基于STM32和Android的智能家居系統設計

朱向慶，鄧浩欣，李嘉寶，朱萬鴻，何昌毅，鐘創平

（嘉應學院電子信息工程學院，廣東梅州514015）

智能家居系統集電子信息、自動控制、計算機、通信技術等于一體，與傳統家居相比，它能從各方面提高人們的生活質量[1-2]。家居核心設備智能化，終端配套技術的不斷成熟和品牌化，物聯網、移動互聯網技術的飛速發展，特別是以人為本的健康電子興起，進一步促進智能家居的發展。在功能設定方面，智能家居從以往簡單的近程安防監控，逐漸過渡到遠程監控與自動控制，并往智能化方向發展[3]。

目前，我國市場上有很多功能各異的智能家居產品，但是不少產品在追求功能強大的同時，造成價格高企，不利于推廣應用。為此，設計一套高性價比，集空氣質量、溫度、氣壓和光強檢測，家居設備自動控制，遠程Android應用程序與手機短消息監控等功能于一體的智能家居系統。

1 系統的硬件結構

本系統硬件結構如圖1所示，它以STM32F407ZGT6微控制器為核心，包含EEPROM存儲器、SRAM存儲器、Flash存儲器、煙霧及可燃氣體（液化氣、甲烷、酒精等）傳感器、有害氣體（氨、硫化物、苯等）傳感器、光敏電阻、PM2.5粉塵傳感器、數字溫度傳感器、氣壓傳感器、Wi-Fi無線模塊、GSM模塊、4.3寸TFT電容觸摸屏、步進電機、直流電機、繼電器、蜂鳴器、LED燈及數碼管等。

STM32F407ZGT6是意法半導體公司（ST公司）推出的一款以ARM Cortex-M4為內核的32位微控制器[4]，擁有 210DMIPS，高達1MB Flash ROM，192kB SRAM，4kB備用RAM，17個TIM（定時器），3個12位ADC，2個12位DAC，以及15個通信接口（3個I2C，4個USART/UART，3個SPI，2個I2S，2個CAN及1個SDIO），多達140個具有中斷功能的I/O端口，可滿足系統要求。

圖1 硬件系統框架

1.1 存儲器的擴展

因為STM32單片機要運行μC/OS-III操作系統，存儲圖片數據，所以必須擴展系統的Flash ROM、RAM等存儲器。通過SPI接口連接華邦（Winbond）公司生產的W25Q128，可擴展16 MB的Flash ROM。

STM32單片機使用FSMC（Flexible Static Memory Controller，可變靜態存儲控制器）I/O口連接SRAM芯片IS62WV51216，該芯片由ISSI公司生產，容量為512 K字。

為了擴展EEPROM，STM32單片機使用I2C總線連接AT24C256。該芯片由Atmel公司生產，容量為32 kB，其特點是可在線電擦寫，掉電后數據不丟失。

1.2 空氣質量的檢測

煙霧及可燃氣體傳感器MQ2和有害氣體檢測模塊MQ135輸出的模擬電壓傳輸至STM32單片機的ADC引腳，單片機將采集到的模擬電壓轉換成數字量，再進行相應處理，達到對煙霧、可燃氣體和有害氣體的檢測。

系統使用兩個Sharp公司生產的GP2Y1051AU型二代傳感器分別檢測室內外PM2.5。PM2.5檢測模塊采用標準的串口通信，其TXD引腳連接STM32的RXD引腳，單片機通過公式轉換，得到相應的室內外PM2.5濃度值。

1.3 光照度、溫度及氣壓的檢測

光敏電阻MG5528與固定電阻的串聯分壓值送到STM32單片機的ADC引腳，單片機根據讀取的ADC值即可計算出周圍環境的光照度，進而采用脈沖寬度調制（PWM），改變PWM輸出的占空比，通過ULN2803自動調節燈光的亮度。

