要两路PWM输出）具体程序如下：
void Motor_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE); //使能定时器4时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); //使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟
/*****输出 TIM4_CH3 和 TIM4_CH4 和的 PWM 脉冲波形*****/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9; //TIM_CH3 和 TIM_CH4
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化 GPIO
/********************初始化 TIM3*******************/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为 TIMx 时钟频率除数的预分频值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割：TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM 向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); //根据 TIM_TimeBaseInitStruct 中指定的参数初始化 TIMx 的时间基数单位
/*******初始化 TIM4 Channel3、TIM4 Channel4 PWM 模式********/
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式：TIM 脉冲宽度调制模式 2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //输出极性：TIM 输出比较极性高
TIM_OC3Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure); //初始化外设 TIM4 OC3
TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure); //初始化外设 TIM4 OC4
/*******使能预装载寄存器********/
TIM_OC3PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); //使能 TIM4
}如此 PWM 的输出就已经配置好了，下面就在主循环中调用修改 PWM 占空比函数即可，具体程序如下，该程序修改了三个不同的占空比，以对应灯光的一档、二档、三档。
/********两端都使能 1 档**********/
TIM_SetCompare3(TIM4,5000);
TIM_SetCompare4(TIM4,5000);
/********两端都使能 2 档**********/
TIM_SetCompare3(TIM4,10000);
TIM_SetCompare4(TIM4,10000);
/********两端都使能 3 档**********/
TIM_SetCompare3(TIM4,20000);
TIM_SetCompare4(TIM4,20000);4.3、远程控制功能
正如上文所说，远程控制功能实现的原理是，手机 app 连接云平台，手机 APP 相应按键触发时，将相应的控制指令上传至云平台，esp-01s 通过周围的 WiFi 信号连接云平台，获取云平台上的数据，并通过串口将该数据传输给 STM32 单片机，单片机解析数据并完成相应的驱动。接下来逐步进行开发，分为手机端 app 的制作，手机连接云平台、设备连接云平台。
4.3.1 手机端 app 的制作：
本项目使用一款麻省理工研发的开发安卓 app 的平台——appinventor，该平台基于图形化编程，是“不愿意编程党”的福音，不需要使用代码开发 app，使用一些逻辑关系模块完成开发。首先在主页面拖放好各种想要的按键，之后在编程界面拖放逻辑关系模块，完成开发（与 labview 相似）。
4.3.2 手机端连接云平台：
在使用 appinventor 开发的过程中，调用连接云平台接口，连接云平台，博主使用的是巴法云平台，在巴法云官网有详细的教程。打开巴法云官网，其界面如图 8 所示，点击图片中所圈的地方“实例指南”进入巴法云论坛，之后在论坛中找到“APP inventor 编写安卓 app 控制 ESP8266”这篇文章，如图 9 所示，里面有详细的制作过程。
图 8 巴法云界面
图 9 论坛内容
需要注意的是连接云平台的接口，ClientSocketAI2Ext，这个不是 appinventor 的原生组件，需要再 Extension 下导自行导入插件。
4.3.3 设备 ( 单片机 ) 连接云平台
esp-01s 也是一个 MCU，通过编程开发，本设计通过 arduino 平台开发相关的功能，值得注意的是 esp-01s 通过 WiFi 信号连接云平台，所以环境中必须要有 WiFi，由于此处程序过多，仅展示重要的地方。
① 云平台定义及主题相关定义，具体程序如下：
#include <ESP8266WiFi.h>
#include<SimpleDHT.h>
//巴法云服务器地址
#define TCP_SERVER_ADDR "bemfa.com"
//服务器端口，tcp 创客云端口 8344
#define TCP_SERVER_PORT "8344"
//********************需要修改的部分*******************//
#define DEFAULT_STASSID "HUAWEI P30 Pro+" //WIFI 名称，区分大小写，不要写错
#define DEFAULT_STAPSW "18253858772" //WIFI 密码
String UID = "23f9a5f2d3584dc8516409db14b4827c"; //用户私钥，可在控制台获取，修改为自己的 UID
String TOPIC1 ="TD00light"; //主题名字，可在控制台新建
String TOPIC2 = "TD00temp"; //用户私钥，可在控制台获取,修改为自己的 UID
