一種基于STM32的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

 0 引言

科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展大大提高了人們的生活品質(zhì)，智能家居作為高品質(zhì)生活的代表產(chǎn)品越來越受到人們的關(guān)注。智能家居是以居家環(huán)境為平臺，融合了建筑、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、自動控制等技術(shù)形成的，集功能性、服務(wù)性、管理性為一體的舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，是高新技術(shù)在生活中的典型應(yīng)用之一。

本文基于Cortex—M3架構(gòu)的STM32系列芯片，設(shè)計開發(fā)了一套智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)以智能家居控制器為核心，包括智能插座、多功能面板、紅外轉(zhuǎn)發(fā)、電動窗簾、窗戶控制模塊、光強(qiáng)度及溫、濕度計等多種智能家居產(chǎn)品，也可與紅外探測器、煙感探測器、門禁控制器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等安防產(chǎn)品組建智能家居的安防系統(tǒng)。智能家居控制器可通過以太網(wǎng)或Wifi與家庭信息互聯(lián)處理中心通訊;各智能產(chǎn)品通過RS485總線方式與控制器通訊。對系統(tǒng)的控制方式包括：上位機(jī)控制、觸屏控制，或利用手機(jī)、iPAD等移動互聯(lián)產(chǎn)品進(jìn)行控制。如圖1所示為系統(tǒng)示意圖。

1 智能家居控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.1 智能家居控制器

智能家居控制器是智能家居系統(tǒng)的核心處理模塊，是整個智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵。本設(shè)計中的智能家居控制器基于STM32芯片設(shè)計，并根據(jù)控制器的功能分為如下幾個模塊：模擬量采集輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、RS-485通信模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)接口模塊、JTAG模塊、電源模塊、無線通信模塊、輸入、輸出LED顯示模塊。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1.2 智能家居產(chǎn)品

1.2.1 智能插座

智能插座以STM32系列芯片為核心，內(nèi)含ADE7753電能芯片、液晶屏、繼電器等，可計量顯示對應(yīng)家用電器的電量參數(shù)，并可設(shè)置何時啟動該家用電器的電源，可合理分配家中用電負(fù)荷，實現(xiàn)智能電網(wǎng)功能，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。

1.2. 2 多功能面板

多功能面板以STM32系列芯片為核心，包含4路繼電器輸出，可同時控制4路負(fù)載(燈、排氣扇等)，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。

1. 2.3 紅外多功能轉(zhuǎn)發(fā)器

紅外轉(zhuǎn)發(fā)器是以STM32系列芯片為核心。可學(xué)習(xí)、存貯、接收和轉(zhuǎn)發(fā)電視機(jī)、空調(diào)及其他電器的遙控器紅外信號，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。

1.2. 4 觸摸屏

本設(shè)計采用的彩色觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設(shè)計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率800×480)，四線電阻式觸摸屏，高檔塑料結(jié)構(gòu)，工業(yè)級低功耗，CPU400MHz，64M內(nèi)存，64M閃存，1*RS232(隔離接口)，1*RS485(隔離接口)，1*USB接口(一主一從)，24VDC電源輸入，功耗小于7W。同時還預(yù)裝了嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)組態(tài)軟件?？赏ㄟ^485與智能家居控制器通訊，可實現(xiàn)遙控、遙信、遙調(diào)及情景模式的設(shè)定。

2 智能家居系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計

智能家居控制器主要涉及到的硬件部分包括STM32F103VET系列芯片、8路達(dá)林頓驅(qū)動ULN2803、8路雙向光耦隔離TLP280-4、2路高速光耦隔離6N137、5路RS485 SN65LBC184、以太網(wǎng)ENC28J60、FLASH存儲器SST25VF016B。

2. 1 STM32F103VET系列芯片

STM32F103VET系列芯片使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)512k字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)帶512k字節(jié)閃存的微控制器。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。USB、CAN、11個定時器、3個ADC、13個通信接口。本設(shè)計中對STM32F103VET芯片的管腳做了功能劃分，如圖3所示。

