基于STM32的家庭節(jié)電控制系統(tǒng)開發(fā)

劉威 石澤宇 張?jiān)破? 張巧杰

摘要：本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32單片機(jī)的家庭節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了無線模塊、傳感器技術(shù)、觸摸屏技術(shù)及GMS模塊等，實(shí)現(xiàn)可以讓你不論身處何地，一樣掌控家中家電設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)既節(jié)能又智能的更加人性化的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：STM32開發(fā)板；GSM模塊；觸摸屏；用電器

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）51-0057-02

一、引言

家庭用電的節(jié)能應(yīng)從主動(dòng)節(jié)能和被動(dòng)節(jié)能兩方面入手，當(dāng)前傳統(tǒng)的家庭用電由電力公司單方面進(jìn)行管理，雖然通過宣傳教育和提高電價(jià)，可增強(qiáng)公民的主動(dòng)節(jié)電意識(shí)，但由于大多數(shù)用戶沒有家庭能耗的詳細(xì)分析數(shù)據(jù)，在節(jié)電上很多時(shí)候存在較大的不確定性和誤區(qū)。在能源匱乏的今天，選擇家庭節(jié)電作為研究對(duì)象，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)導(dǎo)師的建議和本人的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)家用電器每年浪費(fèi)大量的電能，如電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的待機(jī)，使用大功率燈具，空調(diào)溫度設(shè)置為極高極低的溫度等現(xiàn)象，家庭節(jié)電具有很大的潛力。通過對(duì)生活中常出現(xiàn)的電能浪費(fèi)現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查并分析了各種內(nèi)在原因，決定從燈光照明、空調(diào)系統(tǒng)、家用電器三個(gè)方面設(shè)計(jì)優(yōu)化的家庭節(jié)電控制系統(tǒng)。

本課題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)低端實(shí)用的家庭節(jié)電控制系統(tǒng)，利用32位單片機(jī)配合嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能家庭節(jié)電控制的基本功能，該系統(tǒng)不追求復(fù)雜的功能和絢麗的外觀，主要著眼于簡(jiǎn)單實(shí)用、使用方便、價(jià)格低廉等特性，在課題的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中能夠增強(qiáng)自身嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)能力，在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

二、工作原理

基于STM32的家庭節(jié)電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動(dòng)各種連結(jié)裝置，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動(dòng)的影音效果。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)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(shè)備。

本系統(tǒng)中本地控制通過接入觸摸屏，由觸摸屏上的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)，待機(jī)電源管理系統(tǒng)可以本地觸摸屏上關(guān)閉待機(jī)電器，本部分只是其中最小的一個(gè)功能。

2.電壓電流檢測(cè)系統(tǒng)（見圖2）。此部分就是通過電流檢測(cè)模塊顯現(xiàn)的電流圖形，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換反映給單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)做出一定的調(diào)整，然后可以傳輸給我們所用的設(shè)備。比如，當(dāng)我們都在外面上班，檢測(cè)到屋內(nèi)電流很大，為了節(jié)約用電，就要檢查一下，是否有些電器忘了關(guān)，以至于能夠及時(shí)的關(guān)上，巧妙地達(dá)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(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)過處理器本身的A/D轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器相關(guān)處理通過溫度顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。比如，下班回家之前要先開空調(diào)，然后就可以此系統(tǒng)通過溫度感受然后確定什么時(shí)候開空調(diào)，從而能確定在到家的時(shí)候屋內(nèi)溫度正好合適，這樣既達(dá)到智能又達(dá)到節(jié)能的效果。

4.無線模塊。無線模塊（RF wireless module），是數(shù)字?jǐn)?shù)傳電臺(tái)（Digital radio）的模塊化產(chǎn)品，是指借助DSP技術(shù)和無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)模塊。無線模塊延伸到很多的系統(tǒng)中，工業(yè)控制的開關(guān)量io設(shè)備、485無線傳輸設(shè)備、模擬量采集和控制設(shè)備。從使用最早的按鍵電碼、電報(bào)、模擬電臺(tái)模塊加無線MODEM，發(fā)展到目前的數(shù)字電臺(tái)模塊和DSP、軟件無線電；傳輸信號(hào)也從代碼、低速數(shù)據(jù)（300～1200bps）到高速數(shù)據(jù)。

