【基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)開發(fā)研究（論文）】

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)開發(fā)目錄TOC\o"1-3"\h\u91421緒論 緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究目的近年來，隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的居家需求和智能設(shè)備的不斷發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)的逐步建設(shè)、人工智能交互技術(shù)的普及、VR/AR技術(shù)的應(yīng)用、大數(shù)據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展等，智能家居設(shè)備正逐步進(jìn)入大眾用戶的選擇范圍，并與日常家居生活逐漸融合。傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品雖然能滿足人們對(duì)于居住地舒適性、便利性、安全性的基本要求，但傳統(tǒng)家居的基礎(chǔ)功能無法吸引年輕一代的目光，而室內(nèi)溫、濕、亮度的人工操作以及自動(dòng)調(diào)節(jié)，門禁、窗戶的安防以及監(jiān)控等項(xiàng)目，將成為智能家居行業(yè)在未來的主流產(chǎn)品。因此智能監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)作為信息化時(shí)代的高科技需求應(yīng)運(yùn)而生。自2000年開始，智能設(shè)備進(jìn)入家居行業(yè)以來，形成了現(xiàn)如今的智能家居。智能家居發(fā)展至今，市場(chǎng)上各大生產(chǎn)商已經(jīng)推出品類繁多、功能多樣的智能化家居設(shè)備，市場(chǎng)信息化的普及、信息的對(duì)稱，引導(dǎo)智能家居產(chǎn)品逐步走向低價(jià)格、高性能、高品質(zhì)的方向。1.1.2研究意義隨著移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和高新技術(shù)的快速發(fā)展，以及相關(guān)新技術(shù)的快速重復(fù)，智能家居正在對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。為了解放雙手，享受家居生活，智能家居是基于自動(dòng)控制的關(guān)鍵生活環(huán)境，提高人們對(duì)家庭生活的滿意度。同時(shí)，智能家居提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，保障家居安全；為獲得最佳家居體驗(yàn)，可提前開啟智能家居控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)整個(gè)房間的舒適度。家居中各種電器設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，提供更加方便的控制方式，簡(jiǎn)化家居中的維護(hù)操作，成為常態(tài)化訴求。智能家居系統(tǒng)的主要框架是搭建一個(gè)可以涵蓋家居住宅中各種電器設(shè)備和信息設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)計(jì)好的方案或者個(gè)性化的配置和控制來實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，將原有家居環(huán)境組建成一個(gè)既安全又舒適，既科技又溫馨的現(xiàn)代化環(huán)境。當(dāng)前市面上關(guān)于智能家居的產(chǎn)品，更新了傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品，例如燈具亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，窗簾的自動(dòng)展開和收疊，視頻監(jiān)控以及部分電器上的智能化操作。在滿足基本需求的前提下，一定程度上提升了整體家居生活體驗(yàn)，但與大眾對(duì)室內(nèi)家居設(shè)備更加人性化、自動(dòng)化、智能化的日益增長(zhǎng)的需求相比，仍有待發(fā)展。因此，本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供更加便捷的智能終端，加強(qiáng)了智能家居系統(tǒng)中的全領(lǐng)域適應(yīng)性和高度統(tǒng)一的智能化水平，提升智能家居的信息化程度，對(duì)于智能家居產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)更便捷、更智能的生活起居環(huán)境上具有非常重要的理論意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1智能家居國外現(xiàn)狀隨著國外智能家居的不斷開發(fā)，許多國家都開發(fā)出了一套具有自己特色的智能家居系統(tǒng)。如美國的X-10制、德國的EIB制和新加坡的8x制，各有利弊。