基于STM32的智能家居系統(tǒng)設計

1、公開分類號：TP2密級：UDC ：學校代碼：10127 碩士學位論文論文題目： 基于 STM32 的智能家居系統(tǒng)設計 英文題目： The Smart Home System DesignBased on STM32學 位 類 別：工程碩士 研 究 生 姓 名： 宋宏龍 學號：201102367 學科(領域)名稱： 控制工程指 導 教 師： 江杰 職稱：教授級高工 協(xié)助指導教 師：職稱： 2013 年 6 月 7 日目錄 HYPERLINK l bookmark0 引言1 HYPERLINK l bookmark1 1 緒論2 HYPERLINK l bookmark2 1.1 課題研究背景和需

2、求分析2 HYPERLINK l bookmark3 1.1.1 課題背景2 HYPERLINK l bookmark4 1.1.2 需求分析2 HYPERLINK l bookmark5 1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢3 HYPERLINK l bookmark6 1.2.1 國內外發(fā)展現(xiàn)狀3 HYPERLINK l bookmark7 1.2.2 存在問題3 HYPERLINK l bookmark8 1.2.3 發(fā)展趨勢4 HYPERLINK l bookmark9 1.3 研究目的及意義5 HYPERLINK l bookmark10 1.4 論文主要工作及內容安排6 HY

3、PERLINK l bookmark11 1.4.1 論文主要研究工作6 HYPERLINK l bookmark12 1.4.2 內容安排7 HYPERLINK l bookmark13 2 總體方案設計8 HYPERLINK l bookmark14 2.1 系統(tǒng)總體設計任務8 HYPERLINK l bookmark15 2.2 系統(tǒng)總體方案設計9 HYPERLINK l bookmark16 2.3 ZigBee 技術和 GSM 技術介紹11 HYPERLINK l bookmark17 2.3.1 ZigBee 技術11 HYPERLINK l bookmark18 2.3.2 GS

4、M 技術12 HYPERLINK l bookmark19 2.4 本章小結14 HYPERLINK l bookmark20 3 系統(tǒng)硬件電路設計15 HYPERLINK l bookmark21 3.1 Proteus 仿真軟件介紹15 HYPERLINK l bookmark22 3.2 Protel 99SE 電路設計軟件介紹16 HYPERLINK l bookmark23 3.3 控制器模塊17 HYPERLINK l bookmark24 3.4 燈光控制模塊21 HYPERLINK l bookmark25 3.5 電機控制模塊23 HYPERLINK l bookmark26

5、 3.6 煙霧傳感器模塊26 HYPERLINK l bookmark27 3.7 GSM 通訊模塊29 HYPERLINK l bookmark28 3.8 ZigBee 無線模塊32 HYPERLINK l bookmark29 3.9 觸摸屏模塊35 HYPERLINK l bookmark30 3.9.1 四線電阻式觸摸屏35 HYPERLINK l bookmark31 3.9.2 觸摸屏控制芯片 ADS784338 HYPERLINK l bookmark32 3.10 本章小結43 HYPERLINK l bookmark31 4 軟件設計38 HYPERLINK l bookm

6、ark33 4.1 Keil uVision4 仿真軟件介紹44 HYPERLINK l bookmark34 LED 燈光控制44 HYPERLINK l bookmark35 4.3 自動窗簾控制46 HYPERLINK l bookmark36 4.4 煙霧傳感器控制47 HYPERLINK l bookmark37 4.5 GSM 短信報警控制48 HYPERLINK l bookmark38 4.6 ADS7843 觸摸屏控制器控制50 HYPERLINK l bookmark39 4.7 觸摸屏人機界面控制51 HYPERLINK l bookmark40 4.8 無線 ZigBe

7、e 網(wǎng)絡連接56 HYPERLINK l bookmark41 4.8.1 ZigBee 網(wǎng)絡中的節(jié)點56 HYPERLINK l bookmark42 4.8.2 ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點的配置與連接57 HYPERLINK l bookmark43 4.9 本章小結58 HYPERLINK l bookmark44 5 測試結果與分析59 HYPERLINK l bookmark45 5.1 GSM 短信協(xié)議的設置與調試59 HYPERLINK l bookmark46 5.2 觸摸屏界面設置60 HYPERLINK l bookmark47 5.3 ZigBee 主從節(jié)點配置61 HYPE

8、RLINK l bookmark48 5.4 本章小結63 HYPERLINK l bookmark49 結論64 HYPERLINK l bookmark50 參考文獻66 HYPERLINK l bookmark51 在學研究成果69 HYPERLINK l bookmark52 致謝70隨著經濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，人民可支配的收入逐漸增多，對家居 環(huán)境的要求也越來越高，因此對智能家居的發(fā)展就顯得越來越重要?，F(xiàn)在智能家居 行業(yè)涉及的方面包含家電控制、智能照明、安全監(jiān)控及遠程抄表收費系統(tǒng)等?？梢?通過 、電腦等工具連接網(wǎng)絡，實現(xiàn)對室內家電進行本地或遠程控制；室內煙 霧、煤氣檢測及門窗

9、監(jiān)控；水、電、煤氣等自動抄表收費等。智能家居系統(tǒng)控制可 以給用戶提供更加智能的家居體驗，使用戶控制更簡單，更高效，也能為家庭提供 可觀的節(jié)能減耗效果，使用戶居住起來更加的舒適，并且可以通過不同的設計方案 滿足不同客戶的家居需求。本文主要介紹一種以 STM32 為控制芯片的簡單智能家居控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬 件組成主要有以下幾個部分：燈光調節(jié)模塊、窗簾開度控制部分、煙霧傳感器、 GSM 短信通訊、無線 ZigBee 網(wǎng)絡以及觸摸屏模塊。系統(tǒng)采用的研究路線為先進行電路設計，然后經過仿真軟件仿真，可行之后搭 建實驗平臺并進行電路驗證，最后進行實際電路的制作。系統(tǒng)采用 Proteus 仿真軟件 進行電路

