基于STM32智能家居系统 (1)

第一章 前言
1.1智能家居理论及研究价值
智能硬件是一个新名词，它伴随着人工智能而逐渐被大家所熟知，在各家各户也逐渐出现了它们的身影，方便了大家的生活。作为核心，涌现出来的基于物联网技术的智能家居（smart home）产品在生活的方方面面都有他的影子，例如与大众生活息息相关的食品管理、智能家庭、药品管理、家庭护理、网络监控、自动售卖、自动驾驶、远程自动控制、智能化楼宇、个人健康与数字化生活等[3]。正是由于这些智能化功能，使我们人类的生活不仅在舒适性方面有了很大的提高而且也增加了安全性，并且变得十分便利，为美好的生活增添了无限的可能性。进而以后小区的管理将不再投入大量的人员和资金，只需要几个人便可以实现小区的智能化集中管理。它不同于以往的管理方式，大众不仅可以随时了解到家中及小区的情况，管理人员也可以随时发现潜在的危险，提高了整个小区的安全性。但是智能硬件厂商大多为初创企业，在智能硬件技术的研究上面还不是特别深入，综上原因，对smart home的研究意义重大。
1.2智能家居系统的发展概况
国内：smart home在国内刚刚兴起，它还未被大众所接受，其市场消费观念还偏低，正在经历孵化期到成长期这一阶段，但随着大面积扩充和进一步实施smart home购买市场，购买者的购物行为和购物风气逐渐被培养起来，smart home市场的购买潜质将不容忽视，拥有着广阔的产业前景。由于以上原因，在smart home市场的探索这一方面，越来越多的全国范围内的先进的smart home生产企业开始对其投入精力，许多中国范围内杰出的smart home品牌因为对购买者需求走向改变和企业投资环境的精细周密的探索而迅速振兴，逐渐成为smart home产业中的佼佼者!在国内已历经了11年多成长壮大的smart home，从大家初步的梦想，到如今家家户户提起smart home都不感到陌生时，其经历的过程异常的艰难。另外，国家也出台了相关政策来促进物联网技术的发展。在这一片向好的市场和政策支持下，未来我国smart home将迎来需求高峰期[10]。
国外：自从第一栋智能家居在世界上出现以后，美日、德国、新加坡等国的smart home产品都得到了广泛的应用。其中诸多智能化设备都加入了smart home这个大家族，例如花草自动浇灌、太阳能与节能设备、智能安防报警设备、家居照明控制系统、智能照明设备、智能门锁窗帘窗户设备、智能穿戴设备、智能水表、智能电表、智能燃气表等 [15]。
中国的smart home市场容量在全球位列前五。其中smart home在美国的市场规模达到97.1亿美元，日本其次为11.3亿美元，德国则为9.3亿美元，

中国为5.2亿美元，英国为4.8亿美元。另外，在smart home普及率的增长情况方面，美国以5.8%位居第一。其次日本为1.3%，瑞典也达到了1.3%，挪威和德国也都达到了1.2% [10]。
1.3智能家居系统的实现方法比较
（1）总线技术：早期的smart home产品称得上是拥有高科技的产品，它大多是采用有线连接，通过总线控制方式采用双绞线传输的一种智能控制技术。通过各种总线协议对外围设备进行智能操控，例如RS-485协议、LonWorks协议等总线协议[7]。现场总线控制系统在实现室内电灯、空调等电器及报警系统的与inter网的连接以及信号传输的问题上采用了系统总线的方式来实现，各个子模块必须接入总线才能实现相应的功能，具有很大的局限性，并且接线也非常繁琐。大型工程如各社区的集中化控制比较适合使用总线技术，具有较好的安全保障和稳定性能。但在智能家居领域几乎没有发展前景。其原因有：①消费者购买周期较短，在客户消费和工程实施上都存在很大的限制；②接线非常繁琐、不具有美观性；③安装需要专业人员，布线任务重，每次大量重新改变信号线时，需要破坏墙体；④不容易维护；⑤组网工程量大、基本没有升级的可能；⑥需要大量的成本投入。
（2）电力载波：电力载波通讯简称为PLC。PLC通信方式常被应用于发电厂和变电站。因为它可以传输高速信号，所以常常被用为多媒体信号的传输。其传输的信号需要通过其他设备把相应的信号转换成图像和声音。只要把它插入家庭电源，即能共享高速网络 [5]。不用再次架构网络是它最突出的特点，只需具备电线这一条件，就能进行数据的传送。电力线载波通讯具有以下缺点：①PLC信号因为受到配变的阻断、隔离，所以PLC信号不能在多个配变所在的范围内进行传送；②三相电力线在数据信号传输上有很大的损耗(10分贝-30分贝)；③PLC信号的损失随着信号连接方式的不同而不同；④电力线固有的脉冲属性，它会对传输信号进行干扰；⑤载波信号由于电力线的固有特点导致信号大大减弱；⑥安装时需要布置大量的信号发射器、信号接收器和与之相关的其它设备，工作量大，影响美观；⑦在已经装修好的家庭中安装智能化设备，其布线受到约束；⑧公共电网容易受到设备接入导致的二次污染，被相关国家法律法规限制。
（3）无线智能家居技术：该智能家居技术采用2.4G技术。该技术与蓝牙、27M无线技术呈现三足鼎立之势。2.4GHz无线技术应用广泛，在世界各国都有它的身影，它们都具有共同的ISM频段。许多无线网络都可以接入这个频段，包括现在运用最广泛的bluetooth、无线局域和ZigBee等无线网

