基于本地化ARM 主控的智能家居聯(lián)動(dòng)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳俊龍，魏小鎮(zhèn)，黃堪杰，陳嘉欣，黃映欣

（廣東東軟學(xué)院，廣東佛山，528200）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展以及人們生活節(jié)奏加快，智能家居的應(yīng)用場景越來越豐富，智能家居使用和方便越來越受人們青睞。智能家居泛指以一個(gè)網(wǎng)關(guān)為總節(jié)點(diǎn)，多個(gè)傳感器和控制終端為子節(jié)點(diǎn)，各子節(jié)點(diǎn)和總結(jié)點(diǎn)之間采用無線或有線方式進(jìn)行通信的嵌入式自動(dòng)化系統(tǒng)。旨在提高用戶的生活水平，帶給用戶愉快的生活體驗(yàn)。但市面上的智能家居系統(tǒng)普遍存在價(jià)格高昂，功能花哨而不實(shí)用的特點(diǎn)，本課題針對這一痛點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)部分日常生活實(shí)用價(jià)值較高的功能，例如日程定時(shí)提醒，全屋聯(lián)動(dòng)，家用電器的語音控制，線上控制，及定時(shí)開關(guān)等。

1 方案設(shè)計(jì)

智能家居節(jié)點(diǎn)終端要求采用低功耗，分布式，允許有一定延遲的嵌入式系統(tǒng)及傳感器。本文介紹了以低功耗芯片CC2530 為無線模塊，STM32F103 芯片為總控（網(wǎng)關(guān)）通過路由和節(jié)點(diǎn)終端（STM32F103）的連接，結(jié)合語音識(shí)別模塊，構(gòu)建一套智能家居系統(tǒng)。

本套智能家居系統(tǒng)共包括兩套主板和一個(gè)軟件。門控板和網(wǎng)關(guān)主板采用射頻通信，模擬物聯(lián)網(wǎng)通信過程，后期會(huì)改用Zigbee（CC2530）完成無線通信開發(fā)。

圖1 門控終端結(jié)構(gòu)框圖

門控終端采用12V 電池供電，通過LM2596 降壓芯片將電壓降為5V，3.3V 供入系統(tǒng)；射頻模塊采用MFRC-522模塊進(jìn)行讀卡；2個(gè)獨(dú)立按鍵模擬門鈴（外側(cè)）和開門按鍵（內(nèi)側(cè)）；綠色指示燈亮起表示識(shí)別成功，紅色指示燈提示識(shí)別失敗；電磁鎖采用12V 斜口電磁鎖，電磁鎖直接從電池取電；無線模塊采用Zigbee 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 網(wǎng)關(guān)終端結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)關(guān)終端采用7.2V 電池供電，網(wǎng)關(guān)接收溫濕度傳感器（DHT11）的數(shù)據(jù)，并顯示于OLED 屏幕上；獨(dú)立按鍵可控制門控端電磁鎖開關(guān)；無線模塊接收門控終端的信息，照明電路可通過軟件和語音控制，也可以通過按鍵控制燈亮滅；揚(yáng)聲器可播放門鈴音樂和全屋鬧鐘，并發(fā)出語音提示；舵機(jī)電路控制窗戶開合。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 電源電路

本系統(tǒng)采用7.2V 電池供電，單片機(jī)及各元器件采用3.3V 電壓供電，且考慮到射頻模塊（Zigbee 模塊）工作電流較大，因此電源方案采用LM2596S 為主方案，并同時(shí)預(yù)備AMS1117 為備用方案。以下介紹LM2596S 的設(shè)計(jì)思路：電源輸入端接入7.2V 電池，輸入端并聯(lián)一個(gè)0.1μF 的濾波電容，將芯片的第5 腳接地使能輸出，在輸出端和GND 并聯(lián)一個(gè)1N5824 鉗位二極管，通過串聯(lián)一個(gè)47μH 的電感，將3.3V 電壓輸入至單片機(jī)系統(tǒng)，為確保電壓穩(wěn)定，輸出端電壓要反饋至Feedback 腳，即芯片第4 腳。最后在輸出端與GND 之間接入一個(gè)0603 封裝的LED 和1k 的電阻，指示燈亮表示電壓正常輸出。為方便產(chǎn)品測試，將3.3V 電壓和GND 等電源腳引出排針。

