基于STM32的智能家居控制系統設計

盧 娜

(商丘職業技術學院 機電工程系，河南 商丘 476100)

隨著國民生活水平的逐步提升以及科技的發展，人們對于家居生活質量的要求越來越高；隨著物聯網的蓬勃發展、智能產品的普及，人們對家居智能化的需求也越來越強烈.智能家居成為目前乃至未來家居發展的一個趨勢.目前，市面上有各種智能家居方案，行業標準并不統一，性能也優劣不一，而且價格比較高.為此，本文設計了一種性價比高、實用性比較強的智能家居控制系統.

1 系統總體設計

本系統選用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、光檢測模塊、氣體檢測模塊、ZigBee無線網絡模塊、Wi-Fi無線通信模塊等[1].本系統中，用戶通過無線網絡將需求發送給主控芯片，主控芯片通過ZigBee無線網絡與數據收集模塊進行數據的傳送，從而獲取實時數據.各傳感器模塊把收集到的數據傳輸到主控芯片中進行處理，接著把處理完成后的數據傳送到用戶手里，用戶就可以對自己家庭生活環境進行監測和改進[2].系統功能圖，如圖1所示.

圖1 系統功能圖

2 硬件模塊設計

2.1 主控芯片選擇

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

圖2 最小系統圖

2.2 電源模塊

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

圖3 電源設計

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，在近距離無線通信中得到了廣泛的應用.ZigBee相比藍牙和紅外通信，有更多的優點.它復雜程度低，成本低，功耗低，傳輸距離相對遠，能夠自組網.ZigBee無線網絡還能夠和另外的網絡相連接，并且安全性很高.本系統選擇CC2530芯片作為組網模塊.CC2530芯片的CPU為增強型8051，其包含很多功能單元，并且自身具有射頻收發感知電路，抗干擾能力強[5].CC2530芯片有多種運行模式，能使其滿足超低功耗系統的要求.

在本系統中，主控系統與各個終端節點之間是通過ZigBee網絡進行連接的，其運用ZigBee能夠自動組網、自動路由的網絡優勢，將家庭各種終端節點以無線的方式互聯起來，達到家居智能控制的目的.各種傳感器的數據及各種家用電器的開關狀態都是通過ZigBee網絡傳送給協調器，協調器與主控系統之間通過串口進行傳輸.以太網與室內ZigBee網絡連接通過ZigBee網關來實現[6].CC2530電路圖，如圖4所示.

圖4 CC2530電路圖

2.4 WiFi模塊設計

本系統中的部分無線連接采用Wi-Fi模塊實現.從價格和穩定性等方面考慮，最終選擇ESP8266-12F作為本系統的Wi-Fi模塊[7].ESP8266-12F模塊集成了32位Tensilica處理器、標準數字外設接口、天線開關、功率放大器、低噪放大器、電源管理等模塊，功能強大.單核CPU時鐘頻率高達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、性價比高等優點，其最小系統圖，如圖5所示.

圖5 ESP8266-12F最小系統

2.5 溫度檢測模塊

本系統選用溫度傳感器DS18B20對室內溫度進行監測.DS18B20是數字傳感器，支持“一線總線”接口，只需要一條線就可以與微處理器實現雙向通信，其具有體積小、成本低、抗干擾能力強、接線方便、精度高等優點[8]. DS18B20測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，誤差為±0.5℃，完全符合本系統要求.溫度傳感器DS18B20可以對室內溫度進行監測，并返回監測數據.DS18B20監測到溫度數據之后，把數據傳送給主控芯片，主控芯片做出判斷，給出相應操作.其電路圖，如圖6所示：

圖6 溫度監測電路圖

2.6 光檢測模塊

本系統采用光照傳感器BH1750FVI對室內光照情況進行監測. BH1750FVI是一種16位的、數字輸出型的、用于兩線式串行總線接口的環境光強度傳感器集成電路，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、支持光照強度變化范圍廣等優點，完全滿足本系統的設計要求[9].BH1750FVI傳感器檢測到家中的光照情況后，把數據傳送給主控芯片，主控芯片馬上會根據數據結果做出判斷，其結構框圖和電路圖，如圖7、圖8所示.

圖7 BH1750FVI結構框圖

圖8 光監測模塊電路圖

從圖7可知，PD(光敏二極管)感應到光線以后，就由集成運算放大器將電流轉換為電壓，再通過模數轉換器將電壓信號轉換為數字信號，最后通過邏輯電路與IC界面進行數據的處理和存儲.OSC為振蕩器提供內部邏輯時鐘，可讀出內部存儲的光照數據.

2.7 氣體檢測模塊

氣體檢測模塊主要針對家用氣體進行檢測，所以選用MQ-5傳感器作為氣體檢測模塊.MQ-5氣體傳感器可以檢測多種可燃氣體，尤其對天然氣、液化氣檢測效果好，對可燃氣體有很高的靈敏度，可兼顧檢測丙烷、丁烷和甲烷等氣體.MQ-5傳感器壽命長、成本低，驅動電路比較簡單，是一款特別適合本系統的氣體傳感器.當MQ-5傳感器檢測值達到某一臨界值時，就會通過ZigBee網絡傳送信息給主控芯片，主控芯片再反饋到無線終端，發布警報.其電路圖，如圖9所示.

圖9 氣體監測模塊電路圖

2.8 家用電器控制模塊設計

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、電視、電飯煲等電器的通電和斷電.由于單片機無法直接驅動繼電器，因此需要給其連接兩個復合管驅動器ULN2803，這樣就可以驅動繼電器、電機等，從而可以控制家用電器的通電和斷電.

3 軟件設計

3.1 開發軟件的選取

主控制器STM32F103ZET6采用的開發環境為軟件工程師常用的Keil μVision5，其兼容單片機C語言開發系統，有非常豐富的庫函數，操作比較簡單，功能強大，界面友好，清晰直觀，是一款非常好用的集成開發調試工具.

由于國內Android手機市場占有率高達到86%.Android系統的擴展性比較好，成本也較低，故本設計就以Android系統手機作為開發和測試平臺，釆用的集成開發工具為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性，得到很廣泛的應用.

3.2 功能的實現

主控制器與手機設備通過Wi-Fi連接，與各個終端節點之間通過ZigBee網絡進行連接.家庭內部的各種傳感器會把實時的一些結果通過ZigBee傳送給協調器，協調器再與主控制器以串口通信方式進行數據交換，數據經過處理后通過Wi-Fi無線網絡傳送給服務器，之后，這些數據會被傳送到無線終端.當傳感器采集的數據發生變化的時候，或者有數據超標的時候，無線終端里的相應部分會及時收到更新的信息，并且會根據數據結果判斷是否發出警報，無線終端也可以發出指令，通過繼電器部分控制家用電器的通電和斷電.

4 結語

隨著社會的發展，人們越來越追求高品質的生活，而伴隨著物聯網的飛速發展，這種愿望變得可實現起來.智能家居是未來發展的一個方向，可以為人們提供更優質的生活享受，更舒適的生活環境.本系統設計了一個以STM32為核心的智能家居控制系統，該系統主要集成了ZigBee技術、Wi-Fi技術，并且利用單片機和Android平臺來實現主控制器、智能無線終端、傳感器等的互聯，從而實現智能終端控制家電，并能對家中溫濕度、有害氣體等進行監測等功能.本系統成本低，穩定性好，但不足之處是其只設計了一些基礎功能，不能滿足所有用戶的需求，隨著未來智能家居飛速發展，其功能還有待增強.