美國X－10系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（如圖1.1所示）是不需要額外的布線。其缺點(diǎn)是施工難度大、成本高、工期長(zhǎng)。德國的EIB系統(tǒng)工程更復(fù)雜、更嚴(yán)格，價(jià)格也更高。新加坡的8x系統(tǒng)目前比較成熟。這三個(gè)系統(tǒng)都屬于目前世界上廣泛使用甚至直接使用的智能家居系統(tǒng)。圖1.1X-10系統(tǒng)方案1.2.2智能家居國內(nèi)現(xiàn)狀智能家居在中國起步較晚，還處于起步階段。它還沒有建立自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中不少人直接借鑒了國外智能家居的發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著國家和智能家居市場(chǎng)的不斷投資，許多自己的產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)出來。目前，中國的智能家居產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球非常大的市場(chǎng)，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也越來越多。早期的智能家居企業(yè)包括海爾集團(tuán)、清華同方等公司，以及海爾集團(tuán)的e－h(huán)ome，它們以電腦和手機(jī)作為控制中心和移動(dòng)數(shù)字樞紐（如圖1.2所示）。終端設(shè)備包括海爾生產(chǎn)的多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。此外，海爾在技術(shù)上與微軟合作，盡可能將微軟的WindowsMe技術(shù)與其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理技術(shù)整合，打造“e家”系統(tǒng)。清華同方也推出了自己的智能家居產(chǎn)品——電子home數(shù)字家居。符合國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用軟硬件一體化技術(shù)，提供從網(wǎng)絡(luò)到終端的廣泛產(chǎn)品。這是一個(gè)專門針對(duì)中國家庭的智能家居系統(tǒng)。這些企業(yè)為中國智能家居產(chǎn)業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)，將智能家居產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。就像國外一樣，現(xiàn)代新技術(shù)公司也在開發(fā)自己的智能家居產(chǎn)品，比如?？低暤闹悄芊雷o(hù)設(shè)備、小米的智能家居系列產(chǎn)品，以及華為主導(dǎo)的HiLink智能家居解決方案。總的來說，中國的智能家居與一些發(fā)達(dá)國家有著明顯的區(qū)別。但我國智能家居發(fā)展非常迅速，擁有大量的發(fā)展資源。經(jīng)過不斷發(fā)展，與這些發(fā)達(dá)國家的差距將逐漸縮小。圖1.2智能家居解決方案1.3本設(shè)計(jì)主要工作在這個(gè)科技時(shí)代，選擇智能家居作為研究對(duì)象具有社會(huì)意義。我國智能家居市場(chǎng)雖然潛力巨大，但由于多種原因，目前還沒有上市銷售，造成這種情況的主要原因之一是智能家居產(chǎn)品在市場(chǎng)上的定位有誤。此外，初期，相關(guān)概念引發(fā)了很多爭(zhēng)議，而第二階段，產(chǎn)品服務(wù)的缺失導(dǎo)致了高級(jí)用戶的流失。最后，高昂的價(jià)格讓普通消費(fèi)者望而卻步，并導(dǎo)致了目前的市場(chǎng)狀況?？紤]到這一點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用且價(jià)格合理的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32為硬件平臺(tái)，配合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居的基本功能。該系統(tǒng)不追求華麗的外觀，以低價(jià)為主，簡(jiǎn)單實(shí)用，專注于低端市場(chǎng)。這個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是讓人們享受科技帶來的便利，引導(dǎo)公眾消費(fèi)智能家居產(chǎn)品，促進(jìn)智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2系統(tǒng)整體架構(gòu)與關(guān)鍵原理2.1系統(tǒng)整體架構(gòu)智能家居系統(tǒng)屬于物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)范疇，如圖2.1是物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)圖。圖2.1系統(tǒng)整體的架構(gòu)圖2.1.1感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)區(qū)別。