智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

摘 要 本設(shè)計(jì)通過(guò)結(jié)合了ARM和ZigBee兩大技術(shù)，搭建了一個(gè)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居中的溫度、濕度、煙霧濃度的監(jiān)控。硬件方面，采用了STM32采集數(shù)據(jù)，ZigBee模塊傳輸信息，ARM9作為處理器進(jìn)行統(tǒng)一處理信息。軟件方面，利用Qt編寫(xiě)上位機(jī)程序。然后移植到ARM，平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了ARM板對(duì)家居的監(jiān)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】STM32 智能家居 ZigBee 監(jiān)測(cè)

1 引言

隨著人們生活需求的提高，家居智能化控制已成為一種必然趨勢(shì)。本系統(tǒng)在研究了嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用ARM9微處理器芯片設(shè)計(jì)為核心，實(shí)現(xiàn)大面積的多點(diǎn)溫度、濕度以及煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，最終實(shí)現(xiàn)了家居室內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 智能家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以STM32嵌入式控制芯片為主，外接各種控制模塊電路，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器以及光照傳感器對(duì)室內(nèi)狀況進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)有異常狀況發(fā)生時(shí)，嵌入式控制器立即做出相應(yīng)的處理并發(fā)出報(bào)警。并通過(guò)ZigBee發(fā)送給ARM端的上位機(jī)中，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶直觀的查看室內(nèi)狀態(tài)。外圍電路則由光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器模塊組成，與嵌入式器件相連接，實(shí)現(xiàn)了控制芯片的通信。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)：

3.1 光強(qiáng)檢測(cè)模塊

通過(guò)光敏二極管電路接收裝置來(lái)檢測(cè)光照強(qiáng)度，將光值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供單片機(jī)處理判斷關(guān)照條件，決定是否自動(dòng)開(kāi)啟燈光。

3.2 煙霧濃度采集模塊

通過(guò)驅(qū)動(dòng)MQ_2傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等敏感氣體的檢測(cè)，及時(shí)傳輸給單片機(jī)后進(jìn)行條件判斷，環(huán)境煙霧濃度值是否超過(guò)閥值。

3.3 溫度數(shù)據(jù)采集模塊

使用靈敏度系數(shù)比較高的DS18B20芯片。該芯片檢測(cè)靈敏度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜，因此很適合用于本系統(tǒng)。

3.4 濕度采集模塊

溫濕度采集使用DHT11傳感器，該傳感器可以同時(shí)輸出溫度和濕度，只需按照規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行讀寫(xiě)即可。

3.5 LED電路的設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)通過(guò)模擬LED實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭照明燈的控制，所有的燈均是共陽(yáng)，控制時(shí)只需要給對(duì)應(yīng)控制管腳低電平即可實(shí)現(xiàn)。

3.6 ZigBee通信接口電路

ZigBee通信接口為串口，因此只需留出對(duì)應(yīng)的串口接口即可，系統(tǒng)使用串口2作為通信接口。

3.7 控制部分功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中硬件控制部分主控芯片選擇STM32F103C8T6。該芯片具有64KB的SRAM和32位地址數(shù)據(jù)線，其性能和傳統(tǒng)的8位51單片機(jī)相比提高了數(shù)倍，因此足以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)控制部分功能。輔助電路的設(shè)計(jì)：復(fù)位電路、振蕩電路、按鍵電路及初始位置定位設(shè)計(jì)，還有額外添加的串口輸出模塊，方便調(diào)試和維護(hù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件方面，利用Qt編寫(xiě)上位機(jī)程序。然后移植到ARM平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了ARM板對(duì)家居的監(jiān)測(cè)。軟件設(shè)計(jì)總體上分為STM32數(shù)據(jù)采集、ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、嵌入式平臺(tái)的搭建以及基于Qt技術(shù)的系統(tǒng)主控軟件的設(shè)計(jì)。上位機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前家居內(nèi)的溫濕度、煙霧濃度以及LED燈的狀態(tài)燈信息，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制LED燈的狀態(tài)。下位機(jī)STM32單片機(jī)中移植了一款嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，所以的傳感器都是以獨(dú)立任務(wù)的形式在運(yùn)行，使得整個(gè)程序比較流暢、效率比較高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了調(diào)高。

5 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳遞的是信息叫ZigBee消息，一個(gè)ZigBee消息由127個(gè)字節(jié)組成， 在本智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的ZigBee協(xié)議幀格式為MsG格式。通信協(xié)議作為一個(gè)比較重要的部分，它完成了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的封裝和解析依據(jù)。本系統(tǒng)中通信協(xié)議使用自定義的，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)體的定義如下：

typedef struct Protocol{

u8 send_begin； //起始標(biāo)志 以“#”開(kāi)始

u8 potocol_len； //信息長(zhǎng)度 可變長(zhǎng)

u8 device； //設(shè)備名

u8 device_cmd； //設(shè)備命令

u8 date_len； //數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 沒(méi)有為0

u8 *date； //數(shù)據(jù) 沒(méi)有指向空

u8 send_end； //結(jié)束標(biāo)志 以“*”結(jié)束

}protocol；

不僅在上位機(jī)和下位機(jī)通信過(guò)程中始終保持著同一份協(xié)議，數(shù)據(jù)的發(fā)送和解析都是嚴(yán)格按照此協(xié)議進(jìn)行的。

6 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建以及軟件的開(kāi)發(fā)完畢后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，以驗(yàn)證整個(gè)智能家居系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。在硬件連接測(cè)試，可以點(diǎn)擊上位機(jī)中的LED燈開(kāi)關(guān)，發(fā)送開(kāi)燈或者關(guān)燈命令，查看下位機(jī)STM32板上所連接的LED燈狀態(tài)是否改變，若改變了則證明整個(gè)硬件連接正確。此外測(cè)試系統(tǒng)是否死機(jī)的一個(gè)辦法是用手擋住光敏傳感器，若此時(shí)旁邊的LED燈亮，說(shuō)明系統(tǒng)正常運(yùn)行。通過(guò)測(cè)試最終實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)功能要求。

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作者簡(jiǎn)介

劉云萍（1980-），女，山西省太原市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為太原工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系講師。主要從事數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

作者單位

太原工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系 山西省太原市 030008