單片機與DS18B20數字溫度傳感器通過單總線（1-Wire）通信，實現對環境溫度的檢測[5]。

同時，單片機通過I2C通信協議與BMP180氣壓溫度模塊進行通信，達到對氣壓和溫度的檢測[6]。

1.4 無線通信接口

為了完成與遠程云服務器、手機的通信，單片機通過串口連接Wi-Fi模塊ESP8266和GSM模塊SIM900A。Wi-Fi模塊內置樂鑫信息科技公司的ESP8266EX芯片[7，8]，它內含一個完整且自成體系的Wi-Fi網絡解決方案，能夠獨立運行，也可作為從機搭載于其他主機運行。

GSM模塊SIM900A用于給遠程手機發送短消息，它是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE（意法愛立信）的單芯片案，使用ARM926EJ-S架構，性能強大，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的收發[9-10]。

1.5 輸入輸出接口

系統使用ALIENTEK公司推出的4.3寸TFT電容觸摸屏實現人機交互，該觸摸屏有FSMC和SPI兩種接口。FSMC總線連接液晶控制器ILI9341，以輸出圖像；SPI總線銜接觸摸屏控制器TCS2046，以達到觸摸輸入數據。

STM32單片機使用I/O口連接2個復合管驅動器ULN2803，它可驅動步進電機、直流電機、繼電器、LED燈和蜂鳴器，電機和繼電器用于開關窗戶、抽風機、空氣凈化器或其他家電設備。

STM32單片機使用I/O口連接7段數碼管譯碼器74LS48，用于驅動共陰數碼管，顯示空調預設溫度。

2 軟件設計與實現

為了移植方便，以及提高開發速度，STM32單片機運行固件由C語言編寫，運行μC/OS-III操作系統，使用Keil uVision5軟件編譯，通過J-LINK Utility軟件將生成的機器碼文件燒錄到單片機。智能手機APP使用Java語言設計，并通過eclipse軟件編譯生成可安裝的APK文件。

2.1 μC/OS-III系統任務設計

μC/OS-III是一個基于ROM運行、可裁剪、搶占式、實時多任務內核，具有高度可移植性，具有μC/OS-II不支持的時間片輪轉法[11-12]，特別適合于32位微處理器和控制器。μC/OS-III系統初始化后，建立圖2所示五個任務。程序開始運行后，初始化外設與各功能模塊，初始化μC/OS-III，然后創建任務1，開啟多任務環境。

2.1.1 任務1程序設計

任務1首先開啟RTC（Real-Time Clock，實時時鐘），初始化emWin圖形庫，接著創建信號量與任務2～5，最后掛起，不再執行。

圖2 μC/OS-III系統各任務流程

2.1.2 任務2程序設計

任務2負責設置和更新emWin顯示，執行完畢后掛起15 ms。emWin圖形界面包括主界面、設置界面、Wi-Fi掃描界面、Wi-Fi連接界面和服務器界面。

主界面顯示家居系統的整體運行狀況，設置界面用于配置各家電工作參數、傳感器報警門限等。

Wi-Fi掃描界面用于發現周圍Wi-Fi，掃描完成進入Wi-Fi連接界面，輸入密碼后可連接至遠程云服務器。

服務器界面用于輸入遠程云服務器的IP地址和端口，修改完成會將設置保存在EEPROM內。

2.1.3 任務3程序設計

任務3負責觸摸屏和數碼管顯示。首先用觸摸屏顯示emWin設置好的界面；接著對數碼管進行動態掃描，并控制其顯示空調設定溫度；最后任務掛起15 ms。

2.1.4 任務4程序設計

任務4負責檢測各傳感器。在程序開始時對ADC、串口等外設進行初始化，進入μC/OS-III系統后，按圖3所示流程，依次對煙霧與可燃氣體濃度、有害氣體濃度、室內外PM2.5濃度、氣壓、光照度及溫度進行檢測。當室內PM2.5、MQ2和MQ135檢測到的數據超標時，啟動蜂鳴器報警。如果檢測結果有異常，再根據其數值控制窗戶、抽風機、空氣凈化器等設備，以改善家居環境；最后任務掛起500 ms。