10、仿真，在仿真過程中使用 Protel 99SE 軟件完成硬件電路搭建，軟件采用 C 語言編程，并用 Keil uVision4 軟件進行軟件編程，仿真和調試工作通過上位機完 成，通過不斷修改程序和硬件電路完善，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)的控制功能有 LED 燈亮度調節(jié)、模擬窗簾動作的電機正反轉控制及極限 位置停止、煙霧傳感器煙霧檢測、GSM 模塊短信收發(fā)控制、無線 ZigBee 網(wǎng)絡建立 與連接、觸摸屏控制器設計。系統(tǒng)有兩種控制方式，一種是本地控制，另一種是遠 程控制。本地控制是通過一個液晶觸摸屏控制器，在觸摸屏的不同位置上設置各模 塊的點擊觸發(fā)信號，通過點擊觸摸屏上各模塊所代表的相應功能，控

11、制器通過無線 ZigBee 控制節(jié)點發(fā)送控制信號，節(jié)點控制器執(zhí)行相應的動作。遠程控制就是用戶通 過 GSM 短信方式發(fā)送控制命令，GSM 模塊 TC35i 接收控制命令并執(zhí)行所需要的動 作。關鍵詞：智能家居；觸摸屏；ZigBee 網(wǎng)絡；GSM 短信；煙霧報警With the development of economy and the improvement of peoples living standard, peoples disposable income increased gradually, the home furnishing environmental requiremen

12、ts are also getting higher and higher, so the development of smart home furnishing becomes more and more important. It relates to the smart home furnishing industry includes appliance control, intelligent lighting, security monitoring and remote meter reading system. It can connect to the Internet t

13、hrough the mobile phone, computer and other tools, realizing the local or remote control of indoor appliances; indoor smoke, gas detection and monitoring doors and windows; water, electricity, gas and other automatic meter-reading fee etcSmart home furnishing control system can provide more intellig

14、ent home furnishing experience, the user control is simpler, more efficient, and also can provide substantial energy saving for home consumption reduction effect, users living more comfortable, and can satisfy different customers home furnishing demand through different design schemes.This paper mai

15、nly introduces a kind of simple smart home furnishing with STM32 as the control chip control system. The hardware part of this system mainly has the following several parts: the light adjustment module, motor control part, smoke sensor, GSM short message communication, wireless ZigBee networks and t

16、ouch screen module.System uses a line of research first for the circuit design, and then through simulation software, and builds a viable and conduct experiments circuit verification platform, and finally carries on the actual circuit production. System uses Proteus simulation software for circuit s

17、imulation, and uses Protel99SE to complete the hardware circuits, software programming uses C language programming, and uses the KeiluVision4 software to carry on the software programming, simulation and debugging work is completed by the computer, by constantly revised procedures and hardware circu

18、it to realize the basic system functions.The control function of the system is the establishment of LED lamp brightnesscontrol, motor control and limit position stop, smoke sensor, smoke detection, GSM SMS transceiver control module, wireless ZigBee networks and connections, touch screen controller

19、design. The system has two control modes, a local control, another is the remote control. Local control is the touch screen controller through a liquid crystal, each module is arranged at different positions on a touch screen click trigger signal, by clicking on the corresponding functions of each m

20、odule represents the touch screen control, controller transmits a control signal node through the wireless ZigBee, the node controller performs the appropriate action. The remote control is the user uses the GSM message send control commands, the GSM module receives the control commands and TC35i re

21、quired to perform action.Key Words：Smart home；Touchscreen；ZigBee network；GSM SMS；Smoke sensor引言智能家居是圍繞住宅家居的環(huán)境，利用綜合布線、網(wǎng)絡通信、安全防范、自動 控制、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事 務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居 住環(huán)境1。智能家居涵蓋的領域包含：安防、門禁、燈光、背景音樂、網(wǎng)關、智能 插座、電動窗簾、可燃氣體和煙霧檢測器、無線紅外柵欄、無線澆灌通道和溫度、 濕度調節(jié)器等。中國智能家居行業(yè)發(fā)展的時間比較

22、短，到 20 世紀末中國才接觸到智能家居的觀念，之后相繼有廠家開始在中國進行了智能家居產業(yè)的研究開發(fā)。發(fā)展到 21 世紀初 才把智能家居的產品推向市場上，形成自主的研發(fā)產品。隨著國民經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對居住場所的舒適 性及安全性要求也提升到了更高的檔次，同時計算機技術、網(wǎng)絡和信息技術也在不 斷發(fā)展，這使得家庭智能系統(tǒng)的實現(xiàn)成為一種可能。本課題的目標是實現(xiàn)一個簡單實用的智能家居系統(tǒng)，主要實現(xiàn)燈光、窗簾、煙 霧檢測及短信報警等功能。該系統(tǒng)的主要特點是簡單實用，通過各個現(xiàn)有的模塊進 行模塊化集成，通過整體編程實現(xiàn)各個模塊的功能。同時在設計中不斷完善系統(tǒng)性 能，加強系統(tǒng)整體的

23、結構性和合理性。通過對系統(tǒng)的制作，也可以使自己真實體會到智能家居的樂趣，通過其新穎的 控制模式和低成本的設計模式，充分享受智能化帶來的體驗。1 緒論廣大消費者在對于智能家居的首要要求是簡單實用。市場上許多產品看上去比 較智能，可以實現(xiàn)一些較為先進的功能，不過這些產品卻沒有達到普遍消費者的認 可，其原因就是有些功能不太實用，使簡單問題復雜化，不能達到智能家居的簡單 實用性。同時還存在著操作界面過于復雜，功能設置項太多等等，這些方面成為阻 礙智能家居持續(xù)發(fā)展的絆腳石3。現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)得到了較好的發(fā)展，它必將給智能家居行業(yè)的發(fā)展帶來強大 的促進作用。正是由于智能家居行業(yè)的可開發(fā)性，加上本人對市場的

