基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

田啟松 江祖旺 葉鵬

摘 ?要：在物聯(lián)網(wǎng)的研究基礎(chǔ)上，提出基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。此系統(tǒng)將各種傳感器通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù)、GSM網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)相結(jié)合，具有成本低、應(yīng)用范圍廣、測(cè)量精度高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。該系統(tǒng)由多種傳感器采集各種環(huán)境參數(shù)并傳輸至主控中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知遠(yuǎn)程用戶(hù)對(duì)家庭環(huán)境參數(shù)的改變而迅速做出相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智能家居;環(huán)境監(jiān)控;傳感器技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）35-0029-02

Abstract： On the basis of the research of the Internet of things， this paper puts forward the intelligent home environment monitoring system of the Internet of things based on STM32. This system combines all kinds of sensors through ZigBee wireless sensing technology， ARM embedded technology and GSM network communication technology. It has the characteristics of low cost， wide application range， high measurement accuracy， stable operation and so on. The system collects all kinds of environmental parameters from a variety of sensors and transmits them to the main control center. Through the network， the remote users are informed of the changes in the parameters of the home environment and quickly adjust accordingly， so as to realize the monitoring of the home environment.

Keywords： Internet of things technology; smart home; environmental monitoring; sensor technology

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等科技的發(fā)展，人們對(duì)家居生活條件要求越來(lái)越高，智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是把計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)與用戶(hù)日常生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合到一起，既可以在家庭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的自動(dòng)控制、信息共享和通信，又可以與家庭外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。智能家居監(jiān)控系統(tǒng)在未來(lái)市場(chǎng)前景十分廣闊，因此根據(jù)用戶(hù)日常居家生活環(huán)境需求，設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其整體架構(gòu)體系

把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理即為物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生，使得環(huán)境監(jiān)控、對(duì)象識(shí)別、遠(yuǎn)程控制等變得更加智能和便捷。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本架構(gòu)分為三層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層如圖1所示。

感知層：用于感知、采集物理世界的各種信息，利用通信模塊建立物理實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)的連接。

網(wǎng)絡(luò)層：即完成信息的傳遞、路由和控制。網(wǎng)絡(luò)層可以應(yīng)用各種網(wǎng)絡(luò)通信例如互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或者行業(yè)專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到后臺(tái)服務(wù)器。

應(yīng)用層：即把前端感知層得到的信息進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用，比如自動(dòng)駕駛、環(huán)境監(jiān)控、健康管理等實(shí)際的應(yīng)用。

3 智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，整個(gè)系統(tǒng)分為五個(gè)模塊，如圖2所示。

第一部分是傳感器模塊，本系統(tǒng)采用四種不同類(lèi)型傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境的各種參數(shù)，傳感器是感應(yīng)物理世界各種參數(shù)的變化并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。第二部分是ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感模塊，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將各類(lèi)傳感器組成無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，將采集到的環(huán)境參數(shù)信息傳輸?shù)街骺刂行?。第三部分是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，控制芯片選擇STM32F103RBT6。第四部分是電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)供電。第五部分為GSM通信模塊，將收到的信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信形式發(fā)送到用戶(hù)終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 主控芯片選擇

本系統(tǒng)選擇STM32F103RBT6為核心芯片，STM32是ARM系列32位處理器芯片，采用高性能Cortex-M3內(nèi)核， 閃存為512K，高達(dá)72MHz的工作頻率。此芯片外設(shè)接口豐富，實(shí)時(shí)性好，成本低、集成度高、功能強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于智能家居、智能管理等核心控制領(lǐng)域。

4.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感模塊設(shè)計(jì)

4.2.1 ZigBee模塊的選型

ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)是一種低功耗、低成本的雙向短距離無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。其中存在三種邏輯設(shè)備類(lèi)型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。E18-2G4Z27SI是億佰特設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款小體積2.4GHz頻段的ZigBee轉(zhuǎn)串口無(wú)線(xiàn)模塊，發(fā)射功率為500mW，采用美國(guó)德州儀器（TI）公司原裝進(jìn)口CC2530射頻芯片，芯片內(nèi)部集成了8051單片機(jī)及無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，并內(nèi)置 PA+LNA，極大的擴(kuò)展通信距離、提升穩(wěn)定性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景（尤其智能家居）。