const int LED_Pin = 0; //单片机 LED 引脚值，GPIO0 引脚
int pinDHT11 = 2;
//**************************************************//② 接下来是连接服务器，向服务器发送指令 cmd=1&uid="+UID+"&topic="+TOPIC1+"\r\n，其中的 UID 与 TOPIC1 就是上方程序中的相关定义。
具体程序如下：
void startTCPClient()
{
if(TCPclient.connect(TCP_SERVER_ADDR,atoi(TCP_SERVER_PORT)))
{
Serial.print("\nConnected to server:");
Serial.printf("%s:%d\r\n",TCP_SERVER_ADDR,atoi(TCP_SERVER_POR T));
String tcpTemp=""; //初始化字符串
tcpTemp = "cmd=1&uid="+UID+"&topic="+TOPIC1+"\r\n"; //构建订阅指令
sendtoTCPServer(tcpTemp); //发送订阅指令
tcpTemp="";//清空
preTCPConnected = true;
preHeartTick = millis();
TCPclient.setNoDelay(true);
}
Else
{
Serial.print("Failed connected to server:");
Serial.println(TCP_SERVER_ADDR);
TCPclient.stop();
preTCPConnected = false;
}
preTCPStartTick = millis();
}③ 获取云平台传来的数据，并通过串口传输给 STM32，具体程序如下：
if (TCPclient.available()) //若有数据传来
{
char c =TCPclient.read();
TcpClient_Buff +=c; //数据存储
TcpClient_BuffIndex++;
TcpClient_preTick = millis();
if(TcpClient_BuffIndex>=MAX_PACKETSIZE - 1)
{
TcpClient_BuffIndex = MAX_PACKETSIZE-2;
TcpClient_preTick = TcpClient_preTick - 200;
}
preHeartTick = millis();
}
if((TcpClient_Buff.length() >= 1) && (millis() - TcpClient_preTick>=200))
{
TCPclient.flush();
Serial.println(TcpClient_Buff); //串口传输
if((TcpClient_Buff.indexOf("&msg=11") > 0))
{
turnOnLed();
}else if((TcpClient_Buff.indexOf("&msg=10") > 0))
{
turnOffLed();
}
TcpClient_Buff="";
TcpClient_BuffIndex = 0;
}如此就可以将云平台中的控制指令传输给 STM32，STM32 进行解析并完成相应的控制，由于本设计还添加了语音识别功能，所以相关控制的实现等讲解完语音识别后在进行讲解。
4.4 语音识别功能
语音识别功能主要采用了 SU-03T 离线语音识别模块，这个模块不需要编程，使用厂家提供的云平台（智能公元）开发，正如前文所说本设计主要用了该模块的串口功能，该模块的串口与 STM32 单片机的另一个串口连接，当识别到相应的语音时，串口输出相应的控制指令给 STM32。在此只展示打开灯光、关闭灯光、打开冷光、打开暖光对应的指令，分别为 0x11、0x10、0x21、0x22，相关配置如图 10 所示。
图 10 su-03t 平台配置
4.5
、
STM32
解析指令并完成相关驱动
正如前文所说，WiFi 模块与 su-03t 都是使用串口与 STM32 单片机建立联系的，所以我们首先需要完成串口的相关配置，在此以 WiFi 模块对应的 usart3 为例，配置串口。
具体程序如下：
void usart3_init(u32 bound)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
/***********使能时钟************/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3,ENABLE);
USART_DeInit(USART3); //复位串口 3
/*******配置输出引脚*******/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; //PB10
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化 PB10
/*******配置输入引脚*******/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //初始化PB11
/********串口相关配置********/
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//波特率一般设置为 9600；
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b；//字长为 8 位数据格式
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFl
owControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART3, &USART_InitStructure); //初始化串口 3
USART_Cmd(USART3, ENABLE); //使能串口
USART_ITConfig(USART3, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启中断
/*******设置中断优先级********/