圖3 大電流降壓模塊

圖4 RFID 射頻模塊

圖5 液晶屏接線

圖6 E18 模組

■2.2 射頻模塊

射頻模塊采用RC522，采用SPI 總線進(jìn)行通信，SPI 總線為全雙工通信，在SCK 引腳上升沿時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入芯片或者讀出數(shù)據(jù)。IC 卡靠近塊后，RFID 模塊將模寫入數(shù)據(jù)到IC 卡，再從IC卡中將數(shù)據(jù)讀出，然后將數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)到單片機(jī)。

■2.3 OLED 顯示屏

本項(xiàng)目采用中景園公司的OLED 液晶屏，屏幕SSD1306 驅(qū)動(dòng)芯片，可使用I2C 和SPI 接口連接單片機(jī)進(jìn)行通信。顯示屏支持藍(lán)，白，黃三種顯示顏色。本項(xiàng)目使用I2C 接口的屏幕，減少驅(qū)動(dòng)代碼移植的難度，I2C 通信速度較低，主要用于顯示部分調(diào)試信息。

■2.4 Zigbee 模組

Zigbee 模組采用深圳EBYTE 公司的CC2530 集成模組——E18-MS1。模塊可支持4dBm 的發(fā)射功率，通信距離200 米內(nèi)。該模塊出廠默認(rèn)帶有自組網(wǎng)程序，支持上位機(jī)調(diào)試軟件二次開發(fā)。E18 多節(jié)點(diǎn)組成的Mesh 網(wǎng)絡(luò)具備組織、治愈功能，其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、吞吐率高、可靠性強(qiáng)是該產(chǎn)品獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。模塊采用串口通信，連接到單片機(jī)USART3 進(jìn)行開發(fā)。

■2.5 語音模塊

語音模塊采用JR6001，該模塊采用單片機(jī)串口控制。模塊1、2 腳為電源腳；3、4 腳分別連接單片機(jī)Tx 和Rx 引腳；第5 腳所接LED 為音頻輸出指示燈，當(dāng)音頻信號(hào)輸出到6、7 腳時(shí)，指示燈會(huì)閃爍一次。U1 為排針接口，連接揚(yáng)聲器。

■2.6 窗戶舵機(jī)

2 扇窗戶采用舵機(jī)進(jìn)行推拉開關(guān)，由于單片機(jī)引腳的電流不夠，采用三極管構(gòu)成共發(fā)射極放大電路進(jìn)行電流放大。R2 和R3 為限流電阻，防止當(dāng)I/O 口為高電平時(shí)，電流過大擊穿發(fā)射極，D_PWMx 引腳已通過外接排阻上拉為高電平。當(dāng)PWMx 引腳為高電平時(shí)，三極管發(fā)射極與集電極導(dǎo)通，D_PWMx 輸出低電平；當(dāng)PWMx 引腳為低電平時(shí)，三極管發(fā)射極與集電極截止，D_PWMx 輸出高電平。因此該電路可形成一個(gè)反相器，即PWMx 占空比為80%時(shí)，D_PWMx 為20%。

■2.7 指示燈電路（板載）

指示燈采用排阻上拉連接單片機(jī)，減少元器件焊接難度。3 個(gè)指示燈連接I/O 口，用于調(diào)試排阻的2、3 號(hào)腳連接舵機(jī)電路進(jìn)行上拉，LED4 為電源指示燈，排阻9 號(hào)腳連接單片機(jī)復(fù)位引腳RESET，同時(shí)并聯(lián)一顆104 電容濾波。

■2.8 照明電路（外接）

照明電路用于為外接的USB 燈管提供足夠的電流，本項(xiàng)目采用ULN2003 芯片，該芯片可提供每個(gè)輸出口最高0.5A 的電流，可為系統(tǒng)照明燈電路提供足夠的電流。LEDx網(wǎng)絡(luò)接入單片機(jī)的I/O 口，右側(cè)的輸出口連接到USB 插座的負(fù)極，USB 插座正極直連電源，當(dāng)LEDx 為高電平時(shí)，對應(yīng)輸出端為低電平，此時(shí)LED 燈條會(huì)被點(diǎn)亮，反之熄滅。

