基于STM32的智能家居系统设计研究

第3期No.3

北京印刷学院学报

JournalofBeijingInstituteofGraphicCommunication

2018年03月Mar.2018

基于STM32的智能家居系统设计研究

綦晓春1

（1.烟台职业学院，烟台

摘

郑雅慧2

2005）

2670；2烟台大学，烟台

要：针对传统智能家居控制系统具有布线难、功耗高、系统设计复杂等现实问题，本文设计了以STM32F103ZET6为智能控

制系统主控芯片，采用温湿度传感器模块、步进电机模块、按键模块、液晶显示器模块、触摸屏模块及WIFI模块等共同组成的智能家居系统，实现了可靠性高、功耗低、安全性好、易操作的智能家居设计应用系统，具有良好的实际应用前景。关键词：智能家居；系统设计；STM32

中图分类号：TU855文献标志码：A文章编号：1004-8626（2018）03-0069-03

ResearchontheIntelligentHousingSystemDesign

basedonSTM32

(1.YantaiVocationalCollege,Yantai,Shandong2670,China;2YantaiUniversity,Yantai,Shandong2005,China)

Abstract:Therearedifficultwiring,highpowerconsumption,complexsystemdesignandotherpracticalproblemsinthetraditionalsmarthomecontrolsystem,sowedesignmaincontrolchipwithSTM32F103ZET6intelligentcontrolsystem,whichisconstitutiveofthetemperatureandhumiditysensormodule,steppermotormodule,keysmodule,liquidcrystaldisplaymodule,touchscreenandfore,thiskindofintelligenthousingsystemwillhaveagoodapplicationprospect.Keywords:intelligenthousing;systemdesign;STM32

WIFImodule,soastorealizethecharacteristicsofhighreliability,lowpowerdissipation,goodsecurityandgoodoperability.There⁃

QIXiaochun1ZHENGYahui2

一、概述

随着集成电子技术、移动通讯等技术的快速发展，各种微小控制系统应运而生，人们对居家的要求也越来越高，追求居家更加智能化、人性化、自动化。新加坡近30个社区，约5000户家庭采用“家庭智能化系统”。智能化家居系统将多个电气有机相连，使电气之间相连组成一个整体，较传统家居智能化更为安全和可靠。

传统基于CAN、蓝牙、红外、LonWorks、BACnet等技术所组建的智能家居控制系统主要的弊端有：耗费成本高、功耗大、有效控制距离短、安全性能差等。基于STM32智能家居控制系统方案的设计，能够有效克服这些不足和问题。它集系统、结构、服务、管理等于一体，真正实现了家居的智能化。

STM32智能家居系统主要包括两大块内容：STM32主控模板于温湿度传感器等各种模块数据采集及通信连接；运用WIFI通信网络模块，满足系统智能和安全的需要。

二、智能家居优势（一）功能实现方式

传统的智能小区的安防报警、可视对讲、家电控制、高速数据传输等功能都是通过在物理上和逻辑上相互的子系统实现。智能家居系统将安防报警、可视对讲、家电控制等功能在一个系统中实现。

1.布线方式

传统的智能小区由各种子系统组成，每个子系统都有的一套布线系统，造成布线复杂、重复。

收稿日期：2017-12-12

基金项目：本文系烟台职业学院横向课题hx2017014阶段性研究成果。

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北京印刷学院学报2018年

智能家居充分利用宽带线路，布线简单、便宜。

2.可靠性

传统的智能小区由多个子系统组成，整个系统难以整合，可靠性差，甚至不同厂商之间的子系统相互干扰。智能家居整个系统在物理上和逻辑上均融为一体，采用双网冗余设计，传输信号一致，可靠性高。

3.易用性

传统的智能小区用户端设备复杂繁多，操作界面不友好，用户使用不方便。智能家居用户端设备简洁单一、操作界面友好，有相应的LCD显示屏中文提示；用户在不使用说明书的情况下能使用90％以上的产品功能，使用方便。

4.兼容性

智能家居系统是基于TCP/IP协议，同时具有多种标准通讯接口，可直接与其他相关系统进行接通，无须转换，具有强大的兼容性。

5.可扩展性

传统的智能小区各子系统相互，平台不一致，扩展性差。智能网络家居产品软、硬件均采用模块化，今后扩展升级十分方便。

三、系统总体设计

本系统采用STM32F103ZET6作为智能控制系统主控芯片，采用温湿度传感器模块、步进电机模块、按键模块、液晶显示器模块、触摸屏模块及WIFI模块等共同组成。

本系统的设计思路是：利用WIFI模块、STM32模块、温湿度传感器模块等共同组成了控制系统，利用手机连接WIFI无线通信传输数据，以及房间控制器的电器开关，根据所检测到的不同环境参数值的变化，实现对家用电器等智能控制。手机预先设定阈值发送给单片机，单机片接收到相关数据会直接显示在LCD上。当到达设定环境或时间节点时，通过WIFI发送到单机片，控制相关家用电器或窗户、火警预报等智能家居开始工作。如窗帘开拉、电饭锅自动工作、自动烟雾报警等。

（一）系统硬件设计

为提高整套系统的应用性能，选择STM32F103ZET6作为系统硬件电路设计微控制器。较传统常规的单片机具有更优良的数据信息处理能力和更为完善的外观设计，足以满足家居智能设计的各项要求。此外，为了降低干扰，提高系统运行的可靠性，采取了多种隔离和保护措施。