傳感層主要分為兩類：自動(dòng)傳感和手動(dòng)傳感。自動(dòng)感知是指?jìng)鞲衅髂軌蜃詣?dòng)感知周圍環(huán)境以獲取數(shù)據(jù)的傳感器等。另一種是人工感知，人工感知是指靠近待識(shí)別標(biāo)簽的電子設(shè)備。例如，紅外條碼掃描是一個(gè)人工概念，理解層的另一個(gè)重要功能是智能終端的信息交互和信息處理。每個(gè)智能終端通過交換信息完成定位和同步功能，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，供高端設(shè)備使用。2.1.2網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層主要提供的服務(wù)是將感知的層數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，并提供所需求的基本網(wǎng)絡(luò)，包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等。2.1.3應(yīng)用層應(yīng)用層主要為相關(guān)行業(yè)提供具體的應(yīng)用服務(wù)，分為兩部分。一是管理服務(wù)層，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)、中間軟件服務(wù)、數(shù)據(jù)處理和決策服務(wù)；另一部分是行業(yè)應(yīng)用層，主要是各種應(yīng)用軟件。2.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)介紹物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸，是一種利用傳感設(shè)備將物體與互聯(lián)網(wǎng)相連形成的網(wǎng)絡(luò)，它使物與物、物與人之間可以相互通信，達(dá)到萬物互聯(lián)、智能感知和事物管控的目的。圖2.2所示為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)圖，為滿足應(yīng)用需要，一般把物聯(lián)網(wǎng)劃分成應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，每層都對(duì)應(yīng)不同的功能。圖2.2物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)感知層是物聯(lián)網(wǎng)的耳目及肢干，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，用以獲取準(zhǔn)確可靠的環(huán)境信息。其中最主要的功能是利用傳感設(shè)備檢測(cè)對(duì)生產(chǎn)、工作、生活等有研究或使用價(jià)值的信息，并經(jīng)過信號(hào)處理傳遞給控制裝置。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的神經(jīng)，提供了信息交互和共享的通道，主要用于數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層將感知層獲得的信息資源進(jìn)行匯總，并加以分析利用，為具體的行業(yè)領(lǐng)域提供服務(wù)。2.3無線技術(shù)介紹2.3.1無線網(wǎng)絡(luò)的組成無線網(wǎng)絡(luò)的基本組成包括無線網(wǎng)卡和網(wǎng)橋，可以通過這兩個(gè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)卡類似于有線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制解調(diào)器，主要負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)橋又稱AP，在媒體訪問控制層，它主要起到無線工作站和有線局域網(wǎng)的作用，有點(diǎn)像有線網(wǎng)絡(luò)中的集線器，只有有了它，你才能快速連接到網(wǎng)絡(luò)。之所以能風(fēng)靡全球，與其固有的特性是分不開的。2.3.2無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與其他無線通信技術(shù)相比，具有以下八個(gè)特點(diǎn)：（1）更快的傳輸速率與1mbps的藍(lán)牙和250kbps的ZigBee相比，它的傳輸速度可達(dá)11mbps。如果采用802.11n協(xié)議，理論傳輸速率可達(dá)600mbps。（2）更加低功耗2009年，基于ieee802.11行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的802.11n標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，在功耗方面進(jìn)行了重大創(chuàng)新，使得功耗非常低。（3）更高的安全性互聯(lián)網(wǎng)安全一直是個(gè)問題。IEEE批準(zhǔn)的802.11w標(biāo)準(zhǔn)可保護(hù)無線操作環(huán)境并增強(qiáng)無線連接性。同時(shí)，可以切斷黑客利用MAC地址及時(shí)攔截信息，使網(wǎng)絡(luò)更加安全。