物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與微控制器在智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹士明 宋吉峰

（吉林建筑科技學(xué)院 吉林省長(zhǎng)春市 130000）

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)是信息科學(xué)技術(shù)的新浪潮，國(guó)內(nèi)外企業(yè)、政府重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建，其包含傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)等，具有較廣的應(yīng)用范圍，涉及工業(yè)檢測(cè)，智能交通、溯源管理、城市管理、門(mén)禁管理等多個(gè)方面。在家具使用過(guò)程中，目前海爾推出物聯(lián)網(wǎng)智能家居uhom 戰(zhàn)略，能夠借助ZigBee 協(xié)議使家用電器與海爾家電進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，目前研究針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通信和控制開(kāi)關(guān)研究較少。因此，本研究重點(diǎn)分析了基于智能家居中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及微控制器的具體應(yīng)用，以期能夠?yàn)榛谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，智能家居設(shè)備研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 基于ARM及LabVIEW控制器的智能家居控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

該系統(tǒng)是由上位機(jī)、下位機(jī)這兩個(gè)部分共同構(gòu)成的。上位機(jī)的顯示程序可通過(guò)LabVIEW 進(jìn)行編寫(xiě)，下位機(jī)是由液晶顯示電路、外設(shè)外圍設(shè)備、ARM 最小系統(tǒng)構(gòu)成，其中主控芯片是STM32F107，通過(guò)RS-232 串口進(jìn)行外圍設(shè)備的預(yù)警控制，為確保控制準(zhǔn)確度，在每次狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，外圍設(shè)備均需要向ARM 返回改變后的狀態(tài)，并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示。

從該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上來(lái)看：

（1）微控制器的選型。在本系統(tǒng)中使用的處理器為STM32系列產(chǎn)品，該處理器為32 位處理器，是基于ARMV7 所構(gòu)架的Cortex-M3 內(nèi)核，其主頻為72MHz，含有256 字節(jié)FLASH 和64K字節(jié)SRAM，同時(shí)具有32 位寬路徑，寄存器庫(kù)和內(nèi)存接口，包含通用寄存器13 個(gè)，堆棧指針兩個(gè)，鏈接寄存器一個(gè)，程序計(jì)數(shù)器一個(gè)，其具有較快的運(yùn)行處理速度，代碼產(chǎn)生量較少。這種嵌入式快速中斷控制器，能夠幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)延遲操作和實(shí)時(shí)性功能。

（2）在TFT 液晶屏選型中，TFT 是指薄膜液晶管能夠主動(dòng)控制屏幕的獨(dú)立像素。圖像產(chǎn)生原理是，顯示屏由較多可發(fā)出任意顏色光線像素構(gòu)成，控制各像素顯示顏色即可實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中可使用TFTLCD 屏，其分辨率為320×240，262K 色，采用控制器ILI9320 包含720 路源極驅(qū)動(dòng)以及320 路柵極驅(qū)動(dòng)，顯存容量可達(dá)到172800 字節(jié)。在ST M 32F107 處理器與LIL9320 控制模塊中，其接口是i80-sys tem 接口，數(shù)據(jù)總線為DB，其余信號(hào)為控制信號(hào)。由于該控制器芯片無(wú)法支持FSMC，因此該系統(tǒng)需要通過(guò)GPIO 總線，以實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕訪問(wèn)操作。

（3）設(shè)計(jì)串口模塊，本系統(tǒng)需使用有ARM 所自帶的串行通訊模塊，由于ST M32F107 芯片具有豐富的串口功能，可提供五路串口，本系統(tǒng)使用兩個(gè)串口，其中一個(gè)可用于上位機(jī)命令接收，另一個(gè)用于外圍設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。本系統(tǒng)串口接口為9 個(gè)引腳的 RS-232 接口，由于ST M 32F107 處理器所輸出的電平為T(mén)TL/COMS，而PC 串口是RS-232 電平，因此，在硬件設(shè)計(jì)上使用MAX232 轉(zhuǎn)換芯片，以實(shí)現(xiàn)雙向電壓切換。

