基于STM32和ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)

文/陳新奮 彭銀橋

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步及人類自身生活水平與生活質(zhì)量的提高，人們對于家居設(shè)備的智能化要求也越來越高，家居智能化已成為一種必然趨勢。自從世界上第一座智能大廈在美國誕生以來，智能家居一直備受關(guān)注，其復(fù)雜的布線和高昂的價格讓人望而止步，而無線通信技術(shù)的發(fā)展和智能手機的出現(xiàn)給智能家居的普及帶來了新的生機。智能家居是指利用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感控制技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，使家居生活更加舒適和安全。

針對傳統(tǒng)有線智能家居系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)布局復(fù)雜，靈活性與拓展能力差，不容易改造升級。運用新技術(shù)開發(fā)一種廉價、兼容性強、和結(jié)構(gòu)簡單的智能家居系統(tǒng)很有必要。為此設(shè)計一種基于STM32為核心處理器，通過與4G-LET通信技術(shù)、ZigBee組網(wǎng)通信結(jié)合的智能家居系統(tǒng)。用戶實現(xiàn)了家居中各傳感終端部件的數(shù)據(jù)收集，并根據(jù)狀態(tài)和需求設(shè)置參數(shù)，實現(xiàn)對家居內(nèi)環(huán)境、電器、報警子系統(tǒng)監(jiān)控。此系統(tǒng)實現(xiàn)了家居的智能化操作、實時監(jiān)控檢測家居環(huán)境數(shù)據(jù)信息、安防報警和遠程控制家電設(shè)備等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計的系統(tǒng)主要由STM32主控制器、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)關(guān)、遠程服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、各類智能終端、上位機等七大部分共同組成的家居設(shè)備智能化管控系統(tǒng)。圖1是系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可通過4G網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶可以通過上位機或直接語音交互的方式向STM32主控制器發(fā)送指令，STM32主控制器接收用戶命令后，通過串口把要操作的節(jié)點和命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收消息后,判斷用戶是切換節(jié)點還是操作當(dāng)前節(jié)點，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對應(yīng)的節(jié)點，節(jié)點接收消息并解析消息，從而來隨時獲取家居情況控制家居相應(yīng)設(shè)備狀態(tài)。建立的數(shù)據(jù)庫是放在遠程服務(wù)器上的，通過電腦可以隨時調(diào)用出家居中的設(shè)備狀態(tài)及近期室內(nèi)的環(huán)境信息。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括室內(nèi)環(huán)境檢測、安防監(jiān)測、家居設(shè)備狀態(tài)控制3個主要模塊。

室內(nèi)環(huán)境檢測單元包括：室內(nèi)溫度、濕度檢測、污染物的氣體濃度檢測、光照強度檢測和當(dāng)前天氣狀況檢測。ZigBee終端將這些信息聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到云服務(wù)器中。

安防監(jiān)測單元包括：紅外熱釋電監(jiān)測、指紋驗證和自動報警。如果家里出現(xiàn)了異常狀況（如發(fā)生火災(zāi)），4G通信終端將會給主人撥打電話或發(fā)送短信通知。配備的指紋門禁終端能夠提前錄入主人指紋，并且通過紅外熱釋電監(jiān)測是否有人靠近門口，當(dāng)有人靠近時則要求驗證指紋。若指紋驗證失敗，則進行蜂鳴器報警以保證安全。

圖2：STM32F103ZET6核心控制電路框圖

圖3：為DHT11傳感模塊的硬件電路圖

家居設(shè)備狀態(tài)控制單元包括：燈光亮度控制、窗簾控制、家電控制等。用戶可以通過語音控制或上位機控制，進行家居基礎(chǔ)設(shè)備有關(guān)命令的下達，中央處理器在接收到命令后，通過ZigBee模塊將有關(guān)信息傳遞給智能終端，實現(xiàn)命令在智能終端上的具體體現(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主微處理器設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分的核心微控制器采用的是意法半導(dǎo)體公司（ST公司）推出一款以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片，其最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHz；片上集成256-512KB的Flash存儲器，高達的SRAM存儲器；多達9個通信接口，其中2個I2C接口，3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），2個SPI接口(18M位/秒），CAN接口（2.0B主動），USB 2.0全速接口；多達3個同步的16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道，達 140個具有中斷功能的 I/O 端口。與其他單片機相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點，可滿足系統(tǒng)要求。圖2是這個芯片在本系統(tǒng)硬件電路中的核心控制電路框圖。

3.2 4G通信模塊SIM7600CE

本系統(tǒng)的SIM7600CE是一款支持移動、聯(lián)通和電信4G網(wǎng)絡(luò)的高度集成化模塊，具有性能高，成本低和功耗低等特點。利用該模塊可以使遠程控制端與家庭中網(wǎng)絡(luò)相互連接，主體控制器和遠程控制終端能夠相互通信，發(fā)送控制指令，實際功能在操作中效果良好。

