第20课 语音控制智能家居系统#
20.1 项目介绍#
经过前面一系列的语音控制项目的学习，我们是不是可以通过智能语音模块控制智能家居更多传感器模块呢？当然是可以的。在本项目实验中，通过ESP32主控板控制更多传感器模块，然后通过智能语音模块进行实时语音播报智能家居的温湿度、雨水量等。同时，它还能控制LED灯进行照明，控制SK6812，控制门开与关，控制窗户开与关，控制电机模块和音乐播放等。
20.2 实验组件#
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|---|---|---|---|
ESP32 Plus主板 *1 |
XHT11传感器 *1 |
黄色LED模块 *1 |
SK6812RGB灯模块 *1 |
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无源蜂鸣器 *1 |
130电机模块 *1 |
180度舵机 *2 |
水滴传感器 *1 |
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智能语音模块 *1 |
4P线 *3 |
风扇叶 *1 |
I2C LCD1602模块 * 1 |
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3P线 *5 |
USB线 *1 |
20.3 模块接线图#
⚠️ 特别注意：智能家居已经组装好了，这里不需要把所有的传感器和模块都拆下来又重新组装和接线。由于传感器和模块较多，接线图中的接线复杂会导致传感器和模块的引脚接线看不清，所以使用表格来表示传感器和模块的引脚连接到ESP32主控板上的对应引脚，也是为了方便您编写代码！
传感器模块名称 |
传感器模块引脚 |
ESP32 Plus主板对应的接线 |
|---|---|---|
无源蜂鸣器 |
G/V/S |
G/V/io25 |
黄色LED模块 |
G/V/S |
G/V/io12 |
130电机模块 |
GND/VCC/IN+/IN- |
G/V/io19/io18 |
控制门的舵机1 |
棕色线/红色线/橙色线 |
G/V/io13 |
控制窗的舵机2 |
棕色线/红色线/橙色线 |
G/V/io5 |
XHT11模块 |
G/V/S |
G/V/io17 |
SK6812RGB灯模块 |
G/V/S |
G/V/io26 |
LCD1602显示屏模块 |
GND/VCC/SDA/SCL |
GND/V/SDA/SCL |
水滴传感器模块 |
G/V/S |
G/V/io34 |
智能语音模块 |
G/V/TXD/RXD |
G/V/io16/io27 |
20.4 代码流程图#
20.5 实验代码#
/*
* 文件名 : Voice-Control-Smart-Home
* 功能 : 结合智能语音控制模块和所有传感器模拟语音控制智能家居
* 编译IDE：ARDUINO 2.3.6
* 作者 : https://www.keyesrobot.cn/
*/
// 导入库文件
#include <SoftwareSerial.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <ESP32Servo.h>
#include <dht11.h>
#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#ifdef __AVR__
#include <avr/power.h> // 需要 16 MHz Adafruit Trinket
#endif
// 定义引脚常量
const int LED_PIN = 12; // 定义LED引脚
const int SteamPin = 34; // 定义水滴传感器引脚
const int BuzzerPin = 25; // 定义无源蜂鸣器引脚
const int MotorPin1 = 19; // (IN+)
const int MotorPin2 = 18; // (IN-)
const int DHT11PIN = 17; // 温湿度传感器的引脚
const int RX_PIN = 27; // 引脚 GPIO27 为 RX
const int TX_PIN = 16; // 引脚 GPIO5 为 TX
const int servoPin1 = 5; // 定义窗户上舵机引脚
const int servoPin2 = 13; // 定义门上舵机引脚
const int SK6812RGB_PIN = 26; // NeoPixel数据引脚
const int RGB_COUNT = 4; // 新像素数
Servo windowServo; // 窗户舵机
Servo doorServo; // 门舵机
SoftwareSerial mySerial(RX_PIN, TX_PIN); // 定义软件串口引脚（RX, TX）
Adafruit_NeoPixel strip(RGB_COUNT, SK6812RGB_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // 定义LCD地址和行列
dht11 DHT11; // 初始化dht11
// 舵机角度参数
int windowOpenAngle = 100; // 窗户打开角度