在軟件設(shè)計(jì)中，由于該智能家居控制系統(tǒng)，包含上位機(jī)、下位機(jī)這兩個(gè)部分軟件，其中利用LabVIEW 來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，主要負(fù)責(zé)命令發(fā)送。而下位機(jī)是由STM23 底層驅(qū)動(dòng)程序，液晶屏顯示程序和串口通訊程序構(gòu)成的。在上位機(jī)設(shè)計(jì)中，LabVIEW 是使用圖標(biāo)來(lái)代替文本構(gòu)建的圖形編輯語(yǔ)言，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)LabVIEW 所提供的VISA 控件，其串口為CONI 口，波特率可達(dá)到9600b/s，能夠通過(guò)事件結(jié)構(gòu)及時(shí)做出用戶(hù)界面響應(yīng)。每次按下顯示界面的按鍵后，則會(huì)形成一個(gè)事件，事件能夠?qū)ν鈬O(shè)備運(yùn)行控制。在下位機(jī)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)初始化之后，顯示屏?xí)@示歡迎使用的界面，其內(nèi)容包括系統(tǒng)名字以及系統(tǒng)使用的注意事項(xiàng)等，ARM 在接收上位機(jī)傳送的信號(hào)之后，會(huì)將相應(yīng)的信號(hào)按照協(xié)議打包發(fā)送給外圍設(shè)備，外圍設(shè)備將變化狀態(tài)按照通信協(xié)議返回給ARM，ARM 提取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)顯示。

利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，選擇實(shí)驗(yàn)終端配置4 個(gè)繼電器控制板，摁下上位機(jī)的顯示界面按鍵之后，對(duì)應(yīng)繼電器會(huì)及時(shí)作出響應(yīng)，如果打開(kāi)繼電器，那么上位機(jī)的顯示界面會(huì)有對(duì)應(yīng)的指示燈亮，如果關(guān)閉繼電器，會(huì)有對(duì)應(yīng)的上位機(jī)指示燈熄滅，正常條件下，液晶屏?xí)@示歡迎使用的界面，包含系統(tǒng)名字和注意事項(xiàng)。一旦系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在故障，那么液晶顯示屏?xí)苯语@示ERROR，并且ARM 會(huì)及時(shí)發(fā)出蜂鳴報(bào)警信號(hào)，如果該報(bào)警器響起，則測(cè)試可達(dá)到預(yù)期效果。

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖2：燈光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)燈光控制應(yīng)用

目前在智能家居中，燈具控制方式相對(duì)單一，缺乏智能化控制，因此，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了家居燈光智能控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的智能化控制，采用單片機(jī)STC12C5A60S2 作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠結(jié)合GSM 模塊、藍(lán)牙、紅外等模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的無(wú)線控制。在設(shè)備中還安裝了時(shí)鐘芯片，DS 12C887 能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)控制，通過(guò)共同作用，在時(shí)間上及時(shí)提醒用戶(hù)。首先，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，包括 GSM 接收模塊、藍(lán)牙接收模塊、繼電器、定時(shí)設(shè)置模塊，電壓模塊等，能夠通過(guò)GSM 接收模塊，藍(lán)牙模塊向單片機(jī)傳送信號(hào)，同時(shí)由液晶顯示屏顯示時(shí)間，通過(guò)傳感器進(jìn)行用戶(hù)時(shí)間提醒，在多種模塊配合下能夠進(jìn)行燈光無(wú)線控制。如圖2 所示為燈光的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

