卢 娜

(商丘职业技术学院 机电工程系，河南 商丘 476100)

随着国民生活水平的逐步提升以及科技的发展，人们对于家居生活质量的要求越来越高；随着物联网的蓬勃发展、智能产品的普及，人们对家居智能化的需求也越来越强烈.智能家居成为目前乃至未来家居发展的一个趋势.目前，市面上有各种智能家居方案，行业标准并不统一，性能也优劣不一，而且价格比较高.为此，本文设计了一种性价比高、实用性比较强的智能家居控制系统.

1 系统总体设计

本系统选用STM32作为主控芯片，外部接各种子模块，主要包括电源控制模块、温度传感器模块、光检测模块、气体检测模块、ZigBee无线网络模块、Wi-Fi无线通信模块等[1].本系统中，用户通过无线网络将需求发送给主控芯片，主控芯片通过ZigBee无线网络与数据收集模块进行数据的传送，从而获取实时数据.各传感器模块把收集到的数据传输到主控芯片中进行处理，接着把处理完成后的数据传送到用户手里，用户就可以对自己家庭生活环境进行监测和改进[2].系统功能图，如图1所示.

图1 系统功能图

2 硬件模块设计

2.1 主控芯片选择

本系统选用STM32F103ZET6单片机为主控芯片，该单片机具有成本低、功耗低、性能稳定、速度快等特点，特别适用于本系统[3].STM32F103ZET6单片机采用3.3 V供电、上电复位、具有144引脚、32位处理器、最高72 MHz工作频率、多达8个定时器、2个看门狗定时器、512 KB SRAM存储器等，一共7组I/O接口，每组有16个，总共112个I/O接口.在112个I/O接口中除了模拟量端口外，其余都为5 V信号输入口.STM32F103ZET6单片机的大部分引脚还能复用为外设功能引脚(如串口)，共有8种输入/输出模式、13个通信口，其最小系统图，如图2所示.

图2 最小系统图

2.2 电源模块

由于主控芯片采用3.3 V电源供电，为了给其提供稳定的电源，需要把5 V电压转换成3.3 V.本系统所采用的AMS1117-3.3电源稳压芯片，可以把5 V电压转化为主控芯片需要的3.3 V电压，为其提供稳定电源[4].此外，AMS1117-3.3电源稳压芯片还有限流以及过热保护功能，并能够提供多种输出电压，其电路图，如图3所示.

图3 电源设计

2.3 ZigBee模块

ZigBee作为一种距离短、功耗低、效率高的无线通信技术，在近距离无线通信中得到了广泛的应用.ZigBee相比蓝牙和红外通信，有更多的优点.它复杂程度低，成本低，功耗低，传输距离相对远，能够自组网.ZigBee无线网络还能够和另外的网络相连接，并且安全性很高.本系统选择CC2530芯片作为组网模块.CC2530芯片的CPU为增强型8051，其包含很多功能单元，并且自身具有射频收发感知电路，抗干扰能力强[5].CC2530芯片有多种运行模式，能使其满足超低功耗系统的要求.

在本系统中，主控系统与各个终端节点之间是通过ZigBee网络进行连接的，其运用ZigBee能够自动组网、自动路由的网络优势，将家庭各种终端节点以无线的方式互联起来，达到家居智能控制的目的.各种传感器的数据及各种家用电器的开关状态都是通过ZigBee网络传送给协调器，协调器与主控系统之间通过串口进行传输.以太网与室内ZigBee网络连接通过ZigBee网关来实现[6].CC2530电路图，如图4所示.

图4 CC2530电路图

2.4 WiFi模块设计

本系统中的部分无线连接采用Wi-Fi模块实现.从价格和稳定性等方面考虑，最终选择ESP8266-12F作为本系统的Wi-Fi模块[7].ESP8266-12F模块集成了32位Tensilica处理器、标准数字外设接口、天线开关、功率放大器、低噪放大器、电源管理等模块，功能强大.单核CPU时钟频率高达160 MHz，具有很好的覆盖范围.ESP8266-12F模块有三种睡眠模式，睡眠电流小于20 μA，具有功耗低、成本低、性价比高等优点，其最小系统图，如图5所示.

