基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮勛

（同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興314000）

隨著科技的高速發(fā)展，人們的生活水平日漸提高，所以物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也得到了快速的發(fā)展，人們更傾向于通過(guò)科技來(lái)讓自己的生活變得更加舒適，智能家居由此誕生。窗簾已經(jīng)成為了人們生活中的一部分，他可以保護(hù)自己的隱私不被他們侵犯，在早晨窗簾可以被設(shè)置定時(shí)自動(dòng)開啟，迎接著早晨的陽(yáng)光將是一件多么愜意的事情，此外智能窗簾還可以合理利用浪費(fèi)的光能為電機(jī)持續(xù)供電，真正的做到綠色污染。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 單片機(jī)微控模塊

針對(duì)微型控制這一個(gè)模塊推薦使用stm32 系列的微控制器，這一系列芯片具有成本低、功耗低、性能優(yōu)等特點(diǎn)，我們可以選用STM32F407 系列作為我們的實(shí)用芯片。這一芯片使用了ARM32 位的Cortex-M4 內(nèi)核，工作的峰值頻率最高可以達(dá)到168Mhz。STM32F407 系列的芯片不僅擁有15 個(gè)通訊接口、17 個(gè)定時(shí)器、USB、CAN，而且它還有擁有與以太網(wǎng)的接口，可以使網(wǎng)絡(luò)模塊得到極大的擴(kuò)展，高效有序的完成各類通訊環(huán)節(jié)，此外可以通過(guò)stm32 將各種語(yǔ)音識(shí)別模塊，光感應(yīng)控制模塊，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊有效的聯(lián)合在一起，采用這一款芯片我們還可以繼續(xù)進(jìn)行其他的開源設(shè)計(jì)，方便更好的為后期其他的嵌入式硬件打下良好的基石。

1.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

采用WT588D 作為語(yǔ)音模塊，該模塊具有功能強(qiáng)大、音質(zhì)支持范圍高、性能穩(wěn)定而得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)部自帶32Mb 的SPI-Flash 存儲(chǔ)，13 位的DA 轉(zhuǎn)換器和128 位的PWM輸出，支持6K-22KHz 采樣率的音頻加載,可以進(jìn)行提示音的錄入與語(yǔ)音識(shí)別功能的加載過(guò)程，我們可以通過(guò)開源的軟件進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，用戶可以通過(guò)選擇液晶顯示屏的選項(xiàng)控制單片機(jī)，進(jìn)而控制WT588D 進(jìn)行語(yǔ)音錄制模塊的開源個(gè)性化設(shè)置，比如當(dāng)用戶選擇液晶顯示屏中的控制窗簾開合程度50%進(jìn)行語(yǔ)音開源錄制，語(yǔ)音識(shí)別模塊就會(huì)根據(jù)當(dāng)事人說(shuō)過(guò)的具體內(nèi)容來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)窗簾開合。

1.3 光感應(yīng)控制模塊

在陽(yáng)光照射采集這樣一個(gè)模塊中推薦是使用Po188 可見光照傳感器，它是一個(gè)光電集成的傳感器，常見入射波長(zhǎng)為520nm，傳感器的內(nèi)部還安有雙敏感元接收器，可以自動(dòng)的衰減近紅外，使得光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線，高度敏感的區(qū)域?yàn)榭梢姽夥秶?，輸出電流隨著光照強(qiáng)度呈線性變化。Po188 光照傳感器是經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換和stm32 的控制來(lái)確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，一旦光照強(qiáng)度大于某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的時(shí)候，他就會(huì)給單片機(jī)發(fā)送一個(gè)特殊的指令信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行一個(gè)開合窗簾的過(guò)程。

1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)的工作原理是在將接收端的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移信號(hào)進(jìn)行固定角度轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)器件，步進(jìn)電機(jī)具有優(yōu)秀的起停能力可以較為精確地控制窗簾開合的程度，此外因?yàn)槊坎降木仍?%～5%，而且不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性。推薦使用集成驅(qū)動(dòng)芯片L298 作為動(dòng)力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，由于L298 可被PWM信號(hào)控制電機(jī)調(diào)速，所以可以使用stm32f104 單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)PWM波去控制L298 芯片，從而間接的控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)主控程序的開發(fā)與設(shè)計(jì)