2.1.5 任務5程序設計

任務5負責與Wi-Fi模塊和GSM模塊交換數據。進入μC/OS-III系統后，若Wi-Fi模塊已正確連接以太網，系統執行圖4所示Wi-Fi信息發送程序，將采集到的數據和當前家居設備的狀態發送至遠程云服務器。當遠程Android應用程序要控制家居時，也通過云服務器轉發數據給Wi-Fi模塊，由其傳輸給單片機。

當出現緊急情況，需要報警時，則依據圖5所示流程，通過GSM模塊發送短消息至用戶手機，及時提醒使用者。STM32單片機都是通過AT命令控制Wi-Fi模塊和GSM模塊，進行數據收發。

圖4 ESP8266遠程信息發送程序流程

圖5 GSM模塊發送報警短消息程序流程

2.2 遠程服務器

遠程監控工作框架如圖6所示，遠程服務器采用騰訊公司的騰訊云云服務器（Cloud Virtual Machine，CVM），它提供可擴展的計算容量，且擁有公網唯一IP，理論上在任何地方只要能連接因特網，即可與其進行通信。通過騰訊云CVM，可以在短時間內快速啟動任意數量的云服務器，即時部署應用程序，并支持使用者自定義的一切資源，如CPU、內存、硬盤、網絡和安全等[13]。騰訊云CVM使用Linux Ubuntu系統，利用Socket和雙進程分別完成對8001和9999端口的監聽，其中8001為智能手機連接端口，9999為家居系統連接端口。

圖6 遠程監控工作框架

2.3 Android APP程序設計

智能手機Android應用程序開發環境包括JDK（Java Development Kit，Java開發工具包）、Android SDK（Software Development Kit，軟件開發包）、Eclipse和 ADT（Android Development Tools）插件。在安裝Android開發環境時，首先須要安裝支持Java程序開發和運行的JDK，還需要有 JRE（Java Runtime Environment，Java運行環境）的支持；Android SDK是Android開發工具包，它提供Android相關的API；Eclipse是IBM公司開發的一種基于Java語言編寫，開放源代碼，可擴展的集成開發工具；ADT是Google專門為Eclipse開發的一個插件，用來輔助開發[14-20]。

打開應用程序后會自動使用Socket連接遠程服務器，監聽遠程服務器發送的信息，解析并顯示于屏幕。圖7（a）為手機上的Android應用程序主界面，用于顯示家居系統整體工作狀態；進入圖7（b）所示設置頁面后，可修改各家居系統工作參數，點擊保存會將所有參數以指令形式發送給云服務器。云服務器進程接收到指令后，將指令發送至管道，另一進程接收管道內容并將數據發送至家居系統，完成數據的交互。

圖7 Android端應用程序

3 實驗結果

研究過程中，采用先模型驗證，后實物制作的方法。圖8為系統硬件模型，它采用KT紙板做外觀材料，電路固定于模型底部，各傳感器和電器露出于模型外，以便觀察。

實驗證明，系統能夠正常檢測并自動調節家居環境溫度、光照度、空氣質量等，使用者可通過智能手機遠程監控家居狀況；有異常時，家居系統也會發送手機短消息以告知使用者。

圖8 系統硬件模型

4 結束語

研究表明，通過糅合現有的傳感檢測技術、自動控制技術等，借助現有的GSM網絡、互聯網和云服務器，結合Wi-Fi短距離無線通信，操作者可通過Android智能手機遠程對家居環境狀況進行實時監控。實驗證明系統性能良好，實時性高，安全可靠，成本低廉，其包含的核心技術經過企業消化后，能直接投入市場，可望產生積極的社會效應和社會效益，推動現代化智能家居的發展。