4.2.2 火災(zāi)煙霧傳感器模塊

本系統(tǒng)選用MQ-2半導(dǎo)體煙霧傳感器，它以清潔空氣中電導(dǎo)率較低的金屬氧化物二氧化錫（SnO2）為主體的N型半導(dǎo)體氣敏元件，適用于煙霧、天然氣等可燃性氣體的檢測(cè)。環(huán)境中有煙霧時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率和煙霧濃度成正比，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)立即向主控中心發(fā)出信號(hào)，主控中心將信號(hào)處理后向用戶(hù)發(fā)出指令，從而有效地減少火災(zāi)給用戶(hù)帶來(lái)的生命財(cái)產(chǎn)損失。該傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定，應(yīng)用十分廣泛。

4.2.3 溫濕度度傳感器模塊

本系統(tǒng)采用集溫度、濕度傳感器于一體的傳感器SHT11，可以將環(huán)境中的溫濕度轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將參數(shù)傳輸至主控中心進(jìn)行處理，通過(guò)家居互聯(lián)控制加濕器、空調(diào)、空氣凈化器工作，使室內(nèi)溫濕度舒適。

4.2.4 光照強(qiáng)度傳感器模塊

本系統(tǒng)采用TSL230B光照強(qiáng)度傳感器，該模塊主要由光敏電阻組成，當(dāng)感應(yīng)到光照時(shí)其阻值會(huì)隨光強(qiáng)變化而變化，從而實(shí)時(shí)采集室內(nèi)光強(qiáng)信息，并傳輸至主控中心，經(jīng)過(guò)主控中心處理自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光和窗簾開(kāi)關(guān)，不僅節(jié)能，還提供用戶(hù)一個(gè)舒適宜人的光照環(huán)境。

4.2.5 人體紅外傳感器模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用HC-SR501人體紅外傳感器，可在門(mén)、窗等地方做信號(hào)采集點(diǎn)。一般情況下人體會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)約為10？滋m的紅外線(xiàn)，通過(guò)菲尼爾濾光增強(qiáng)后聚焦到紅外感應(yīng)源，紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，當(dāng)有人入侵時(shí)，熱釋電元件會(huì)感應(yīng)到人體紅外輻射溫度的變化，因失去電荷平衡而向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)放大處理后產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)報(bào)警。該模塊功耗低、觸發(fā)靈活、自動(dòng)感應(yīng)、有溫度補(bǔ)償功能，適用于各種安防檢測(cè)等設(shè)備。

4.2.6 GSM模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用深圳合方圓的GSM產(chǎn)品-GU900D GSM/ GPRS模塊，擁有短信、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等通信功能。該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)AT指令，支持多種協(xié)議的AT指令以及合方圓增強(qiáng)AT指令。該模塊的9引腳是串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，10引腳是串口通信數(shù)據(jù)接收引腳，分別連接主控芯片STM32的 RXD4和TXD4端，通過(guò)AT指令集通信。

4.2.7 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用雙電源工作模式，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。由于系統(tǒng)主控芯片需要3.3V供電，而傳感器模塊需要5V供電，故電源部分分別設(shè)計(jì)了3.3V和5V供電模式。3.3V電源電路由兩個(gè)LM317三端集成穩(wěn)壓器及其外圍電路將12V轉(zhuǎn)換為3.3V電壓輸出;5V電源電路選用了直流/直流轉(zhuǎn)換器2359芯片，輸入12 V直流電壓，輸出5V的直流電壓。系統(tǒng)使用電源適配器提供的外部12V直流電源供電，同時(shí)還有備用電源（堿性電池）。當(dāng)外部供電出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)切換為備用電源工作模式，以保證系統(tǒng)正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將各種傳感器通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和ARM嵌入式技術(shù)、GSM網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，統(tǒng)籌管理，為用戶(hù)實(shí)現(xiàn)更加人性化的家居生活環(huán)境。與以往相比，將原來(lái)靜止被動(dòng)環(huán)境結(jié)構(gòu)主動(dòng)化和智能化，不僅擁有相對(duì)全面的信息交換功能，還幫用戶(hù)創(chuàng)造更加安全、舒適、便捷和人性化的居住環(huán)境。

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