針對(duì)軟件編程環(huán)境的選擇，我們采用Keil uVision5 作為我們編程環(huán)境，通過(guò)stc-isp-15xx-v6.86O 軟件將編程好的信息燒錄進(jìn)我們的stm32 中，程序設(shè)計(jì)的理論如下：

如果光照強(qiáng)度大于500Lux 小于2500Lux 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將被發(fā)送一個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行正轉(zhuǎn)操作，使得窗簾處于打開狀態(tài)，數(shù)碼管顯示光照強(qiáng)度，液晶顯示屏幕的信息為“當(dāng)前狀態(tài)=打開100%”；當(dāng)大于或等于2500Lux 小于5000Lux 時(shí)，電機(jī)開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)，窗簾被部分關(guān)閉，液晶顯示屏幕當(dāng)前的信息為“當(dāng)前狀態(tài)=打開80%”；當(dāng)光照大于5000Lux 小于7000Lux 時(shí)，電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，再次顯示光照強(qiáng)度，液晶顯示屏幕此時(shí)的信息為“當(dāng)前狀態(tài)=打開50%”，當(dāng)光照一旦小于15Lux(此時(shí)已達(dá)到傍晚或者已經(jīng)是夜晚狀態(tài)）為保護(hù)用戶的個(gè)人隱私窗簾將自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)顯示“當(dāng)前狀態(tài)=打開0%”，此外用戶也可以根據(jù)不同的實(shí)際情況選用不同的模式，比如當(dāng)用戶想要午睡的時(shí)候可以選擇液晶顯示屏中的“關(guān)閉”按鈕自動(dòng)將窗簾全部閉合，可以為窗簾設(shè)置一個(gè)定時(shí)，等到了指定時(shí)間，窗簾將會(huì)自動(dòng)開啟利用陽(yáng)光喚醒用戶，由于陽(yáng)光不像鬧鐘那樣具有極大的刺激作用，可以讓那些有起床氣的用戶有更加良好的使用體驗(yàn)。

2.2 關(guān)于控制接收端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

關(guān)于控制接收端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)我們選用由TI 公司生產(chǎn)具有CC2530 芯片的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 使用的是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它建設(shè)一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需要的材料成本非常低。CC2530 芯片結(jié)合了許多領(lǐng)先RF 收發(fā)器的優(yōu)秀性能，其中包括業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530 可以進(jìn)行不同的工作模式，這使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530 系統(tǒng)硬件電路是由穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等電路的組合而成。通過(guò)Zigbee 將各種電子元器件給實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)到手機(jī)或者電子顯示屏上，所有的用戶因此可以有更好的體驗(yàn)。Zigbee 可以建立很多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也可以通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸數(shù)據(jù)通訊，所有它的信息傳送量是很大的，此外Zigbee 的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是具有良好的兼容性，在進(jìn)行操作的時(shí)候可以連接眾多的家庭控制網(wǎng)絡(luò)。作為新一代的產(chǎn)物Zigbee 還符合當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的主題，在收發(fā)信息時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以很好的節(jié)約電能。

3 結(jié)論

本文完成了對(duì)智能窗簾的設(shè)計(jì)從外界光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，到單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的分析與判斷，從而發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)合適的PWM信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)窗簾進(jìn)行開合過(guò)程，可以通過(guò)Java 軟件開發(fā)一款智能手機(jī)App 或者是微信小程序，通過(guò)wifi 信號(hào)對(duì)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和控制，也可以通過(guò)液晶顯示屏顯示傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)。如果遇到突然停電等特殊情況，窗簾的向陽(yáng)面也含有太陽(yáng)能電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電能繼續(xù)為單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等模塊進(jìn)行供電，此外也可以直接對(duì)窗簾進(jìn)行人為物理的控制，我相信這是很人性化的，在智能窗簾上我們不僅要體現(xiàn)出他的智能化而且更要體現(xiàn)出它最為一款新時(shí)代的智能家居系統(tǒng)為人類帶來(lái)的良好用戶體驗(yàn)，絕不能因?yàn)橛捎谒闹悄芑鴮?dǎo)致失去原有的功能，它的升級(jí)一定是在保留了原來(lái)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)不好的地方的改良，最后我相信我們的生活會(huì)因?yàn)榭萍甲兊酶用篮谩?/p>