從其原理上來(lái)看，該燈光控制系統(tǒng)是以單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控制芯片，同時(shí)，時(shí)鐘芯片、DS124887 配合同時(shí)，采用多站P2338DP 作為藍(lán)牙智能模塊以及單片機(jī)窗口橋梁，由單片機(jī)來(lái)接受指令，此時(shí)系統(tǒng)增加芯片組，經(jīng)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，配合繼電器完成對(duì)應(yīng)功能，串聯(lián)二極管IN4007 進(jìn)行電壓檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)燈光亮度調(diào)節(jié)。具體來(lái)看：

（1） GS 模塊單片機(jī)與藍(lán)牙模塊連接，藍(lán)牙與GSM 模塊采用窗口方式實(shí)現(xiàn)單片機(jī)通信研究，STC12C5A60S2 單片機(jī)能夠提供一個(gè)串口，利用多串口擴(kuò)展器SP2338DP，可解決藍(lán)牙GS 模塊無(wú)法與大面積串口連接問(wèn)題，在無(wú)線控制系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊具有重要作用，可通過(guò)V2.0 協(xié)議，借助HC-07 從模塊引出接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)串口進(jìn)行連接。GSM 模塊能夠通過(guò)RS-232 接口，進(jìn)而與外圍設(shè)備連接，通過(guò)單電源電平轉(zhuǎn)換芯片處理之后，可將該信號(hào)傳送給多串口擴(kuò)展芯片。

（2）手機(jī)APP 和短信發(fā)送端設(shè)計(jì)。在藍(lán)牙發(fā)送指令前需安裝Arduino 程序，將該APP 與藍(lán)牙連接，根據(jù)藍(lán)牙顯示，如果燈閃爍則表示未成功連接，如果指示燈常亮則表示已完成連接，并打開(kāi)端口，在用戶(hù)連接時(shí)手機(jī)會(huì)自動(dòng)彈出匹配窗口，用戶(hù)需要輸入密碼后即可實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的連接，再次連接手機(jī)可自動(dòng)匹配。在手機(jī)中輸入on、off、y5 等相關(guān)字符，會(huì)實(shí)現(xiàn)燈光狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制。單片機(jī)在接在接收到數(shù)據(jù)后，將原有數(shù)據(jù)及時(shí)傳送給軟件，并在顯示屏中進(jìn)行顯示確認(rèn)是否進(jìn)行指令發(fā)送，如果藍(lán)牙模塊預(yù)約手機(jī)發(fā)送端。之間的距離超出信號(hào)接收范圍，需通過(guò)短信方式發(fā)送指令，到達(dá)GSM 接收模塊完成操作。

（3）設(shè)計(jì)紅外控制模塊，可通過(guò)芯片紅外遙控控制實(shí)現(xiàn)與燈光連接，采用PT2272 解碼芯片僅能夠用于接收端指令接收，設(shè)備可保持對(duì)應(yīng)電平，進(jìn)而接受不同指令使電平發(fā)生變化，按下遙控端的4 個(gè)按鈕中其中任何一個(gè)，這種情況下系統(tǒng)能夠控制燈光顯示狀態(tài)，上述A，B，C，D，4 個(gè)符號(hào)中分別對(duì)應(yīng)燈光打開(kāi)，強(qiáng)光弱，光以及燈光關(guān)閉4 種狀態(tài)。

（4）設(shè)計(jì)定時(shí)控制模塊，物聯(lián)網(wǎng)燈光控制系統(tǒng)使用時(shí)中心面鏡設(shè)計(jì)，其型號(hào)為DS1241887，該芯片能夠顯示日期，時(shí)間和信息的那個(gè)信息，通過(guò)芯片采集信息進(jìn)行系統(tǒng)定時(shí)控制同時(shí)該模塊還有4 個(gè)按鍵，利用S1，S2，S3，S4 能夠設(shè)定定時(shí)控制系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)達(dá)到提醒狀態(tài)時(shí)可由系統(tǒng)其自動(dòng)向p2.3 輸出低電平，經(jīng)放大電路后可使揚(yáng)聲器動(dòng)作并向用戶(hù)發(fā)出提醒，同時(shí)向P2.6 輸出低電平，通過(guò)放大電路可驅(qū)動(dòng)B 顯示燈操作。這種情況下燈光能夠與蜂鳴器同時(shí)處于動(dòng)作，如需關(guān)閉揚(yáng)聲器，可通過(guò)APP 自動(dòng)字符發(fā)送或通過(guò)S5 按鍵來(lái)操作。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能燈光控制系統(tǒng)，根據(jù)其功能系統(tǒng)軟件分為以下4 個(gè)模塊：

