基于LabVIEW與ARM微控制器的智能家居控制系統(tǒng)

李紅麗+彭文華

摘 要：基于LabVIEW與ARM微控制器的智能家居控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、處理器STM32F107、液晶屏、外設(shè)（繼電器控制板）構(gòu)成。文章在硬件方面采用了ST公司的STM32F107VCT6作為系統(tǒng)的主控芯片，配合串口模塊、液晶屏顯示模塊，分別設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的電路原理圖。軟件方面則使用ST公司官方提供的固件庫進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)串口、液晶屏等驅(qū)動(dòng)程序，方案中同時(shí)采用LabVIEW來編寫上位機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

關(guān)鍵詞：智能家居;ARM;LabVIEW;繼電器

中圖分類號：TP29 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）09-00-02

0 ?引 ?言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)[1]被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新，成為了全球關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。 智能家居屬于物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支[2]，又稱智能住宅，英文名為Smart Home[3]，是指以住宅為基礎(chǔ)平臺，利用綜合布線、網(wǎng)絡(luò)控制、安全防范等技術(shù)將與家居生活有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行集成，其目標(biāo)是建立一個(gè)從家庭到小區(qū)乃至整個(gè)城市的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)，以提高住宅技術(shù)水平，優(yōu)化居住環(huán)境[4，5]。 本文介紹了一個(gè)實(shí)用的智能家居系統(tǒng)中的分支系統(tǒng)——基于LabVIEW與ARM微控制器的智能家居控制系統(tǒng)，利用32位ARM配合LabVIEW上位機(jī)實(shí)現(xiàn)智能家居中的遠(yuǎn)程控制功能。

1 ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成，采用LabVIEW編寫上位機(jī)顯示程序[6，7];下位機(jī)主要由ARM最小系統(tǒng)、液晶屏顯示電路、外設(shè)等組成。STM32F107作為主控芯片，通過RS-232串口控制外設(shè)的狀態(tài)，為了保證控制的準(zhǔn)確性，每次狀態(tài)有改變時(shí)，外設(shè)都要向ARM返回其改變后的狀態(tài)，并在上位機(jī)上顯示出來。

圖1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 ?系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?微控制器選型

該系統(tǒng)中用到的處理器STM32F107VCT6[8]是STM32增強(qiáng)型系列產(chǎn)品，該處理器是一個(gè)32位處理器，基于ARM V7架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，主頻72 MHz，內(nèi)部含有256字節(jié)的FLASH和64 K字節(jié)的SRAM，擁有32位寬的數(shù)據(jù)路徑、寄存器庫和內(nèi)存接口，其中包括13個(gè)通用寄存器、兩個(gè)堆棧指針、一個(gè)鏈接寄存器、一個(gè)程序計(jì)數(shù)器和一系列包含編程狀態(tài)寄存器的特殊寄存器。具有處理速度高，代碼量少的優(yōu)點(diǎn)，嵌入式快速中斷控制器支持延時(shí)操作和實(shí)時(shí)性能。

2.2 ?TFT液晶屏選型

TFT是“Thin Film Transistor”的簡稱，是指薄膜晶體管（矩陣）——可以“主動(dòng)地”對屏幕上各個(gè)獨(dú)立的像素進(jìn)行控制，圖像產(chǎn)生的基本原理為：顯示屏由許多可發(fā)以出任意顏色光線的像素組成，主要控制各個(gè)像素顯示相應(yīng)的顏色就可以達(dá)到目的。本系統(tǒng)采用TFT LCD屏，LCD屏的分辨率為320*240，262 K色，采用ILI9320控制器，包括720路源極驅(qū)動(dòng)以及320路的柵極驅(qū)動(dòng)，自帶有顯存，容量為172 800字節(jié)。ILI9320控制模塊與STM32F107處理器之間的接口為“i80-system”接口，用到的信號如圖2所示，其中DB為數(shù)據(jù)總線，其它的信號為控制信號。 由于STM32F107不支持FSMC，所以本系統(tǒng)通過GPIO總線對屏進(jìn)行訪問操作，實(shí)現(xiàn)圖形界面的顯示。

圖2 ?“i80-system”接口信號

2.3 ?串口模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ARM自帶的串行通訊模塊。STM32F107的串口非常豐富，功能也很強(qiáng)勁，最多可提供5路串口。本系統(tǒng)采用其中兩個(gè)串口，一個(gè)用來進(jìn)行上位機(jī)命令的實(shí)時(shí)接收，另一個(gè)用來實(shí)時(shí)控制外設(shè)。本系統(tǒng)選擇的串口接口是9個(gè)引腳的RS-232接口。由于處理器STM32F107輸出的是TTL/COMS電平，而PC串口為RS-232電平，所以硬件設(shè)計(jì)使用了美信（MAXIM）公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)雙向電壓轉(zhuǎn)換。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件由LabVIEW編寫完成，主要負(fù)責(zé)人機(jī)互通，發(fā)送控制命令。下位機(jī)軟件主要由STM32底層驅(qū)動(dòng)程序、串口通訊程序、液晶屏顯示程序組成。

3.1 ?上位機(jī)設(shè)計(jì)

LabVIEW[9]是一種采用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，本系統(tǒng)通過LabVIEW提供的VISA控件，設(shè)置串口為COM1口，波特率為9 600 b/s，采用事件結(jié)構(gòu)對用戶界面做出響應(yīng)，上位機(jī)顯示界面如圖3所示，每當(dāng)按下顯示界面的一個(gè)按鍵則產(chǎn)生一個(gè)事件，事件控制外設(shè)狀態(tài)。