（4）更強(qiáng)更穩(wěn)定的信號(hào)802.11n無線芯片有很多特性，比如STBC，它使用低分辨率奇偶校驗(yàn)碼使用多根天線來提高糾錯(cuò)能力，提高信號(hào)可靠性。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1微控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.1核心芯片概述總體硬件設(shè)計(jì)主要包括核心控制器、擴(kuò)展模塊和外圍模塊。從性能和成本兩個(gè)方面考慮，選擇了基于美國STMicroelectronics公司Cortex-M3的32位增強(qiáng)型ARM微處理器stm32f103rct6作為智能家庭網(wǎng)關(guān)的核心處理器。微處理器的主頻為72mhz，48ksram空間和256K閃存，有51個(gè)通用IO端口。引腳圖如圖3.1所示。圖3.1STM32F103RCT6引腳圖3.1.2調(diào)試接口設(shè)計(jì)在開發(fā)過程中，調(diào)試是必不可少的，一個(gè)程序往往需要反復(fù)調(diào)試，才能最終實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。如圖3.2所示，電路圖采用標(biāo)準(zhǔn)JTAG電路連接。因?yàn)镾TM32有SWD接口，所以JTAG和SWD之間有一個(gè)通用接口。連接JTAG電路后，SWD模式可用于對(duì)下載的應(yīng)用程序進(jìn)行故障排除。由于SWD調(diào)試器的速度比JTAG模式調(diào)試器快，因此SWD模式通常用于接口調(diào)試。圖3.2STM32最小系統(tǒng)3.1.3電源電路設(shè)計(jì)基于實(shí)用原理，將USB串口、USB和電源電路設(shè)計(jì)在一起，使電源、串口下載代碼和串口連接都可以使用，適合開發(fā)者使用。如圖3.3所示，USB串口芯片使用ch34g進(jìn)行程序記錄和串口連接。電源芯片采用AMS117-3.3電源調(diào)節(jié)芯片（封裝如圖3.4所示），可將5V電壓轉(zhuǎn)換成STM32主控芯片所需的3.3V電壓。另外，考慮到在開發(fā)過程和未來的擴(kuò)容升級(jí)過程中可能會(huì)用到3.3V和5V電壓，在設(shè)計(jì)過程中特別畫出了一排3.3V和5V電壓。圖3.3USB轉(zhuǎn)串口圖3.4AMS1117-3.3電源穩(wěn)壓芯片封裝3.1.4按鍵電路設(shè)計(jì)按鈕是網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。它可以幫助開發(fā)者進(jìn)行程序開發(fā)，當(dāng)然也可以幫助控制智能家居。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有三把密匙，分別是KEY_BOOT、KEY2和KEY3，其中KEY2和KEY3作為公共密鑰。關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)示意圖如圖3.5所示。圖3.5按鍵電路3.2無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)使用Wi-Fi無線遙控器遠(yuǎn)程控制智能家居。當(dāng)今市場(chǎng)上有許多Wi-Fi設(shè)備，例如cc3200和mt7681。由于成本和性能因素，選擇ATK-ESP8266作為系統(tǒng)中的Wi-Fi模塊。3.2.1ATK-ESP8266Wi-Fi模塊特點(diǎn)Atk-esp8266是一個(gè)高性能的串口無線模塊。車載esp8266模塊通過串口與主控芯片進(jìn)行通信，內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi與串口的轉(zhuǎn)換。該模塊兼容3.3V和5V單片機(jī)系統(tǒng)，可輕松接入主控電路。此外，支持STA、串口轉(zhuǎn)AP、STA+AP三種模式，支持開發(fā)。3.2.2Wi-Fi硬件電路設(shè)計(jì)由于主控芯片的電源設(shè)計(jì)有多個(gè)3.3V電源接口，主控芯片的冗余電源接口可以用來為ATK-ESP8266供電，但不能直接連接，因此在中間應(yīng)增加穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器電路采用以線性穩(wěn)壓器rt9193-33為核心的穩(wěn)壓器模塊。使用時(shí)，僅VCC，GND，TXD，RXD和主控制器需要通過DuBang線5/3。3V，GND，PA3，PA2可以連接，如圖3.6所示。Wi-Fi模塊實(shí)物圖如圖3.7所示。圖3.6Wi-Fi硬件電路圖3.7Wi-Fi模塊實(shí)物圖3.3RGB全彩燈設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用RGB三色LED指示燈，并使用stm32三路IO端口產(chǎn)生PWM波，以控制彩色燈的顏色。硬件原理圖如圖3.8。圖3.8RGB指示燈電路3.4溫濕度傳感器設(shè)計(jì)帶校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出：DHT11溫濕度傳感器。該傳感器是一種具有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的復(fù)合溫濕度傳感器。