3.3 無線傳輸ZigBee模塊

ZigBee技術(shù)是一種非常優(yōu)秀的雙向互通無線通訊技術(shù)，其技術(shù)方案是介于藍牙技術(shù)和無線標(biāo)記技術(shù)之間，它廣泛應(yīng)用于簡單、低速、短距、少耗能、低成本的多種電氣信息設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換傳遞，所以ZigBee技術(shù)非常適用于智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為ZigBee模塊的CPU，該芯片整合了 ZigBee RF前端、內(nèi)存和基于 51內(nèi)核的微控制器等。CC2530是廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，具有靈敏度高和干擾性強，以及成本較低的優(yōu)勢。

3.4 智能語音模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用的SYN7318語音模塊是由一款龍邱科技公司最新推出的語音控制芯片。SYN7318中文語音交互模塊集成了語音識別、語音合成和語音喚醒功能模塊、是通過UART接口通訊方式接收命令幀。語音識別控制終端是用戶與該家居智能控制系統(tǒng)的主要交互方式，用戶可以通過語音喚醒功能實現(xiàn)語音識別，通過從云端返回的字符串，判斷出用戶的指令，把命令發(fā)給服務(wù)器，由服務(wù)器把命令轉(zhuǎn)發(fā)給已上線的主控制器端，從而執(zhí)行用戶命令，實現(xiàn)智能家居的語音控制。例如調(diào)整當(dāng)前室內(nèi)亮度、開關(guān)電燈、開關(guān)電動門、開關(guān)窗簾、開關(guān)和設(shè)置空調(diào)、開關(guān)加濕器、開關(guān)排氣風(fēng)扇、開關(guān)排插、撥打電話、發(fā)送短信等等。同時，該終端還會做出相應(yīng)的語音反饋，方便主人了解指令是否傳達成功。

3.5 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計

該部分設(shè)計的功能用于監(jiān)測家居室內(nèi)的溫度、濕度和光照強度等，通過采集的各類信息進行分析處理，當(dāng)室內(nèi)濕度太低時，加濕器會自動打開以增加濕度；當(dāng)室內(nèi)亮度不足或者過亮?xí)r，可變亮度燈和遮光窗簾會自動調(diào)整，以保持室內(nèi)光強恒定；

幸好，有一個同事，幫了我很多忙。還有一些朋友，時不時來看我；出院后，他們帶著我玩，外地和本地。抑郁癥患者最重要的是多一些交流和溝通，少一個人在房間里悶著、胡思亂想。身邊朋友們的好，是一種拯救。也因此，對所有人感恩，感激于每一個對你無償伸出援手的人，還有那些不落井下石，給予只言片語安慰和鼓勵的人，不僅是一種自覺的素質(zhì)，更是一種必不可少的習(xí)慣和品性。

濕度傳感器采用DHT11，DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃。具體的電路模塊設(shè)計策略為：DHT11的3腳連接ZigBee的IO引腳,1腳連接 3.3V-5V直流電源端，2腳接GND。圖3是DHT11傳感模塊的硬件電路圖。

光傳感器采用GY-30, GY-30采用ROHMBH1750FVI芯片，基于標(biāo)準(zhǔn)NXP IIC通信協(xié)議，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定，供電范圍3.3V-5V，光照范圍0-65535lx。具體的電路模塊設(shè)計策略為：GY-30的2腳連接ZigBee的IIC總線時鐘引腳, 3腳連接ZigBee的IIC總線數(shù)據(jù)引腳，1腳連接 3.3V-5V直流電源端,4腳接GND。圖4是GY-30傳感模塊的硬件電路圖。

3.6 消防報警設(shè)計

該部分設(shè)計的功能用于實時監(jiān)測家居室內(nèi)的煙霧濃度，根據(jù)預(yù)設(shè)好的閾值進行報警提示或靜默運行，以提升用戶室內(nèi)煙霧濃度是否超標(biāo)，以此作為消防報警系統(tǒng)是否運行的參照。選擇MQ-2煙霧及可燃氣體傳感模塊，該傳感器共4個引腳，其中2個用于檢測信號的傳輸，2個用于電源和地線的連接，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)對煙霧、液化氣、酒精揮發(fā)氣體的檢測。具體的電路模塊設(shè)計策略為：MQ-2的3腳連接ZigBee的IO引腳,1腳連接 3.3V-5V直流電源端,2腳接GND。圖5是MQ-2傳感模塊的硬件電路圖。