圖3 ?上位機(jī)顯示界面

3.2 ?下位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化，液晶屏顯示歡迎界面，界面內(nèi)容包括該系統(tǒng)名字以及該系統(tǒng)在使用過程中需要注意的各項(xiàng)事項(xiàng)。ARM在接收上位機(jī)發(fā)來的指令后，將相應(yīng)的命令按照通信協(xié)議打包發(fā)送給外設(shè)，外設(shè)再將變化后的狀態(tài)按通信協(xié)議返回給ARM，ARM提取數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)顯示。下位機(jī)流程如圖4所示。

3.2.1 ?USART串行通訊程序

本系統(tǒng)中通過設(shè)置波特率寄存器USART_BRR達(dá)到配置不同波特率的目的。波特率[10]計(jì)算如式（1）：

（1）

波特率

這里的fCK是給外設(shè)的時(shí)鐘，USARTDIV是一個(gè)無符號的定點(diǎn)數(shù)：USARTDIV=DIV_Mantissa[11：0]+DIV_Fraction[3：0]/16

DIV_Mantissa[11：0]定義USART分頻器除法因子（USARTDIV）的整數(shù)部分，DIV_Fraction[3：0]定義了USART分頻器除法因子（USARTDIV）的小數(shù)部分，在寫入U(xiǎn)SART_BRR之后，波特率計(jì)數(shù)器會(huì)被波特率寄存器的新值替換。因此，不要在控制進(jìn)行中改變波特率寄存器的數(shù)值。ARM與外設(shè)之間的通信協(xié)議：數(shù)據(jù)包=前導(dǎo)碼+地址+命令控制碼+后導(dǎo)碼。

3.2.2 ?液晶屏顯示模塊程序

TFT LCD的初始化主要是在函數(shù)ili9320_Initializtion（）中實(shí)現(xiàn)的。首先，我們調(diào)用LCD_Init（）函數(shù)，對TFT LCD使用的GPIO管腳進(jìn)行初始化，完成了GPIO的初始化后，我們就可以正常訪問TFT LCD驅(qū)動(dòng)芯片了，程序首先讀取驅(qū)動(dòng)芯片的ID，然后依據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的型號執(zhí)行相應(yīng)的初始化程序，本系統(tǒng)所采用的驅(qū)動(dòng)芯片的ID為9320。

圖4 ?下位機(jī)流程圖

4 ?系統(tǒng)測試

使用本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的遠(yuǎn)程控制，我們選取的實(shí)驗(yàn)終端為一個(gè)配備了四個(gè)繼電器的控制板，上位機(jī)控制協(xié)議如以下表1所列。

表1 ?上位機(jī)控制協(xié)議上位機(jī)信號 繼電器狀態(tài)

1o 繼電器1開

1c 繼電器1關(guān)

2o 繼電器2開

2c 繼電器2關(guān)

3o 繼電器3開

3c 繼電器3關(guān)

4o 繼電器4開

4c 繼電器4關(guān)

ao 繼電器1-4全部開

ac 繼電器1-4全部關(guān)

按下上位機(jī)顯示界面的按鍵后，對應(yīng)的繼電器會(huì)實(shí)時(shí)做出響應(yīng)，如果繼電器打開了，則上位機(jī)顯示界面上對應(yīng)的燈會(huì)亮起，如果繼電器關(guān)閉，則上位機(jī)對應(yīng)的燈會(huì)熄滅。正常情況下，液晶屏顯示歡迎界面，包括系統(tǒng)的名字及系統(tǒng)的相關(guān)注意事項(xiàng)。一旦整套系統(tǒng)出現(xiàn)故障，液晶屏顯示“ERROR”，ARM向蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號，蜂鳴器響起，測試結(jié)果達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)期效果。

5 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于LabVIEW與ARM微控制器的智能家居控制系統(tǒng)。ARM處理器作為下位機(jī)接受上位機(jī)發(fā)送來的指令，實(shí)現(xiàn)了照明、家電（如空調(diào)、熱水器等）、窗簾、防盜報(bào)警、電話等遠(yuǎn)程控制。以前的智能家居控制系統(tǒng)由于功能要求不是很高，大多數(shù)都采用8位微控制器作為核心，本系統(tǒng)采用32位ARM處理器搭配LabVIEW編寫的上位機(jī)，這從根本上將智能家居的性能提高了一個(gè)很大的層次，首先在控制方法上由定時(shí)變?yōu)榱藢?shí)時(shí)遠(yuǎn)程，其次在任務(wù)執(zhí)行方面由單任務(wù)串行變?yōu)榭啥嗳蝿?wù)并行，最后加上終端可視化界面，完成了一整套功能強(qiáng)大、界面友好、操作簡單的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]田景錫.物聯(lián)網(wǎng)概論[M].南京：東南大學(xué)出版社， 2010.

[2]唐亮.我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)鏈分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[3] Kyeong-AhJeong，Salvendy， Gavriel，Proctor， Robert W. Smart home design and operation preferences of Americans and Koreans [J]. Ergonomics， 2010， 53（5）： 636-660.

[4]侯冉冉，張亮.關(guān)于智能家居系統(tǒng)的探討[J]. 住宅智能化與節(jié)能專輯， 2010， 4（4）： 2.

[5]呂璐，郝恩民，許芳婷.當(dāng)前國內(nèi)智能家居的發(fā)展探討[J].電子制作， 2015， 4（8）：235.

[6]張宇，黃偉志，郝巖.基于LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表， 2013， 34（8）：24-26.

[7]徐菲，梁志劍，裴東興，等.基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測試，2012（8）：56-58.

[8] STM32F107xx芯片數(shù)據(jù)手冊.意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司MCU技術(shù)支持[Z]. 2010-1-10.

[9]龍脈工作室. LabVIEW8.2中文版入門與典型事例[M].北京：人民郵電出版社，2010：2-96.

[10]丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2009： 1-73.