采用專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度檢測(cè)技術(shù)，保證產(chǎn)品高可靠性和低長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器包括電阻式濕度傳感器和NTC測(cè)溫元件，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。每個(gè)DHT11傳感器在高精度濕度校準(zhǔn)箱中進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)定系數(shù)以程序的形式存儲(chǔ)在OTP存儲(chǔ)器中，在檢測(cè)傳感器內(nèi)部信號(hào)的過程中調(diào)用這些標(biāo)定系數(shù)。單線串行接口，系統(tǒng)集成方便快捷。超小型，極低功耗，信號(hào)傳輸距離在20m以上，產(chǎn)品為4針單線封裝。硬件原理圖如圖3.9所示，標(biāo)準(zhǔn)封裝圖模塊如圖3.10所示。圖3-9DHT11傳感器硬件電路圖3.10DHT11傳感器封裝圖3.5直流電機(jī)電路設(shè)計(jì)3.5.1驅(qū)動(dòng)芯片概述為了模擬現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器，在板上設(shè)計(jì)了微型直流電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)由MX1508驅(qū)動(dòng)。Mx1508是一款四通道推挽放大器ASIC元件，設(shè)計(jì)用于控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。分立電路集成到單個(gè)集成電路中，降低了附件成本，提高了系統(tǒng)和整機(jī)的可靠性。芯片采用兩路TTL/CMOS兼容電平輸入，抗干擾性能好；兩個(gè)輸出端可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)正負(fù)方向，各通道具有較強(qiáng)的電流轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)能力。各通道間可實(shí)現(xiàn)800ma以上的連續(xù)電流，峰值電流驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)2A；同時(shí)，具有較低的輸出飽和電壓降；內(nèi)置箝位二極管可以釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使其在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率晶體管中工作。MX1508驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖如圖3.11，MX1508驅(qū)動(dòng)芯片引腳定義如表3.1。圖3.11MX1508驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖表3.1MX1508驅(qū)動(dòng)芯片引腳定義引腳編號(hào)引腳名稱輸入/輸出引腳功能描述1VCC1-1通道邏輯控制電源端2INA1|1通道正轉(zhuǎn)邏輯輸入3INB1|1通道反轉(zhuǎn)邏輯輸入4VDD1-1通道功率電源端5VCC2-2通道邏輯控制電源端6INA2|2通道正轉(zhuǎn)邏輯輸入7INB2|2通道反轉(zhuǎn)邏輯輸入8VDD2-2通道功率電源端9OUTB2O2通道反轉(zhuǎn)輸出10GND-接地端11GND-接地端12OUTA2O2通道正轉(zhuǎn)輸出13OUTB1O1通道反轉(zhuǎn)輸出14GND-接地端15GND-接地端16OUTA1O1通道正轉(zhuǎn)輸出3.5.2直流電機(jī)電路設(shè)計(jì)微型直流電動(dòng)機(jī)為4針單排引腳封裝，4個(gè)引腳分別連接VCC、OUTA1、OUTB1、GND，出電源和地外分別連接驅(qū)動(dòng)芯片的正轉(zhuǎn)輸出以及反轉(zhuǎn)輸出，電路圖如圖3.12。圖3.12直流電機(jī)電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件整體架構(gòu)智能家居系統(tǒng)不僅要有硬件，還要有軟件，否則就無法工作。兩者同等重要，缺一不可。搭建了智能家居的硬件平臺(tái)。為了使智能家居系統(tǒng)發(fā)揮功能，需要搭建相應(yīng)的軟件平臺(tái)。軟件平臺(tái)分為應(yīng)用層、抽象層和底層三部分。應(yīng)用層主要包括無線通信、外圍模塊與主控制器的串行通信、數(shù)據(jù)訪問等。抽象層主要包括相關(guān)協(xié)議和操作系統(tǒng)，底層主要是主控芯片的驅(qū)動(dòng)程序。總之，智能家居系統(tǒng)主要采用TCP-IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)智能家居內(nèi)外的ZigBee通信，最終實(shí)現(xiàn)智能家居的相關(guān)功能。