2.2 8路達(dá)林頓連接晶體管陣列ULN2803

8路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣列適用于低邏輯電平數(shù)字電路(如TTL、CMOS或PMOS/NMOS)和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、工業(yè)用和消費類產(chǎn)品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負(fù)載中。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容，采取AP=DIP18，AFW=SOL18封裝方式，在本設(shè)計中ULN2803用于8路繼電器輸出的驅(qū)動電路。

2.3 雙向光耦隔離TLP280-4和高速光耦隔離6N137

TLP280-4是一塊超小且超薄的耦合器，適用于貼片安裝，常用于PCMCIA傳真調(diào)制解調(diào)器、可編程控制器電路中。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部電路由一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。6N137具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，廣泛用于高速數(shù)字開關(guān)、馬達(dá)控制系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換等電路中。本設(shè)計中采用TLP280-4構(gòu)成控制器的8路光耦隔離輸入端電路，采用6N137構(gòu)成控制器的2路高速光耦隔離輸入端電路。

2.4 RS485接口通信芯片SN65LBC184

本設(shè)計中前端智能設(shè)備和探測器之間通過SN65LBC184進(jìn)行半雙工方式通信。

SN65LBC184工作原理電路如圖4所示。由DIR5控制通信方向，當(dāng)DIR5端為高電平時控制器為接收狀態(tài)，反之，控制器則為發(fā)送狀態(tài)。

2.5 以太網(wǎng)模塊ENC28J60

本設(shè)計中各個控制器間可通過以太網(wǎng)口實現(xiàn)與家庭信息互聯(lián)處理中心的通信。

2.6 FLASH存儲器SST25VF016B

在本設(shè)計中利用FLASH存儲器SST25VF016B存儲各設(shè)備的IP地址。

2. 7 ADE7553單相電能計量芯片

ADE7553單相電能計量芯片具有高精度、低功耗的特點。有功電能計量誤差小于0.1%，具有SPI串口通訊方式和DI\DT傳感器接口，使用5V直流電源供電。該芯片內(nèi)部有很多寄存器，在設(shè)計中只需通過對其寄存器進(jìn)行讀寫操作即可。

2.8 系統(tǒng)供電電路

控制器可提供雙路12V/0.5A的電源輸出，供與之相連的智能產(chǎn)品或模塊使用。電路如圖5所示。

3 智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計

整個智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三部分：智能家居上位機(jī)管理軟件、智能家居產(chǎn)品(控制器、智能插座、多功能面板等)、觸摸屏。其中，智能家居上位機(jī)管理軟件是基于Lab VIEW開發(fā)環(huán)境開發(fā)的應(yīng)用軟件，是系統(tǒng)的集中管理手段和工具。該軟件通過以太網(wǎng)協(xié)議和智能家居控制器底層控制協(xié)議在應(yīng)用層面的融合，可實現(xiàn)對家居中安防設(shè)備、電氣設(shè)備的控制，溫度、燈光等參量的調(diào)節(jié)，以及場景設(shè)置、定時、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。如圖6所示為上位機(jī)管理軟件界面和客廳燈光程序框圖。

智能家居產(chǎn)品的軟件設(shè)計基于STM32單片機(jī)，采用C語言編寫完成。包含控制器程序和多個設(shè)備的驅(qū)動程序。智能模塊和控制器間通過RS485接口進(jìn)行通訊，可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)的串口驅(qū)動程序。設(shè)計驅(qū)動程序的大部分工作就是根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來“填寫”框架中的函數(shù)。主要的函數(shù)包括open()、read()、write()、ioctl()、release()、module_init()和module_exit()等。

觸摸屏通過RS485與智能家居控制器通訊，通過預(yù)裝的嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)組態(tài)軟件，實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制和情境模式的設(shè)定。如圖7所示為觸摸屏的界面。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個基于STM32的智能家居系統(tǒng)，包括控制器、智能電度表、智能插座、多功能面板等多個智能家居模塊。同時，配合紅外探測器、煙感探測器、門禁控制器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等安防產(chǎn)品可組建成完善的智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有控制方式多樣靈活、模塊功能可擴(kuò)展性強(qiáng)、設(shè)備操作簡單易行等優(yōu)點，適合家庭、教學(xué)、實驗開發(fā)等多個領(lǐng)域。