STM32的智能家居.docx

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STM32的智能家居

中北大学-仪器与电子学院

基于STM32的智能家居监控系统

************************************

专业：

电子科学与技术

班级：

13060241

小组成员：

赵云璋（1306024122）

杨杰（1306024136）

章灿然（1306024141）

摘要 

随着“互联网+”的概念进入公众视线，以及无线技术的发展和高速宽带网络的普及，利用互联网来掌控传统一切的做法已为人们广泛接受。

现在人们的生活条件大大改善，人们的物质文化追求也逐渐提高。

用户打开一款PC软件或手机APP，通过互联网接入到家庭的WIFI网关，向其发送指令即可控制家中的一切，反之亦可查看家中（传感器）状态，以此来掌控家中的一切情况。

本文推出了一种基于WIFI的智能家居系统，主要提供安全舒适的居家环境，采用STM32F103ZET6作为主控芯片，通过WIFI无线网络技术将家中的监测设备连接到一起，提供火灾报警、有害气体监控、环境数据监测等。

与传统的智能家居系统相比，无需布线，免去了安装过程中的布线繁多复杂，成本高，以及使用3G网络作为传输的高额流量费用。

有利于提升家庭生活的安全性、便利性、舒适性等，改变了传统的呆板生活方式，帮助人们有效的安排时间，另外也为家庭能源开支节约资金。

关键词：

智能家居  WIFI  STM32  物联网

Abstract

With the concept of "Internet +" into the public eye, and the development of wireless technology and the popularity of high-speed broadband network, use the Internet to control all traditional approach has been widely accepted for the people. Now people's living conditions greatly improved, people's material and cultural pursuit also gradually improve. User opens a PC software or mobile phone APP, through WIFI Internet access to home gateway, to send commands to control everything in the home, and can also view the home state （sensor）, in order to control all home situation. 

This paper introduced a kind of smart home system based on WIFI, mainly to provide a safe and comfortable environment that occupy the home, using STM32F103ZET6as the master control chip, through WIFI network technology will be part of the appliance in the home or monitoring equipment together, provide the entrance guard system control, fan automatic control, security alarm, environmental data monitoring, etc. Compared with the traditional intelligent household system without wiring, removes the wiring installation process of complex, high cost, and the use of 3 g network as a transport flow of high cost. Help enhance family life safety, convenience, comfort, etc., has changed the traditional rigid lifestyle, helping people effectively arrange a time, while also saving money for home energy costs. 

Keywords:

 Smart Home, WIFI , STM32, Internet of things 

第一章 绪论 ......................................................................................................................

1.1 智能家居发展的主要方向 .......................................................................... ...............

1.2本课题的研究意义和目的  .................................................................................. ......

第二章 智能家居控制系统的总体设计 ........................................................................... 

2.1系统总体描述 ............................................................................................................. 

2.2系统总体设计框图 ..................................................................................................... 

2.3系统主要功能 ............................................................................................................. 

2.4系统的设计原则和目标 .................................................................................... ........ 

2.5系统的设计特点 ............................................................................................... ........ 

第三章智能家居系统的硬件设计 ................................................................................. 

3.1STM32主控制器模块.................................................................................................. 

3.1.1STM32F103ZET6芯片................................................................................. ........ 

3.1.2 Open103z开发板.................................................................................. ........ ........ 

3.2 STM32外围硬件模块设计 ......................................................................................... 

3.2.1无线传输--WIFI模块 ............................................................ ................................ 

3.2.2 蜂鸣器............................................................................................................. ........ 

3.3 家居系统模块设计 ...................................................................................................... 

3.3.1温湿度采集模块 .................................................................................................... 

3.3.2烟雾报警模块 ........................................................................................................  

3.3.3红外报警模块 ........................................................................................................ 

3.3.4有害气体报警模块 ................................................................................................  