軟件結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)整體流程圖4.2軟件開發(fā)環(huán)境發(fā)展環(huán)境對(duì)發(fā)展非常重要。目前，STM32主控芯片的開發(fā)采用了ARMSDT、ARMARDS、IAREWARM和KELLARM-MDK等常見的開發(fā)環(huán)境，如圖4-2所示。KeiluVision5是2013年10月推出的一款集成開發(fā)工具，主要針對(duì)使用uVision5ide。它主要針對(duì)arm處理器，特別是以armcortex-M為核心的處理器。KeiluVision5（界面如圖4.2所示）與KeiluVision4兼容?；趉eiluVision4，加強(qiáng)了對(duì)Cortex-M單片機(jī)開發(fā)的支持。傳統(tǒng)的開發(fā)模式和接口分為MDK內(nèi)核和軟件包。其中，MDK內(nèi)核包含了由單片機(jī)開發(fā)的所有組件，包括編輯器、IDE（uVision5）、uVision調(diào)試跟蹤器、armc/C++編輯器和pack安裝程序，軟件包無需工具鏈即可完成對(duì)新芯片的支持和中間庫的升級(jí)。圖4.2keiluVision5初始界面4.2.1軟件開發(fā)工具在智能家居控制網(wǎng)關(guān)的開發(fā)過程中，開發(fā)工具是一個(gè)重要的組成部分，影響著開發(fā)進(jìn)度。系統(tǒng)開發(fā)采用J-link，主控器開發(fā)采用J-link仿真器（如圖4.3所示），J-link仿真器是Segger公司生產(chǎn)的JTAG仿真器。主要用于支持ARM核心芯片的仿真。它可以支持在Keil、ads和其他集成開發(fā)環(huán)境中模擬大多數(shù)arm系列內(nèi)核。它可以與Keil無縫連接，易于學(xué)習(xí)和連接。它是學(xué)習(xí)和開發(fā)arm的一個(gè)非常實(shí)用的開發(fā)工具。此外，j-link模擬器還具有下載速度快、電壓兼容范圍寬、自動(dòng)速度識(shí)別、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。這些好處對(duì)開發(fā)人員非常有用。圖4.3J-Link仿真器實(shí)物圖4.2.2軟件開發(fā)環(huán)境本次設(shè)計(jì)使用Keiluvision5進(jìn)行軟件開發(fā)，開發(fā)界面如圖4.4所示。圖4.4Keil開發(fā)界面圖該軟件中安裝了stm32系列芯片的庫文件如圖4.5所示。圖4.5STM32庫文件4.3TCP/IP協(xié)議4.3.1TCP/IP協(xié)議簡(jiǎn)介TCP/IP協(xié)議是TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的縮寫，中文名networkcommunicationProtocol，它于1974年12月由美國科學(xué)家卡恩和瑟夫正式提出并發(fā)表。它是互聯(lián)網(wǎng)最基本的協(xié)議和基礎(chǔ)，主要包括TCP協(xié)議和IP協(xié)議。4.3.2TCPTCP用于應(yīng)用程序之間的通信。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序想要通過TCP連接到另一個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)通信請(qǐng)求。請(qǐng)求必須發(fā)送到特定地址。成功之后，TCP在兩個(gè)應(yīng)用程序之間創(chuàng)建全雙工通信。這種全雙工通信占用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的通信線路，直到其中一方或雙方都關(guān)閉。4.3.3IPIP是一種無線連接協(xié)議。它不占用兩臺(tái)互連計(jì)算機(jī)之間的通信線路。這樣，IP減少了對(duì)網(wǎng)絡(luò)線路的需求。每條線路可同時(shí)滿足多臺(tái)不同計(jì)算機(jī)的通信需要。在IP的幫助下，信息（或其他數(shù)據(jù)）被分成小的獨(dú)立數(shù)據(jù)包，并通過Internet在計(jì)算機(jī)之間傳輸。IP負(fù)責(zé)將每個(gè)數(shù)據(jù)包路由到其目的地。4.3.4TCP/IP的組成TCP/IP設(shè)定了將電子設(shè)備連接到Internet和傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議由四部分組成：鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。如下圖所示，TCP/IP協(xié)議模塊如圖4.6所示。網(wǎng)絡(luò)接口層主要是網(wǎng)絡(luò)接口。這四層分別負(fù)責(zé)不同的功能，形成TCP/IP協(xié)議。圖4.6TCP/IP協(xié)議模型（1）鏈路層鏈路層是協(xié)議的最低層。主要負(fù)責(zé)操作網(wǎng)卡、沖突檢測(cè)、PA同步、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)等相關(guān)硬件設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層是所有協(xié)議的核心。它負(fù)責(zé)不同主機(jī)之間的通信。其活動(dòng)涉及三個(gè)方面。