int windowCloseAngle = 0; // 窗户关闭角度
int doorOpenAngle = 180; // 门打开角度
int doorCloseAngle = 0; // 门关闭角度
// 状态变量
bool windowState = false; // 窗户状态：false-关闭, true-打开
bool doorState = false; // 门状态：false-关闭, true-打开
// LED亮度等级
const int LED_OFF = 0;
const int LED_DIM = 50;
const int LED_MEDIUM = 150;
const int LED_BRIGHT = 255;
// 定义变量
volatile int yuyin;
volatile double AnalogValue;
volatile int Value1;
volatile int Temperature;
volatile int Humidity;
// 串口发送消息最大长度
#define UART_SEND_MAX 32
#define UART_MSG_HEAD_LEN 2
#define UART_MSG_FOOT_LEN 2
// 串口发送消息号
#define U_MSG_bozhensgshu 1
#define U_MSG_boxiaoshu 2
#define U_MSG_bobao1 3
#define U_MSG_bobao2 4
#define U_MSG_bobao3 5
#define U_MSG_bobao4 6
#define U_MSG_bobao5 7
#define U_MSG_bobao6 8
#define U_MSG_bobao7 9
#define U_MSG_bobao8 10
#define U_MSG_bobao9 11
#define U_MSG_bobao10 12
#define U_MSG_bobao11 13
#define U_MSG_bobao12 14
#define U_MSG_bobao13 15
#define U_MSG_bobao14 16
#define U_MSG_bobao15 17
#define U_MSG_bobao16 18
#define U_MSG_bobao17 19
#define U_MSG_bobao18 20
// 串口消息参数类型
typedef union {
double d_double;
int d_int;
unsigned char d_ucs[8];
char d_char;
unsigned char d_uchar;
unsigned long d_long;
short d_short;
float d_float;}uart_param_t;
// 串口发送函数实现
void _uart_send_impl(unsigned char* buff, int len) {
// TODO: 调用项目实际的串口发送函数
for(int i=0;i<len;i++){
mySerial.write (*buff++);
}
}
// 串口通信消息尾
const unsigned char g_uart_send_foot[] = {
0x55, 0xaa
};
// 十六位整数转32位整数
void _int16_to_int32(uart_param_t* param) {
if (sizeof(int) >= 4)
return;
unsigned long value = param->d_long;
unsigned long sign = (value >> 15) & 1;
unsigned long v = value;
if (sign)
v = 0xFFFF0000 | value;
uart_param_t p; p.d_long = v;
param->d_ucs[0] = p.d_ucs[0];
param->d_ucs[1] = p.d_ucs[1];
param->d_ucs[2] = p.d_ucs[2];
param->d_ucs[3] = p.d_ucs[3];
}
// 浮点数转双精度
void _float_to_double(uart_param_t* param) {
if (sizeof(int) >= 4)
return;
unsigned long value = param->d_long;
unsigned long sign = value >> 31;
unsigned long M = value & 0x007FFFFF;
unsigned long e = ((value >> 23 ) & 0xFF) - 127 + 1023;
uart_param_t p0, p1;
p1.d_long = ((sign & 1) << 31) | ((e & 0x7FF) << 20) | (M >> 3);
param->d_ucs[0] = p0.d_ucs[0];
param->d_ucs[1] = p0.d_ucs[1];
param->d_ucs[2] = p0.d_ucs[2];
param->d_ucs[3] = p0.d_ucs[3];
param->d_ucs[4] = p1.d_ucs[0];
param->d_ucs[5] = p1.d_ucs[1];