第一章  绪论 

家庭居住已经是人们生活的基本条件之一，原本家电设备使用方便，但是其运行单一，需要人为的各个进行操作，操作麻烦，缺乏集中管理。

随着科技的发展，人们对家居生活要求的不断提高，它在为人们提供居住的同时，还需要最大化的满足和方便住户的需求。

高新技术的发展，带来了智能化的深化和更新。

近年来，智能化的概念已经逐渐扩展到了家居生活，不仅使得家居生活更加智能化、自动化，而且还在节约资源和环保方面起到了重要的作用。

它将家电设备进行智能化集中管理。

在这种大背景下，智能家居系统开始形成了。

1.1 智能家居发展的主要方向 

智能家居包括网络、计算机、传感器、智能控制等多方面技术，同时，又必须和当前提倡的节能、环保相结合。

因此，智能家居系统也是一个网络系统。

随着技术的突飞猛进，智能家居系统的发展日新月异，但是总的来说智能家居的发展方向有以下几点：

（1）网络化。

随着网络的不断发展，将家居生活与网络紧密联系起来，已成为一种必然趋势，无论是采用近程的Zigbee短距离无线方式，还是采用远程的GPRS、以太网等远距离传输控制方式，都将智能家居系统推向了物联网的方向。

（2）模块化。

在设计智能家居系统的时候，采用模块化独立设计，不仅使得系统简单明了，运行起来互不干扰，同时也方便系统的日后维护、功能扩展等。

（3）标准化。

智能家居以后的发展必须协议统一，遵循统一的标准和规范，这样可以使得不同厂家的产品相互补充使用，增大系统的使用范围，丰富系统的功能。

（4）节能化。

智能家居的发展在不影响环境的前提下，尽量做到节能、环保。

（5）人性化。

在满足人们日常生活需求的下，尽量做到让用户更加舒适、更加方便、更加快捷和高效。

1.2本课题的研究意义和目的 

智能家居行业发展有着巨大的市场潜力和经济效益。

在我国，智能家居有一定程度的发展，但是受很多因素约束，仍然还处于初级阶段，许多标准不统一、产品价格昂贵。

从总体来看，不是很乐观。

智能家居控制系统为用户提供了便捷、高效、节能等一系列方便。

随着科技的发展、人们需求的提高，家居智能化控制已成为一种必然趋势。

因此必须设计一种价格合理的、符合我国国情的、具有自主产权的智能家居控制系统，具有着重要的现实意义。

本课题就是本着这一原则，设计了一种成本低廉、实用方便的智能家居控制系统，可以方便的适合普通家庭住户使用，也有利于智能家居控制系统的推广。

第二章  智能家居控制系统的总体设计 

2.1 系统总体描述

智能家居控制系统主要是以STM32嵌入式控制芯片，外接各种模块电路，利用红外探测器、温度传感器、湿度传感器以及烟雾传感器对室内状况的检测，并将检测到的数据发送到嵌入式控制器进行数据分析，当有异常状况发生时，嵌入式控制器立即作出相应的处理并发出报警声

系统中使用到的传感器主要对室内环境温度、湿度、煤气、PM2.5及烟雾浓度数据进行采集，并把采集到的数据传输到STM32主控芯片中；STM32主控芯片负责数据处理及分析，然后通过无线WiFi将数据实时传输到电脑终端进行显示，当某项数据达到设定的警戒值时中央处理器会发出报警信号通知用户，避免危险的发生。

WIFI无线串口收发器实现控制中心（PC）与STM32主控芯片的相互通信，将采集到的数据提供给中心控制器，并且能将接收来自控制器的指令回传给STM32主控芯片；控制中心（PC）负责将一切来自传感器的数据接收；

