J.A.R.V.I.S. - 基于 Arduino 101 的智能家居语音助手系统

核心硬件清单

辅助工具与软件平台

• 电烙铁、热熔胶枪
• Arduino IDE - 编程 Arduino 101
• Android Studio (Java/XML) - 开发手机 App
• Firebase Realtime Database - 云端数据同步
• Unity + Vuforia SDK - 开发 AR 增强现实控制界面
• Adobe Illustrator - 设计 AR 识别图像

系统架构与工作流程

整体信号流向

1. 语音输入 → Android App (Google 语音识别 API)
2. 自然语言处理 → App 本地 / 云端 (CNN 深度学习模型)
3. 加密指令 → 蓝牙 (HC-05) → Arduino 101
4. 指令解析执行 → 控制继电器通断
5. 状态反馈 → 蓝牙 → App 语音播报 / 界面更新

引脚分配

核心功能模块

1. 无线电能监测与短信查询

利用 LDR 监测电能表红色脉冲指示灯，LM358 整形后接入 D8 中断引脚计数。每个脉冲代表固定电量（如 5Wh）。用户发送短信 "#units*" 到 GSM 模块号码，系统回复当前用电度数与费用估算。

2. AI 语音虚拟助手

• 唤醒词："Listen Up JARVIS"
• 支持指令：开/关灯、风扇、咖啡机，查询用电，再见(全关)
• Android App 使用 Google Speech-to-Text + 自训练 CNN 进行意图识别
• 指令经加密通过蓝牙发送至 Arduino 执行

3. AR 增强现实控制

• Unity + Vuforia 开发，识别预设图像目标(贴在设备上)
• 手机摄像头对准设备，屏幕叠加虚拟按钮
• 点击虚拟按钮 → 蓝牙指令 → 继电器动作
• 需两台手机：一台运行主 App，一台运行 AR App

电能表改装步骤

1. 将 LDR 贴在电能表红色脉冲 LED 上方，用黑色胶带遮光防干扰
2. LDR 串联电阻组成分压电路，输出接 LM358N 比较器
3. 比较器输出数字脉冲接 Arduino D8 (中断脚)
4. 相线经继电器控制负载，零线直通
5. GSM 模块 TX/RX 与 Arduino 硬件串口交叉连接

关键代码片段

Arduino 主程序 - 电能计数与短信回复

#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(7,6,5,4,3,2);

#define PULSE_PIN 8
volatile unsigned int pulse_count = 0;
float units = 0;
unsigned int rupees = 0;
char sms_buffer[70];
byte sms_idx = 0, sms_ready = 0;

void setup() {
  lcd.begin(16,2);
  Serial.begin(9600);
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(PULSE_PIN, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(PULSE_PIN), countPulse, FALLING);
  gsm_init();
  lcd.print("System Ready");
}

void loop() {
  units = rupees / 5.0;
  lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Units:"); lcd.print(units);
  lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Cost:"); lcd.print(rupees);
  checkSerial();  // 处理短信指令
}

void countPulse() {
  pulse_count++;
  rupees = pulse_count * 5;  // 假设 1 脉冲 = 5 单位费用
}

void checkSerial() {
  while (Serial.available()) {
    if (Serial.find("#")) {
      sms_idx = 0;
      while (Serial.available()) {
        char c = Serial.read();
        sms_buffer[sms_idx++] = c;
        if (c == '*') { sms_ready = 1; break; }
      }
    }
  }
  if (sms_ready && strncmp(sms_buffer, "units", 5) == 0) {
    sendSMS("Units: " + String(units) + "\nCost: " + String(rupees));
    sms_ready = 0;
  }
}
// GSM 初始化、发送短信函数省略...

蓝牙指令控制继电器

#define CH_FAN 6
#define CH_LIGHT 4
#define CH_COFFEE 5
#define CH_EXTRA 7

void setup() {
  Serial.begin(9600);  // 蓝牙通信波特率
  pinMode(CH_FAN, OUTPUT); pinMode(CH_LIGHT, OUTPUT);
  pinMode(CH_COFFEE, OUTPUT); pinMode(CH_EXTRA, OUTPUT);
  digitalWrite(CH_FAN, HIGH); digitalWrite(CH_LIGHT, HIGH);
  digitalWrite(CH_COFFEE, HIGH); digitalWrite(CH_EXTRA, HIGH); // 低电平触发
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    char cmd = Serial.read();
    switch (cmd) {
      case 'c': digitalWrite(CH_LIGHT, LOW); break;   // 灯开
      case 'e': digitalWrite(CH_LIGHT, HIGH); break;  // 灯关
      case 'd': digitalWrite(CH_FAN, LOW); break;     // 风扇开
      case 'f': digitalWrite(CH_FAN, HIGH); break;    // 风扇关
      case 'k': digitalWrite(CH_COFFEE, LOW); break;  // 咖啡机开
      case 'g': digitalWrite(CH_COFFEE, HIGH); break; // 咖啡机关
      case 'z': allOff(); break;                      // 全关
    }
  }
}

void allOff() {
  digitalWrite(CH_FAN, HIGH); digitalWrite(CH_LIGHT, HIGH);
  digitalWrite(CH_COFFEE, HIGH); digitalWrite(CH_EXTRA, HIGH);
  // 告别闪烁动画...
}

Android App 与 AR App

• 主 App (app-release.apk)：语音助手、实时用电显示、设备开关控制、Firebase 云同步
• AR App (jarvisaugmented.apk)：Vuforia 识别设备贴纸，叠加虚拟按钮控制
• 两 App 需安装在不同手机上，通过蓝牙连接同一 Arduino

电路原理图

完整原理图包含：ATX 电源改装(12V 供继电器/电机, 5V 供逻辑)、继电器驱动(L293D)、LCD1602(I2C)、按键分压、LDR 计数电路、GSM/蓝牙串口。详见项目附件原理图。

项目亮点与不足

亮点

• 多模态交互：语音 + 触控 + AR + 短信
• 硬件加密通信(蓝牙配对 + 应用层加密)
• 电能脉冲计数非侵入式改装，安全合规
• 模块化代码结构，易于扩展新设备

待改进

• Arduino 101 已停产，建议迁移至 ESP32 (WiFi/BLE 双模、性能更强、成本更低)
• CNN 语音识别模型需部署到手机端，模型更新不便，建议改用云端 ASR + NLP
• AR 识别依赖特定图像目标，鲁棒性受光照/角度影响大
• 代码中大量硬编码延时，建议改用非阻塞状态机