物聯網技術與微控制器在智能家居控制系統設計

曹士明 宋吉峰

（吉林建筑科技學院 吉林省長春市 130000）

1 物聯網技術應用

近年來互聯網是信息科學技術的新浪潮，國內外企業、政府重視物聯網技術構建，其包含傳感器技術，計算機和通信技術等，具有較廣的應用范圍，涉及工業檢測，智能交通、溯源管理、城市管理、門禁管理等多個方面。在家具使用過程中，目前海爾推出物聯網智能家居uhom 戰略，能夠借助ZigBee 協議使家用電器與海爾家電進行網絡連接，目前研究針對物聯網技術通信和控制開關研究較少。因此，本研究重點分析了基于智能家居中物聯網技術以及微控制器的具體應用，以期能夠為基于物聯網技術，智能家居設備研發奠定基礎。

2 基于ARM及LabVIEW控制器的智能家居控制系統方案設計

如圖1 所示為系統的總體結構設計圖。

該系統是由上位機、下位機這兩個部分共同構成的。上位機的顯示程序可通過LabVIEW 進行編寫，下位機是由液晶顯示電路、外設外圍設備、ARM 最小系統構成，其中主控芯片是STM32F107，通過RS-232 串口進行外圍設備的預警控制，為確保控制準確度，在每次狀態參數發生變化時，外圍設備均需要向ARM 返回改變后的狀態，并通過上位機進行顯示。

從該系統的硬件設計上來看：

（1）微控制器的選型。在本系統中使用的處理器為STM32系列產品，該處理器為32 位處理器，是基于ARMV7 所構架的Cortex-M3 內核，其主頻為72MHz，含有256 字節FLASH 和64K字節SRAM，同時具有32 位寬路徑，寄存器庫和內存接口，包含通用寄存器13 個，堆棧指針兩個，鏈接寄存器一個，程序計數器一個，其具有較快的運行處理速度，代碼產生量較少。這種嵌入式快速中斷控制器，能夠幫助系統實現延遲操作和實時性功能。

（2）在TFT 液晶屏選型中，TFT 是指薄膜液晶管能夠主動控制屏幕的獨立像素。圖像產生原理是，顯示屏由較多可發出任意顏色光線像素構成，控制各像素顯示顏色即可實現。在本系統中可使用TFTLCD 屏，其分辨率為320×240，262K 色，采用控制器ILI9320 包含720 路源極驅動以及320 路柵極驅動，顯存容量可達到172800 字節。在ST M 32F107 處理器與LIL9320 控制模塊中，其接口是i80-sys tem 接口，數據總線為DB，其余信號為控制信號。由于該控制器芯片無法支持FSMC，因此該系統需要通過GPIO 總線，以實現對屏幕訪問操作。

（3）設計串口模塊，本系統需使用有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，本系統使用兩個串口，其中一個可用于上位機命令接收，另一個用于外圍設備的實時控制。本系統串口接口為9 個引腳的 RS-232 接口，由于ST M 32F107 處理器所輸出的電平為TTL/COMS，而PC 串口是RS-232 電平，因此，在硬件設計上使用MAX232 轉換芯片，以實現雙向電壓切換。

在軟件設計中，由于該智能家居控制系統，包含上位機、下位機這兩個部分軟件，其中利用LabVIEW 來編寫上位機軟件，可實現人機交互，主要負責命令發送。而下位機是由STM23 底層驅動程序，液晶屏顯示程序和串口通訊程序構成的。在上位機設計中，LabVIEW 是使用圖標來代替文本構建的圖形編輯語言，在本系統設計中通過LabVIEW 所提供的VISA 控件，其串口為CONI 口，波特率可達到9600b/s，能夠通過事件結構及時做出用戶界面響應。每次按下顯示界面的按鍵后，則會形成一個事件，事件能夠對外圍設備運行控制。在下位機設計中，系統初始化之后，顯示屏會顯示歡迎使用的界面，其內容包括系統名字以及系統使用的注意事項等，ARM 在接收上位機傳送的信號之后，會將相應的信號按照協議打包發送給外圍設備，外圍設備將變化狀態按照通信協議返回給ARM，ARM 提取數據，并將數據傳送給上位機顯示。

利用該系統進行實時遠程控制，選擇實驗終端配置4 個繼電器控制板，摁下上位機的顯示界面按鍵之后，對應繼電器會及時作出響應，如果打開繼電器，那么上位機的顯示界面會有對應的指示燈亮，如果關閉繼電器，會有對應的上位機指示燈熄滅，正常條件下，液晶屏會顯示歡迎使用的界面，包含系統名字和注意事項。一旦系統運行時存在故障，那么液晶顯示屏會直接顯示ERROR，并且ARM 會及時發出蜂鳴報警信號，如果該報警器響起，則測試可達到預期效果。

圖1：系統總體設計圖

圖2：燈光控制系統結構示意圖

3 基于物聯網技術燈光控制應用

目前在智能家居中，燈具控制方式相對單一，缺乏智能化控制，因此，本研究基于物聯網技術提出了家居燈光智能控制系統，以實現對燈光的智能化控制，采用單片機STC12C5A60S2 作為設計平臺，能夠結合GSM 模塊、藍牙、紅外等模塊，以實現對燈光的無線控制。在設備中還安裝了時鐘芯片，DS 12C887 能夠實現定時控制，通過共同作用，在時間上及時提醒用戶。首先，在系統設計上有以下幾個部分構成，包括 GSM 接收模塊、藍牙接收模塊、繼電器、定時設置模塊，電壓模塊等，能夠通過GSM 接收模塊，藍牙模塊向單片機傳送信號，同時由液晶顯示屏顯示時間，通過傳感器進行用戶時間提醒，在多種模塊配合下能夠進行燈光無線控制。如圖2 所示為燈光的控制系統結構示意圖。