络。这个频段具有超低辐射，绿色无污染，得到了大众的认可，被全球广泛使用。由2.4G无线技术打造的产品具有跳频功能，为了避开信号干扰一般都设有125个通迅信道。由于该网络在通迅上面更加畅通无阻，指令与指令间不会相互产生干扰[5]。它具有很多优良特性：①较低的功率消耗；②无污染；③高可靠；④稳定性较强并可以加密，能够保障数据的安全性；⑤能够抵抗诸多干扰；⑥拥有多种组网方式；⑦可以很方便的进行安装，升级也变得非常容易；⑧没有令人眼花缭乱的线，能够方便的进行维护；⑨投入的成本较低。
综上所述，本设计采用工作在2.4G频段的NRF24L01无线模块组网具有无可比拟的优势。本设计除了无线智能家居技术所具有的共同优点外，还具有以下优点：①无技术门槛，普通家庭自行可安装使用；②可远程控制；③实时数据上传；④嵌入微信公众号，摒弃了专用APP的烦恼；⑤界面清新，操作简单。?
第二章 系统整体设计方案
2.1系统的设想方案
随着交通方式变的多样性，人民生活也变得富足起来，旅游业也变得兴盛起来，出外打工的人数也渐渐增加，各区域之间的交流变得愈来愈亲密，由此带来许多不安全的因素，刑事案件不但没有减少而且还频频发生，特别在入室盗窃、抢劫方面没有下降的趋势，并且新闻频繁报道煤气泄露导致全家死亡，妻离子散等众多令人悲痛欲绝的事件，而且各种火灾频繁发生，在当今互联网盛行的时代，智能家居愈演愈烈，结合习总书记提出的“互联网+”的政策，特设想了以下系统方案来解决此类问题（见图2-1）。
（1）红外和人体热释电检测模块：可以考虑安装在窗口位置以及盗贼容易进入的地方，当有人没有经过住户允许进入时，即触发红外探测器向主机发送报警信号。
（2）气体泄漏监测模块：可以考虑安装在住户的厨房或者装有煤气的地方，一旦发生煤气泄漏，即触发气体泄漏监测模块向主机发送报警信号。
（3）烟雾监测模块：可以考虑安装在室内屋顶的位置。当居民有失火情况发生时，其产生的烟雾就会触发烟雾监测模块向主控系统发送报警信号。
（4）温度传感器：可以考虑安装在容易发生火源的位置，当被监测的位置的温度高于传感器的设定数值时，向主机发送报警信号，触发主机报警。平时可用来检测室内温度，传送于主机。
（5）紧急求助按钮：可以与110、119或者120等急救电话相连接，当住户室内发生不正常情况需要快速报警时，可以按动该按钮，进行紧急情况处理。
（6）门磁模块：可以考虑安装在门框或者窗户的边缘，当在设防状态下有人未经主人允许私自