圖7 JR6001 語音播報(bào)模塊

圖8 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖9 排阻構(gòu)成的指示燈電路

圖10 照明電路

圖11 門控板軟件框架

圖12 網(wǎng)關(guān)板軟件框架

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件結(jié)構(gòu)框圖

門控板和網(wǎng)關(guān)板上層軟件驅(qū)動(dòng)軟件主要分為以下部分：

(1)GPIO 配置：主要控制LED 指示燈和檢測按鍵電平；

(2)RC522 射頻卡：用模擬SPI 總線配置射頻模塊的各項(xiàng)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)尋卡，讀卡識(shí)別卡號(hào)的功能；

(3)OLED 顯示屏：使用模擬I2C 協(xié)議驅(qū)動(dòng)屏幕，用于顯示一部調(diào)試信息。

(4)電磁鎖驅(qū)動(dòng)：配置同普通I/O 口，但由于電磁鎖通電時(shí)間不能過長，所以每次向鎖芯通電的時(shí)間都設(shè)置為0.8 秒。

(5) 語音模塊：JR6001 采用串口通信，AT 指令控制，采用單片機(jī)一路USART，配置為發(fā)送模式，波特率115200，通過串口AT 指令，可實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能；

(6)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)：2 路舵機(jī)由單片機(jī)輸出2 路低頻率PWM驅(qū)動(dòng)，初始化頻率配置定時(shí)器工作頻率，通過在循環(huán)函數(shù)中修改PWM 占空比可控制舵機(jī)打角。

(7)Zigbee 模塊：采用串口+AT 指令控制，使用一路USART 配置為收發(fā)模式，開啟接收中斷。

■3.2 主程序流程及中斷流程

3.2.1 門控板主程序

門控板主要完成IC 卡識(shí)別，串口3（Zigbee）指令識(shí)別，繼電器開關(guān)，卡號(hào)比對的功能，工作流程如下：

(1)單片機(jī)上電后，對各模塊進(jìn)行初始化配置。

(2)初始化模塊配置后，測試各模塊功能；

(3)IC 卡尋卡，如果識(shí)別到IC 卡，則刷新RC522_ID_Buff 數(shù)組的卡號(hào)；

(4)串口3 識(shí)別指令，并配置相應(yīng)的標(biāo)志位；

(5)掃描按鍵狀態(tài)，配置對應(yīng)的標(biāo)志位；

(6)識(shí)別Door_flg 標(biāo)志位，若為1，則繼電器通電0.8 秒；否則執(zhí)行下一個(gè)流程；

(7)對當(dāng)前IC 卡存儲(chǔ)數(shù)組RC522_ID_Buff 中的卡號(hào)與存儲(chǔ)在Card_One 數(shù)組中的卡號(hào)進(jìn)行比對，卡號(hào)相通則將Success 寫入顯示屏；否則執(zhí)行下一個(gè)流程；

（8）使用ReFlash 函數(shù)刷新屏幕數(shù)據(jù)；

（9）重復(fù)執(zhí)行流程3-8。

圖13 門控板主流程

3.2.2 門控板中斷

門控板中斷程序主要為串口中斷，當(dāng)串口收到數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)。中斷處理流程如下：

(1)進(jìn)入中斷后，首先識(shí)別接收中斷標(biāo)志位USART_IT_RXNE，是否為1，不為1 則，直接退出中斷；

(2)若為1 則清除接收中斷標(biāo)志位USART_IT_RXNE；

(3) 將串口寄存器USARTx->DR 的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；

(4)結(jié)束流程，退出中斷。

圖14 串口中斷流程

3.2.3 網(wǎng)關(guān)板主程序

網(wǎng)關(guān)板主要完成，串口指令發(fā)送，按鍵掃描，LED 燈顯示，ULN2003 驅(qū)動(dòng)（電器開關(guān)）和PWM 輸出（窗戶舵機(jī)）等功能，工作流程如下：

（1）單片機(jī)上電后，對各模塊進(jìn)行初始化配置，時(shí)鐘，定時(shí)器，GPIO，NVIC 中斷，串口，OLED 顯示屏；

（2）在初始化完成后，對各個(gè)模塊進(jìn)行功能測試，GPIO 全部拉為高電平，串口和OLED 顯示屏打印“Hello World”；

圖15 網(wǎng)關(guān)板工作流程

（3）對8 個(gè)按鍵依次掃描識(shí)別，識(shí)別到I/O 口為低電平則更新存儲(chǔ)按鍵號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理；