param->d_ucs[6] = p1.d_ucs[2];
param->d_ucs[7] = p1.d_ucs[3];
}
// 串口通信消息头
const unsigned char g_uart_send_head[] = {
0xaa, 0x55
};
// 播报函数1
void _uart_bobao1() {
uart_param_t param;
int i = 0;
unsigned char buff[UART_SEND_MAX] = {0};
for (i = 0; i < UART_MSG_HEAD_LEN; i++) {
buff[i + 0] = g_uart_send_head[i];
}
buff[2] = U_MSG_bobao1;
for (i = 0; i < UART_MSG_FOOT_LEN; i++) {
buff[i + 3] = g_uart_send_foot[i];
}
_uart_send_impl(buff, 5);
}
// 播报函数2
void _uart_bobao2() {
uart_param_t param;
int i = 0;
unsigned char buff[UART_SEND_MAX] = {0};
for (i = 0; i < UART_MSG_HEAD_LEN; i++) {
buff[i + 0] = g_uart_send_head[i];
}
buff[2] = U_MSG_bobao2;
for (i = 0; i < UART_MSG_FOOT_LEN; i++) {
buff[i + 3] = g_uart_send_foot[i];
}
_uart_send_impl(buff, 5);
}
// 播报函数3
void _uart_bobao3() {
uart_param_t param;
int i = 0;
unsigned char buff[UART_SEND_MAX] = {0};
for (i = 0; i < UART_MSG_HEAD_LEN; i++) {
buff[i + 0] = g_uart_send_head[i];
}
buff[2] = U_MSG_bobao3;
for (i = 0; i < UART_MSG_FOOT_LEN; i++) {
buff[i + 3] = g_uart_send_foot[i];
}
_uart_send_impl(buff, 5);
}
// 播报函数4
void _uart_bobao4() {
uart_param_t param;
int i = 0;
unsigned char buff[UART_SEND_MAX] = {0};
for (i = 0; i < UART_MSG_HEAD_LEN; i++) {
buff[i + 0] = g_uart_send_head[i];
}
buff[2] = U_MSG_bobao4;
for (i = 0; i < UART_MSG_FOOT_LEN; i++) {
buff[i + 3] = g_uart_send_foot[i];
}
_uart_send_impl(buff, 5);
}
// 播报整数
void _uart_bozhensgshu(int zhengshu) {
uart_param_t param;
int i = 0;
unsigned char buff[UART_SEND_MAX] = {0};
for (i = 0; i < UART_MSG_HEAD_LEN; i++) {
buff[i + 0] = g_uart_send_head[i];
}
buff[2] = U_MSG_bozhensgshu;
param.d_int = zhengshu;
_int16_to_int32(¶m);
buff[3] = param.d_ucs[0];
buff[4] = param.d_ucs[1];
buff[5] = 0;
buff[6] = 0;
for (i = 0; i < UART_MSG_FOOT_LEN; i++) {
buff[i + 7] = g_uart_send_foot[i];
}
_uart_send_impl(buff, 9);
}
void setup(){
Serial.begin(9600); // 硬件串口（与电脑通信）
mySerial.begin(9600); // 软件串口（与外设通信）
yuyin = 0; // 定义变量yuyin初始值为0
AnalogValue = 0; // 定义变量AnalogValue初始值为0
Value1 = 0; // 定义变量Value1初始值为0
Temperature = 0; // 定义变量Temperature初始值为0
Humidity = 0; // 定义变量Humidity初始值为0
Wire.begin(21,22); // 定义LCD通信引脚
lcd.init(); // 初始化LCD
lcd.backlight(); // 打开LCD背光
lcd.display(); // 打开LCD显示
lcd.clear(); // LCD清屏
pinMode(SteamPin, INPUT); // 设置水滴传感器引脚为输入模式
pinMode(BuzzerPin, OUTPUT); // 设置蜂鸣器引脚为输出模式
pinMode(MotorPin1,OUTPUT); // 设置MotorPin1(IN+)引脚为输出模式