3.7 系統(tǒng)電源管理設(shè)計

圖4：為GY-30傳感模塊的硬件電路圖

圖5：為MQ-2傳感模塊的硬件電路圖

圖6：電源穩(wěn)壓電路原理圖

為了增加系統(tǒng)的可靠性和安全性，在城市電網(wǎng)供電的基礎(chǔ)上增加電池供電來降低系統(tǒng)因市電斷電造成的故障。當(dāng)外部電源斷開時，繼電器內(nèi)部導(dǎo)通，由電池給外部系統(tǒng)供電，當(dāng)外部電源接入時，繼電器內(nèi)部關(guān)閉，電池和系統(tǒng)電源之間斷開，外部電源對系統(tǒng)供電。圖6是電源穩(wěn)壓電路原理圖。

增加了切換電路的設(shè)計，讓家居系統(tǒng)在意外停電的瞬間保存所有家居設(shè)備的工作狀態(tài)以及傳感器采集回來的數(shù)據(jù)，并在復(fù)位后穩(wěn)定恢復(fù)所有數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 Linux系統(tǒng)中的Web服務(wù)器搭載

遠程服務(wù)器采用阿里云公司的阿里云服務(wù)器，它提供可擴展的計算容量，且擁有公網(wǎng)唯一IP，理論上在任何地方只要能連接因特網(wǎng)，就可以與服務(wù)器進行通信。通過阿里云服務(wù)器，我們可以快速部署應(yīng)用程序，并使用CPU、內(nèi)存、硬盤等資源。我們的服務(wù)器是在Linux Centos7操作系統(tǒng)下的Socket編程實現(xiàn)的，所有的函數(shù)均來自Linux下的Socket函數(shù)庫，利用Socket進程和IO流等技術(shù)與家中的設(shè)備、上位機程序等建立連接進行通信。

圖7：上位機與主控通信的流程圖

圖8：ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

4.2 上位機交互方案

Web端軟件方面，我們使用C#編寫了上位機與云服務(wù)器通信。主要起到遠程監(jiān)控家居環(huán)境數(shù)據(jù)信息，對家居的設(shè)備發(fā)送控制命令。圖7是上位機與主控通信的流程圖。

4.3 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計

圖9：遠程服務(wù)器工作框架

4.4 ZigBee終端節(jié)點設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點程序主要是實現(xiàn)接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的信息、傳感器收集的數(shù)據(jù)和控制相應(yīng)設(shè)備功能。終端節(jié)點上電后，會進行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，如果有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)再自動加入，然后接收發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，判斷消息指令，執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。圖9是ZigBee終端節(jié)點程序流程圖。

5 系統(tǒng)測試

整個系統(tǒng)在硬件平臺搭建好后，進行軟件的編程和調(diào)試后，需要對系統(tǒng)進行一個全面的測試，來驗證系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和穩(wěn)定性。

測試過程中，在上位機的控制界面里，進行相應(yīng)的操作，就可以實現(xiàn)對空調(diào)、排氣扇、加濕器、電動窗簾、電燈和插座等家居設(shè)備控制，每種家電設(shè)備都進行了30次開關(guān)，結(jié)果表明設(shè)備響應(yīng)及時，開關(guān)靈敏度較好。

為了保證家居智能控制系統(tǒng)的安全性，配備的指紋門禁終端能夠提前錄入主人指紋，并且通過紅外熱釋電監(jiān)測是否有人靠近門口，當(dāng)有人靠近時則要求驗證指紋。若指紋驗證失敗，則進行蜂鳴器報警以保證安全。系統(tǒng)還能夠通過采集的各類信息進行分析處理，當(dāng)室內(nèi)濕度太低時，加濕器會自動打開以增加濕度；當(dāng)室內(nèi)亮度不足或者過亮?xí)r，可變亮度燈和遮光窗簾會自動調(diào)整，以保持室內(nèi)光強恒定；發(fā)生煤氣泄漏或污染氣體濃度太大（達到一定閾值）時，排氣風(fēng)扇會自動打開進行排氣，同時報警以及遠程通知主人；當(dāng)室外天氣下雨時，如果大門開著，則會自動關(guān)閉大門，防止流水進屋；在夜間，當(dāng)室內(nèi)的紅外傳感器感應(yīng)到有人時，燈光會自動亮起，做到人在燈亮，人走燈滅等等。

6 結(jié)束語

通過糅合現(xiàn)有的傳感檢測技術(shù)和自動控制技術(shù)，借助4G-LET網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)器，結(jié)合 ZigBee 短距離無線組網(wǎng)通信設(shè)計了智能家居控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了家電設(shè)備和家居環(huán)境的遠程和實時監(jiān)控。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精確、擴展性和兼容性強及成本低等優(yōu)點，因此系統(tǒng)的市場應(yīng)用前景較好，對于智能家居的發(fā)展具有一定的意義。