STM32在智能家居安全報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭弘揚

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044）

1 研究背景

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活水平得到提高，智能居住環(huán)境已經(jīng)成為人們居住環(huán)境一種趨勢，而家居系統(tǒng)是信息時代背景下，社會發(fā)展的必然產(chǎn)物。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能家居又產(chǎn)生了一次新的變革，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息技術(shù)，智能家居為人們的居住環(huán)境提供了更多的便利。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的發(fā)展，我國進(jìn)入智能化社會已經(jīng)成為必然趨勢，智能家居就是智能社會發(fā)展的一大體現(xiàn)。智能家居即具有智能化功能的家居用品，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、移動通信等技術(shù)，將家具用品等利用技術(shù)平臺關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)智能控制。雖然智能家居系統(tǒng)已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點，但它仍需要不斷改進(jìn)和完善，以積極推動其發(fā)展，更好地服務(wù)于人們的日常生活［1］。智能家居系統(tǒng)正逐步向智能化方向發(fā)展，集成語音功能、指紋、人臉識別和紅外功能，已成為一個全面的安全系統(tǒng)，并與不同品牌的家電互聯(lián)［2］。目前，不同制造商和產(chǎn)品的智能家居系統(tǒng)及其設(shè)備之間存在的不匹配、不兼容等問題亟待解決。一個完善的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計不僅要實時、準(zhǔn)確地采集家居環(huán)境參數(shù)，還要根據(jù)采集到的環(huán)境參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，設(shè)定合適的參數(shù)調(diào)整當(dāng)前的環(huán)境。在設(shè)計過程中，各部分所用硬件的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，因為它不僅影響系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，還會影響控制指令的輸出和執(zhí)行效果。

2 STM32的應(yīng)用原理

STM32單片機主要是通過GPIO口輸入模式啟動功能。根據(jù)需要可以調(diào)整輸入的頻率，當(dāng)前常用的調(diào)整頻率主要有2 MHz，10 MHz和50 MHz。同時，單片機的主板上還有一個復(fù)位鍵，可以實現(xiàn)頻率的復(fù)位，被稱為復(fù)位鍵RST。這一功能需要通過SWD 5個針腳外接ST-LINK/V2來實現(xiàn)。STM32的應(yīng)用原理如圖1所示。

圖1 STM32的應(yīng)用原理

3 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居的概念最早出現(xiàn)在美國。智能家居以住宅為平臺，集建筑設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動化系統(tǒng)于一體，旨在建立一個集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理于一體的高效、舒適、安全、便捷、環(huán)保的生活環(huán)境［3］。智能家居利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和綜合布線技術(shù)，將與家居生活相關(guān)的各個子系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，通過全面管理，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效地安排時間，提高家居生活的安全性和舒適性，節(jié)約各種能源成本。目前，設(shè)計師可以通過互聯(lián)網(wǎng)加強系統(tǒng)的改進(jìn)和建設(shè)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，智能家居系統(tǒng)可分為傳感器、執(zhí)行器、控制中心、通信網(wǎng)絡(luò)和人機界面，具體如圖2所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 傳感器

傳感器的主要功能是收集當(dāng)下環(huán)境的信息參數(shù)，如人體信息、水、燃?xì)狻囟?、濕度、亮光等，并將信息參?shù)發(fā)送給控制中樞?？刂浦袠性龠M(jìn)行智能分辨，通過傳達(dá)指令來完成任務(wù)。

3.2 執(zhí)行器

執(zhí)行器通過控制中樞發(fā)出的相關(guān)信息指令。傳感器將信息發(fā)送給控制中樞，控制中樞通過控制指令發(fā)出信息，并且完成相關(guān)動作。如智能家居的門鎖、家電、窗簾控制器等都是通過執(zhí)行器來完成。

3.3 控制中樞

控制中樞是智能家居的核心系統(tǒng)，它與傳感器連接起來，能實現(xiàn)傳輸和指令控制的功能，根據(jù)傳感器發(fā)送的信息滿足用戶的需求和設(shè)定，再由執(zhí)行器完成控制中樞發(fā)出的指令。

4 智能家居系統(tǒng)功能

智能家居功能體現(xiàn)在對室內(nèi)溫濕度的控制。溫濕度是智能家居的實現(xiàn)保障，因為實現(xiàn)對溫濕度的控制是保障智能家居進(jìn)入使用狀態(tài)和操作狀態(tài)的重要標(biāo)志。

4.1 設(shè)置功能

設(shè)置功能主要滿足用戶的設(shè)置需求，在初始狀態(tài)下用戶可以修改和更換相關(guān)的名稱或者位置等，這些是個性化的設(shè)置，用戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行設(shè)置。

4.2 打開功能

用戶可以控制燈的一些參數(shù)，例如遠(yuǎn)程自動開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程用戶通過移動終端可以把燈打開，提前預(yù)設(shè)亮燈時間和亮度。

