智能家居控制系統功能模塊分析

劉鑫玙 羅 通 王籃儀

（三亞學院，海南 三亞572022）

隨著經濟的發展，人們對生活質量的追求越來越高，在人們快節奏工作和學習的同時，迫切希望在家中有一個靈活自如，能為人們提供方便的生活環境。目前人們的家居生活中大多還是使用鑰匙作為防盜工具，然而還是無法完全保證家居的安全，而且當今市場上有各種各樣的家用電器，人們生活中使用了大量家用電器，但是這些家用電器需要由人們自己控制，雖然部分產品有定時功能，但是產品功能還是有限且不靈活。 隨著移動終端即手機的不斷普及，擴展其應用將具有廣泛的配備基礎和市場前景，因此使用現有的通信線路來控制家庭中的設備或電器已成為未來的家居智能化的發展趨勢。使用手機進行遠程控制不需要特殊的布線，不占用無線電頻率資源，不受距離和環境的影響，能夠實現跨省、市甚至國家的進行手機遠程控制。所以設計一種從門禁安全到家電使用安全的家居安全控制系統，必然給人們的生活帶來諸多方便，而這種利用射頻模塊以及手機進行對家居安全的遠程監控的系統可以稱為：智能家居。

1 系統模塊分析

系統以單片機STM32 為核心處理單元，使用GSM模塊通過信息的傳輸與接收的方式對家電安全進行控制，使用RFID 射頻模塊進行門禁系統控制，只有擁有射頻卡的人才可以刷卡入內，且使用RFID 射頻模塊對家電開關進行控制，在這些設計的基礎上增加功能使用紅外傳感器對門禁系統安全加一道安全防護系統，使家居安全得到更大的保障。

1.1 STM32 單元

STM32 單片機是以ARM Cortex M 處理器內核為基礎的32 位閃存微控制器，為微控制單元用戶提供了一個全新的自由開發空間，并提供了各種軟硬件輔助工具，使用戶能輕易上手。STM32 單片機不僅融合了實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓等一些對用戶有實質性效果的高效性能，而且也保持了高集成度和開發簡易的特點，甚至在基于國際工業標準的條件下擁有最強大的產品支持，外加有大量的軟硬件開發輔助工具供用戶選擇，讓STM32 單片機逐漸成為各類項目和平臺完美解決方案的最佳選擇。STM32 單片機擁有相當廣泛的產品線，分別包含了以ARM Cortex -M0、M0+、M3、M4 及M7 內核為基礎并具備非常豐富輔助工具的多種32 位單片機。以目前市場數據來看，STM32 單片機提供的9 大產品線分別為F0、F1、F2、F3、F4、F7、H7、L0、L1 和L4 系列產品線，更擁有超過700 個型號以供不同用戶的選擇，這些單片機外帶豐富多樣和功能靈活的輔助工具，并實現了全產品系列上的引腳兼容，為廣大單片機使用人員提供了更多的選擇性以及其創造力自由度釋放的相關幫助。STM32 單片機是一系列的產品，為ARMARM微控制器產品，就當前而言，可以將該系列進一步劃分為幾個子系列，具體如下：（1）小容量產品，這類產品具有的閃存存儲器容量是比較小的，范圍為16284～32768 個字節；（2）中容量產品，對應存儲容量范圍為65536～131072 個字節；（3） 小 容 量產品，具有262144～524288 個字節范圍內的存儲容量；（4）以及還有互聯型產品。

