基于STM32微控制器的無(wú)線智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

智能家居的概念早已形成，但是目前市場(chǎng)尚缺乏遠(yuǎn)程無(wú)線操控產(chǎn)品。針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)了一套能夠遠(yuǎn)程無(wú)線操控的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。基于STM32 微控制器、GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 ZigBee 短距離無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過(guò)系統(tǒng)中的各類傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)， 更能利用簡(jiǎn)單的光電耦合裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器設(shè)備的自動(dòng)控制。在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以解決有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、使用電纜數(shù)量龐大等問(wèn)題，更符合家庭網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)潔性、靈活性、模塊化、擴(kuò)展性及獨(dú)立性的通信特點(diǎn)，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用微控制器進(jìn)行集中監(jiān)控，結(jié)合信號(hào)采集裝置和輸出控制裝置，并通過(guò)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)行無(wú)線監(jiān)控，在操控端可以用LCD 觸屏進(jìn)行本地操作控制，也可以利用手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，系統(tǒng)功能圖如圖 1 所示。

微控制器對(duì)各采集節(jié)點(diǎn)實(shí)行集中控制，即在家中各個(gè)需要監(jiān)控的器件處設(shè)立采集節(jié)點(diǎn)，各采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee 協(xié)議進(jìn)行內(nèi)部局域組網(wǎng)。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)包含傳感器、家用電器設(shè)備等，由微控制器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，而用戶可以利用LCD 觸屏或手機(jī)客戶端監(jiān)控界面直觀地觀測(cè)并進(jìn)行控制。

采集節(jié)點(diǎn)與微控制器之間利用ZigBee 通信協(xié)議結(jié)合 SPI全雙工同步串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、處理、存儲(chǔ)， 且在LCD 觸屏上顯示，并可通過(guò)觸屏操作發(fā)出相應(yīng)的控制指令， 如控制家中空調(diào)，燃?xì)馄骶叩燃揖与娖髟O(shè)備 ；而微控制器和手機(jī)客戶端之間則采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合USART 全雙工同步/ 異步串行通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的下達(dá)。

用戶在觀測(cè)、監(jiān)控家居狀況的同時(shí)可以根據(jù)控制要求設(shè)置適宜家居環(huán)境比較精確的參數(shù)門限值和采樣時(shí)間間隔，以提高控制精度，改善家居環(huán)境的舒適性、安全性等，給用戶更好的家居體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

建立智能家居系統(tǒng)，硬件是關(guān)鍵和基礎(chǔ)，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制和反饋的準(zhǔn)確性、節(jié)能性都有直接影響，為了更好的設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)硬件，此家居系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用集成模塊化設(shè)計(jì)，降低了硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，使設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡(jiǎn)單化。

2.1 信號(hào)采集裝置模塊

信號(hào)采集模塊主要包括溫濕度傳感器、可燃性氣體傳感器等，其作用即采集溫濕度、可燃性氣體濃度等信號(hào)。

本系統(tǒng)采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，可省去溫濕度信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理過(guò)程。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。而可燃性氣體傳感器則采用MQ-5 氣體傳感器，MQ-5 對(duì)丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高，可檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，所以十分適合在智能家居中使用，且壽命長(zhǎng)，成本低。

2.2 輸出控制裝置模塊

系統(tǒng)的輸出控制模塊部分主要是依靠光電耦合器、繼電器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（家居電器設(shè)備，如空調(diào)、燃?xì)庠O(shè)備）等實(shí)現(xiàn)。光電耦合器是在控制電路中起控制與隔離作用的驅(qū)動(dòng)部件，在本系統(tǒng)中由微控制器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)與用戶設(shè)置的門限值進(jìn)行比較，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，如驅(qū)動(dòng)家居報(bào)警裝置或使光電耦合器驅(qū)動(dòng)繼電器，控制家中空調(diào)等設(shè)備工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的智能控制。

2.3 微控制器模塊

意法半導(dǎo)體公司的STM32 是一系列超低功耗類型的單片機(jī)，此單片機(jī) Cortex-M3 內(nèi)核具有集成性高、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、價(jià)格合理等優(yōu)勢(shì)。STM32F103xx 系列 32 位閃存微控制器的工作頻率為 72 MHz，片上集成了高速存儲(chǔ)器和通過(guò)APB 總線連接的豐富且增強(qiáng)的外設(shè)和I/O 口。所有的外設(shè)都可匹配標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，無(wú)需配置額外組件從而減少系統(tǒng)成本，滿足開(kāi)發(fā)需要。

3 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)與微控制器之間利用ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自組內(nèi)部局域網(wǎng)，而微控制器和手機(jī)客戶端之間則采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 技術(shù)是一種雙向短距離無(wú)線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)層支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型、網(wǎng)狀、簇狀結(jié)構(gòu)，而星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理方便，適合小范圍的室內(nèi)家居應(yīng)用。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

本系統(tǒng)選用支持 ZigBee 協(xié)議的 CC2530 芯片，CC2530 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、處理單元和通信單元等組成，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳送的任務(wù)。

3.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPRS 網(wǎng)絡(luò)是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)， 特別適用于頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。將其運(yùn)用到智能家居系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)在線、接入范圍廣、數(shù)據(jù)傳送速率高、支持TCP/IP 協(xié)議和X.25 協(xié)議、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)性能與成本的綜合考慮，GPRS 通信模塊采用西門子公司內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議的MC55 模塊。該模塊采用AT 指令操作，通過(guò)RS-232 串行口連接至微控制器的 USART 串口， 實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端與微控制器間的數(shù)據(jù)通信。

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件編程由C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件總體流程如圖 3所示。

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由底層驅(qū)動(dòng)程序、系統(tǒng)主程序、顯示子程序、ZigBee 通信子程序及GPRS 子程序等部分組成，需要注意的是，ZigBee 與微控制器之間的通信協(xié)議，以及微控制器與GPRS 之間的通信協(xié)議，即串口通信的波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等數(shù)據(jù)傳輸格式設(shè)置均需保持一致，這樣才能保證設(shè)備間通信的順利進(jìn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果，且該設(shè)計(jì)具有很好的擴(kuò)展性，可以集成多種信號(hào)傳感器。采用低功耗的STM32 微控制器為控制核心，結(jié)合ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)和GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在滿足現(xiàn)場(chǎng)需求的情況下，性能穩(wěn)定，造價(jià)不高，對(duì)智能家居等測(cè)控領(lǐng)域方面的研究具有指導(dǎo)意義。