24、調研，認為智 能家居行業(yè)具有巨大潛力?，F(xiàn)在之所以沒有得到良好發(fā)展，原因是處于起始階段， 產品不太成熟，且價格高，消費者不容易接受。 課題研究背景和需求分析 課題背景實際意義上的智能家居誕生于 1984 年的第一座智能建筑，之后許多發(fā)達國家都 開始發(fā)展智能家居行業(yè)，并首先在美國、法國、日本及韓國等國得到了實施，這些 都對智能家居的起步和探索發(fā)展起到了重要的作用，并逐步制定了智能家居行業(yè)的 標準和模型。雖然經過了不斷的發(fā)展，不過相對來說，仍處于前期起步階段。不過 智能家居的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮模瑖鴥韧庵目萍夹袠I(yè)爭相開始涉入智能家居行 業(yè)。中國智能家居行業(yè)開始比較晚，到 20 世紀末中國才接觸到智能

25、家居的觀念，之后有幾家廠開始在中國進行了智能家居產業(yè)的研究開發(fā)。發(fā)展到 21 世紀初中國才把 智能家居的產品推向市場上，形成自主的研發(fā)產品。 需求分析隨著國民經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對居住房子的舒適 性及安全性要求也提升到了更高的檔次，同時計算機技術、網(wǎng)絡和信息技術也在不 斷發(fā)展，這使得家庭智能系統(tǒng)的遠程監(jiān)控成為一種現(xiàn)實。在中國，智能家居行業(yè)的發(fā)展時間不是太長，但是國內的各大家電產業(yè)爭相加 入了智能家居行業(yè)，并且國外的大企業(yè)也紛紛出現(xiàn)了并購智能家居廠家的情況。這 充分表明了智能家居行業(yè)未來發(fā)展的巨大前景。另外隨著中國房地產業(yè)的蓬勃發(fā) 展，居住環(huán)境的智能化已經成為了一項需求，

26、如果在新式的小區(qū)內加上智能家居的 功能，必將能夠給房地產行業(yè)注入新的活力，所以智能家居也是未來房地產行業(yè)所 必須要考慮的內容。這也意味著，我國智能家居產業(yè)迎來發(fā)展契機21。中國經濟持續(xù)發(fā)展，富有人群不斷增多，該部分人群家庭年收入在 萬元以 上，占城市人口的 10%，總人口的 3.5%，針對這部分人的智能家居系統(tǒng)前景巨大。 因此，智能家居的銷售數(shù)量和總銷售額都呈現(xiàn)連續(xù)攀升的勢頭。智能家居的概念逐 漸進入到千家萬戶。我國 2009 年智能家居市場規(guī)模達到 420 億元，由于一系列向好因素的刺激作 用，之后幾年市場規(guī)模增速將超過 20%，2015 年將達到 1240 億元。 國內外發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題

27、及發(fā)展趨勢 國內外發(fā)展現(xiàn)狀智能家居行業(yè)雖然從 20 世界末到現(xiàn)在取得了不錯的發(fā)展，但是總體來說，科學 技術落后，缺乏創(chuàng)新力仍是困擾中國智能家居行業(yè)發(fā)展的巨大阻力。伴隨物聯(lián)技術的發(fā)展，智能家居行業(yè)也快速發(fā)展起來，并吸引了眾多實力企業(yè) 的目光。我國一些企業(yè)的無線物聯(lián)網(wǎng)技術也發(fā)展很快，取得了一定成就。但是由于 剛開始起步，技術不成熟導致市場上大量存在性能差的產品，這是當今我國智能家 居發(fā)展的特點。市場上還存在一些企業(yè)利用夸張的宣傳手段銷售一些在國外的淘汰 產品，并通過舉辦智能行業(yè)評審等手段制造輿論，使消費者購買這些技術不成熟的 產品，增加了消費者的厭惡感。 存在問題20 世界末微軟公司“維納斯”計劃

28、提出了智能家居的概念后，智能家居迅速得到了人們的關注，隨著 20 年的發(fā)展，智能家居并沒有得到人們預期的發(fā)展結果。雖 然人們對于智能家居類產品有著一定的需求，但是產品自身性能與消費者要求之間還是存在一定的差距，這是這些因素導致了智能家居得不到快速的發(fā)展。具體矛盾 原因有以下幾點： 人們的預期與現(xiàn)有技術的矛盾 人們把智能家居的功能要求過高，并且由于不太真實的宣傳，使得智能家居功能被理想化，但是由于技術落后的原因，這些功能通常不能實現(xiàn)，不能夠滿足人們 的期望。 多功能的需求與操作方便程度的矛盾 現(xiàn)如今智能家居功能各式各樣，由于市場需求加大和技術發(fā)展，實現(xiàn)的功能還會隨之增多，如本系統(tǒng)中涉及到的燈光控

29、制、窗簾控制、煙霧檢測控制、GSM 短信 控制等，使得操作復雜，其中有：設置操作、功能操作、信息互動操作、控制操作 等，功能越多，分的越仔細，操作界面就越多，把簡單的問題搞復雜了。復雜的界 面并沒有給人們帶來智能的體驗，反而帶來了使用上的不便。 價格與普及性的矛盾 智能家居作為新穎的家電產品，包含了最新的科技成果，其價格必然比較高，高價位就不能得到較好的普及。如果想要智能家居得到廣泛的使用，是人們普遍接 受，價格就不能夠太高。只有降低價格，才能真正的滿足消費者需求。因此智能家 居產品價格和產品的普及性兩者的存在相互制約的關系。 個性化和標準化的矛盾 另一個制約智能家居系統(tǒng)發(fā)展的重要原因就是智能