打开大门或窗户时，即触发门磁模块进行报警。
（7）通信装置：拟采用无线模块，无线模块传输距离长，实现各设备无线传输。
（8）门锁采用密码锁+钥匙双重防盗模式
（9）主机通过网络模块与路由器相连，将数据通过服务器实时转发来与微信客户端进行交互，用户可以通过手机和电脑等上网设备对家中情况进行实时监控和进行交互操作。
本设计预想可以达到的指标：
（1）本智能家居系统监测范围至少可覆盖600㎡，本系统也可根据实际情况后续扩大监测范围。
（2）本设计可实现智能防火、防盗、防泄露，远程监控，使盗贼无所遁形。
（3）本设计在实现防火、防盗、防泄露的基础上时，能够实现对家电的远程智能控制。
（4）本设计能够及时的把家中紧急情况传给主人，尽量降低财产损失。
（5）本设计主要运用于各小区中低档住户以及各种办公住宅区。
2.2系统的设计过程
此次设计难点主要有3个，一是系统如何协调稳定的运行；二是系统如何与外网通信；三是微信公众号如何与系统实时交换数据。在不断实践与实验过程当中，刚开始系统采用“裸奔”程序结构，随着程序规模的扩增，其实时性减弱情况越发严重，延时严重边长，影响系统的性能，后续采用UCOSII实时系统架构，其实时性得到了保证，性能显著改善，协调性也得到了提高，并具有灵活扩展与裁剪功能的特点。在解决通信的过程中，由于TCP/IP协议的规模过于庞大，综合考虑到嵌入式系统内存的大小，放弃了对TCP/IP协议的移植，而是采用LWIP轻型TCP/IP协议+28J60+路由器架构通信机制。且LWIP协议有一个显著的特点，它在“裸奔”的情况下可以正常稳定的运行，其占用的储存空间也非常小。LWIP协议支持动态主机配置协议,这使得它只要配置好了路由器就可以动态获取路由器分配的地址，具有灵活性。同时该协议也为微信公众号与系统实时交换数据提供了可能，通过服务器的搭建，将处于外网的微信公众号与内网控制连接起来，实现了远程实时监控与数据交互。
2.3此次系统设计已经实现的功能及工作原理
（1）本设计已经实现了如下功能：
本设计目前实现了温度实时监测，烟雾检测，煤气泄露检测，防盗报警，智能密码锁，远程智能控灯，MP3播放，远程微信公众号实时监控等众多功能。
（2）其工作原理（见图2-2）如下：
住户室内的STM32主控系统装载UCOSII实时系统来进行多任务切换运行，通过2.4G模块以无线电波的形式来接收各红外传感器模块，紧急求助按钮、烟雾检测传感器模块，气体泄漏传感器模块，门磁传感器模块，温度传感器模块，智能密码锁系统，热释电传

感器模块等发出的数据，分析后通过网络传送到主人手机微信公众号，并发出警号声以提示相关人员作出处理。闲暇时可控制相关家居系统，给您创造一个温馨的家庭环境。
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第三章 系统硬件设计方案
3.1无线模块选用
本系统选用NRF24L01模块来作为系统间数据的无线传输通道，该模块采用的芯片的频段为世界各国通用[13]。它几乎可以与各种单片机芯片互联，并完整的传输无线数据，并具有防止信号干扰的优点。它的电流消耗很低，在正常运行状态下仅仅消耗不到二十毫安，在掉电模式和待机模式下电流消耗则微乎其微[14]。它具有体积小，宽电压，低功耗等诸多杰出特性，在遥感，安防，工业等诸多领域都得到了大量的应用。本设计采用NRF24L01无线模块实现了局域网的搭建。
3.2主控系统设计
主控板的设计采用STM32F103RC芯片来作为整个系统的核心，它是一款大容量的32位ARM微控制器，片内FLASH可达512K，避免了程序规模扩增带来的不利影响。同时芯片集成有多种功能，以适应市场不同的需求。主控板集成了宽范围输入电压（7~40V）电源，在这个范围内，电源的特性比较稳定，它不随着输出电压的改变而使输入电压发生明显的波动。当然，输出电压可以根据实际要求调节电位器来达到目的。本设计电源部分输出电压为5V，再通过AMS1117-3.3稳压芯片来输出3.3V固定电压。并集成了NRF24L01无线模块和2.8寸TFT触摸屏接口电路，用于无线通信和界面显示。也集成了一键下载电路、按键电路和LED灯，用于USB数据线供电下载、按键控制和灯指示。同时引出了J-LINK接口和所有IO口用来仿真下载和功能扩展（见图3-1）。原理图和PCB图见附录。
3.3密码锁设计
密码锁单独设计，板集成了12864液晶屏接口电路，NRF24L01无线模块接口电路，扩展功能电路，4X4键盘电路等，采用AT89S52芯片控制（见图3-2）。该模块原理图和PCB图详见附录。
本设计采用12864LCD作为该子系统的显示器，它是基于一种图形点阵的液晶显示器，内部可以配置字库，也可以精简不要，本设计采用带有中文字库的液晶显示模块。其接口可以直接和主控芯片的I/O引脚相连接。它可以8位并行传输，也可以通过SPI协议来与微处理器进行通信。
3.4烟雾、煤气泄露、热释电监测、温度监测模块报警模块设计
子模块采用多合一设计（见图3-3），同一块板集成不同的接口用来接入不同的检测模块，依次来实现不同的功能，节省成本。子模块板上面拓展了NRF24L01无线模块接口，热释电传感器接口，烟雾检测模块接口，煤气防泄漏检测模块接口，温度检测模块接口，采用AT89S52芯片控制。该2.4G模块需要经过稳压