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART3_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2 ;//抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //子优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化VIC寄存器
TIM3_Int_Init(1000-1,7200-1); //10ms中断
USART3_RX_STA=0; //清零
TIM_Cmd(TIM3,DISABLE); //关闭定时器7
}至此 WiFi 模块对应的串口就配置完成，su-0t 对应的串口配置与该串口相似，WiFi 模块传输来的数据是需要解析的，而 su-03t 直接传输的十六进制，不需要解析，所以接下来就是解析 WiFi 模块通过串口传来的数据。
具体程序如下：
if(USART3_RX_STA&0X8000) //接收到一次数据了
{
rlen=USART3_RX_STA&0X7FFF; //得到本次接收到的数据长度
USART3_RX_BUF[rlen]=0; //添加结束符
//数据提取
if(strncmp(USART3_RX_BUF,"cmd=2",5)==0)
{
for(i=0;i<strlen(USART3_RX_BUF)+1;i++)
{
data_tiqu[s]=USART3_RX_BUF[i];
s++;
}
printf("%s",data_tiqu);
for(i=0;i<strlen(data_tiqu);i++)
{
if(data_tiqu[i]==cmd[0])
{
k=i;
k++;
for(j=1;j<strlen(cmd);j++)
{
if(data_tiqu[k]==cmd[j])
{
k++;
flag=1;
}
else
{
flag=0;
}
}
}
}
s=0;
//数据提取结束
printf("\r\n\r\n");
if(flag==1)
{
for(i=k+1;i<strlen(data_tiqu)+1;i++) //此时 i为传输接受数据的索引
{
data[s]=data_tiqu[i];
s++;
}
printf("%s",data);
printf("zaici"); //作用：程序定位
printf("\r\n");
}
}
if(strncmp(USART3_RX_BUF,"cmd=0&res=1",11)==0)
{
printf("%s",USART3_RX_BUF);
}
USART3_RX_STA=0;
}解析好的数据就存放在 data 这个数组中，接下来就在主循环中判断 data 数组中存放的数据以及 su-03t 通过串口直接传来的十六进制指令即可，根据相应的指令完成相关外设的驱动。
具体程序如下。
/******************驱动控制**************************/
//判断 APP 控制开关灯
if((data[0]=='1'&&data[1]=='1') || (temp == 0x11))
{
cold_light_flag = 1;
warmth_light_flag = 0;
TIM_SetCompare3(TIM4,5000); //初始时冷光亮
TIM_SetCompare4(TIM4,0);
temp=0;
state_flag_temp=11;
state_flag[0]=1; //冷亮
state_flag[2]=1; //一档
display_on[5] = 24; //已为您打开灯(oled 显示的汉字在数组中的索引)
display_on[6] = 0; //已为您打开灯(oled 显示的汉字在数组中的索引)
}
if((data[0]=='1'&&data[1]=='0') || (temp == 0x10))
{
cold_light_flag = 0;
warmth_light_flag = 0;
temp=0;
state_flag_temp=10;
state_flag[0]=0;
state_flag[1]=0;
state_flag[2]=0;
display_off[5] = 24;
display_off[6] = 0;
}
//判断 APP 控制冷暖光调节
if(((data[0]=='2'&&data[1]=='1') || (temp == 0x21)) && (cold_light_flag == 0)) //冷亮暖灭
{
cold_light_flag = 1;
warmth_light_flag = 0;
TIM_SetCompare3(TIM4,5000);
TIM_SetCompare4(TIM4,0);
temp=0;
state_flag_temp=21;
state_flag[0]=1; //冷亮
state_flag[1]=0; //暖灭
display_on[5] = 26;
display_on[6] = 25;
}
if(((data[0]=='2'&&data[1]=='2') || (temp == 0x22)) && (warmth_light_flag == 0)) //冷灭暖亮
{
cold_light_flag = 0;
warmth_light_flag = 1;
TIM_SetCompare3(TIM4,0); /
TIM_SetCompare4(TIM4,5000);
temp=0;
state_flag_temp=22;
state_flag[0]=0; //冷灭
state_flag[1]=1; //暖亮
display_on[5] = 27;
display_on[6] = 25;
}
//调节灯光的 1、2、3 档位
if((data[0]=='3'&&data[1]=='1')|| (temp == 0x31)) //1 档
{
if(warmth_light_flag == 1) //调节暖光
{
TIM_SetCompare3(TIM4,0);
TIM_SetCompare4(TIM4,5000);
}
else if(cold_light_flag == 1) //调节冷光
{
TIM_SetCompare3(TIM4,5000);
TIM_SetCompare4(TIM4,0);
}
temp=0;
state_flag_temp=31;