30、家居行業(yè)沒有統(tǒng)一的標準和協(xié)議。智能家居涉及到多個領域的多個行業(yè)，各行業(yè)中設備都有其自己的協(xié)議標 準，想要使不同設備關聯(lián)起來就必須使設備擁有統(tǒng)一的標準。因此，建立統(tǒng)一的標 準協(xié)議是智能家居發(fā)展的重要條件。 發(fā)展趨勢智能家居系統(tǒng)包含多個功能，而功能的好壞由其信號傳輸方式、系統(tǒng)平臺、硬 件平臺性能及功能設計的性能多方面因素影響，要提高其性能，就需要努力提高這 些方面的性能。 傳輸方式傳統(tǒng)的信號傳輸是通過有線網(wǎng)絡這種方式的。隨著無線網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展， 實現(xiàn)控制的方式就變得多種多樣了。室內近距離可以選擇通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡的方 式，遠距離可以通過 GPRS 網(wǎng)絡方式進行。 系統(tǒng)平臺 未來發(fā)展需

31、要的是可視化的、能夠實現(xiàn)信息交互的智能化系統(tǒng)平臺，通過這種平臺可以把各個產品的功能添加進來，實現(xiàn)多功能的操作。這種平臺的建立需要統(tǒng) 一的技術支持手段，即多個產品具有相同的協(xié)議標準。 硬件平臺 隨著產品功能的增加與完善，建立系統(tǒng)的硬件平臺的性能也不斷提高。單片機由原來的 8 位升級為 32 位，帶有實時操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)也得到越來越多的使 用，人機交互界面的性能及分辨率也需要不斷提高。 功能設計 智能家居所實現(xiàn)的功能具體有以下幾種：（1）家電控制：使用 、電腦等工具連接網(wǎng)絡，實現(xiàn)對燈光、窗簾、冰箱及 空調等進行設備進行本地和遠程兩種控制方式。（2）智能照明：節(jié)能及好的燈光效果即可以節(jié)能，又可以

32、制造出各種氣氛。（3）安全監(jiān)控：安全工作包含煙霧、煤氣檢測及門窗非正常開關等情況的報 警。（4）遠程抄表收費系統(tǒng)，包含水、電、煤氣等。 研究目的及意義系統(tǒng)的設計的要求是做好整體的規(guī)劃，并合理安排工作進度。本系統(tǒng)的設計目 的是設計一個簡單實用的系統(tǒng)，并能夠包含一般智能家居要求的功能。具體設計的 要求有以下幾條： 簡單實用 作為家居生活品，智能家居實現(xiàn)功能的方式首先必須是簡單實用的。由于沒有采用簡單實用的設計原則，使得市場上許多名為智能家居的產品沒有得到廣大消費 者的認可。這些產品多為功能復雜且操作不便，沒有達到智能、方便的目的。 價格低廉智能家居產品的總體價格都偏高。消費者正是考慮到了這一點，對

33、智能家居產 品望而卻步。如果想要使產品普及，就需要降低產品價格。降低產品價格的前提是 降低成本價格。因此需要在芯片選型及外部電路上尋找解決辦法。 穩(wěn)定耐用 運行穩(wěn)定是消費產品的首要條件。想要使系統(tǒng)穩(wěn)定，就需要保證系統(tǒng)軟硬件運行的穩(wěn)定性。 可擴展性 可擴展性是判定系統(tǒng)是否有持久發(fā)展?jié)摿Φ年P鍵因素，系統(tǒng)的設計需要考慮電路升級與優(yōu)化的環(huán)節(jié)。 本設計的研究目的是設計一個簡單實用的系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含燈光、模擬窗簾控制電機、無線網(wǎng)絡、煙霧報警、GSM 短信通訊等功能為一體的模塊。設計的系統(tǒng)主 要著眼于簡單實用、使用方便、價格低廉等特性。完成這樣一個系統(tǒng)，使其低廉的 價格和擁有的幾項實用的功能給自己和身邊的人

34、帶來智能產品的體驗。在實現(xiàn)系統(tǒng) 功能的基礎上不斷完善新的功能。 論文主要工作及內容安排 論文主要研究工作 由于人們生活水平的提高，人們對于智能家居的需求也越來越迫切，特別是對于室內燈光、門窗安全、室內火災及煤氣泄漏隱患自動報警等意識的提高，使得智能家居行業(yè)越來越多地進入人們的視野中。另外再通過無線通信的控制方式以及觸 摸屏的人性可視化界面，就使得智能家居不斷地進入到了越來越多的消費者家庭 中。根據(jù)消費者對于智能家居中的這些功能的需求，本課題所研究的智能家居系統(tǒng) 設計包括燈光、窗簾、煙霧傳感器系統(tǒng)、GSM 短信收發(fā) TC35i、觸摸屏控制系統(tǒng)及 ZigBee 無線網(wǎng)絡控制設計等。系統(tǒng)主要是通過兩

35、種控制方式實現(xiàn)的。一種是本地控制，通過一個可視人性化 的觸摸屏通過短距離無線通訊的方式實現(xiàn)控制；另一種是遠程控制，通過 發(fā)送 短信的方式實現(xiàn)，系統(tǒng)中的短信收發(fā)模塊 TC35i 可以接收到發(fā)過來的短信，并把它轉換為可以執(zhí)行的電信號，執(zhí)行相應的操作。整個控制過程中控制器和各個模塊之 間的通訊都是通過無線 ZigBee 網(wǎng)絡實現(xiàn)的5。本系統(tǒng)的硬件電路設計采用先仿真后搭建硬件電路的方法，設計過程中把各個 模塊分開進行測試，逐步完成每個部分的功能，最后整合為一個完整的小型智能家 居系統(tǒng)。軟件部分設計也是在一個模塊功能實現(xiàn)的基礎上逐個添加下一個模塊功 能，先完成無線通訊網(wǎng)絡的建立、燈光模塊程序設計、電機模