pinMode(MotorPin2,OUTPUT); // 设置MotorPin2(IN-)引脚为输出模式
pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // 设置LED引脚为输出模式
windowServo.attach(servoPin1); // 初始化窗户舵机
doorServo.attach(servoPin2); // 初始化门舵机
windowServo.write(windowCloseAngle); // 初始窗户位置：关闭状态
doorServo.write(doorCloseAngle); // 初始门位置：关闭状态
#if defined(__AVR_ATtiny85__) && (F_CPU == 16000000)
clock_prescale_set(clock_div_1);
#endif
strip.begin(); // 初始化新像素条
strip.show(); // 关闭所有像素
strip.setBrightness(50); // 设置亮度（最大255）
//配置LEDC渠道
ledcAttachChannel(BuzzerPin, 1000, 8, 4);
}
void loop(){
//获取温湿度数据
int chk = DHT11.read(DHT11PIN);
Temperature = DHT11.temperature;
Humidity = DHT11.humidity;
AnalogValue = analogRead(SteamPin); // 获取水滴传感器的模拟值
Value1 = round((AnalogValue / 4096.0) * 100); //将传感器模拟值通过计算转化成百分数赋于变量Value1
lcd.setCursor(1, 0);
lcd.print("Voice Control");
// 在LCD对应位置显示湿度相关信息
lcd.setCursor(3, 1);
lcd.print("Smart Home");
if (mySerial.available() > 0) { // 接收语音控制模块的外设数据(命令参数)
yuyin = mySerial.read(); // 将接收到的外设数据(命令参数)进行赋值
Serial.println(yuyin); // 串口打印收到的外设数据(命令参数)
if (yuyin == 1) { // 接收到的外设数据(命令参数)为1, 打开LED,灯的亮度为150
analogWrite(LED_PIN, LED_MEDIUM);
}
if (yuyin == 2) { // 接收到的数据为2,关闭灯
analogWrite(LED_PIN, LED_OFF);
}
if (yuyin == 3) { // 接收到的数据为3,灯的亮度为最亮
analogWrite(LED_PIN, LED_BRIGHT);
}
if (yuyin == 4) { // 接收到的数据为4,灯的亮度为暗
analogWrite(LED_PIN, LED_DIM);
}
if (yuyin == 5) { // 接收到的外设数据(命令参数)为5, 打开风扇, 风速为100
analogWrite(MotorPin1, 100);
analogWrite(MotorPin2, 0);
}
if (yuyin == 7) { // 接收到的外设数据(命令参数)为7, 风大一点, 风速为200
analogWrite(MotorPin1, 200);
analogWrite(MotorPin2, 0);
}
if (yuyin == 8) { // 接收到的外设数据(命令参数)为8, 风小一点, 风速为100
analogWrite(MotorPin1, 100);
analogWrite(MotorPin2, 0);
}
if (yuyin == 6) { // 接收到的外设数据(命令参数)为6, 关闭风扇
analogWrite(MotorPin1, 0);
analogWrite(MotorPin2, 0);
}
if (yuyin == 11) { // 接收到的外设数据(命令参数)为11, 播放音乐
ledcWriteTone(BuzzerPin, 262);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 294);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 330);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 349);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 392);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 440);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 494);
delay(200);
ledcWriteTone(BuzzerPin, 0);
delay(200);
}
if (yuyin == 12) { // 接收到的外设数据(命令参数)为12, 关闭音乐