（4）識(shí)別串口緩存數(shù)組的內(nèi)容，識(shí)別出指令后，設(shè)置相應(yīng)電器的標(biāo)志位，隨后清空緩存區(qū)；

（5）根據(jù)標(biāo)志位，對LED 燈的I/O 口進(jìn)行電平輸出；

（6）根據(jù)舵機(jī)標(biāo)志位，輸出相應(yīng)占空比的PWM 波形；

（7）根據(jù)標(biāo)志位，對ULN2003 進(jìn)行電平輸出；

（8）刷新OLED 顯示屏；

（9）重復(fù)流程3—8。

■3.3 各模塊子流程

3.3.1 RC522 射頻卡配置

在RC522 初始化流程中，首先對SPI 的4 個(gè)重要I/O口進(jìn)行輸入輸出配置；然后通過SPI 總線對模塊進(jìn)行軟件復(fù)位，將CS引腳置于低電平作選通使能。接下來二次復(fù)位之后，開始寫入命令，配置模塊。

在尋卡子流程中，首先調(diào)用PcdRequest 函數(shù)進(jìn)行尋卡，尋卡結(jié)果返回到變量ucStatus 中。若ucStatus 為1，則表示尋卡成功，將卡號(hào)輸出到ID 指針變量中，否則結(jié)束尋卡，退出該流程；流程圖如圖16 所示。

圖16 RC522 模塊軟件初始化流程和尋卡流程

圖17 OLED 初始化及顯示流程示例

圖18 電磁鎖控制流程圖

圖19 舵機(jī)脈沖長度對應(yīng)打角角度

RC522 各參數(shù)配置如下：

(1)工作方式：ISO14443-A；

(2)工作模式：接收和發(fā)送；

(3)內(nèi)部定時(shí)器初值：30。

3.3.2 OLED 顯示屏

中景園的OLED 顯示屏，采用I2C 協(xié)議款，在初始化流程中，首先使能PB7 和PB8 所在的APB2 總線時(shí)鐘；隨后初始化2 個(gè)I/O 口為推挽輸出模式；對OLED 進(jìn)行軟件復(fù)位之后，開始向顯示屏芯片寫入指令。

在主程序使用屏幕顯示數(shù)據(jù)時(shí)，流程如下：首先調(diào)用OLED_ShowString 函 數(shù)， 指定字符串大小，坐標(biāo)，字符串內(nèi)容，將字符串?dāng)?shù)據(jù)寫入OLED 的寄存器，在寫入多個(gè)字符串之后，再刷新屏幕。由于屏幕刷新的時(shí)間比字符串寫入的時(shí)間稍長，因此不建議每寫入一次字符串，就對屏幕進(jìn)行刷新，這樣會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)運(yùn)行效率低下，將所有字符串更新到寄存器中，最后再對屏幕進(jìn)行刷新，不僅節(jié)省運(yùn)算資源，而且不會(huì)造成屏幕卡頓。經(jīng)測試，該方案可行。

3.3.3 電磁鎖驅(qū)動(dòng)

電磁鎖的初始化和LED 燈相同，采用推挽輸出模式即可，初始化默認(rèn)配置RELAY 引腳為高電平，此處不過多贅述；在電磁鎖通電時(shí)，由于工作電流（0.7A）較大，為提高設(shè)備可靠性，鎖頭不可長時(shí)間通電。當(dāng)RELAY 引腳為低電平時(shí)，繼電器閉合，電磁鎖通電，斜口舌收縮；反之亦然，因此控制單片機(jī)引腳高低電平，即可實(shí)現(xiàn)電磁鎖開合。本項(xiàng)目設(shè)置電磁鎖的通電時(shí)間為0.8 秒，程序流程如下：

（1）當(dāng)判斷到開門指令時(shí)，主程序中其他模塊會(huì)將Door_flg 置1；

（2）當(dāng)Door_flg 為1 時(shí)，首先將Door_flg 標(biāo)志位清0，將RELAY 電平拉低800ms 后升回高電平；否則保持原高電平狀態(tài)；