36、塊程序設計，再進一 步進行煙霧傳感器、GSM 短信模塊發(fā)送短信及接收短信，最后完成觸摸屏控制器設 計。 內容安排第一章是緒論部分。主要介紹了課題的研究背景與需求分析，以及國內外發(fā)展 現(xiàn)狀、存在問題與未來發(fā)展趨勢，概述了物聯(lián)網(wǎng)與智能家居系統(tǒng)的發(fā)展。并簡述了 課題研究和設計的目的意義。最后對文章的主要研究工作與內容安排做了簡要介 紹。第二章的主要內容是系統(tǒng)系統(tǒng)的設計任務、總體方案設計。對 ZigBee 技術和GSM 技術做了詳細的說明。 第三章主要介紹了系統(tǒng)器件選型，電路仿真及硬件電路設計，詳細介紹了本系統(tǒng)的各個模塊的電路連接設計。 第四章的主要內容是系統(tǒng)軟件設計，重點介紹了各個系統(tǒng)模塊功能介紹、

37、使用原理及程序執(zhí)行流程。 第五章的主要內容是講述了系統(tǒng)設計過程中進行的測試。包含 GSM 短信協(xié)議設置、觸摸屏界面設計及 ZigBee 主從節(jié)點配置。2 總體方案設計 系統(tǒng)總體設計任務本課題所設計的智能家居系統(tǒng)由處理器模塊和各個外部設備組成。包括燈光、 電機控制模塊，煙霧傳感器、GSM 通訊模塊、觸摸屏及 ZigBee 無線網(wǎng)絡模塊組 成。其架構如圖 2.1 所示。系統(tǒng)的控制方式可以分為本地控制和遠程控制兩種。本地控制由連接控制器的 觸摸屏實現(xiàn)，遠程控制由短信通訊模塊實現(xiàn)，由移動終端通過短信的方式來控制。從功能上大致分為 LED 燈調光控制、電機模擬自動窗簾控制、煙霧傳感器報警 控制、GSM

38、短信報警控制、觸摸屏控制和無線 ZigBee 網(wǎng)絡信號控制等目標。系統(tǒng) 可以通過觸摸屏控制面板控制 LED 燈及模擬電動窗簾的直流電機開關及調節(jié)功能。 煙霧傳感器正常工作時，綠色 LED 燈亮，當煙霧傳感器檢測到煙霧信號后，把煙霧 信號發(fā)送到控制器，控制器點亮紅色 LED 燈，并驅動蜂鳴器報警，然后觸發(fā) GSM 短信模塊 TC35i 發(fā)送報警信息給主人，通知家里發(fā)生的報警情況。并把報警情況通 過觸摸屏面板顯示出來。觸摸板和控制器通過無線 ZigBee 網(wǎng)絡連接。課題主要研究內容為無線網(wǎng)絡的建立，無線控制通訊協(xié)議，GSM 網(wǎng)絡短信收發(fā) 模塊設計，觸摸屏設置等等。觸摸屏模塊主控制器GSM通訊模塊Z

39、igBee無線發(fā)送接收模塊ZigBee無線 接收模塊節(jié)點控制器燈光控制模塊ZigBee無線發(fā)送模塊節(jié)點控制器煙霧傳感器 模塊ZigBee無線接收模塊節(jié)點控制器窗簾控制模塊圖 2.1系統(tǒng)架構框圖 系統(tǒng)總體方案設計系統(tǒng)由燈光控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、煙霧傳感器控制系統(tǒng)、GSM 短信發(fā)送系 統(tǒng)、GSM 短信接收系統(tǒng)、觸摸屏控制器系統(tǒng)及 ZigBee 無線網(wǎng)絡主從節(jié)點收發(fā)控制 系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)的控制方式分為兩種，一種是本地控制，另一種是遠程控制。具體控制 方案如下： 本地控制就是通過觸摸屏控制器上的按鈕控制系統(tǒng)工作。按下觸摸屏控制器 上的按鈕就可以控制相應燈光、電機系統(tǒng)工作。 遠程控制就是通過用戶主人

40、 發(fā)送短信的方式控制相應的燈光、電機系統(tǒng) 工作。觸摸屏模塊主控制器ZigBee無線發(fā)送模塊ZigBee無線接收模塊節(jié)點節(jié)點控制控制器器燈光電機控制控制模塊模塊本地控制方式時使用觸摸屏控制器通過無線 ZigBee 網(wǎng)絡控制燈光、電機動作的 結構圖如圖 2.2 所示。圖 2.2本地控制方案結構圖煙霧傳感器模塊檢測到煙霧信號時，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送短信到 用戶的方案 結構圖如 2.3 所示。煙霧傳感器模塊節(jié)點控制器ZigBee無線發(fā)送模塊ZigBee無線接收模塊主控制器GSM通訊模塊用戶 圖 2.3煙霧傳感器報警方案結構圖用戶 GSM通訊模塊主控制器ZigBee無線發(fā)送模塊ZigBee無線接收模塊節(jié)點節(jié)

41、點控制控制器器燈光電機控制控制模塊模塊本系統(tǒng)的遠程控制方式就是通過 發(fā)送短信給用戶 GSM 通訊模塊，控制器 通過對信息的處理，通過無線網(wǎng)絡達到控制燈光、窗簾的目的。遠程控制方案結構 圖如圖 2.4 所示。圖 2.4遠程控制方案結構圖觸摸屏可以通過無線 ZigBee 無線網(wǎng)絡的發(fā)送接收節(jié)點，通過 STM32 控制器控 制燈光、電機的動作，兩個分別為紅色和綠色的 LED 燈代替室內燈具，兩個燈的控 制任務是打開和關閉，光線調亮和調暗；窗簾的控制方式為雙拉式左右開合，一個 直流電機正轉、反轉及停止代替室內窗簾的打開和閉合及任意位置的停止。煙霧傳 感器采集室內的煙霧信號，模塊上有兩個輸出端，一個為電