ledcWriteTone(BuzzerPin, 0);
}
if (yuyin == 13) { // 接收到的数据为13,SK6812RGB打开红灯
colorWipe(strip.Color(255, 0, 0), 50);
}
if (yuyin == 14) { // 接收到的数据为14,关闭红灯
colorWipe(strip.Color(0, 0, 0), 50);
}
if (yuyin == 15) { // 接收到的数据为15,打开绿灯
colorWipe(strip.Color(0, 255, 0), 50);
}
if (yuyin == 16) { // 接收到的数据为16,关闭绿灯
colorWipe(strip.Color(0, 0, 0), 50);
}
if (yuyin == 17) { // 接收到的数据为17,打开蓝灯
colorWipe(strip.Color(0, 0, 255), 50);
}
if (yuyin == 18) { // 接收到的数据为18,关闭蓝灯
colorWipe(strip.Color(0, 0, 0), 50);
}
if (yuyin == 36) { // 接收到的数据为36,打开彩灯,彩虹增强型追逐型
theaterChaseRainbow(50);
}
if (yuyin == 37) { // 接收到的数据为37,关闭彩灯
colorWipe(strip.Color(0, 0, 0), 50);
}
if (yuyin == 57) {
openWindow();
}
if (yuyin == 58) {
closeWindow();
}
if (yuyin == 59) {
openDoor();
}
if (yuyin == 60) {
closeDoor();
}
if (yuyin == 47) { // 进行判断，接收到的外设数据(命令参数)为47，检测温度并且进行语音播报
yuyin = 0;
delay(2000);
_uart_bobao1();
delay(2000);
_uart_bozhensgshu(Temperature);
delay(2000);
_uart_bobao2();
delay(2000);
}
if (yuyin == 48) { // 进行判断，接收到的外设数据(命令参数)为48，检测湿度并且进行语音播报
yuyin = 0;
delay(2000);
_uart_bobao4();
delay(2000);
_uart_bozhensgshu(Humidity);
delay(2000);
}
if (yuyin == 49) { // 进行判断，接收到的数据(命令参数) 为49，检测雨水量的百分数值并且进行语音播报
yuyin = 0;
delay(3000);
_uart_bobao3();
delay(3000);
_uart_bozhensgshu(Value1);
delay(2000);
}
}
ledcWriteTone(BuzzerPin, 0);
}
// 打开窗户
void openWindow() {
if (!windowState) {
windowServo.write(windowOpenAngle);
windowState = true;
Serial.println("窗户已打开");
} else {
Serial.println("窗户已经是打开状态");
}
}
// 关闭窗户
void closeWindow() {
if (windowState) {
windowServo.write(windowCloseAngle);
windowState = false;
Serial.println("窗户已关闭");
} else {
Serial.println("窗户已经是关闭状态");
}
}
// 打开门
void openDoor() {
if (!doorState) {
doorServo.write(doorOpenAngle);
doorState = true;
Serial.println("门已打开");
} else {
Serial.println("门已经是打开状态");
}
}
// 关闭门
void closeDoor() {
if (doorState) {
doorServo.write(doorCloseAngle);
doorState = false;
Serial.println("门已关闭");
} else {
Serial.println("门已经是关闭状态");
}
}
// 用一种颜色填充灯带
void colorWipe(uint32_t color, int wait) {
for(int i=0; i<strip.numPixels(); i++) {
strip.setPixelColor(i, color); // 设置像素颜色
strip.show(); // 更新灯带
delay(wait); // 暂停
}
}
// 彩虹增强剧院帐篷。在帧之间传递延迟时间（毫秒）。
void theaterChaseRainbow(int wait) {
int firstPixelHue = 0; // 第一个像素以红色开始（色调0）
for(int a=0; a<30; a++) { // 重复30次...
for(int b=0; b<3; b++) { // ‘b’从0到2...
