智能家居系統(tǒng)開發(fā)

徐瑞雪 李慧敏 程紅艷

摘要：近年來，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，使我們進(jìn)入到了一個信息化的時代。隨著科技的發(fā)展，信息化和網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得越廣泛。人們對于生活質(zhì)量的要求越來越高，智能家居大力興起。針對改善人們生活環(huán)境和生活質(zhì)量的目的，本設(shè)計(jì)采用基于STM32F103Z8T6微處理器，CWS11經(jīng)濟(jì)型溫濕度變送器，AS608光學(xué)指紋傳感器，MQ-2煙霧傳感器，光敏電阻加軟件控制的方法，通過軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和顯示，同時將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)實(shí)時掌握環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);傳感器;智能家居;環(huán)境監(jiān)測

引言

隨著人們生活水平的提高，在物質(zhì)生活越來越豐富的今天，大家對生存環(huán)境給予了越來越密切的關(guān)注，同時也越來越注意家居安全，使用密碼鎖，監(jiān)控?cái)z像頭等設(shè)備?！爸悄芗揖印保⊿mart Home），又稱智能住宅，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。系統(tǒng)以住宅為平臺，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成連接到一起，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

1.總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)包括密碼解鎖區(qū)，環(huán)境檢測區(qū)，報(bào)警區(qū)三部分。

密碼解鎖包括兩種方式，一種是通過按鍵輸入系統(tǒng)設(shè)置的特定密碼來解鎖，解鎖成功會帶動電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈達(dá)到開鎖的目的;一種是使用AS608指紋模塊，運(yùn)用指紋庫內(nèi)的指紋解鎖，如有管理員權(quán)限可刪除和錄入指紋，指紋識別成功可帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈達(dá)到解鎖的目的。

環(huán)境監(jiān)測包括以下幾個方面：室內(nèi)溫濕度檢測，室內(nèi)光照強(qiáng)度檢測，以及煙霧檢測。運(yùn)用CWS11經(jīng)濟(jì)型溫濕度變送器來達(dá)到對室內(nèi)溫濕度信息的檢測;運(yùn)用MQ-2煙霧傳感器來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)煙霧濃度的檢測;運(yùn)用光敏電阻來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)光照強(qiáng)度的檢測;并將環(huán)境中所檢測到的所有環(huán)境信息顯示到OLED屏上。

報(bào)警區(qū)：當(dāng)時檢測到室內(nèi)煙霧濃度，光照強(qiáng)度，室內(nèi)溫濕度超過設(shè)定值時，蜂鳴器報(bào)警同時GSM短信報(bào)警。

上述的三個職能分區(qū)，三者既可相互聯(lián)系又可獨(dú)自工作。這樣的設(shè)計(jì)可以更好的做到模塊化和系統(tǒng)化的分工，為使用者提供了干凈整潔的使用環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）處理器選型

本產(chǎn)品處理器選擇的型號為意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32F103Z8T6，該處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz。同時它還具有高達(dá)64KB的Flash， 20KB的RAM。此芯片還具有豐富的通用I/O端口，外設(shè)資源豐富，能完全滿足產(chǎn)品的功能需要。在整體上，其性能相對于其他產(chǎn)品較為優(yōu)越。

（2）指紋解鎖模塊的選取

該產(chǎn)品選取ATK-AS608指紋模塊，此指紋模塊是ALENTEK推出的一塊高性能的光學(xué)指紋識別模塊。模塊只需3.3V的電源供電，內(nèi)置指紋探測電路，用戶讀取狀態(tài)引腳（WAK）判斷有無手指按下。芯片內(nèi)置DSP運(yùn)算單元，集成了指紋識別算法，能高效快速采集圖像并識別指紋特征。模塊配備了串口、USB通訊接口，用戶無需研究復(fù)雜的圖像處理和指紋識別算法，只需要通過簡單的串口，USB按照通訊協(xié)議便可以控制模塊。

（3）溫濕度檢測模塊的選取

該產(chǎn)品選用CWS11經(jīng)濟(jì)型溫濕度變送器，可用于各種室內(nèi)環(huán)境溫濕度檢測，遵守Modebus協(xié)議中的子集中RTU方式，RS485半雙工工作模式。溫度量程為-40℃～100℃，濕度量程為0～100%RH，溫度誤差為±1℃，濕度誤差為±5%RH。具有長期穩(wěn)定性好，全量程溫度補(bǔ)償，低漂移，響應(yīng)速度快，使用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（4）煙霧傳感器的選取