1）收到請(qǐng)求后，將數(shù)據(jù)包加載到IP數(shù)據(jù)報(bào)中，填寫標(biāo)題，選擇到目的機(jī)器的路由，將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口。2）對(duì)輸入數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理：先檢查其有效性，然后運(yùn)行路線；如果數(shù)據(jù)報(bào)達(dá)到某個(gè)值，則刪除標(biāo)題并將其余部分留在相應(yīng)的傳輸協(xié)議中；如果數(shù)據(jù)尚未到達(dá)接收者，數(shù)據(jù)將被傳輸。3）解決路徑、流量控制、擁塞等問題。IP是這一層的核心，而ICMP是它的補(bǔ)充。（2）傳輸層傳輸層允許兩個(gè)不同的相似設(shè)備相互通信，并負(fù)責(zé)格式化信息并提供可靠的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)后者，發(fā)送存儲(chǔ)協(xié)議要求接收方返回確認(rèn)并在數(shù)據(jù)包丟失時(shí)重新發(fā)送它。該層包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。（3）應(yīng)用層應(yīng)用層主要為用戶提供郵件、文件傳輸、遠(yuǎn)程登錄等應(yīng)用。Telnet使用Telnet協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)中的其他主機(jī)提供注冊(cè)接口。Telnet會(huì)話提供基于字符的虛擬終端。FTP使用FTP協(xié)議允許在網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)器之間傳輸文件。4.4STM32驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)在開發(fā)智能家居的過程中，STM32核心芯片有很多模塊需要工作。包括：時(shí)鐘、串口、ADC等。這些模塊是開發(fā)過程中最基本和最重要的部分，它們是必不可少的組件。4.4.1時(shí)鐘初始化Stm32_Clock_Init(u8PLL)是一個(gè)時(shí)鐘初始化函數(shù)。選擇Pllclk作為系統(tǒng)時(shí)鐘，apb1除以2，apb2除以1，AHB除以1。設(shè)置參數(shù)PLL，范圍從2到16，主要用于配置時(shí)鐘的倍頻。4.4.2延時(shí)函數(shù)初始化delay_init(u8SYSCLK)是一個(gè)延遲初始化函數(shù)，在延遲等待等任務(wù)中起著非常重要的作用。Sysclk是系統(tǒng)的固定時(shí)鐘，參考如圖4.7系統(tǒng)時(shí)鐘樹。圖4.7系統(tǒng)時(shí)鐘樹4.4.3串口初始化根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)如表4.1所示，Stm32f103c8有三個(gè)串口，其中串口1對(duì)應(yīng)IO端口PA9和PA10，串口2對(duì)應(yīng)IO端口pa2和PA3。函數(shù)uart_init(u32pclk2，u32bound)是串口的初始化函數(shù)，其中pclk2是串口1的時(shí)鐘頻率，bound是串口1的波特率。在初始化功能中，首先啟用端口時(shí)鐘和串行時(shí)鐘，然后分別將PA9和PA10設(shè)置為多通道推挽輸出和浮動(dòng)輸入，然后設(shè)置串行端口波特率，最后將停止位設(shè)置為1位，不設(shè)置校驗(yàn)位。此時(shí)，設(shè)置串行端口1和3。表4.1用戶手冊(cè)P165-P1664.4.4LED初始化根據(jù)硬件電路原理，兩個(gè)LED分別連接到PA8和PD主控電路上的100gIO口，所以啟動(dòng)LED主要是啟動(dòng)兩個(gè)IO口。將兩個(gè)IO口設(shè)置為輸出，將函數(shù)設(shè)置為L(zhǎng)ED_Init（）并使用KEY_Init（）啟動(dòng)。在該函數(shù)中，首先啟動(dòng)PA0、pa15和PC5，并將三個(gè)IO口設(shè)置為輸入。然后長(zhǎng)按功能鍵，設(shè)置掃描模式值（U8模式），選擇按鍵模式。當(dāng)位置值為0時(shí)，不能連續(xù)按下按鈕。模式值為1時(shí)，可以連續(xù)按鍵。4.5驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)Esp-8266是一種高性能無線模塊。采用串口與主控制器通信，并內(nèi)置TCP/IP協(xié)議。它可以實(shí)現(xiàn)串口與主機(jī)控制器之間的轉(zhuǎn)換。4.5.1ESP-8266工作模式ESP-8266是少數(shù)支持串行端口到STA，串行端口到AP和STA+AP的無線模塊之一。ESP-8266STA/AP/STA+AP三種工作模式:（1）STA模式在這種模式下，Esp-8266模塊可以通過路由器直接接入互聯(lián)網(wǎng)，最終與手機(jī)建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，示意圖如圖4.8所示。