strip.clear(); // 将RAM中的所有像素设置为0（关闭）
// “c”从“b”开始计数，以3为增量到条带的末尾…
for(int c=b; c<strip.numPixels(); c += 3) {
// 像素‘c’的色调被偏移一定的量，
// 使色轮沿着条带的长度（strip. numpixels（）步骤）完整旋转一次（范围65536）：
int hue = firstPixelHue + c * 65536L / strip.numPixels();
uint32_t color = strip.gamma32(strip.ColorHSV(hue)); // hue -> RGB
strip.setPixelColor(c, color); // 设置像素c的值为color
}
strip.show(); // 用新内容更新条带
delay(wait); // 暂停一会儿
firstPixelHue += 65536 / 90; // 一个周期的色轮超过90帧
}
}
}
20.6 实验结果#
按照接线图接好线，外接电源，选择好正确的开发板板型（ESP32 Dev Module）和 适当的串口端口（COMxx），然后单击按钮
上传代码。上传代码成功。LCD1602模块显示屏显示“Voice Controll Smart Home”。
对着智能语音模块上的麦克风，使用唤醒词 “你好，小智” 或 “小智小智” 来唤醒智能语音模块，同时喇叭播放回复语 “有什么可以帮到您”；
智能语音模块唤醒后，对着麦克风说：“打开台灯” 或 “请开灯” 或 “开灯” 或 “打开灯” 或 “我回来了” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您打开照明”，同时LED点亮；
对着麦克风说：“调亮一点” 或 “亮一点” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “灯光已调亮”，同时LED变亮；
对着麦克风说：“调暗一点” 或 “暗一点” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “灯光已调暗”，同时LED变暗；
对着麦克风说：“关闭台灯” 或 “请关灯” 或 “关灯” 或 “睡觉了” 或 “关上灯” 或 “我出去了”等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭照明”，同时LED熄灭；
对着麦克风说：“打开风扇” 或 “请开风扇” 或 “开风扇” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您打开风扇”，同时风扇转动；
对着麦克风说：“风大一点” 或 “大一点” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “风速已增加”，同时风扇转速加快；
对着麦克风说 “风小一点” 或 “小一点” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “风速已减弱”，同时风扇转速减慢；
对着麦克风说：“关闭风扇” 或 “请关风扇” 或 “关风扇” 或 “关上风扇” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭风扇”，同时风扇不转；
对着麦克风说 “播放音乐” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您播放音乐”，同时蜂鸣器播放音乐；
对着麦克风说：“关闭音乐” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭音乐”，同时蜂鸣器不响；
对着麦克风说：“打开红灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您打开红灯”，同时SK6812灯亮红色灯；
对着麦克风说：“关闭红灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭红灯”，同时SK6812灯熄灭；
对着麦克风说：“打开蓝灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您打开蓝灯”，同时SK6812灯亮蓝色灯；
对着麦克风说：“关闭蓝灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭蓝灯”，同时SK6812灯熄灭；
对着麦克风说：“打开绿灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您打开绿灯”，同时SK6812灯亮绿色灯；
对着麦克风说：“关闭绿灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭绿灯”，同时SK6812灯熄灭；
对着麦克风说：“打开彩灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您打开彩灯”，同时SK6812灯亮彩色灯；
对着麦克风说：“关闭彩灯” 等命令词时，喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭彩灯”，同时SK6812灯熄灭；
对着麦克风说：“开窗” 或 “打开窗户”等命令词时，串口打印命令参数 “57”，同时喇叭播放对应的回复语 “已为您打开窗户”；
对着麦克风说：“关窗” 或 “关闭窗户” 等命令词时，串口打印命令参数 “58”，同时喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭窗户”；
对着麦克风说：“开门” 或 “打开门”等命令词时，串口打印命令参数 “59”，同时喇叭播放对应的回复语 “已为您打开门”；
对着麦克风说：“关门” 或 “关闭门” 等命令词时，串口打印命令参数 “60”，同时喇叭播放对应的回复语 “已为您关闭门”；
对着麦克风说：“当前雨水量是多少” 或 “当前雨量多少” 等命令词时，接着语音播报 “正在为您读取当前雨水量” + “当前雨水量为百分之” + “水滴传感器模拟值通过计算转化成的雨水量百分数值”；
对着麦克风说：“当前温度是多少” 或 “当前温度多少” 等命令词时，接着语音播报 “正在为您读取温度” + “当前温度为” + “XHT11温湿度传感器检测到的温度值” + “度”；
对着麦克风说：“当前湿度是多少” 或 “当前湿度多少” 等命令词时，接着语音播报 “正在为您读取湿度” + “当前湿度为百分之” + “XHT11温湿度传感器检测到的湿度值”。
