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(jìn)步及人類自身生活水平與生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)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(shì)。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(jià)格讓人望而止步，而無線通信技術(shù)的發(fā)展和智能手機(jī)的出現(xiàn)給智能家居的普及帶來了新的生機(jī)。智能家居是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)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(jī)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(duì)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(jí)。運(yùn)用新技術(shù)開發(fā)一種廉價(jià)、兼容性強(qiáng)、和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的智能家居系統(tǒng)很有必要。為此設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)家居內(nèi)環(huán)境、電器、報(bào)警子系統(tǒng)監(jiān)控。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家居的智能化操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)家居環(huán)境數(shù)據(jù)信息、安防報(bào)警和遠(yuǎn)程控制家電設(shè)備等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)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(yuǎn)程服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、各類智能終端、上位機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶可以通過上位機(jī)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(diǎn)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(diǎn)還是操作當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收消息并解析消息，從而來隨時(shí)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(yuǎn)程服務(wù)器上的，通過電腦可以隨時(shí)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(jì)

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

室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)單元包括：室內(nèi)溫度、濕度檢測(cè)、污染物的氣體濃度檢測(cè)、光照強(qiáng)度檢測(cè)和當(dāng)前天氣狀況檢測(cè)。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(cè)單元包括：紅外熱釋電監(jiān)測(cè)、指紋驗(yàn)證和自動(dòng)報(bào)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(huì)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(cè)是否有人靠近門口，當(dāng)有人靠近時(shí)則要求驗(yàn)證指紋。若指紋驗(yàn)證失敗，則進(jìn)行蜂鳴器報(bào)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(jī)控制，進(jìn)行家居基礎(chǔ)設(shè)備有關(guān)命令的下達(dá)，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(shí)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(jì)

3.1 主微處理器設(shè)計(jì)

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(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25 DMips/MHz；片上集成256-512KB的Flash存儲(chǔ)器，高達(dá)的SRAM存儲(chǔ)器；多達(dá)9個(gè)通信接口，其中2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），2個(gè)SPI接口(18M位/秒），CAN接口（2.0B主動(dòng)），USB 2.0全速接口；多達(dá)3個(gè)同步的16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道，達(dá) 140個(gè)具有中斷功能的 I/O 端口。與其他單片機(jī)相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)要求。圖2是這個(gè)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(dòng)、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(diǎn)。利用該模塊可以使遠(yuǎn)程控制端與家庭中網(wǎng)絡(luò)相互連接，主體控制器和遠(yuǎn)程控制終端能夠相互通信，發(fā)送控制指令，實(shí)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(lán)牙技術(shù)和無線標(biāo)記技術(shù)之間，它廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)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(qiáng)，以及成本較低的優(yōu)勢(shì)。

3.4 智能語音模塊設(shè)計(jì)

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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)語音識(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)，該終端還會(huì)做出相應(yīng)的語音反饋，方便主人了解指令是否傳達(dá)成功。

3.5 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

該部分設(shè)計(jì)的功能用于監(jiān)測(cè)家居室內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度等，通過采集的各類信息進(jìn)行分析處理，當(dāng)室內(nèi)濕度太低時(shí)，加濕器會(huì)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)調(diào)整，以保持室內(nèi)光強(qiáng)恒定；

幸好，有一個(gè)同事，幫了我很多忙。還有一些朋友，時(shí)不時(shí)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(gè)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(duì)所有人感恩，感激于每一個(gè)對(duì)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(lì)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(hào)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(jì)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(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測(cè)定，供電范圍3.3V-5V，光照范圍0-65535lx。具體的電路模塊設(shè)計(jì)策略為：GY-30的2腳連接ZigBee的IIC總線時(shí)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(bào)警設(shè)計(jì)

該部分設(shè)計(jì)的功能用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居室內(nèi)的煙霧濃度，根據(jù)預(yù)設(shè)好的閾值進(jìn)行報(bào)警提示或靜默運(yùn)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(bào)警系統(tǒng)是否運(yùn)行的參照。選擇MQ-2煙霧及可燃?xì)怏w傳感模塊，該傳感器共4個(gè)引腳，其中2個(gè)用于檢測(cè)信號(hào)的傳輸，2個(gè)用于電源和地線的連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙霧、液化氣、酒精揮發(fā)氣體的檢測(cè)。具體的電路模塊設(shè)計(jì)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(jì)

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(shí)，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(shí)，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(duì)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(jì)，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(jì)

4.1 Linux系統(tǒng)中的Web服務(wù)器搭載

遠(yuǎn)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(kuò)展的計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的，所有的函數(shù)均來自Linux下的Socket函數(shù)庫，利用Socket進(jìn)程和IO流等技術(shù)與家中的設(shè)備、上位機(jī)程序等建立連接進(jìn)行通信。

圖7：上位機(jī)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(jī)交互方案

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

4.3 ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

圖9：遠(yuǎn)程服務(wù)器工作框架

4.4 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序主要是實(shí)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(diǎn)上電后，會(huì)進(jìn)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(dòng)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(diǎn)程序流程圖。

5 系統(tǒng)測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)在硬件平臺(tái)搭建好后，進(jìn)行軟件的編程和調(diào)試后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)全面的測(cè)試，來驗(yàn)證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定性。

測(cè)試過程中，在上位機(jī)的控制界面里，進(jìn)行相應(yīng)的操作，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、排氣扇、加濕器、電動(dòng)窗簾、電燈和插座等家居設(shè)備控制，每種家電設(shè)備都進(jìn)行了30次開關(guān)，結(jié)果表明設(shè)備響應(yīng)及時(shí)，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(cè)是否有人靠近門口，當(dāng)有人靠近時(shí)則要求驗(yàn)證指紋。若指紋驗(yàn)證失敗，則進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警以保證安全。系統(tǒng)還能夠通過采集的各類信息進(jìn)行分析處理，當(dāng)室內(nèi)濕度太低時(shí)，加濕器會(huì)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)調(diào)整，以保持室內(nèi)光強(qiáng)恒定；發(fā)生煤氣泄漏或污染氣體濃度太大（達(dá)到一定閾值）時(shí)，排氣風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)打開進(jìn)行排氣，同時(shí)報(bào)警以及遠(yuǎn)程通知主人；當(dāng)室外天氣下雨時(shí)，如果大門開著，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉大門，防止流水進(jìn)屋；在夜間，當(dāng)室內(nèi)的紅外傳感器感應(yīng)到有人時(shí)，燈光會(huì)自動(dòng)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(cè)技術(shù)和自動(dòng)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(jì)了智能家居控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家電設(shè)備和家居環(huán)境的遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精確、擴(kuò)展性和兼容性強(qiáng)及成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)的市場(chǎng)應(yīng)用前景較好，對(duì)于智能家居的發(fā)展具有一定的意義。