选用32位处理器的Corex-M系列的32STM单片机，拥有72MHz时钟频率，系统运行效率更高，选用其他模块与WIFI模块实现良好的数据传输相连，具有性能高、低功耗、成本低等效果，处理速度快。且STM32兼容了ARM和32位闪存处理器，兼容性表现出色，后期设计更为灵活多样。

（二）WIFI模块

WIFI模块则应用于系统中主机、从机之间的各项数据传输，将射频中的信号直接转化成为单片机中能够识别的各种数字信号，再由串口发送至MCU。WIFI遍布生活的各个角落，速度传播快，也可以节省大量资金，广受市场青睐。该系统选用的是超低能耗的UART-WIFI模块，ESP8266WIFI模块在封装尺寸以及功耗方面极具竞争力。32位MCU内置WIFI中，兼作应用处理器，在智能家居中应用十分广泛，适合移动通信设备和物联网应用设计模块中。WIFI传输的数据主要包括各种环境数据参数、电机开关情况及参数设置信息等。将其中的RSD与MCU的P13口相接，TXD与P12口连接，单片机通过串口实现控制WIFI模块传输数据的效果，然后将WIFI模块数据显示在LCD上。

（三）传感器模块

DHT11温湿度传感器，这是一款已经校准好的数字信息传输温湿度传感器。DHT11具有性价比高、抗干扰性能强、响应时间短、通信快等优势，尤其是在苛刻环境中也能表现出良好的应用效果。其运行机理是通过检测周边环境的温度、湿度的数值，再通过WIFI发送至手机中，手机可以通过接收到的温度、湿度数值与预先设定的阈值来达到控制温湿度的效果。

使用光敏电阻串联分压式电路，通过ADC采集光敏电阻与普通贴片电阻之间的电压，根据白天或黑夜的环境判断，传输给步进电机做出开或关状态。

步进电机选用ULN2003芯片驱动。IN1-IN4直接接在单片机的I/O口，四个I/O口来自电机的工作状态。

（四）显示模块

选择应用液晶彩色显示屏LCD，具有32万像素，显示由温湿度传感器所测得的温湿度数值，并将其与手机所设定的阈值进行对比，从而判断室内环境温湿度是否在手机中预先设定的阈值范围内，具有很强的图像数据显示功能。

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（五）按键模块

整套系统中的按键模块共有四个，其中，S1表示“选择”功能按键；S2表示“开”、“关”电器按键，S1表示“减”键功能；S2表示的是“加”键功能。I/O口上不需要接外部上拉电阻，在系统中直接将I/O配置成上拉输入莫氏，从而减少硬件的使用，节约空间资源。

四、系统软件设计

系统设计分为主控系统和两个子制运行系统1、图2）两大部分。其中，主控系统采用的是STM32+触屏组合分析数据和显示环境数据。两个子系统分别读取则控制处理STC12单片机，检测采集环境数据，直接实现电器控制效果。

（一）主控软件设计

1.主程序设计。在程序初始开始后，启动操作系统。

2.WIFI程序设计。主机/从机始终保持连接状

开始温湿度是将结果放入数读取正确据包相应字节否变量、串口、各传感器模块初始化读取时钟数据扫描声音模块将结果放入数是有模块初始化据包相应字节失败否RF从机1发送Printf初始化结果发送成功否读取温湿度是超过重发是次数否图1子系统1运行流程图五、结语

本案例采用了STM32单片机、温湿度传感器、WIFI通信、触摸屏模块等设计完成了智能家居的应用系统。该套系统移植了优秀的嵌入式图形库em-Win，用其做出了良好的人机交互界面，提升了使用观感；采用ENC28J60以太网控制器配合uIP协议，实现了远程网络控制的功能，实现了灯光控制、窗帘控制、温湿度采集、火灾报警、可燃气体检测、蓝牙控制、手机拨号、短信报警等多种功能。并在系统设计上预留相应的功能接口，方便后期产品性能提升，具有很好的功能扩展性和移植性，成本较低，实用性能优良。

态，当WIFI任务被启动后，主控程序会进行周期性地检测，检测到的新数据会与手机中阈值设定的环境数值进行比较，从而分析命令并执行命令。

3.触摸屏程序设计。触摸屏设计主要由触摸任务与显示任务两个部分组成。当触摸程序被启动后，显示任务会及时更新房间里各个环境条件下的数据变化情况以及用电器状态。触摸任务则是用来检测用户是否通过触摸屏进行了相关的操作，达到执行相关处理结果的效果。

（二）房间控制装置软件设计

房间控制装置设置了两个子系统，当上电后单片机初始化位I/O口状态和各个模块的底层驱动，WIFI模块会与系统中的主机通信获得相应的设置，传感器采集周边环境数据，并传输给CPU分析处理，根据之前已经设置好的控制用电器的开关状态，结合单片机通过WIFI模块将数据传输给主机，从而达到用按键装置直接进行电器开关操作的效果。

开始检测可燃气体RF从机2发送否变量、串口、各模块将结果放入数发送成功初始化据包相应字节是是转接收模式有模块初始化失败否RF从机2接收显示初始界面RF接受模式否接收成功是转发送扫描烟雾、火光传感器执行控制指令模式图2子系统2运行流程图

参考文献

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刘榴，何英昊，李仁泽.基于STM32的简易智能家居控制系统设计[J].物联网技术,2016,6(11):93-94

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刘鹏飞，刘云学.基于STM32的智能家居系统[J]光电技术应用，2013，28(3):55-60

[4]张佑春，任远林，马玉清，等.基于STM32的智能家居控制系统设计[J].兰州工业学院学报,2016，23(2):60-63.

（责任编辑：王和平）

（见图