選用MQ-2煙霧傳感器尺寸為32mm*22mm*27mm，工作電壓為5V，屬于N型半導(dǎo)體氣敏元件。這種半導(dǎo)體元件在溫度為200-300℃左右時，器皿材料就會吸附氧顆粒，造成氧離子的含量下降，就使得器件的電阻值增大。具有雙路信號輸出包括模擬量輸出以及TTL電平輸出，TTL輸出有效信號為低電平，濃度越高電壓越高。對液化氣、天然氣、城市煤氣具有良好的靈敏度，具有長期的使命壽命和可靠的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路一旦確定，系統(tǒng)的主要功能需要通過軟件編寫程序來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)以STM32F103Z8T6為主控;用keil編譯器，該編譯軟件可以為用戶提供豐富及方便使用的庫函數(shù);使用C語言編寫，將不同模塊的程序分開編寫，并對子函數(shù)進(jìn)行封裝，方便維護(hù)與調(diào)用。下面對主程序與各個模塊程序進(jìn)行分析。

（1）主程序。當(dāng)智能家居系統(tǒng)開始運(yùn)行時，各個模塊先進(jìn)行初始化，然后監(jiān)測GSM模塊是否已經(jīng)接入系統(tǒng)中，確認(rèn)GSM模塊正確接入系統(tǒng)后，系統(tǒng)就可以開始工作了。GSM模塊可以根據(jù)收到的短信來對外設(shè)發(fā)出相對應(yīng)的指令，來對外設(shè)進(jìn)行控制。

（2）指紋解鎖模塊。本設(shè)計(jì)使用ATK-AS608指紋模塊，通過串口與主控進(jìn)行通信就可以使用了。ATK-AS608獲取的信息都是以二進(jìn)制形式呈現(xiàn)的，并將數(shù)據(jù)存入FLASH芯片里面。當(dāng)要進(jìn)行指紋解鎖的時候，指紋模塊會先采集指紋，然后與FLASH芯片里面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷是否存在相同的指紋信息，來決定是否開鎖。

（3）操作指紋模塊的方法是通過串口通訊。主控通過串口給指紋模塊發(fā)送指令，等待指紋模塊傳回?cái)?shù)據(jù)，主控在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后判斷命令有沒有執(zhí)行。用到的指令有錄入圖像（PS_GetImage）、生成特征（PS_GenChar）、搜索指紋（PS_Search）、自動驗(yàn)證指紋（PS_Identify）、自動注冊模板（PS_Enroll）、刪除指紋（PS_DeletChar）。

（4）溫濕度檢測模塊。溫濕度檢測模塊中一次完整數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。檢測的具體過程主控發(fā)送一次開始信號后，溫濕度檢測模塊等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可讀取數(shù)據(jù)。

（5）煙霧檢測模塊。為了得到準(zhǔn)確的煙霧濃度值，我們選擇使用模擬量輸出，通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化通道將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏，并在主控與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較判斷是否發(fā)出警報(bào)和發(fā)短信。

報(bào)警模塊。報(bào)警模塊其實(shí)是就是檢測值與系統(tǒng)設(shè)定值比較并根據(jù)結(jié)果而做出不同動作的一個過程。

4總結(jié)

本文闡述的基于STM32智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可幫助人們在日常生活中時刻檢測環(huán)境情況，不斷提高生活質(zhì)量。該智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在技術(shù)方面比較成熟，通過軟硬件聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)的功能如：溫濕度數(shù)據(jù)的采集與顯示、煙霧濃度顯示、GSM短信報(bào)警等功能。這些功能在一定程度上提高了家庭居住舒適度，幫助家庭成員了解家庭住宿環(huán)境信息，讓使用者能提早注意到家庭安全隱患。同時使用智能家具的熱潮將不斷促使智能家居在更多的家庭中普及。智能家居的普及將使智能家居系統(tǒng)領(lǐng)域不斷更新?lián)Q代，研究水平也將不斷提高。這對于智能家居系統(tǒng)領(lǐng)域來說，其發(fā)展?jié)摿Σ豢尚∮U。

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河南科技大學(xué) 471023