從其原理上來看，該燈光控制系統是以單片機STC12C5A60S2作為主控制芯片，同時，時鐘芯片、DS124887 配合同時，采用多站P2338DP 作為藍牙智能模塊以及單片機窗口橋梁，由單片機來接受指令，此時系統增加芯片組，經放大電路進行信號放大，配合繼電器完成對應功能，串聯二極管IN4007 進行電壓檢測，能夠實現燈光亮度調節。具體來看：

（1） GS 模塊單片機與藍牙模塊連接，藍牙與GSM 模塊采用窗口方式實現單片機通信研究，STC12C5A60S2 單片機能夠提供一個串口，利用多串口擴展器SP2338DP，可解決藍牙GS 模塊無法與大面積串口連接問題，在無線控制系統中藍牙模塊具有重要作用，可通過V2.0 協議，借助HC-07 從模塊引出接口，進而實現與單片機串口進行連接。GSM 模塊能夠通過RS-232 接口，進而與外圍設備連接，通過單電源電平轉換芯片處理之后，可將該信號傳送給多串口擴展芯片。

（2）手機APP 和短信發送端設計。在藍牙發送指令前需安裝Arduino 程序，將該APP 與藍牙連接，根據藍牙顯示，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，并打開端口，在用戶連接時手機會自動彈出匹配窗口，用戶需要輸入密碼后即可實現與藍牙模塊的連接，再次連接手機可自動匹配。在手機中輸入on、off、y5 等相關字符，會實現燈光狀態的實時控制。單片機在接在接收到數據后，將原有數據及時傳送給軟件，并在顯示屏中進行顯示確認是否進行指令發送，如果藍牙模塊預約手機發送端。之間的距離超出信號接收范圍，需通過短信方式發送指令，到達GSM 接收模塊完成操作。

（3）設計紅外控制模塊，可通過芯片紅外遙控控制實現與燈光連接，采用PT2272 解碼芯片僅能夠用于接收端指令接收，設備可保持對應電平，進而接受不同指令使電平發生變化，按下遙控端的4 個按鈕中其中任何一個，這種情況下系統能夠控制燈光顯示狀態，上述A，B，C，D，4 個符號中分別對應燈光打開，強光弱，光以及燈光關閉4 種狀態。

（4）設計定時控制模塊，物聯網燈光控制系統使用時中心面鏡設計，其型號為DS1241887，該芯片能夠顯示日期，時間和信息的那個信息，通過芯片采集信息進行系統定時控制同時該模塊還有4 個按鍵，利用S1，S2，S3，S4 能夠設定定時控制系統參數，當達到提醒狀態時可由系統其自動向p2.3 輸出低電平，經放大電路后可使揚聲器動作并向用戶發出提醒，同時向P2.6 輸出低電平，通過放大電路可驅動B 顯示燈操作。這種情況下燈光能夠與蜂鳴器同時處于動作，如需關閉揚聲器，可通過APP 自動字符發送或通過S5 按鍵來操作。

基于物聯網技術的智能燈光控制系統，根據其功能系統軟件分為以下4 個模塊：

（1）系統初始化，包括藍牙，GSM 模塊以及電視機初始化，數據初始化等。

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

（3）藍牙接收指令模塊，通過藍牙接收的指令，經過TXD 或RXD 模塊進而傳送給串口芯片，最終由單片機進行后續處理，如果單片機接受指令之后，通過程序判斷后續繼電器的動作，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）定時控制模塊，包括設計掃描和終端控制，此時如果摁下按鍵會設置提醒時間，設置完成后自動退出屏幕，目前一旦到達預期的顯示時間，系統會啟動繼電器照明功能。

智能家居系統整體設計比較復雜，其能夠借助多個網絡設備訪問單片機，進而對家中的門禁系統以及家用電器進行實時監控，該智能系統平臺設計是由多個子系統構成的，彼此之間可進行信息交換和采集，同時監控系統還能夠實現遠程問題解決，用戶可通過電腦或手機APP 即可遠程遙控。對智能家居發出指令之后，可對系統實現有效控制。通常智能家居系統控制分為三個方式，第一可通過WEB 服務器控制按鈕控制家庭電器；第二用戶可在家中通過觸摸屏點擊控制；第三通過手機進行控制，比如短信、電子郵件等。上述三種方式均可通過遠程或者直接控制。電路控制需要借助傳感器，該模塊功能的實現需要利用電壓編寫電路程序，對ADC 部分程序進行監測。確保輸出電壓可達到標準范圍，一旦ADC 電壓存在問題會及時發出蜂鳴報警，確保住宅安全性。

4 結語

總而言之，近年來，隨著物聯網和微控制器技術的發展，本研究基于AR M 微控制器和labVIEW 進行智能家居控制系統的設計，處理器是下位機接收上位機發送指令，以實現家電、窗簾、照明、電話等設備的遠程控制。過去智能家居控制系統功能要求較低，大多采用8 位微控制器作為核心，隨新技術發展，本系統在設計中采用32 位ARM 處理器，同時搭配LabVIEW 進行上位機程序的編寫，能夠提高智能家具性能，在控制方式上由過去的定時控制轉為實時遠程控制，在任務執行上由單任務創新改變為多任務創新，最后在終端中能夠實現可視化，操作完成界面較好，功能豐富，操作簡單的智能家居遠程控制系統。