图5 ESP8266-12F最小系统

2.5 温度检测模块

本系统选用温度传感器DS18B20对室内温度进行监测.DS18B20是数字传感器，支持“一线总线”接口，只需要一条线就可以与微处理器实现双向通信，其具有体积小、成本低、抗干扰能力强、接线方便、精度高等优点[8]. DS18B20测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，误差为±0.5℃，完全符合本系统要求.温度传感器DS18B20可以对室内温度进行监测，并返回监测数据.DS18B20监测到温度数据之后，把数据传送给主控芯片，主控芯片做出判断，给出相应操作.其电路图，如图6所示：

图6 温度监测电路图

2.6 光检测模块

本系统采用光照传感器BH1750FVI对室内光照情况进行监测. BH1750FVI是一种16位的、数字输出型的、用于两线式串行总线接口的环境光强度传感器集成电路，其具有光源依赖性弱、误差小、功耗低、受红外影响小、分辨率高、支持光照强度变化范围广等优点，完全满足本系统的设计要求[9].BH1750FVI传感器检测到家中的光照情况后，把数据传送给主控芯片，主控芯片马上会根据数据结果做出判断，其结构框图和电路图，如图7、图8所示.

图7 BH1750FVI结构框图

图8 光监测模块电路图

从图7可知，PD(光敏二极管)感应到光线以后，就由集成运算放大器将电流转换为电压，再通过模数转换器将电压信号转换为数字信号，最后通过逻辑电路与IC界面进行数据的处理和存储.OSC为振荡器提供内部逻辑时钟，可读出内部存储的光照数据.

2.7 气体检测模块

气体检测模块主要针对家用气体进行检测，所以选用MQ-5传感器作为气体检测模块.MQ-5气体传感器可以检测多种可燃气体，尤其对天然气、液化气检测效果好，对可燃气体有很高的灵敏度，可兼顾检测丙烷、丁烷和甲烷等气体.MQ-5传感器寿命长、成本低，驱动电路比较简单，是一款特别适合本系统的气体传感器.当MQ-5传感器检测值达到某一临界值时，就会通过ZigBee网络传送信息给主控芯片，主控芯片再反馈到无线终端，发布警报.其电路图，如图9所示.

图9 气体监测模块电路图

2.8 家用电器控制模块设计

家用电器的控制采用继电器模块，利用继电器的通断控制家用电器的通电和断电，比如电灯、空调、电视、电饭煲等电器的通电和断电.由于单片机无法直接驱动继电器，因此需要给其连接两个复合管驱动器ULN2803，这样就可以驱动继电器、电机等，从而可以控制家用电器的通电和断电.

3 软件设计

3.1 开发软件的选取

主控制器STM32F103ZET6采用的开发环境为软件工程师常用的Keil μVision5，其兼容单片机C语言开发系统，有非常丰富的库函数，操作比较简单，功能强大，界面友好，清晰直观，是一款非常好用的集成开发调试工具.

由于国内Android手机市场占有率高达到86%.Android系统的扩展性比较好，成本也较低，故本设计就以Android系统手机作为开发和测试平台，釆用的集成开发工具为Eclipse.安装Eclipse之前，需要先安装JDK.Eclipse自身核心很小，其他功能均以插件形式附加到核心上，并且具有很好的跨平台性，得到很广泛的应用.

3.2 功能的实现

主控制器与手机设备通过Wi-Fi连接，与各个终端节点之间通过ZigBee网络进行连接.家庭内部的各种传感器会把实时的一些结果通过ZigBee传送给协调器，协调器再与主控制器以串口通信方式进行数据交换，数据经过处理后通过Wi-Fi无线网络传送给服务器，之后，这些数据会被传送到无线终端.当传感器采集的数据发生变化的时候，或者有数据超标的时候，无线终端里的相应部分会及时收到更新的信息，并且会根据数据结果判断是否发出警报，无线终端也可以发出指令，通过继电器部分控制家用电器的通电和断电.

4 结语

随着社会的发展，人们越来越追求高品质的生活，而伴随着物联网的飞速发展，这种愿望变得可实现起来.智能家居是未来发展的一个方向，可以为人们提供更优质的生活享受，更舒适的生活环境.本系统设计了一个以STM32为核心的智能家居控制系统，该系统主要集成了ZigBee技术、Wi-Fi技术，并且利用单片机和Android平台来实现主控制器、智能无线终端、传感器等的互联，从而实现智能终端控制家电，并能对家中温湿度、有害气体等进行监测等功能.本系统成本低，稳定性好，但不足之处是其只设计了一些基础功能，不能满足所有用户的需求，随着未来智能家居飞速发展，其功能还有待增强.