42、平輸出端，一個為電位 輸出端，當煙霧傳感器檢測到有煙霧存在時，電平輸出端輸出低電平，電位輸出端 輸出 05V，濃度越高電壓越高。電平輸出端的靈敏度可以通過電位器調節(jié)。GSM 模塊通過接收 發(fā)送的短信息控制相應的模塊動作，并且當煙霧傳感器檢測到煙 霧信號存在時，可以通過 GSM 模塊發(fā)送短信息給 ，通知用戶家中發(fā)生的情 況。ZigBee 模塊是一個具有短距離、低功耗的無線發(fā)送接收模塊，可以通過 ZigBee 模塊實現(xiàn)家中電器的無線通訊控制。觸摸屏作為手持控制器，既操作方便又具有可 視性，體現(xiàn)出人性化的特點。并且觸屏加上無線，可以充分感受到智能家居帶來的 快樂與舒適。ZigBee 技術和 GSM

43、技術介紹ZigBee 技術ZigBee 技術包含硬件和軟件兩方面的標準，它的特點就是傳輸距離近、通訊協(xié) 議簡單、功耗低、傳輸速度低、成本低的雙向無線通訊技術。ZigBee 技術的主要用 途是傳輸距離近、且要求功耗不能太高并且傳輸速度低的電子設備之間所進行的數(shù) 據(jù)傳輸 2?，F(xiàn)今使用最多的是 IEEE802. 15. 4 技術規(guī)范，IEEE802. 15. 4 通信規(guī)范工 作在 868/915MHz 和 的 無 線 頻 率 波 段 ， 是 一 種 經 濟 、 高 效 、 低 速 率（250kbps）的通信協(xié)議，為 ZigBee 提供了物理層和 MAC 層規(guī)則。ZigBee 聯(lián)盟制 定了網(wǎng)絡層和應用

44、層接口的規(guī)范，技術開發(fā)人員可以根據(jù)規(guī)范開發(fā)自己的程序。主 要技術特點如下所示： 節(jié)點功耗低：由于 ZigBee 節(jié)點類型的工作方式間斷的，并且工作周期短， 并且具有相對省電的電源管理方式，而且 ZigBee HYPERLINK :/baike.baidu /view/634861.htm 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為 1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此 ZigBee 設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設備僅靠兩節(jié) 5 號電池就可以維持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間，大大減少了 更換電池帶來的麻煩。 生產成本低：ZigBee 通訊協(xié)議簡單，而且數(shù)據(jù)傳輸速率低，都是低成本的 原因。另

45、外，ZigBee 協(xié)議是免專利費的，并且芯片業(yè)比較便宜，開發(fā)成本低。 工作可靠：采取了碰撞避免機制，同時為固定帶寬需要留下了專用時隙，避 免發(fā)送數(shù)據(jù)時產生競爭和沖突。并且發(fā)送數(shù)據(jù)時采用了數(shù)據(jù)確認的機制，數(shù)據(jù)等待 對方確認后才算完成。傳輸中產生的問題可以重新發(fā)送數(shù)據(jù)。 網(wǎng)絡傳輸?shù)淖杂芰姡篫igBee 網(wǎng)絡節(jié)點上的傳感器能夠感知其他節(jié)點的 存在，并確定連接關系。如果出現(xiàn)節(jié)點變動或節(jié)點無法找尋，ZigBee 網(wǎng)絡的自愈能 力就可以自動添加新的節(jié)點或刪除節(jié)點，來保證節(jié)點的正常通訊4。ZigBee 網(wǎng)絡有三種類型的節(jié)點：終端節(jié)點、路由節(jié)點及協(xié)調器。其各自功能的 介紹如下。協(xié)調器：協(xié)調器是負責網(wǎng)絡啟動

46、的設備，一個 ZigBee 網(wǎng)絡中只有一個協(xié)調器， 它能自動生成節(jié)點的網(wǎng)絡地址，并確定連接關系。路由節(jié)點：路由節(jié)點主要用于擴展網(wǎng)絡的功能，即探索網(wǎng)絡中的潛在節(jié)點，并 把同類設備接入網(wǎng)絡。終端節(jié)點：終端節(jié)點一般位于網(wǎng)絡的邊緣，與實際的監(jiān)控對象或傳感器相連。GSM 技術GSM 即全球移動通訊系統(tǒng)，也就是平常所說的“全球通”，是一種移動通信技 術的標準，被稱為第二代數(shù)字移動 系統(tǒng)。它的用途就是成為使世界各地都可以 使用的同一個通訊標準，使一部 就可以在全球范圍內通訊。我國是在 21 世紀末 開始引入這種技術標準的?，F(xiàn)如今已經形成中國移動和中國聯(lián)通世界最大的 GSM 移動網(wǎng)絡。GSM 系統(tǒng)主要有 90

47、0MHz、1800MHz 及 1900MHz 等通訊頻段。GSM 系統(tǒng)主要分為四個部分，包括移動臺、移動網(wǎng)子系統(tǒng)、基站子系統(tǒng)和操作 支持子系統(tǒng)。其具體作用如下： HYPERLINK :/baike.baidu /view/680237.htm 移動臺 移動臺即移動網(wǎng)絡中用戶使用的通訊工具，可以分為車載型通訊工具，便攜型通訊工具和手持型通訊工具。其中手持型通訊工具就是我們平時用的 。 移動臺包含兩個部分，移動終端和識別卡。移動終端就是可以進行短信和語音及其他形式數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，識別卡就是 SIM 卡。 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3871929.htm 基站子系統(tǒng)