2.2系统总体设计框图

图2.2.2系统框图

2.3系统主要功能

①温湿度传感器：

实习监控房屋内的温湿度情况，并显示在屏幕上。

②烟雾传感器：

防止火灾的发生。

③天然气、液化气传感器：

主要检测厨房仓库的危险气体，并发出警报。

④红外传感器：

实时监控门窗位置是否有人活动。

⑤wifi模块：

通过无线进行数据传输并与pc机交互数据

⑥stm32：

作为主控芯片将采集到的传感器数据通过wifi传输到pc。

⑦pc机：

将采集到的传感器数据和视频信号反应在pc机上

⑧usb摄像头：

采集视频数据。

2.4系统的设计原则和目标

（1）简单实用和经济性 

作为一种日常使用的实用性系统设计，应该考虑其设计简单、安装方便、操作简洁的同时，还要降低成本，能够满足大多数用户的承受能力。

因此，要设计一种系统简单、性价比高和经济实用的智能家居系统满足普通用户的需求。

（2）稳定性和可靠性 

 稳定性和可靠性是智能家居控制系统的基本原则，只有满足这两个条件，系统才能得以运行和推广。

要想系统能够长时间无障碍运行，不能出现硬件的故障和软件的内存泄露等。

因此必须保证系统在运行期间软硬件设计的协调。

 （3）可扩展性和实时性 

 在设计本系统时，需要考虑本系统以后的优化和升级，以及在不同环境中使用时

可以方便的对其功能进行增加，使其适应不同规模的环境。

 与此同时，当系统启动时，需要实时监控室内数据，并实时发送信息到用户手持设备和其他检测站点，对数据进行检测，同时使主人第一时间知道室内的变化。

2.5系统的设计特点

图2.5.1建筑图

（1）厨房做饭易燃气泄漏，或产生CO；用到天然气传感器×1，CO传感器×1；

（2）卧室24小时监测温湿度，或监测意外火灾；用到温湿度传感器×1，烟雾传感器×1；

（3）客厅人出现会多而且面积较大需安放：

烟雾传感器×3，也可以监测温湿度安放温湿度传感器×1；

（4）杂物架干燥易发生火灾需要：

烟雾传感器×1，同时监测危险气体需天然气传感器×1，CO传感器×1；

（5）卫生间需要监测燃气泄漏，用天然气传感器×1；

每个窗户和门安放红外传感器×15；（烟雾传感器放在天花板，天然气传感器放在容易产生天然气的炉灶和管道旁边，温湿度传感器可以挂在墙壁上）。

综合所有传感器天然气传感器×3，CO传感器×2，烟雾传感器×5，温湿度传感器×2，红外传感器×15。

另外用到主控芯片STM32F103ZE（LQFP144）×1，Open103Z调试器下载器×1；显示屏

2.2inch320x240TouchLCD（A）×1，High-PrecisionAD/DA×1，蜂鸣器*10，wifi模块×2；pc机×1；usb摄像头×1；路由器×1；LED*20，电源适配器（5V）*5，电源适配器（3.3V）*5，洞洞板*6、杜邦线*6双排双塑插针*6、双排针母座*6，继电器开关模块*1，支架*1，工具箱*2，螺丝螺母*5，反扣魔术带*6，矩阵开关*1。

第三章智能家居系统的硬件设计

3.1STM32主控制器模块

主控模块方案的比较与论证

（1）使用C8051F：

C8051F的运算能力相对于ARM与FPGA显得力不从心，特别是本设计中若采用摄像头模块，或是传感器数量多采集的数据量会很庞大，故单片机首先淘汰。

（2）使用ARM（103Z）或FPGA（XC3S500E）作为主控模块：

FPGA（XC3S500E）该款芯片的运算能力在FPGA中并不算强。

Xilinx的Spartan-3E系列的XC3S500E有9312个LUT，对比Altera的CycloneII系列的EP2C35有33216个LUT就可以看出来。

虽然该芯片的静态功耗很低。

但该方案环境中系统一直处于实时监测状态，且其编译环境是ISE，在win8（64位）及其以上版本系统中存在严重的兼容性问题，虽可强行改变软件内部设置（类似于一种伪装32位的手段）。

但该软件在仿真，编译时还是会有问题。

ARM（103Z）具有强大的处理能力可以轻松实现对采集的信息和图形的处理，可以满足本次设计需要。

且近年来基于嵌入式的物联网设计，ARM用的越来越广泛。

故使用ARM作为主控芯片。

3.1.1STM32F103ZET6芯片介绍

●基于ARMCortex-M3核心的32 位微控制器,LQFP-144封装.

●512K 片内FLASH（相当于硬盘）,64K片内RAM（相当于内存） ,片内FLASH 支持在线编程（IAP）.

●高达72M 的频率,数据,指令分别走不同的流水线,以确保 CPU运行速度达到最大化 . 

●通过片内BOOT区,可实现串口下载程序（ISP）.

●片内双RC 晶振,提供8M和32K 的频率.

●支持片外高速晶振（8M）,和片外低速晶振（32K）.其中片外低速晶振可用于 CPU 的实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后的时钟行走.