1.2 GSM模塊

GSM 是Global System for Mobile Communications 的 縮 寫，意為環球移動通訊系統，是世界上重要的蜂窩系統之一。移動通信是實現通信終端的目標的有效手段，并且移動通信在商業市場中的巨大潛力也日益得到認可。其發展主要為以下四個階段：（1）第一階段是從20 年代到40 年代，這個階段為移動通信發展的早期階段；（2）從40 年代中期到60 年代初期，公共移動通信技術得到了顯著發展，相關行業迅速成長；（3）第三階段，從60 年代中期到70 年代中期，西方研究人員開始了開發手機系統和移動通信之路；（4）第四階段是從20 世紀至今，70 年代中期至80 年代中期第一代蜂窩移動設備出現，到20 世紀末，2G網絡通信技術已經相對完善，市場也得到了廣泛的應用，人們深刻感受到網絡技術變革帶來的便捷，相關技術的研發也變得更加快速，自2000 年左右開始，在對3G 移動通信和2.5G 產品GPRS 系統的過渡進行了廣泛探討后，3G 走到了通信階段的最前沿。2013 年6 月韓國電信運營商SK 全球率先推出了LTE-A網絡，宣告4G 商用網絡正式進入移動通信市場。GSM模塊仍然在廣泛的工業應用中使用，由于工作年限和環境要求，GSM模塊可以在各行各業中看到，隨著GSM的網絡建設的完善，GSM模塊的應用范圍也越來越廣。例如，在車載監視領域，可以將GSM模塊配置到汽車的GPS 控制系統，從而獲得了工業應用，并為民生提供了便利，受到廣泛地歡迎；在測繪行業中，已經安裝了許多遠程地圖站點的GSM模塊，實現實時監控，無需人工收集數據；還可以把GSM模塊配置到供水系統、電力控制系統等，從而能夠遠程獲取表儀的讀數，減少了勞動力，提高了工作效率[2]，實時監控用戶的電量和用水量；在家中，可以安裝無線報警系統，一旦火災發生或盜竊，可以立即通知業主和報警；在國外，許多老年兒童隨身攜帶個人追蹤裝置，以防止老人和兒童發生不幸或意外，也包括GSM模塊。目前，GSM系統是基于時分多址接入技術的移動通信系統中應用最廣泛的系統。

1.3 RFID 射頻模塊

RFID 技術的基本工作原理是標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。非接觸式識別是射頻系統中最是優點的地方，冰、雪、霧、涂料或者是條形碼沒有用的情況下射頻識別系統都能穿透這些障礙來進行閱讀，而且閱讀的速度十分的快，很多情況下用不到100 秒的時間就能夠完成閱讀[1]。不僅如此因為RFID 承載的是電子信息，所有的內容數據都能設密碼保護使內容不會輕易的被偽造作假。無線射頻識別技術采用非接觸的自動識別技術來進行身份確認。在過去幾十年間RFID 技術在理論和應用領域都取得了巨大的進步。目前射頻技術在交通，學校等民用領域有著廣泛的應用。交通領域典型代表就是公交卡，地鐵卡的使用。

1.4 紅外模塊

一般的紅外系統通常由兩大模塊構成：一是發射模塊，二是接收模塊。其中人們往往選擇紅外發光二極管發射紅外線，需要注意一點，此裝置并非一般的發光二極管，相反它極具特別性，因此在對其兩端施予電壓時，向外發出的光并不是可見光，而是紅外線[3]。紅外遙控不會輕易收到外界物理條件的影響，而且光傳播速度快，控制靈敏，發出不同頻率的紅外線就可以傳輸不同的信號。紅外線傳感器包括光學系統、檢測元件和轉換電路。光學系統按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。紅外模塊的測量是依據于其物理性，紅外線也叫紅外光，其具有反射、折射、散射以及干涉和吸收等特征。只要物質具有一定的溫度（高于絕對零度），任何物質都可以發射紅外輻射。紅外傳感器在測量過程中不會直接與被測物體接觸，因此沒有摩擦，并且具有高靈敏度和快速響應的優點。

2 結論

設計借助于GSM網絡通信技術和單片機的控制功能，這個項目的設計順利地實現了使用單片機STM32 和GSM通信兩大模塊相結合、GSM進行通信傳輸控制家電、RFID 射頻識別進行門禁安全控制的設計功能。GSM模塊和控制電路集成在同一電路板，從而節省了成本，而且提高了系統通信的穩定性，不僅可用于住宅，也可用于倉庫、工廠、花卉大棚和其他地方的遠程控制，具有操作簡單，成本低的優點，并且適用范圍廣、安全可靠，具有廣泛的應用前景。