48、基站子系統(tǒng)包括基站收發(fā)臺和基站控制器。各個移動、聯(lián)通信號塔及房頂?shù)奶炀€都是基站收發(fā)臺的一部分?；臼瞻l(fā)臺負責移動信號的發(fā)送、接收，基站使用的 天線也分為發(fā)射天線和接收天線。而且基站之間存在信號分區(qū)，當 GSM 系統(tǒng)跨區(qū) 時， 會先切斷與原來基站的聯(lián)系，再與新的信號區(qū)的基站聯(lián)系?；究刂破鬟M 行無線通道的數(shù)量分配、釋放和管理等。 移動網(wǎng)子系統(tǒng)移動網(wǎng)子系統(tǒng)具有 GSM 系統(tǒng)的交換功能及用戶數(shù)據(jù)和移動性管理的數(shù)據(jù)庫功 能。對 GSM 移動網(wǎng)絡用戶與 GSM 網(wǎng)用戶或其他網(wǎng)絡用戶的通訊起到管理作用。 操作支持子系統(tǒng) 操作支持子系統(tǒng)包括移動用戶和移動設備的管理，并且具有網(wǎng)絡操作和維護的作用。GSM 系統(tǒng)

49、主要技術特點包含以下幾個方面： 系統(tǒng)容量大GSM 系統(tǒng)容量比第一代模擬移動通信系統(tǒng)大了 35 倍，主要原因是系統(tǒng)對于載 噪比（載波功率與噪聲功率的比值）要求降低了，另一個原因是半速率語言編碼的 實現(xiàn)，使信息速率降低，從而減小了占用帶寬。 頻譜效率提高 由于使用了窄帶調制、信道編碼、交織、均衡及語音編碼等技術，頻率復用程度大大提高，從而有效利用無線頻率資源。 開放的接口和通用的接口標準GSM 系統(tǒng)的接口具有相同的標準，不僅空中接口，而且內部各個接口都高度標 準化。這就使 GSM 網(wǎng)絡不僅能夠與各種公共網(wǎng)絡相連，更能夠適應未來需求。 安全性GSM 系統(tǒng)與第一代模擬移動 系統(tǒng)相比具有更高級的保密性和

50、安全性。GSM 網(wǎng)絡設備中存儲有各種加密算法，并且每個用戶的 SIM 卡也具有一定的加密性。通 過 GSM 特有的鑒權、加密等方式，能夠保證用戶通信的安全性。 實現(xiàn)跨國漫游漫游是是指用戶從一個網(wǎng)絡進入另個網(wǎng)絡，它是移動通信的一項重要特征。在 GSM 網(wǎng)絡覆蓋的任何國家，無論用戶在哪個國家注冊，只要擁有 SIM 卡，使用手 機就可以在所有的地方進行正常的移動通信。 支持多種業(yè)務GSM 系統(tǒng)支持電信業(yè)務、承載業(yè)務和補充業(yè)務等形式的業(yè)務。電信業(yè)務是GSM 主要業(yè)務，包括短信息、語音、可視圖文、 等。 本章小結本章首先重點介紹了系統(tǒng)的各個組成部分、系統(tǒng)設計方案及系統(tǒng)分別處于本地 控制、煙霧報警和遠程控

51、制狀態(tài)的方案結構圖，之后對 ZigBee 技術和 GSM 技術做 了詳細的敘述。系統(tǒng)方案設計首先介紹了系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，大致分為 LED 燈調光控制、電 機模擬自動窗簾控制、煙霧傳感器報警控制、GSM 短信報警控制、觸摸屏控制和無 線 ZigBee 網(wǎng)絡信號控制等目標。通過本地控制和遠程控制兩種控制方式分別實現(xiàn)對 系統(tǒng)燈光、電機模塊的控制。并介紹了系統(tǒng)再本地控制、遠程控制和煙霧報警時系 統(tǒng)執(zhí)行的相應操作，實現(xiàn)智能家居的功能。3 系統(tǒng)硬件電路設計在本實驗設計中，控制芯片選用了 STM32F103ZET6 單片機，普通發(fā)光二極 管，直流 5V 電機及 LM298 直流電機驅動芯片，MQ-2 型煙

52、霧傳感器芯片， GSM 短 信 收 發(fā) 芯 片 TC35i ， ZigBee 無 線 模 塊 順 舟 SZ05-ADV ， 觸 摸 屏 控 制 芯 片 ADS7843，四線電阻式觸摸屏。接下來將介紹這些硬件模塊及其硬件設計電路。 Proteus 仿真軟件介紹Proteus 軟件是一款電子設計自動化軟件。軟件不僅擁有各種電子元器件，并且 包括能夠處理小型程序的單片機。軟件可以通過連接線把元器件連接成完整電路， 通過仿真運行還可以看到電路是否連接正確及電路運行結果。如 LED 燈光的亮滅、 電機的運轉情況等。并且實現(xiàn)了與 Keil 軟件的聯(lián)合仿真，通過 Keil 軟件編輯單片機 需要運行的程序，編

53、譯正確之后產生.hex 文件，Proteus 軟件通過把.hex 文件加載到 單片機中就可以看到程序仿真的實時效果。并能夠根據(jù)仿真效果進行實時更正。 Proteus 仿真電路圖如圖 3.1 所示。圖 3.1Proteus 仿真電路圖其中，燈光亮度調節(jié)、電機正反轉控制、煙霧傳感器調節(jié)電路都采用了 Proteus仿真電路先進行仿真之后確定硬件連接電路的。 Protel 99SE 電路設計軟件介紹Protel 99SE 是一款基于 Windows 環(huán)境下的電路板設計軟件。該軟件功能強大， 不僅具有資源豐富的器件庫和封裝庫，而且能夠自己編輯元器件外部連接圖和封裝 圖。連接好原理圖并封裝好各個元器件后，

