基于單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)研究

高鑫茹

摘要：伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，人們對于生活的要求越來越高。隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的一個廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，逐漸走進(jìn)了人們的視野并成為了市場關(guān)注的焦點(diǎn)。本文對智能家居的背景及發(fā)展?fàn)顩r做了簡單介紹，了解了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并分析了當(dāng)前智能家居的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計了一款基于STM 15系列單片機(jī)為控制核心的智能家居系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，具體軟、硬件開發(fā)及無線傳輸網(wǎng)的選擇與使用，實現(xiàn)了對家中一些家用電器的控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；STM15；單片機(jī)

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(jì)80年代的美國，稱之為SmartHome。智能家居的發(fā)展經(jīng)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(lián)系，也沒有形成網(wǎng)絡(luò)；第二階段是住宅自動化階段，這個時期實現(xiàn)了一些電氣的特定的功能如全自動洗衣機(jī)、自動抄表等，部分電器之形成了簡單的網(wǎng)絡(luò)；第三階段是家居智能化階段，這一階段是面向系統(tǒng)的設(shè)計階段，利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)將家居生活中的各種相關(guān)設(shè)備進(jìn)行集成，實現(xiàn)集中管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2智能家居的發(fā)展?fàn)顩r

在智能家居的研發(fā)方面，美國及一些歐洲國家一直處于世界先進(jìn)水平。此外，日本、韓國、新加坡等國的龍頭企業(yè)也都紛紛加入到家居智能化的開發(fā)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(shù)提供研究和發(fā)展的機(jī)遇都是較晚一些的，然而國內(nèi)的發(fā)展環(huán)境與其他國家相比較又具有較明顯的優(yōu)勢，對于智能家居產(chǎn)業(yè)化得到了政府及有關(guān)部分的鼎力支持和國內(nèi)優(yōu)越市場環(huán)境的引導(dǎo)，所以發(fā)展的步伐非常迅速。進(jìn)入二十一世紀(jì)初，國內(nèi)智能家居仍然多表現(xiàn)為智能單品，但智能家居不是一個產(chǎn)品，而是一個系統(tǒng)化的概念。但在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引導(dǎo)下，國內(nèi)智能家居系統(tǒng)再一次得到了嶄新的發(fā)展良機(jī)。我國推出了相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行智能化小區(qū)的建設(shè)，實現(xiàn)智能家居產(chǎn)品技術(shù)朝向技術(shù)統(tǒng)一的方向進(jìn)行發(fā)展。現(xiàn)階段智能家居系統(tǒng)被集成到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，實現(xiàn)對象與對象之間的家居、人與物之間的信息交流，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)再次對智能家居系統(tǒng)提出了新的解釋。目前我國對于智能家居系統(tǒng)需求大量的需求，未來市場具有廣闊的發(fā)展空間，智能家居技術(shù)的發(fā)展也具有良好的實踐環(huán)境。

2對嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)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(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)。本文選擇的微控制器即我們常說的單片機(jī)，它具有較強(qiáng)的中斷控制系統(tǒng)，能夠快速響應(yīng)外界的中斷，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)產(chǎn)品中的控制功能。目前常用的單片機(jī)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(jié)省了開發(fā)時間，在降低產(chǎn)品體積和成本也有相當(dāng)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(wǎng)關(guān)的核心處理器，其各環(huán)節(jié)原理圖如圖1。

2.2對軟件部分的研究

要完成網(wǎng)關(guān)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(tǒng)。目前主流的嵌入式操作系統(tǒng)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(wǎng)關(guān)的軟件開發(fā)平臺。

Android系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用在手機(jī)、Pad等移動設(shè)備上，它是以Linux為基礎(chǔ)的開源式系統(tǒng)。安卓系統(tǒng)最大的優(yōu)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(fā)語言，目前的開發(fā)人員較多，應(yīng)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(wǎng)是為了實現(xiàn)活動半徑小、業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線通信最大的優(yōu)點(diǎn)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(wǎng)和短距離寬帶技術(shù)的發(fā)展是無線個域網(wǎng)發(fā)展的催化劑?，F(xiàn)今的無線個域網(wǎng)主要有紅外、射頻識別、藍(lán)牙、超寬帶、Wi-Fi以及ZigBee等，基于我們的技術(shù)和功能要求，本文選擇的無線傳輸網(wǎng)是WiFi系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用WiFi的無線遠(yuǎn)程控制來實現(xiàn)對智能家居的遠(yuǎn)程管理。目前市場上WiFi設(shè)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(tǒng)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(nèi)置TCP/IP棧協(xié)議，可以實現(xiàn)WiFi和串口之間的轉(zhuǎn)換。該模塊可以兼容3.3V和5V的單片機(jī)系統(tǒng)，這樣可以很方便和主控芯片進(jìn)行連接，此外，它還支持WIFISTA、串口轉(zhuǎn)AP和WIFISTA+WIFIAP三種模式，這有利于開發(fā)。除了以上幾點(diǎn)，ESP8266還具有以下特點(diǎn)：

（1）價格低廉

ESP8266模塊目前是主流WiFi模塊產(chǎn)品中價格相對便宜的一款WiFi模塊，它以最低的成本實現(xiàn)最大的功能，非常實用，這非常符合系統(tǒng)的研發(fā)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(guān)等，它們?nèi)慷几叨燃显贓SP8266模塊上，這樣高度集合使ESP8266模塊體積小，便于設(shè)計使用。

（3）應(yīng)用多樣化

ESP8266應(yīng)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(chǎn)品等等，如此廣泛的應(yīng)用使ESP8266有很多資料，這樣可以大大縮減研發(fā)周期，進(jìn)而降低研發(fā)成本。

3結(jié)語

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能科技逐漸融入了生活，人們對生活質(zhì)量的追求也隨著智能科技的發(fā)展不斷提升。傳統(tǒng)的家居環(huán)境己不能滿足人們對高質(zhì)量生活品質(zhì)的追求，更具有安全性、舒適性、便利性和藝術(shù)性的智能化家居環(huán)境需求日增。

近些年來，得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也給家居的智能化帶來了新的爆發(fā)點(diǎn)。如今的智能家居，是面向系統(tǒng)的設(shè)計階段，利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)，把住宅內(nèi)各種相關(guān)的設(shè)備、家用電器、報警裝置當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行集中的監(jiān)控、管理，保持家電與環(huán)境的協(xié)調(diào)，營造一種溫馨舒適的家庭氛圍。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：山東科技大學(xué)（泰安））