有線通信方式的建立必須架設(shè)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(shù)傳電臺(tái)建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式則無需架設(shè)電纜或挖掘電纜溝，只需要在每個(gè)終端連接無線數(shù)傳電臺(tái)和架設(shè)適當(dāng)高度的天線就可以了。相比之下用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，節(jié)省了人力物力，投資是相當(dāng)節(jié)省的。

有線通訊的局限性太大，在遇到一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，比如遇到山地、湖泊、林區(qū)等特殊的地理環(huán)境或是移動(dòng)物體等布線比較困難的應(yīng)用環(huán)境的時(shí)候，將對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程有著極強(qiáng)的制約力，而用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將比有線通訊有更好的、更廣泛的適應(yīng)性，幾乎不受地理環(huán)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(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。

本結(jié)構(gòu)主要通過單片機(jī)與GMS模塊和手機(jī)的互相關(guān)聯(lián)，把要通知的其余各個(gè)模塊的信息通過短信發(fā)送到手機(jī)上，從而讓我們能及時(shí)掌握屋內(nèi)電器的用電使用情況，真正達(dá)到智能省電。

三、功能描述

1.觸摸屏發(fā)出控制指令給單片機(jī)，單片機(jī)通過無線模塊將關(guān)斷信號(hào)傳送給下位機(jī)，下位機(jī)接受后通過控制繼電器控制電器開關(guān)。

2.通過手機(jī)可以遠(yuǎn)程發(fā)送短信給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)開關(guān)相應(yīng)的電器。

3.傳感器檢測(cè)室內(nèi)變化，通過AD＼DA轉(zhuǎn)換將信號(hào)傳給單片機(jī)，發(fā)出報(bào)警或者短信。

4.待機(jī)檢測(cè)裝置檢測(cè)待機(jī)電流，將信息反饋給用戶，用戶關(guān)閉電源。

四、結(jié)論

此系統(tǒng)功能上大致分為危險(xiǎn)報(bào)警控制、電壓電流檢測(cè)控制系統(tǒng)、家用電器電源管理三部分。危險(xiǎn)報(bào)警控制系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)氣體的成分及溫度，當(dāng)空氣中有煙霧或者有害氣體濃度達(dá)到一定值或者檢測(cè)到溫度超過一定值時(shí)，由STM32控制系統(tǒng)報(bào)警并發(fā)送一條短信到固定手機(jī)用戶。電壓電流檢測(cè)控制系統(tǒng)能夠檢測(cè)室內(nèi)電壓電流狀況，如果有電機(jī)電流，告知用戶關(guān)閉。電源管理系統(tǒng)可以本地觸摸屏上關(guān)閉待機(jī)電器，也可以遠(yuǎn)程關(guān)掉出門時(shí)忘關(guān)的電器?？梢栽诩疫b控用電設(shè)備，融入了遠(yuǎn)程控制模塊以及智能節(jié)能的思想理念。遠(yuǎn)程控制可以讓你不論身處何地，一樣掌控家電設(shè)備。

該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試用，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的用電設(shè)備控制和反饋準(zhǔn)確，達(dá)到了節(jié)能和無線控制的目標(biāo)。所以，使用此設(shè)備可以為人們提供方便、舒適的生活環(huán)境，并且此系統(tǒng)控制方便，節(jié)能環(huán)保，外擴(kuò)能力強(qiáng)，適合家庭使用，具有較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]孟博宇.STM32自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3]彭震.51菜鳥到ARM（STM32）高手進(jìn)階之旅[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[4]李方圓.觸摸屏工程應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[5]侯海濤.國(guó)內(nèi)外智能家居發(fā)展現(xiàn)狀[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2004.

[6]張運(yùn)剛，宋小春/從入門到精通 觸摸屏技術(shù)[M].人民郵電出版社.