54、之久就可以把器件導入到 PCB 原理圖環(huán) 境，各個連接引腳都會通過網(wǎng)絡標號連接起來。并且 Protel 99SE 軟件能夠實現(xiàn)自動 布局和自動布線，簡化了人工布局和布線的時間。PCB 原理圖制作完成后，就可以 把 PCB 圖制作成為需要的電路板。Protel 99SE 電路原理圖如圖 3.2 所示。圖 3.2Protel 99SE 電路原理圖Protel 99SE PCB 原理圖如圖 3.3 所示。圖 3.3Protel 99SE PCB 原理圖 控制器模塊意法半導體公司在 2007 年生產出了 STM32 處理器，這款處理芯片是基于 Cortex-M3 內核的，這款處理器的特點是功耗低，并且

55、時鐘頻率高，中斷延遲短。 Cortex-M3 是屬于 ARM7 系列的 32 位處理器，結構上包括處理器內核、存儲單元、 總線接口及跟蹤調試單元51。其特點有以下幾條： 哈佛架構的內核，集成了強大的硬件性能，而且功耗較低。 采用的 Thumb-2 指令集具有更高的指令效率和更強的性能，它是一種 16/32 位混合編碼指令，兼容 Thumb 指令。Thumb2 指令集是面向高級語言的指令集，適 合于 C 語言編程，由編譯器生成目標代碼。 NVIC 是 Cortex-M3 的一個緊耦合部分，可配置 240 個中斷，分為 256 個優(yōu) 先級，Cortex-M3 的中斷延遲只有 12 個時鐘周期；Co

56、rtex-M3 還使用尾鏈技術，使 得背靠背中斷的響應只需要 6 個時鐘周期，因此中斷響應更加迅速。 MPU 是 Cortex-M3 處理器中存儲模塊，通過定義和檢查存儲區(qū)屬性來實現(xiàn) 存儲功能。 Cortex-M3 采用了 ARM Coresight 調試跟蹤體系結構，內部有跟蹤接口和調 試訪問接口。其中調試訪問接口可以作為串口線或串行 JTAG 調試端口使用。串口 線調試端口只需要時鐘和數(shù)據(jù)兩個引腳就可以完成調試，從而保證低成本。STM32 處理器分為標準型、增強型和最新系列產品。其中 STM32F101 是標準 型，頻率為 36MHz；STM32F103 為增強型，頻率為 72MHz，與標

57、準型比有更多的 外部設備和片內隨機存儲器；STM32F105 和 STM32F107 是最新系列產品，增加了 USB 和以太網(wǎng)接口51。STM32 處理器型號多，可供選擇產品的類型多樣化，可以選擇大存儲空間的高 性能系列，也可以選擇小存儲空間的低性能系列，并且型號有有大功耗和小功耗之 分。既有低端低成本的產品，又有滿足高端復雜要求的。對于項目開發(fā)而言， STM32 是一種非常好的選擇。本系統(tǒng)采用的 STM32F103ZET6 是增強型芯片，144 引腳貼片式封裝，系統(tǒng)自 帶電路有： 存儲器。擁有 64K 隨機存儲器和 512K 閃存，有四個片選具有靜態(tài)存儲功能 的控制器，可以利用并行接口連接

58、LCD 液晶屏，可以選用 8080 或 6800 工作模式。 時鐘、復位及電源管理。RC 振蕩器產生的時鐘頻率分別為 8MHz、40KHz和 32KHz 的；復位方式包括上電復位和斷電復位。 外圍設備。具有 3 個 12 位模數(shù)轉換器，轉換時間精確到 1秒，具有多達 21 個輸入通道；2 個數(shù)模轉換器，112 個基本輸入輸出接口，11 個定時器，包括有4 個基本功能定時器，2 個高級定時器，2 個看門狗定時器，2 個驅動數(shù)模轉換的專 用定時器，1 個用作系統(tǒng)時間定時器；2 個 I 2 C 的接口，4 個串行接口，3 個 SPI 接 口，1 個 CAN 通訊接口，1 個 接口，1 個 SDIO

59、接口51。 調試模式?？梢酝ㄟ^串口線或 JTAG 接口在線編程調試。 處理器的最小系統(tǒng)包括電源模塊設計，時鐘和復位設計、啟動模式選擇電路等部分。這些部分的性能直接決定處理器性能。STM32 外圍電路最小系統(tǒng)設計，主要包含電源及地線設計，時鐘電路設計、復 位電路設計及啟動模式控制。（1）電源及地線設計 進行電源設計時，首先要考慮的是電路的低噪聲和穩(wěn)定性。影響噪聲和穩(wěn)定性的主要因素就是電源線和地線的設計。 電源的分配有兩種方式：分別是總線方式和電源層方式?？偩€方式的電源系統(tǒng)是由各種電壓的電源傳輸線組成，這種方式的電壓分配相當于在電源和設備間多了 一個電阻，電阻在電流比較大時可以起到分壓的作用。這種

60、設計方式只需要雙層板 就可以，因此節(jié)約了成本。電源層的方式需要多層板來實現(xiàn)多個電源和地，其中各 個層間電源和地的連接主要通過過孔連接得到，使得輸出阻抗和電源噪聲都相應減 少。電源層方式能減小輸入阻抗，不過這種方式的電路需要設計多層板，多層板中 需要有盲孔、埋孔等連接電路，使得成本加大。本設計中器件功耗小，所需時鐘速 率也不需要太高，因此采用總線方式電源。電路中除了單片機供電使用 外，還需要有 5V 電源，作為蜂鳴器和繼電器 等其它一些期間的供電電源。供電時采用 5V 供電方式，用 芯片將 5V 電壓輸出位 ，供給給單片機及其他芯片使用。電源輸入原理圖如圖 3.4 所示。（2）時鐘電路設計圖 3