基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧 娜

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 商丘 476100)

隨著國民生活水平的逐步提升以及科技的發(fā)展，人們對(duì)于家居生活質(zhì)量的要求越來越高；隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展、智能產(chǎn)品的普及，人們對(duì)家居智能化的需求也越來越強(qiáng)烈.智能家居成為目前乃至未來家居發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì).目前，市面上有各種智能家居方案，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，性能也優(yōu)劣不一，而且價(jià)格比較高.為此，本文設(shè)計(jì)了一種性價(jià)比高、實(shí)用性比較強(qiáng)的智能家居控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用STM32作為主控芯片，外部接各種子模塊，主要包括電源控制模塊、溫度傳感器模塊、光檢測(cè)模塊、氣體檢測(cè)模塊、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊、Wi-Fi無線通信模塊等[1].本系統(tǒng)中，用戶通過無線網(wǎng)絡(luò)將需求發(fā)送給主控芯片，主控芯片通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)收集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，從而獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).各傳感器模塊把收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒羞M(jìn)行處理，接著把處理完成后的數(shù)據(jù)傳送到用戶手里，用戶就可以對(duì)自己家庭生活環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和改進(jìn)[2].系統(tǒng)功能圖，如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)功能圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選擇

本系統(tǒng)選用STM32F103ZET6單片機(jī)為主控芯片，該單片機(jī)具有成本低、功耗低、性能穩(wěn)定、速度快等特點(diǎn)，特別適用于本系統(tǒng)[3].STM32F103ZET6單片機(jī)采用3.3 V供電、上電復(fù)位、具有144引腳、32位處理器、最高72 MHz工作頻率、多達(dá)8個(gè)定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器、512 KB SRAM存儲(chǔ)器等，一共7組I/O接口，每組有16個(gè)，總共112個(gè)I/O接口.在112個(gè)I/O接口中除了模擬量端口外，其余都為5 V信號(hào)輸入口.STM32F103ZET6單片機(jī)的大部分引腳還能復(fù)用為外設(shè)功能引腳(如串口)，共有8種輸入/輸出模式、13個(gè)通信口，其最小系統(tǒng)圖，如圖2所示.

圖2 最小系統(tǒng)圖

2.2 電源模塊

由于主控芯片采用3.3 V電源供電，為了給其提供穩(wěn)定的電源，需要把5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V.本系統(tǒng)所采用的AMS1117-3.3電源穩(wěn)壓芯片，可以把5 V電壓轉(zhuǎn)化為主控芯片需要的3.3 V電壓，為其提供穩(wěn)定電源[4].此外，AMS1117-3.3電源穩(wěn)壓芯片還有限流以及過熱保護(hù)功能，并能夠提供多種輸出電壓，其電路圖，如圖3所示.

圖3 電源設(shè)計(jì)

2.3 ZigBee模塊

ZigBee作為一種距離短、功耗低、效率高的無線通信技術(shù)，在近距離無線通信中得到了廣泛的應(yīng)用.ZigBee相比藍(lán)牙和紅外通信，有更多的優(yōu)點(diǎn).它復(fù)雜程度低，成本低，功耗低，傳輸距離相對(duì)遠(yuǎn)，能夠自組網(wǎng).ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)還能夠和另外的網(wǎng)絡(luò)相連接，并且安全性很高.本系統(tǒng)選擇CC2530芯片作為組網(wǎng)模塊.CC2530芯片的CPU為增強(qiáng)型8051，其包含很多功能單元，并且自身具有射頻收發(fā)感知電路，抗干擾能力強(qiáng)[5].CC2530芯片有多種運(yùn)行模式，能使其滿足超低功耗系統(tǒng)的要求.

在本系統(tǒng)中，主控系統(tǒng)與各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的，其運(yùn)用ZigBee能夠自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)路由的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，將家庭各種終端節(jié)點(diǎn)以無線的方式互聯(lián)起來，達(dá)到家居智能控制的目的.各種傳感器的數(shù)據(jù)及各種家用電器的開關(guān)狀態(tài)都是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與主控系統(tǒng)之間通過串口進(jìn)行傳輸.以太網(wǎng)與室內(nèi)ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接通過ZigBee網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)[6].CC2530電路圖，如圖4所示.

圖4 CC2530電路圖

2.4 WiFi模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的部分無線連接采用Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn).從價(jià)格和穩(wěn)定性等方面考慮，最終選擇ESP8266-12F作為本系統(tǒng)的Wi-Fi模塊[7].ESP8266-12F模塊集成了32位Tensilica處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、功率放大器、低噪放大器、電源管理等模塊，功能強(qiáng)大.單核CPU時(shí)鐘頻率高達(dá)160 MHz，具有很好的覆蓋范圍.ESP8266-12F模塊有三種睡眠模式，睡眠電流小于20 μA，具有功耗低、成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其最小系統(tǒng)圖，如圖5所示.

