劉世偉　邱玉泉　韓均雷　陳月　鐘一達

摘 要：文中設計了一套基于STM32微控制器的無線智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合ZigBee 組網技術、GPRS通信技術和傳感器技術等，可實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時、高精度、高穩(wěn)定性監(jiān)測，并能進行遠程無線監(jiān)控。

關鍵詞：STM32；智能家居；ZigBee；GPRS

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）03-00-02

0 引 言

智能家居的概念早已形成，但是目前市場尚缺乏遠程無線操控產品。針對這一需求，設計了一套能夠遠程無線操控的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)?；赟TM32微控制器、GPRS網絡技術和ZigBee短距離無線通信技術設計的遠程智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過系統(tǒng)中的各類傳感器實現(xiàn)對家居的遠程監(jiān)測，更能利用簡單的光電耦合裝置實現(xiàn)對家居電器設備的自動控制。在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中，采用無線網絡技術可以解決有線網絡布線麻煩、網絡節(jié)點多、使用電纜數(shù)量龐大等問題， 更符合家庭網絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點， 將無線網絡技術應用于家庭網絡已經成為主流趨勢。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)采用微控制器進行集中監(jiān)控，結合信號采集裝置和輸出控制裝置，并通過各個采集節(jié)點組網實行無線監(jiān)控，在操控端可以用LCD觸屏進行本地操作控制，也可以利用手機客戶端實現(xiàn)遠程操控，系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

微控制器對各采集節(jié)點實行集中控制，即在家中各個需要監(jiān)控的器件處設立采集節(jié)點，各采集節(jié)點通過ZigBee協(xié)議進行內部局域組網。每個采集節(jié)點包含傳感器、家用電器設備等，由微控制器對采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，而用戶可以利用LCD觸屏或手機客戶端監(jiān)控界面直觀地觀測并進行控制。

采集節(jié)點與微控制器之間利用ZigBee通信協(xié)議結合SPI全雙工同步串行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、處理、存儲，且在LCD觸屏上顯示，并可通過觸屏操作發(fā)出相應的控制指令，如控制家中空調，燃氣器具等家居電器設備；而微控制器和手機客戶端之間則采用GPRS網絡結合USART全雙工同步/異步串行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的下達。

用戶在觀測、監(jiān)控家居狀況的同時可以根據(jù)控制要求設置適宜家居環(huán)境比較精確的參數(shù)門限值和采樣時間間隔，以提高控制精度，改善家居環(huán)境的舒適性、安全性等，給用戶更好的家居體驗。

2 系統(tǒng)硬件設計

建立智能家居系統(tǒng)，硬件是關鍵和基礎，它對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制和反饋的準確性、節(jié)能性都有直接影響，為了更好的設計智能家居系統(tǒng)硬件，此家居系統(tǒng)在硬件結構設計方面采用集成模塊化設計，降低了硬件結構的復雜度，使設計、調試和維護等操作簡單化。

2.1 信號采集裝置模塊

信號采集模塊主要包括溫濕度傳感器、可燃性氣體傳感器等，其作用即采集溫濕度、可燃性氣體濃度等信號。

本系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，可省去溫濕度信號的模數(shù)轉換等信號調理過程。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并采用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性。而可燃性氣體傳感器則采用MQ-5氣體傳感器，MQ-5對丁烷、丙烷、甲烷的靈敏度高，可檢測多種可燃氣體，所以十分適合在智能家居中使用，且壽命長，成本低。

2.2 輸出控制裝置模塊

系統(tǒng)的輸出控制模塊部分主要是依靠光電耦合器、繼電器和執(zhí)行機構（家居電器設備，如空調、燃氣設備）等實現(xiàn)。光電耦合器是在控制電路中起控制與隔離作用的驅動部件，在本系統(tǒng)中由微控制器對采集到的數(shù)據(jù)與用戶設置的門限值進行比較，發(fā)出相應的控制指令，如驅動家居報警裝置或使光電耦合器驅動繼電器，控制家中空調等設備工作，實現(xiàn)對家居環(huán)境的智能控制。

2.3 微控制器模塊

意法半導體公司的STM32是一系列超低功耗類型的單片機，此單片機Cortex-M3內核具有集成性高、低功耗、實時應用、價格合理等優(yōu)勢。STM32F103xx系列32位閃存微控制器的工作頻率為72 MHz，片上集成了高速存儲器和通過APB總線連接的豐富且增強的外設和I/O口。所有的外設都可匹配標準的通信接口，無需配置額外組件從而減少系統(tǒng)成本，滿足開發(fā)需要。

3 通信網絡設計

基于ZigBee的特點，本系統(tǒng)采集節(jié)點與微控制器之間利用ZigBee無線傳感網絡技術自組內部局域網，而微控制器和手機客戶端之間則采用GPRS網絡實現(xiàn)通信。

3.1 ZigBee網絡

ZigBee技術是一種雙向短距離無線通信技術，其網絡層支持三種網絡拓撲結構，分別為星型、網狀、簇狀結構，而星型網絡結構簡單、管理方便，適合小范圍的室內家居應用。

本系統(tǒng)選用支持ZigBee協(xié)議的CC2530芯片，CC2530網絡節(jié)點主要由傳感器、處理單元和通信單元等組成，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和信號傳送的任務。

3.2 GPRS網絡

GPRS網絡是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，特別適用于頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。將其運用到智能家居系統(tǒng)具有實時在線、接入范圍廣、數(shù)據(jù)傳送速率高、支持TCP/IP協(xié)議和X.25協(xié)議、運行費用低等特點。

經過性能與成本的綜合考慮，GPRS通信模塊采用西門子公司內嵌TCP/IP協(xié)議的MC55模塊。該模塊采用AT指令操作，通過RS-232串行口連接至微控制器的USART串口，實現(xiàn)手機客戶端與微控制器間的數(shù)據(jù)通信。

4 軟件設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件編程由C語言實現(xiàn)，系統(tǒng)軟件總體流程如圖3所示。

本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要由底層驅動程序、系統(tǒng)主程序、顯示子程序、ZigBee通信子程序及GPRS子程序等部分組成，需要注意的是，ZigBee與微控制器之間的通信協(xié)議，以及微控制器與GPRS之間的通信協(xié)議，即串口通信的波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等數(shù)據(jù)傳輸格式設置均需保持一致，這樣才能保證設備間通信的順利進行。

5 結 語

該系統(tǒng)在實驗中取得了良好的效果，且該設計具有很好的擴展性，可以集成多種信號傳感器。采用低功耗的STM32微控制器為控制核心，結合ZigBee組網技術和GPRS網絡技術，在滿足現(xiàn)場需求的情況下，性能穩(wěn)定，造價不高，對智能家居等測控領域方面的研究具有指導意義。

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