圖4.8STA(Station)模式（2）AP模式在這種模式下，Esp-8266模塊直接與手機(jī)作為熱點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)控制，示意圖如圖4.9所示。圖4.9AP(SoftAP)模式（3）STA+AP模式在這種模式下，可以實(shí)現(xiàn)兩種模式之間的無縫切換，操作方便，示意圖如圖4.10所示。圖4.10STA+AP(SoftAP+station)模式4.5.2ESP-8266AT指令ESP-8266有許多AT指令。在AT模式中，主控制器可以通過串行端口發(fā)送AT指令。ESP-8266工作流程圖如圖4.11所示。圖4.11驅(qū)動(dòng)流程圖從開機(jī)到最終成功發(fā)送數(shù)據(jù)，有以下四部分程序：（1）初始化主要驅(qū)動(dòng)Esp-8266模塊底層通信，包括at指令的發(fā)送與接收、模塊狀態(tài)檢查、輸入輸出顯示等。包括以下功能:atk_8266_send_cmd()//向ESP-8266模塊發(fā)送AT指令;atk_8266_quit_trans()//退出透明模式;atk_8266_consta_check()//獲取ESP-8266模塊的連接狀態(tài);atk_8266_get_wanip()//在STA或AP模式下獲取IP地址和MAC地址;atk_8266_get_ip()//在STA+AP模式下獲取IP地址和MAC地址;最后，有一個(gè)Esp-8266模塊測(cè)試主功能函數(shù)atk_8266_test，它先檢查Esp-8266模塊是否有正常的檢測(cè)模塊，然后初始化為AP模式，然后進(jìn)入模式選擇界面，最后按鍵進(jìn)入相應(yīng)的子功能進(jìn)行測(cè)試。（2）AP+STA模式測(cè)試只有一個(gè)函數(shù)atk_8266_apsta_test測(cè)試模塊串行端口AP+STA模式的每個(gè)子模式。首先，配置STA模式，然后配置AP模式。配置完成后，LCD接口需要輸入遠(yuǎn)程IP地址，輸入正確的IP地址，開始數(shù)據(jù)發(fā)送和接收測(cè)試。如果沒有收到數(shù)據(jù)，程序每10秒檢查一次，看是否還有連接，并在液晶顯示器上顯示連接狀態(tài)，跑馬燈將每0.4秒閃爍一次，用于提示程序正在運(yùn)行。（3）STA和AP模式下，測(cè)試TCP/UDP連接STA模式下的程序類似于atk_8266_apsta_test函數(shù)，僅僅只是缺少AP模式的主要配置代碼。（4）串口連接無線模塊與主控制器通過上述串口1連接。通過以上四個(gè)步驟，Esp-8266完成了組網(wǎng)過程。通過串口與主控制器連接，使主控制器通過Esp-8266與外界通信，實(shí)現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程控制。5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試硬件部分開發(fā)實(shí)物圖如圖5.1所示，硬件部分通過J-LINK連接電腦端，將軟件燒錄進(jìn)核心芯片中。圖5.1硬件開發(fā)實(shí)物圖5.2遠(yuǎn)程端調(diào)試首先將手持設(shè)備連接硬件核心板的Wi-Fi，然后打開手持端APP，在APP上單擊“添加設(shè)備”，輸入產(chǎn)品名稱，選擇相應(yīng)的設(shè)備訪問方案，完成“新產(chǎn)品”的創(chuàng)建如圖5.2所示。一個(gè)產(chǎn)品需要定義產(chǎn)品數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)是由給定產(chǎn)品中不同類型的數(shù)據(jù)表示的功能抽象。比如最簡(jiǎn)單的設(shè)備“開關(guān)”有以下功能：開、關(guān)，抽象成一個(gè)布爾數(shù)據(jù)點(diǎn)，0表示關(guān)，1表示開，產(chǎn)品核心的第一步是數(shù)據(jù)點(diǎn)。明確產(chǎn)品的特性和功能是非常重要的。在平臺(tái)上逐一創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，描述其特性，然后根據(jù)生成的數(shù)據(jù)點(diǎn)自動(dòng)生成所安裝的開發(fā)MCU協(xié)議，并根據(jù)協(xié)議完成智能設(shè)備的自動(dòng)連接。圖5.2添加設(shè)備連接上設(shè)備后進(jìn)行相關(guān)功能的調(diào)試，如圖5.3所示，測(cè)試相關(guān)RGB全彩燈功能、溫濕度功能、和電機(jī)功能。圖5.3功能測(cè)試可以驗(yàn)證出RGB三色燈可以正常工作，室內(nèi)的溫濕度可以正常顯示，電機(jī)可以正常工作。6結(jié)論整個(gè)畢設(shè)過程中還分為選題，設(shè)計(jì)，實(shí)行等相關(guān)步驟。首先，在選題前，我查詢了學(xué)院書館的大量相關(guān)資料，分析了實(shí)施的可行性，最后確定了智能家居的選題。后，我開始設(shè)計(jì)可行的解決方案。在該方案的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了單片機(jī)基本原理，Keil軟件的編譯及其在線編譯仿真功能等本科專業(yè)常識(shí)，保證了設(shè)計(jì)的最終實(shí)現(xiàn)。在設(shè)備選型方便的一起，也本著節(jié)約資源，簡(jiǎn)