（3）流程結(jié)束。

3.3.4 語音模塊

語音模塊采用串口控制，共存儲(chǔ)7 組指令，可播放7個(gè)音樂文件，指令表如下：

“A7:00001”——播放MP3 文件00001;

“A7:00002”——播放MP3 文件00002;

“A7:00003”——播放MP3 文件00003;

“A7:00004”——播放MP3 文件00004;

當(dāng)串口發(fā)出對應(yīng)指令給語音模塊時(shí)，JR6001 播放對應(yīng)的語音文件，語音文件按照相關(guān)規(guī)范命名。

3.3.5 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

根據(jù)舵機(jī)的數(shù)據(jù)手冊說明，舵機(jī)的脈沖周期約為2.5ms一個(gè)周期，通過不斷改變脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的占空比，可調(diào)整舵機(jī)打角的角度，可由以下公式計(jì)算舵機(jī)的脈沖頻率：

因此，當(dāng)脈沖頻率接近400Hz 時(shí)，舵機(jī)可穩(wěn)定工作，400Hz 的脈沖，是舵機(jī)的最佳頻率。STM32 的定時(shí)器輸出脈沖頻率公式如下：

fout:輸出頻率；SysClk:系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，默認(rèn)80MHz；P:分頻系數(shù)；Cnt:定時(shí)器計(jì)數(shù)值。

本項(xiàng)目系統(tǒng)始終頻率為80MHz，設(shè)輸出脈沖fout為500Hz 時(shí)，計(jì)算出分頻系數(shù)P為199，定時(shí)器計(jì)數(shù)初值Cnt為799。由于單片機(jī)系統(tǒng)從0 開始計(jì)數(shù)，所以Cnt為799 時(shí)，定時(shí)器每完成一次計(jì)數(shù)周期，正好計(jì)數(shù)800 次，分頻系數(shù)取值同理。通過輸出不同占空比的方波，舵機(jī)可精確打角到不同的角度。輸出占空比的公式如下：

Value為比較寄存器（16bit）的數(shù)值，當(dāng)定時(shí)器當(dāng)前計(jì)數(shù)值小于Value時(shí)，通道輸出為高電平；否則輸出低電平。使用LL_TIM_OC_SetCompare 可修改每個(gè)通道的Value值，即可切換不同的占空比。由此可見，STM32 的定時(shí)器設(shè)計(jì)，在PWM不同占空比輸出時(shí)，使用比51 單片機(jī)更簡便。

本項(xiàng)目定時(shí)器3 配置如下：

(1)時(shí)鐘源(Clock Source)：內(nèi)部時(shí)鐘80MHz；(2)通道配置(Channel)：通道3，通道4 配置為PWM 輸出模式；(3)PWM 模式(mode)配置：模式一（普通PWM）；(4)輸出比較器(Output Compare)：使能。

3.3.6 Zigbee 模塊

Zigbee 模塊預(yù)留USART 接口，通過串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線透傳，STM32 串口參數(shù)配置：

(1)通信波特率：115200；(2)數(shù)據(jù)長度：8 位；(3)將停止位：1 位；(4)校驗(yàn)位：無；(5)工作模式：收發(fā)模式；(6)校驗(yàn)?zāi)Ｊ剑簾oCRC 校驗(yàn)。

備注：當(dāng)收發(fā)設(shè)備的串口參數(shù)配置一致時(shí)，才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)，通信波特率通常采用115200 和9600；在完成串口配置后，需要使用USART_Cmd，開啟串口，并使用USART_ITConfig，使能串口接收中斷。

4 總結(jié)分析

將ZigBee 無線通信技術(shù)、RFID 射頻識(shí)別技術(shù)與嵌入式技術(shù)融合，設(shè)計(jì)完成了一套智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功耗低、性價(jià)比相對較高、操作簡單，實(shí)現(xiàn)了部分日常生活實(shí)用價(jià)值較高的功能，例如日程定時(shí)提醒功能，全屋家電聯(lián)動(dòng)功能，家用電器的語音控制，線上控制，及定時(shí)開關(guān)等。但該系統(tǒng)的硬件部分還需要進(jìn)一步完善，集成化的程度有待提高。