（1）系統(tǒng)初始化，包括藍(lán)牙，GSM 模塊以及電視機(jī)初始化，數(shù)據(jù)初始化等。

（2）通過(guò)短信進(jìn)行指令發(fā)送，可通過(guò)手機(jī)短信編輯等多種方式將指令發(fā)送于GSM 接收端中，通過(guò)該模塊中的RS232 串口可提取接收指令，并將其傳送給單片機(jī)完成操作。

（3）藍(lán)牙接收指令模塊，通過(guò)藍(lán)牙接收的指令，經(jīng)過(guò)TXD 或RXD 模塊進(jìn)而傳送給串口芯片，最終由單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，如果單片機(jī)接受指令之后，通過(guò)程序判斷后續(xù)繼電器的動(dòng)作，選擇SP2338DP 中TXD 或RXD 完成串口接收，將所接收新指令傳送給APP。

（4）定時(shí)控制模塊，包括設(shè)計(jì)掃描和終端控制，此時(shí)如果摁下按鍵會(huì)設(shè)置提醒時(shí)間，設(shè)置完成后自動(dòng)退出屏幕，目前一旦到達(dá)預(yù)期的顯示時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)繼電器照明功能。

智能家居系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其能夠借助多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備訪問(wèn)單片機(jī)，進(jìn)而對(duì)家中的門(mén)禁系統(tǒng)以及家用電器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，該智能系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的，彼此之間可進(jìn)行信息交換和采集，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程問(wèn)題解決，用戶(hù)可通過(guò)電腦或手機(jī)APP 即可遠(yuǎn)程遙控。對(duì)智能家居發(fā)出指令之后，可對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制。通常智能家居系統(tǒng)控制分為三個(gè)方式，第一可通過(guò)WEB 服務(wù)器控制按鈕控制家庭電器；第二用戶(hù)可在家中通過(guò)觸摸屏點(diǎn)擊控制；第三通過(guò)手機(jī)進(jìn)行控制，比如短信、電子郵件等。上述三種方式均可通過(guò)遠(yuǎn)程或者直接控制。電路控制需要借助傳感器，該模塊功能的實(shí)現(xiàn)需要利用電壓編寫(xiě)電路程序，對(duì)ADC 部分程序進(jìn)行監(jiān)測(cè)。確保輸出電壓可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍，一旦ADC 電壓存在問(wèn)題會(huì)及時(shí)發(fā)出蜂鳴報(bào)警，確保住宅安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，本研究基于AR M 微控制器和labVIEW 進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，處理器是下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送指令，以實(shí)現(xiàn)家電、窗簾、照明、電話等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。過(guò)去智能家居控制系統(tǒng)功能要求較低，大多采用8 位微控制器作為核心，隨新技術(shù)發(fā)展，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用32 位ARM 處理器，同時(shí)搭配LabVIEW 進(jìn)行上位機(jī)程序的編寫(xiě)，能夠提高智能家具性能，在控制方式上由過(guò)去的定時(shí)控制轉(zhuǎn)為實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，在任務(wù)執(zhí)行上由單任務(wù)創(chuàng)新改變?yōu)槎嗳蝿?wù)創(chuàng)新，最后在終端中能夠?qū)崿F(xiàn)可視化，操作完成界面較好，功能豐富，操作簡(jiǎn)單的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。