基于單片機的智能家居系統研究

高鑫茹

摘要：伴隨著經濟的發展與技術的進步，人們對于生活的要求越來越高。隨著近幾年物聯網技術的迅速發展，智能家居作為物聯網的一個廣泛應用領域，逐漸走進了人們的視野并成為了市場關注的焦點。本文對智能家居的背景及發展狀況做了簡單介紹，了解了國內外的研究現狀，并分析了當前智能家居的優缺點，設計了一款基于STM 15系列單片機為控制核心的智能家居系統。本文詳細介紹了智能家居系統的總體設計方案，具體軟、硬件開發及無線傳輸網的選擇與使用，實現了對家中一些家用電器的控制。

關鍵詞：物聯網；智能家居；STM15；單片機

1.智能家居概述

1.1智能家居的概念

智能家居概念起源于20世紀80年代的美國，稱之為SmartHome。智能家居的發展經歷了三個階段：第一階段是家庭電子化階段，在這一階段主要是針對單一的電器，各電器之間沒有總的聯系，也沒有形成網絡；第二階段是住宅自動化階段，這個時期實現了一些電氣的特定的功能如全自動洗衣機、自動抄表等，部分電器之形成了簡單的網絡；第三階段是家居智能化階段，這一階段是面向系統的設計階段，利用計算機技術、網絡技術、自動控制技術將家居生活中的各種相關設備進行集成，實現集中管理和遠程監控。

1.2智能家居的發展狀況

在智能家居的研發方面，美國及一些歐洲國家一直處于世界先進水平。此外，日本、韓國、新加坡等國的龍頭企業也都紛紛加入到家居智能化的開發之中，對家居市場均是躍躍欲試。與歐洲和日本、韓國和其他國家相比，中國的智能家居技術提供研究和發展的機遇都是較晚一些的，然而國內的發展環境與其他國家相比較又具有較明顯的優勢，對于智能家居產業化得到了政府及有關部分的鼎力支持和國內優越市場環境的引導，所以發展的步伐非常迅速。進入二十一世紀初，國內智能家居仍然多表現為智能單品，但智能家居不是一個產品，而是一個系統化的概念。但在物聯網技術的引導下，國內智能家居系統再一次得到了嶄新的發展良機。我國推出了相關的規范標準，進行智能化小區的建設，實現智能家居產品技術朝向技術統一的方向進行發展。現階段智能家居系統被集成到物聯網技術中，實現對象與對象之間的家居、人與物之間的信息交流，物聯網技術再次對智能家居系統提出了新的解釋。目前我國對于智能家居系統需求大量的需求，未來市場具有廣闊的發展空間，智能家居技術的發展也具有良好的實踐環境。

2對嵌入式網關技術的研究

2.1對硬件部分的研究

在硬件平臺方面，目前主要有可編程邏輯器件、微控制器和微處理器三種。對比三種硬件，綜合考慮成本、處理能力、功耗等多方面因素，本文選用微控制器作為系統嵌入式網關的硬件實現。本文選擇的微控制器即我們常說的單片機，它具有較強的中斷控制系統，能夠快速響應外界的中斷，主要負責系統產品中的控制功能。目前常用的單片機有TI公司的MSP430系列、Cisco公司的S12系列和STC系列、ATMEL等公司的51系列。微控制器具有整合多種功能于一體的特性，不但節省了開發時間，在降低產品體積和成本也有相當大的助益。

綜合性能和成本考量，本文選用STC15系列的微控制器，并最終選用stc15f2k60s2作為智能家居網關的核心處理器，其各環節原理圖如圖1。

2.2對軟件部分的研究

要完成網關功能，除硬件平臺外還需要軟件平臺，最主要的是選擇合適的操作系統。目前主流的嵌入式操作系統有微軟的WindowsCE、谷歌的Android以及完全開源的Linux。本文選擇Android作為嵌入式網關的軟件開發平臺。

Android系統目前被廣泛應用在手機、Pad等移動設備上，它是以Linux為基礎的開源式系統。安卓系統最大的優勢在于它的開放性、不受束縛性、豐富的硬件。它使用java作為開發語言，目前的開發人員較多，應用較廣泛，參考案例較多。

2.3對無線控制模塊的研究

無線個域網是為了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的無線通信網絡技術。無線通信最大的優點就是自由方便，它能將人們從線纜的束縛中解脫出來，讓人們更加便捷的互相溝通。無線局域網和短距離寬帶技術的發展是無線個域網發展的催化劑。現今的無線個域網主要有紅外、射頻識別、藍牙、超寬帶、Wi-Fi以及ZigBee等，基于我們的技術和功能要求，本文選擇的無線傳輸網是WiFi系統。

系統采用WiFi的無線遠程控制來實現對智能家居的遠程管理。目前市場上WiFi設備非常多，比如cc3200、mt7681等，綜合考量成本和性能因素，最終選取ATK-ESP8266作為系統的WiFi模塊。ATK-ESP8266是一款高性能串口-無線模塊，它板載ESP8266模塊，通過串口和主控芯片通訊，內置TCP/IP棧協議，可以實現WiFi和串口之間的轉換。該模塊可以兼容3.3V和5V的單片機系統，這樣可以很方便和主控芯片進行連接，此外，它還支持WIFISTA、串口轉AP和WIFISTA+WIFIAP三種模式，這有利于開發。除了以上幾點，ESP8266還具有以下特點：

（1）價格低廉

ESP8266模塊目前是主流WiFi模塊產品中價格相對便宜的一款WiFi模塊，它以最低的成本實現最大的功能，非常實用，這非常符合系統的研發定位；

（2）集合程度高

ESP8266具有很多部件，包括電源管理組件、TR開關等，它們全部都高度集合在ESP8266模塊上，這樣高度集合使ESP8266模塊體積小，便于設計使用。

（3）應用多樣化

ESP8266應用非常廣泛，比如可以用在智能電源插頭、家庭自動化、可穿戴電子產品等等，如此廣泛的應用使ESP8266有很多資料，這樣可以大大縮減研發周期，進而降低研發成本。

3結語

隨著當今科學技術的發展，智能科技逐漸融入了生活，人們對生活質量的追求也隨著智能科技的發展不斷提升。傳統的家居環境己不能滿足人們對高質量生活品質的追求，更具有安全性、舒適性、便利性和藝術性的智能化家居環境需求日增。

近些年來，得益于物聯網技術突飛猛進的發展，網絡技術也給家居的智能化帶來了新的爆發點。如今的智能家居，是面向系統的設計階段，利用計算機技術、網絡技術、自動控制技術，把住宅內各種相關的設備、家用電器、報警裝置當作網絡中的一個節點，進行集中的監控、管理，保持家電與環境的協調，營造一種溫馨舒適的家庭氛圍。

參考文獻

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（作者單位：山東科技大學（泰安））