圖5 ESP8266-12F最小系統(tǒng)

2.5 溫度檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)選用溫度傳感器DS18B20對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè).DS18B20是數(shù)字傳感器，支持“一線總線”接口，只需要一條線就可以與微處理器實(shí)現(xiàn)雙向通信，其具有體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、接線方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)[8]. DS18B20測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，誤差為±0.5℃，完全符合本系統(tǒng)要求.溫度傳感器DS18B20可以對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).DS18B20監(jiān)測(cè)到溫度數(shù)據(jù)之后，把數(shù)據(jù)傳送給主控芯片，主控芯片做出判斷，給出相應(yīng)操作.其電路圖，如圖6所示：

圖6 溫度監(jiān)測(cè)電路圖

2.6 光檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用光照傳感器BH1750FVI對(duì)室內(nèi)光照情況進(jìn)行監(jiān)測(cè). BH1750FVI是一種16位的、數(shù)字輸出型的、用于兩線式串行總線接口的環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路，其具有光源依賴性弱、誤差小、功耗低、受紅外影響小、分辨率高、支持光照強(qiáng)度變化范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[9].BH1750FVI傳感器檢測(cè)到家中的光照情況后，把數(shù)據(jù)傳送給主控芯片，主控芯片馬上會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果做出判斷，其結(jié)構(gòu)框圖和電路圖，如圖7、圖8所示.

圖7 BH1750FVI結(jié)構(gòu)框圖

圖8 光監(jiān)測(cè)模塊電路圖

從圖7可知，PD(光敏二極管)感應(yīng)到光線以后，就由集成運(yùn)算放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過邏輯電路與IC界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ).OSC為振蕩器提供內(nèi)部邏輯時(shí)鐘，可讀出內(nèi)部存儲(chǔ)的光照數(shù)據(jù).

2.7 氣體檢測(cè)模塊

氣體檢測(cè)模塊主要針對(duì)家用氣體進(jìn)行檢測(cè)，所以選用MQ-5傳感器作為氣體檢測(cè)模塊.MQ-5氣體傳感器可以檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，尤其對(duì)天然氣、液化氣檢測(cè)效果好，對(duì)可燃?xì)怏w有很高的靈敏度，可兼顧檢測(cè)丙烷、丁烷和甲烷等氣體.MQ-5傳感器壽命長(zhǎng)、成本低，驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，是一款特別適合本系統(tǒng)的氣體傳感器.當(dāng)MQ-5傳感器檢測(cè)值達(dá)到某一臨界值時(shí)，就會(huì)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送信息給主控芯片，主控芯片再反饋到無線終端，發(fā)布警報(bào).其電路圖，如圖9所示.

圖9 氣體監(jiān)測(cè)模塊電路圖

2.8 家用電器控制模塊設(shè)計(jì)

家用電器的控制采用繼電器模塊，利用繼電器的通斷控制家用電器的通電和斷電，比如電燈、空調(diào)、電視、電飯煲等電器的通電和斷電.由于單片機(jī)無法直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此需要給其連接兩個(gè)復(fù)合管驅(qū)動(dòng)器ULN2803，這樣就可以驅(qū)動(dòng)繼電器、電機(jī)等，從而可以控制家用電器的通電和斷電.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)軟件的選取

主控制器STM32F103ZET6采用的開發(fā)環(huán)境為軟件工程師常用的Keil μVision5，其兼容單片機(jī)C語言開發(fā)系統(tǒng)，有非常豐富的庫函數(shù)，操作比較簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，界面友好，清晰直觀，是一款非常好用的集成開發(fā)調(diào)試工具.

由于國內(nèi)Android手機(jī)市場(chǎng)占有率高達(dá)到86%.Android系統(tǒng)的擴(kuò)展性比較好，成本也較低，故本設(shè)計(jì)就以Android系統(tǒng)手機(jī)作為開發(fā)和測(cè)試平臺(tái)，釆用的集成開發(fā)工具為Eclipse.安裝Eclipse之前，需要先安裝JDK.Eclipse自身核心很小，其他功能均以插件形式附加到核心上，并且具有很好的跨平臺(tái)性，得到很廣泛的應(yīng)用.

3.2 功能的實(shí)現(xiàn)

主控制器與手機(jī)設(shè)備通過Wi-Fi連接，與各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接.家庭內(nèi)部的各種傳感器會(huì)把實(shí)時(shí)的一些結(jié)果通過ZigBee傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再與主控制器以串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器，之后，這些數(shù)據(jù)會(huì)被傳送到無線終端.當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)候，或者有數(shù)據(jù)超標(biāo)的時(shí)候，無線終端里的相應(yīng)部分會(huì)及時(shí)收到更新的信息，并且會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果判斷是否發(fā)出警報(bào)，無線終端也可以發(fā)出指令，通過繼電器部分控制家用電器的通電和斷電.

4 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓阶非蟾咂焚|(zhì)的生活，而伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，這種愿望變得可實(shí)現(xiàn)起來.智能家居是未來發(fā)展的一個(gè)方向，可以為人們提供更優(yōu)質(zhì)的生活享受，更舒適的生活環(huán)境.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)以STM32為核心的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要集成了ZigBee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)，并且利用單片機(jī)和Android平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)主控制器、智能無線終端、傳感器等的互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)智能終端控制家電，并能對(duì)家中溫濕度、有害氣體等進(jìn)行監(jiān)測(cè)等功能.本系統(tǒng)成本低，穩(wěn)定性好，但不足之處是其只設(shè)計(jì)了一些基礎(chǔ)功能，不能滿足所有用戶的需求，隨著未來智能家居飛速發(fā)展，其功能還有待增強(qiáng).