4.3 切換功能

通過控制相關(guān)的按鈕可以實現(xiàn)切換功能，滿足用戶的使用需求，比如在室內(nèi)，用戶可以通過切換功能設(shè)定燈的關(guān)閉時間，這樣就能實現(xiàn)自動關(guān)閉燈的任務(wù)，還可以切換白天和夜間的照明模式。

4.4 調(diào)光功能

調(diào)光功能主要是設(shè)置亮度，在不同的狀態(tài)下，用戶可以根據(jù)自身需求設(shè)定相關(guān)參數(shù)，亮度可以從0到100字自行調(diào)節(jié)，當(dāng)達(dá)到100時就會關(guān)閉，并且0時是打開狀態(tài)。

5 STM32在智能家居報警系統(tǒng)的應(yīng)用原則

本設(shè)計的主要宗旨就是為市場提供性價比較高的智能家電。電路預(yù)警系統(tǒng)主要從安全角度出發(fā)，通過智能系統(tǒng)設(shè)計，提高預(yù)警系統(tǒng)的有效性和科學(xué)性，同時，在成本上進(jìn)行特殊的材料和系統(tǒng)設(shè)計處理，降低成本，以提高系統(tǒng)的實用性和性價比，設(shè)計出一款物美價廉的預(yù)警系統(tǒng)。從整個運行系統(tǒng)中可以看出，本系統(tǒng)是基于實用性、性價比、安全可靠性、可拓展性等幾個原則實施的。

5.1 系統(tǒng)實用性

系統(tǒng)實用性主要以智能家居監(jiān)測、智能家居控制和相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計3大模塊為主，然后在設(shè)置方面通過對燈光、窗簾、溫濕度、可燃?xì)怏w密度感應(yīng)等的設(shè)計，加強參數(shù)設(shè)置的精確度和可操作性，智能家居的控制主要是對燈光進(jìn)行控制，或?qū)Υ昂煹睦_和收起進(jìn)行控制。智能家居監(jiān)測主要是對溫濕度的變化進(jìn)行監(jiān)測，通過控制溫室度實現(xiàn)家居的智能化。可燃?xì)怏w主要是通過智能家居實現(xiàn)對可燃?xì)怏w的監(jiān)控，實現(xiàn)安全使用的目標(biāo)。

5.2 性價比原則

當(dāng)前市場的智能家居產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，出現(xiàn)了較多的偽劣產(chǎn)品，并且低質(zhì)量產(chǎn)品正在大量涌入市場［4］。智能家居產(chǎn)品的門檻相對較高，因為它不僅要實現(xiàn)智能化，還要保障用戶的信息安全。智能家居不僅要滿足用戶的需求，也應(yīng)該在產(chǎn)品技術(shù)上實現(xiàn)安全保障。所以從產(chǎn)品的廉價性來看，該單片機在智能家居報警系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅滿足了用戶安全性能的需求，而且還提高了智能家居產(chǎn)品的質(zhì)量。

5.3 安全可靠性原則

安全可靠性主要是指智能家居電路系統(tǒng)都需要具有安全性和可靠性。安全性是指智能家居控制系統(tǒng)中要具有一定的可控和準(zhǔn)確性，為居民提供較安全的、不會發(fā)出錯誤報警的預(yù)警系統(tǒng)。而可靠性主要是指整個系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確性和精確性，保證不能出現(xiàn)錯誤或錯亂等現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確地反映環(huán)境數(shù)據(jù)。

5.4 可拓展性原則

可拓展性主要是指預(yù)警系統(tǒng)在整個連接過程中，可以隨時根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)需求進(jìn)行功能添加，拓展系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的使用性，同時，還可以通過使用過程中的皆可設(shè)計方式隨意搭配各個家用產(chǎn)品。

6 STM32在智能家居報警系統(tǒng)中的功能和應(yīng)用

6.1 STM32在智能家居報警系統(tǒng)的中的功能

燈是智能家居中重要且常用的家具用品，所以對燈光的控制是實現(xiàn)智能家居的基礎(chǔ)［5］，通過對燈光開關(guān)、顏色、調(diào)光等的模塊設(shè)計，借鑒傳感器節(jié)點與燈光的開關(guān)連接，就能實現(xiàn)家居的智能化，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺將命令傳輸?shù)椒?wù)器中就可以實施。

6.1.1 設(shè)置功能

用戶在初始狀態(tài)下可以設(shè)置燈的名字，還可以修改所屬燈的名稱和位置。

6.1.2 遠(yuǎn)程/自動開燈功能

用戶可以控制某些或一盞燈，例如當(dāng)遠(yuǎn)程用戶可以通過移動終端打開燈；用戶可提前自動設(shè)置光圈，例如當(dāng)房主回家需要開燈時，可以自動設(shè)置。

