基于STM32的家庭節電控制系統開發

劉威 石澤宇 張云萍 張巧杰

摘要：本文設計了一套基于STM32單片機的家庭節能控制系統，該系統結合了無線模塊、傳感器技術、觸摸屏技術及GMS模塊等，實現可以讓你不論身處何地，一樣掌控家中家電設備，從而實現既節能又智能的更加人性化的服務。

關鍵詞：STM32開發板；GSM模塊；觸摸屏；用電器

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0057-02

一、引言

家庭用電的節能應從主動節能和被動節能兩方面入手，當前傳統的家庭用電由電力公司單方面進行管理，雖然通過宣傳教育和提高電價，可增強公民的主動節電意識，但由于大多數用戶沒有家庭能耗的詳細分析數據，在節電上很多時候存在較大的不確定性和誤區。在能源匱乏的今天，選擇家庭節電作為研究對象，具有重要的現實意義。根據導師的建議和本人的調研，發現家用電器每年浪費大量的電能，如電視機、計算機的待機，使用大功率燈具，空調溫度設置為極高極低的溫度等現象，家庭節電具有很大的潛力。通過對生活中常出現的電能浪費現象進行調查并分析了各種內在原因，決定從燈光照明、空調系統、家用電器三個方面設計優化的家庭節電控制系統。

本課題的目標是實現一個低端實用的家庭節電控制系統，利用32位單片機配合嵌入式操作系統實現智能家庭節電控制的基本功能，該系統不追求復雜的功能和絢麗的外觀，主要著眼于簡單實用、使用方便、價格低廉等特性，在課題的開發設計過程中能夠增強自身嵌入式產品的開發能力，在實踐過程中發現問題、解決問題的能力。

二、工作原理

基于STM32的家庭節電控制系統硬件設計如圖1所示。

1.觸摸屏。觸摸屏（touch screen）又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。

本系統中本地控制通過接入觸摸屏，由觸摸屏上的人機交互界面實現，待機電源管理系統可以本地觸摸屏上關閉待機電器，本部分只是其中最小的一個功能。

2.電壓電流檢測系統（見圖2）。此部分就是通過電流檢測模塊顯現的電流圖形，然后通過模數轉換反映給單片機，然后單片機根據傳輸的數據做出一定的調整，然后可以傳輸給我們所用的設備。比如，當我們都在外面上班，檢測到屋內電流很大，為了節約用電，就要檢查一下，是否有些電器忘了關，以至于能夠及時的關上，巧妙地達到了智能家居的功效。

3.溫度傳感器。溫度傳感器（temperature transducer）是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器采集的模擬信號經過處理器本身的A/D轉換得到實時溫度數據，再經處理器相關處理通過溫度顯示電路進行實時顯示。比如，下班回家之前要先開空調，然后就可以此系統通過溫度感受然后確定什么時候開空調，從而能確定在到家的時候屋內溫度正好合適，這樣既達到智能又達到節能的效果。

4.無線模塊。無線模塊（RF wireless module），是數字數傳電臺（Digital radio）的模塊化產品，是指借助DSP技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸電臺模塊。無線模塊延伸到很多的系統中，工業控制的開關量io設備、485無線傳輸設備、模擬量采集和控制設備。從使用最早的按鍵電碼、電報、模擬電臺模塊加無線MODEM，發展到目前的數字電臺模塊和DSP、軟件無線電；傳輸信號也從代碼、低速數據（300～1200bps）到高速數據。

有線通信方式的建立必須架設電纜，或挖掘電纜溝，因此需要大量的人力和物力；而用無線數傳電臺建立專用無線數據傳輸方式則無需架設電纜或挖掘電纜溝，只需要在每個終端連接無線數傳電臺和架設適當高度的天線就可以了。相比之下用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式，節省了人力物力，投資是相當節省的。

有線通訊的局限性太大，在遇到一些特殊的應用環境，比如遇到山地、湖泊、林區等特殊的地理環境或是移動物體等布線比較困難的應用環境的時候，將對有線網絡的布線工程有著極強的制約力，而用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線數傳模塊建立專用無線數據傳輸方式將比有線通訊有更好的、更廣泛的適應性，幾乎不受地理環境限制。

5.GMS模塊。GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。

本結構主要通過單片機與GMS模塊和手機的互相關聯，把要通知的其余各個模塊的信息通過短信發送到手機上，從而讓我們能及時掌握屋內電器的用電使用情況，真正達到智能省電。

三、功能描述

1.觸摸屏發出控制指令給單片機，單片機通過無線模塊將關斷信號傳送給下位機，下位機接受后通過控制繼電器控制電器開關。

2.通過手機可以遠程發送短信給控制系統，控制系統開關相應的電器。

3.傳感器檢測室內變化，通過AD＼DA轉換將信號傳給單片機，發出報警或者短信。

4.待機檢測裝置檢測待機電流，將信息反饋給用戶，用戶關閉電源。

四、結論

此系統功能上大致分為危險報警控制、電壓電流檢測控制系統、家用電器電源管理三部分。危險報警控制系統根據室內氣體的成分及溫度，當空氣中有煙霧或者有害氣體濃度達到一定值或者檢測到溫度超過一定值時，由STM32控制系統報警并發送一條短信到固定手機用戶。電壓電流檢測控制系統能夠檢測室內電壓電流狀況，如果有電機電流，告知用戶關閉。電源管理系統可以本地觸摸屏上關閉待機電器，也可以遠程關掉出門時忘關的電器。可以在家遙控用電設備，融入了遠程控制模塊以及智能節能的思想理念。遠程控制可以讓你不論身處何地，一樣掌控家電設備。

該控制系統設計完成以后在實驗室進行了試用，系統穩定運行，對實驗室內的用電設備控制和反饋準確，達到了節能和無線控制的目標。所以，使用此設備可以為人們提供方便、舒適的生活環境，并且此系統控制方便，節能環保，外擴能力強，適合家庭使用，具有較高的使用價值。

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