●42个16位的后备寄存器（可以理解为电池保存的RAM）,利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能.

●支持 JTAG,SWD调试.配合廉价的J-LINK,实现高速低成本的开发调试方案.

●多达80个IO（大部分兼容5V逻辑）,4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2路I2S 接口,2路I2C接口,5路USART,一个USB从设备接口,一个 CAN接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR和NANDFlash 接口的16位总线-FSMC.

●3路共16通道的12位AD输入,2路共2 通道的12位 DA 输出.支持片外独立电压基准.

●CPU操作电压范围:

2.0-3.6V.

3.1.2 Open103z开发板介绍

表3.1.1开发板介绍

Open103Z开发板

功能简介：

主控芯片：

STM32F103ZE（LQFP144）

主要资源：

关键接口：

1xLCD,1x8-BitI/O,1xONE-WIRE,1xSDIO,1xCAN,1xUSBFSDevice

1xDA,2xAD,2xUSART,2xSPI,2xI2C,3xFSMC

Open103Z调试器下载器

功能简介：

ST-LINK/V2是一款可以在线仿真以及下载STM8以及STM32的开发工具。

基本属性：

ST-LINK/V2是ST意法半导体为评估、开发STM8系列和STM32系列MCU而设计的集在线仿真与下载为一体的开发工具。

STM8系列通过SWIM接口与ST-LINK/V2连接;

STM32系列通过JTAG/SWD接口与ST-LINK/V2连接。

3.2 STM32外围硬件模块设计

3.2.1无线传输--WIFI模块 

WiFi（无线保真协议）

WiFi技术简介    

WiFi（WirelessFidelity，无线保真技术）是IEEE802．11的简称，是一种可支持数据，图像，语音和多媒体且输出速率高达54Mb/s的短程无线传输技术，在几百米的范围内可让互联网接入者接收到无线电信号。

WiFi的首版于1997年问世，当时其中定义了物理层和介质访问接入控制层（MAC层）并在规定了无线局域网的基本传输介质和网络结构的同时规范了介质访问层（MAC）的特性和物理层（PHY），其中物理层采用的是FSSS（调频扩频）技术、红外技术和DSSS（直接序列扩频）技术。

在1999年又新增了IEEE802．11g和IEEE802．11a标准进行完善。

WiFi技术特点    

（1）传输范围广 

WiFi的电波覆盖范围半径高达100m，甚至连整栋大楼都可以覆盖，相对于半径只有15m蓝牙，优势相当明显。

（2）传输速度快        

高达54Mb/s的传输速率使得WiFi的用户可以随时随地接收网络，并可快速地享受到类似于网络游戏、视频点播（VOD）、远程教育、网上证券、远程医疗、视频会议等一系列宽带信息增值服务。

在这飞速发展的信息时代，速度还在不断提升的WiFi必能满足社会与个人信息化发展的需求。

（3）健康安全       

WiFi设备在IEEE802．11的规定下发射功率不能超过100mW，而实际的发射功率可能也就在60～70mW。

与类似的通信设备相比，手机发射功率约在200mW～1W，而手持式对讲机更是高达5W。

相对于这两者WiFi产品的辐射更小。

   （4）普及应用度高        

现今配置WiFi的电子设备越来越多，手机、笔记本电脑、平板电脑、几乎都将WiFi列入了他们的主流标准配置。

虽然ZigBee 功耗低，成本低，安全保密性好 ，但是传播距离近，数据信息传输速率低，本身受用范围较小，较难普及。

所以我们小组采用WiFi作为无线传输模块。

本模块采用上海庆科信息技术有限公司开发的高速率嵌入式Wi-Fi模块EMW3162。

它内部集成了TCP/IP协议栈和Wi-Fi通讯模块驱动，用户利用它可以轻松实现嵌入式设备的无线网络功能。

其中EMW3162是由上海庆科信息技术有限公司开发的一款低功耗嵌入式WIFI模块。

它集成了一个无线射频芯片和一个型号为STM32F205的Cortex-M3微控制器，内置“self-hosted”WIFI网络函数库以及应用组件。

此外，还提供1M字节的flash、128K字节的RAM以及丰富的外设资源。

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