6.1.3 遠(yuǎn)程/自動關(guān)燈功能

用戶可以控制某些或一個指示燈，例如當(dāng)遠(yuǎn)程用戶可以通過移動終端關(guān)閉燈；用戶可以自動關(guān)閉提前設(shè)置時間的燈，如在用戶夜間睡眠時，自動關(guān)閉用戶家里所有的燈。

6.1.4 亮度調(diào)整功能

用戶隨時可以控制光的亮度，在照明狀態(tài)下，參數(shù)設(shè)定范圍是0~100，其中0是打開狀態(tài)，100則是關(guān)閉狀態(tài)。

6.1.5 狀態(tài)報告功能

當(dāng)用戶的智能網(wǎng)關(guān)連接到燈時，燈被點亮，在打開狀態(tài)下，用戶端會報告，從閉合狀態(tài)到開放狀態(tài)，智能網(wǎng)關(guān)都能關(guān)聯(lián)到用戶家中當(dāng)前照明的燈，實時報告其當(dāng)前的狀態(tài)，狀態(tài)數(shù)值范圍為0~100。

6.2 STM32在智能家居報警系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

6.2.1 紅外設(shè)備控制系統(tǒng)

紅外設(shè)備控制系統(tǒng)由紅外應(yīng)答器組成。紅外應(yīng)答器主要學(xué)習(xí)紅外遙控器的紅外編碼，通過網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，移動應(yīng)用可以進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程控制紅外設(shè)備的切換(例如空調(diào)、電視、DVD等）［6］。智能安防系統(tǒng)由家庭報警器、各種傳感器和傳輸電纜組成。各種傳感器都部署在家庭的重要位置和區(qū)域。全方位的傳感器可以取代家庭中傳統(tǒng)的加固防盜網(wǎng)。智能家居網(wǎng)關(guān)將安防系統(tǒng)中的各種傳感器(如煙霧檢測、移動檢測、玻璃破損檢測、窗簾檢測、門磁等）與門禁、可視對講、監(jiān)控記錄等系統(tǒng)連接起來，可通過智能家居觸摸屏隨時監(jiān)控和操作，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。集中所有安全系統(tǒng)可以減少家庭環(huán)境中墻上的各種顯示設(shè)備，只需使用觸摸屏控制所有安全系統(tǒng)，操作就變得非常簡單。

6.2.2 視頻監(jiān)控

對物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)使用案例進(jìn)行的分析表明，Web Service是由服務(wù)器提供的服務(wù)。首次登錄的用戶需要通過注冊REGIST，并修改初始設(shè)置，設(shè)置個人信息。用戶通過第一次設(shè)置的傳感器節(jié)點，套入窗簾、光、可燃?xì)怏w等位置信息和參數(shù)信息，設(shè)定該節(jié)點的合適溫度和濕度。對于每一個主節(jié)點的名稱、位置、狀態(tài)和其他設(shè)置都可以隨時更新。在使用期間，用戶可以通過系統(tǒng)控制光幕窗簾和家中燈具，隨時了解家庭可燃?xì)怏w的溫度和濕度參數(shù)［7］。

6.2.3 指紋鎖

指紋鎖集合了計算機技術(shù)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，提高了用戶的居住安全性。指紋解鎖具有方便、快速、精確等特點。隨著科學(xué)技術(shù)的普及，智能家居必將獲得越來越好的發(fā)展，越來越多的人開始選擇指紋鎖。

6.2.4 遠(yuǎn)程控制

通過對智能家居家用電器的控制模型的分析，利用系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用戶隨時可以重新設(shè)置家用電器的開關(guān)，更利于促進(jìn)家用電器開關(guān)的智能化。

7 用戶登錄驗證

從以上系統(tǒng)設(shè)計可以看出，智能家居的關(guān)鍵部分在于控制命令，在控制系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)該加入家庭IP等地址，以便于進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，加強用戶登錄的安全性，保障用戶智能家居得到相應(yīng)控制和家居安全。

8 結(jié)語

智能家居不僅應(yīng)用了無線遙控，也實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，用戶可以在任意地點控制家里電器的開關(guān)。每天臨下班時，用戶只要通過手機發(fā)送命令，家里的電飯煲就可以自動煮飯，洗衣機就可以開始洗衣服，空調(diào)也能自動提前打開，調(diào)節(jié)到人體舒適的溫度。當(dāng)用戶回到家里，隨著門鎖被開啟，家中的安防系統(tǒng)會自動解除室內(nèi)警戒狀態(tài)，廊燈緩緩點亮，空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)自動啟動，讓房主回到家時能從家務(wù)中解脫，消除工作疲勞，身心得到放松。綜上所述，基于對智能化家居的了解，筆者以TM32為主控芯片，利用手機控制的智能化系統(tǒng)實現(xiàn)家居智能化，通過“手機＋WiFi”的控制模式，為用戶搭建一鍵控制的平臺，提高對家居的日常監(jiān)控力度。同時，用戶通過App和控制板的WiFi模塊互聯(lián)，可隨時在手機查看環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。