智能家居系統開發

徐瑞雪 李慧敏 程紅艷

摘要：近年來，經濟的發展，使我們進入到了一個信息化的時代。隨著科技的發展，信息化和網絡的應用變得越廣泛。人們對于生活質量的要求越來越高，智能家居大力興起。針對改善人們生活環境和生活質量的目的，本設計采用基于STM32F103Z8T6微處理器，CWS11經濟型溫濕度變送器，AS608光學指紋傳感器，MQ-2煙霧傳感器，光敏電阻加軟件控制的方法，通過軟硬件聯調，實現環境相關數據的采集和顯示，同時將采集的數據上傳到上位機實時掌握環境數據信息。

關鍵詞：單片機;傳感器;智能家居;環境監測

引言

隨著人們生活水平的提高，在物質生活越來越豐富的今天，大家對生存環境給予了越來越密切的關注，同時也越來越注意家居安全，使用密碼鎖，監控攝像頭等設備。“智能家居”（Smart Home），又稱智能住宅，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統的居住環境。系統以住宅為平臺，利用先進的計算機、嵌入式系統、綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術將家居生活有關的設施集成連接到一起，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。

1.總體系統設計

智能家居系統包括密碼解鎖區，環境檢測區，報警區三部分。

密碼解鎖包括兩種方式，一種是通過按鍵輸入系統設置的特定密碼來解鎖，解鎖成功會帶動電機轉動一圈達到開鎖的目的;一種是使用AS608指紋模塊，運用指紋庫內的指紋解鎖，如有管理員權限可刪除和錄入指紋，指紋識別成功可帶動電機旋轉一圈達到解鎖的目的。

環境監測包括以下幾個方面：室內溫濕度檢測，室內光照強度檢測，以及煙霧檢測。運用CWS11經濟型溫濕度變送器來達到對室內溫濕度信息的檢測;運用MQ-2煙霧傳感器來實現對室內煙霧濃度的檢測;運用光敏電阻來實現對室內光照強度的檢測;并將環境中所檢測到的所有環境信息顯示到OLED屏上。

報警區：當時檢測到室內煙霧濃度，光照強度，室內溫濕度超過設定值時，蜂鳴器報警同時GSM短信報警。

上述的三個職能分區，三者既可相互聯系又可獨自工作。這樣的設計可以更好的做到模塊化和系統化的分工，為使用者提供了干凈整潔的使用環境。

2 系統硬件設計

（1）處理器選型

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

（2）指紋解鎖模塊的選取

該產品選取ATK-AS608指紋模塊，此指紋模塊是ALENTEK推出的一塊高性能的光學指紋識別模塊。模塊只需3.3V的電源供電，內置指紋探測電路，用戶讀取狀態引腳（WAK）判斷有無手指按下。芯片內置DSP運算單元，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按照通訊協議便可以控制模塊。

（3）溫濕度檢測模塊的選取

該產品選用CWS11經濟型溫濕度變送器，可用于各種室內環境溫濕度檢測，遵守Modebus協議中的子集中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。具有長期穩定性好，全量程溫度補償，低漂移，響應速度快，使用壽命長，抗干擾能力強等優點。

（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型半導體氣敏元件。這種半導體元件在溫度為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定性。

3 系統軟件設計

系統的硬件電路一旦確定，系統的主要功能需要通過軟件編寫程序來實現。本系統以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;使用C語言編寫，將不同模塊的程序分開編寫，并對子函數進行封裝，方便維護與調用。下面對主程序與各個模塊程序進行分析。

（1）主程序。當智能家居系統開始運行時，各個模塊先進行初始化，然后監測GSM模塊是否已經接入系統中，確認GSM模塊正確接入系統后，系統就可以開始工作了。GSM模塊可以根據收到的短信來對外設發出相對應的指令，來對外設進行控制。

（2）指紋解鎖模塊。本設計使用ATK-AS608指紋模塊，通過串口與主控進行通信就可以使用了。ATK-AS608獲取的信息都是以二進制形式呈現的，并將數據存入FLASH芯片里面。當要進行指紋解鎖的時候，指紋模塊會先采集指紋，然后與FLASH芯片里面數據進行對比，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送指令，等待指紋模塊傳回數據，主控在對數據進行處理，最后判斷命令有沒有執行。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據傳輸為40bit，高位先出。檢測的具體過程主控發送一次開始信號后，溫濕度檢測模塊等待主機開始信號結束后，發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集，用戶可讀取數據。

（5）煙霧檢測模塊。為了得到準確的煙霧濃度值，我們選擇使用模擬量輸出，通過ADC模數轉化通道將模擬量轉化為數字量。將處理后的數據發送到顯示屏，并在主控與設置的閾值進行比較判斷是否發出警報和發短信。

報警模塊。報警模塊其實是就是檢測值與系統設定值比較并根據結果而做出不同動作的一個過程。

4總結

本文闡述的基于STM32智能家居系統設計，可幫助人們在日常生活中時刻檢測環境情況，不斷提高生活質量。該智能家居系統的設計在技術方面比較成熟，通過軟硬件聯調實現的功能如：溫濕度數據的采集與顯示、煙霧濃度顯示、GSM短信報警等功能。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領域不斷更新換代，研究水平也將不斷提高。這對于智能家居系統領域來說，其發展潛力不可小覷。

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河南科技大學 471023