state_flag[2]=1; //一档
display_now[5] = 37;
}
if((data[0]=='3'&&data[1]=='2')|| (temp == 0x32)) //2 档
{
if(warmth_light_flag == 1)
{
TIM_SetCompare3(TIM4,0);
TIM_SetCompare4(TIM4,10000);
}
else if(cold_light_flag == 1)
{
TIM_SetCompare3(TIM4,10000);
TIM_SetCompare4(TIM4,0);
}
temp=0;
state_flag_temp=32;
state_flag[2]=2; //二档
display_now[5] = 38;
}
if((data[0]=='3'&&data[1]=='3')|| (temp == 0x33)) //3 档
{
if(warmth_light_flag == 1)
{
TIM_SetCompare3(TIM4,0);
TIM_SetCompare4(TIM4,20000);
}
else if(cold_light_flag == 1)
{
TIM_SetCompare3(TIM4,20000);
TIM_SetCompare4(TIM4,0);
}
temp=0;
state_flag_temp=33;
state_flag[2]=3; //三档
display_now[5] = 39;
}至此台灯的控制功能已经全部开发完毕，已经实现了 APP 远程控制、语音控制功能。
4.6
、超声波识别坐姿
超声波模块使用的事 HC-SR04，该模块主要是用于把该系统做成台灯时使用，用于检测坐姿规范的，若是开发家里的照明灯，可不加该模块。该模块实现测距的主要原理是：发射装置发射超声波，同时打开定时器，超声波遇到障碍物反弹，被接收装置接受，此时获取定时器的时间，然后根据速度计算距离。其坐姿判断逻辑如下：
HC-SR04
测距低于阈值 → 坐姿不对，距离桌面过近 → 蜂鸣器报警
HC-SR04
测距高于阈值 → 坐姿正确，距离桌面适宜 → 蜂鸣器正常
具体程序见如下
：
float Hcsr04GetLength(void )
{
u32 t = 0;
int i = 0;
float lengthTemp = 0;
float sum = 0;
while(i!=5)
{
TRIG_Send = 1; //发送口高电平输出
Delay_Us(20);
TRIG_Send = 0;
while(ECHO_Reci == 0); //等待接收口高电平输出
OpenTimerForHc(); //打开定时器
i = i + 1;
while(ECHO_Reci == 1);
CloseTimerForHc(); //关闭定时器
t = GetEchoTimer(); //获取时间,分辨率为 1US
lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm
sum = lengthTemp + sum ;
}
lengthTemp = sum/5.0;
return lengthTemp;
}
Hcsr_num++;
if(Hcsr_num == 5)
{
Hcsr_num = 0;
length_C = Hcsr04GetLength(); //测距离
printf("距离为:%.3f\r\n",length_C);
if(length_C < 20)
{
state_flag[3] =1;
BEEP =~ BEEP;
delay_ms(300);
}
else
{
state_flag[3] =0;
BEEP = 0;
}
if(Hcsr_flag != state_flag[3])
{
Hcsr_flag = state_flag[3];
display_all_flag=1;
}
}5.6
、
OLED
屏显示状态
本文第二章也介绍了一个 OLED 模块，以及展示了相关显示图片，这部分实现的原理是，在上方介绍相关控制功能时会更改相应的标志位，然后在主程序中检查该标志位的状态，当标志位发生改变时，修改 OLED 屏幕的显示。
具体程序如下。
switch(Dis_mode)
{
case 0: //在显示控制状态界面
switch(state_flag_temp) //定时显示界面
{
case 11:control_part_display(2,6,display_1,display_on);break; //显示“以为您打开灯”
case 10:control_part_display(2,6,display_1,display_off);break; //显示“以为您关闭灯”
case 21:control_part_display(1,7,display_1,display_on);break; //显示“以为您打开冷灯”
case 22:control_part_display(1,7,display_1,display_on);break; //显示“以为您打开暖灯”
case 31:control_part_display(1,7,display_1,display_now);break; //显示 “当前亮度为一档”
case 32:control_part_display(1,7,display_1,display_now);break; //显示“当前亮度为二档”
case 33:control_part_display(1,7,display_1,display_now);break; //显示“当前亮度为三档”
}
data[0]='0'; //清空控制指令
data[1]='0';
state_flag_temp=0;
if(display_all_flag) //状态整体显示界面
{
display_all_flag=0;
control_all_display(state_flag);
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE); //关闭 TIM2 定时器
}
break;
case 1: //在始终显示界面
RTC_Display(); //显示时钟
break;至此，智能灯光系统的相关功能已全部开发完毕，电路板接上电源后系统开始工作，可使用 APP 控制、语音控制两种方式，实现灯光的开关、一档二档三档的的调节、冷暖光的调节、以及姿势纠正等功能。