基于STM32的智能家居系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要 系統(tǒng)以STM32F103為控制核心，用戶通過手機(jī)或其它手持設(shè)備經(jīng)藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32上，STM32接收到指令處理后經(jīng)紅外模塊發(fā)送到終端設(shè)備上。實(shí)現(xiàn)家居的智能控制，整個(gè)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力及可靠性，可適用于智能家居應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞 智能家居;藍(lán)牙模塊;紅外模塊

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信、智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、安全防范、自動(dòng)控制、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。

1 智能家居系統(tǒng)硬件平臺(tái)

STM32的智能家居的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。該系統(tǒng)采用STM32F103“增強(qiáng)型”系列的STM32芯片，設(shè)計(jì)的總體思路通過手機(jī)或其它手持設(shè)備的藍(lán)牙通信模塊與STM32上的藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過紅外模塊發(fā)送到受控終端上。受控終端接收到紅外指令后執(zhí)行指定的操作，如電視、風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備的開關(guān)等操作。紅外模塊可以學(xué)習(xí)到各種遙控器的指令，通過學(xué)習(xí)遙控器的指令儲(chǔ)存到QT軟件所編寫的界面中，解決了遙控器過多的煩惱，從而實(shí)現(xiàn)家居的智能化控制。通過報(bào)警模塊可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)的報(bào)警，保障了家居安全。

1.1 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙HC05是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，即當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)連接成功后，可以忽視藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙當(dāng)作串口用。當(dāng)建立連接，兩設(shè)備共同使用一通道也就是同一個(gè)串口，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，對(duì)于建立這種通道連接有一定條件，那就是對(duì)藍(lán)牙設(shè)置好能進(jìn)行配對(duì)連接的AT模式。

HC05藍(lán)牙模塊與STM32的串口3相連接。HC05的RDX與STM32芯片的第55管腳USART3-TX連接，TXD與第56管腳USART3-RX連接，GND與Vcc連接到相應(yīng)的GND與Vcc上，KEY與第65管腳PC8連接。模塊上電后，通過KEY接Vcc，使模塊進(jìn)入AT指令，模塊的波特率設(shè)置為38400。

1.2 紅外模塊

BC7210芯片由海外知名廠商制造，比高公司擁有版權(quán)的紅外遙控解碼專用芯片。BC7210可以完成目前國內(nèi)市場(chǎng)上常用的飛利浦RC5和NEC兩種紅外編碼信號(hào)的解碼。BC7210的輸出可以設(shè)置為并行輸出或者串行輸出，串行輸出方式兼容SPI和UART兩種接口，可以輕松完成與各種MCU的接口相連接，完成與MCU的通信。BC7210與STM32連接的硬件設(shè)計(jì)方法如圖2所示。

BC7210的串行輸出兼容于“波特率9 600 bit·s-1，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)”的USART，只需D7與STM32的87管腳USART2-RX連接。MOD與S/P分別與PB3和PB5相連接。這種接口方式只需占用1根口線，微處理器的數(shù)據(jù)接收可以由硬件完成，占用CPU資源少。

1.3 報(bào)警模塊

無線收發(fā)模組，采用射頻技術(shù)，也叫RF433射頻小模塊，采用全數(shù)字科技生產(chǎn)的單IC射頻前段與ATMEL的AVR單片機(jī)組成，可高速傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的微型收發(fā)信機(jī)，無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行打包、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)處理。元器件都采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，工作穩(wěn)定可靠，體積小便于安裝。適用于安全報(bào)警、無線自動(dòng)抄表、家居及工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)端遙控、無線數(shù)傳等領(lǐng)域，433報(bào)警模塊與STM32的串口1相連接。

SM30型433MHz微功率無線串口通信模塊，是上海上志電子信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)，可以動(dòng)態(tài)管理無線通信方式：將STM32和無線模塊JP1引腳的1(GND)，2(Vcc)，3(RXD/TTL)，4(TXD/TTL)，9(RESET)共5個(gè)引腳連接好，1腳接GND，2腳接VCC，3和4兩腳分別接STM32的串口上，通過串口發(fā)送給模塊設(shè)置命令，設(shè)置完成以后，置SETEN為高電平或與地?cái)嚅_，上電復(fù)位或RST(如果8腳接在用戶STM32的I/O口上)低電平(10 ms)復(fù)位，及可以用新的參數(shù)工作。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)智能家居系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，使用C語言編寫。智能家居系統(tǒng)的軟件可分為手機(jī)、STM32系統(tǒng)2個(gè)部分，主要由藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)程序、紅外驅(qū)動(dòng)程序和433報(bào)警程序組成。QT的軟件控制流程如圖3所示。當(dāng)一個(gè)特定事件發(fā)生時(shí)，一個(gè)信號(hào)被發(fā)射。QT的窗口部件有多種預(yù)定義的信號(hào)，但可以通過繼承來加入自己的信號(hào)。槽就是一個(gè)可以被調(diào)用處理特定信號(hào)的函數(shù)。信號(hào)與槽是寬松地聯(lián)系在一起：一個(gè)發(fā)射信號(hào)的類無需已知哪個(gè)槽要接收這個(gè)信號(hào)。QT信號(hào)和槽可以保證如果將一個(gè)信號(hào)與一個(gè)槽連接起來，槽會(huì)在正確的時(shí)間使用信號(hào)的參數(shù)而被調(diào)用。信號(hào)和槽可以使用任何數(shù)量、任何類型的參數(shù)。

2.1 手機(jī)軟件設(shè)計(jì)

通過調(diào)用Qobject對(duì)象的connect函數(shù)來將某個(gè)對(duì)象的信號(hào)與另一個(gè)對(duì)象的沐曹函數(shù)相關(guān)聯(lián)，這樣當(dāng)發(fā)射者發(fā)射信號(hào)時(shí)，接收者的槽函數(shù)將被調(diào)用，該函數(shù)的定義為：

boolQObjeet：：eonnect(eonstQOb—ieet*sender，eonstchar*signal，

eonstQObjeet*reeeiver，eonstehar*mexnber)

conneet函數(shù)將sender對(duì)象中的信號(hào)signal與reeeiver中的member槽函數(shù)相關(guān)聯(lián)，這里的sender和receiver都是指向QObject類型對(duì)象的指針。QT的宏signal()用于指定信號(hào)signal;宏slot()用于指定槽函數(shù)。

當(dāng)對(duì)象內(nèi)部發(fā)生某些事件時(shí)，它有可能發(fā)出信號(hào)。如果這個(gè)信號(hào)連接到槽，那么相應(yīng)的槽函數(shù)就被執(zhí)行。可以將多個(gè)槽連接到同一個(gè)信號(hào)，那么這些槽就將一一被執(zhí)行，其執(zhí)行順序是任意的。

2.2 STM32系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先對(duì)STM32系統(tǒng)的初始化，采用Rtthread系統(tǒng)并創(chuàng)建了3個(gè)子進(jìn)程，分別為藍(lán)牙模塊子進(jìn)程、紅外模塊子進(jìn)程、報(bào)警模塊子進(jìn)程，設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)并初始化各子進(jìn)程。編寫相應(yīng)的初始化及數(shù)據(jù)處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通過Rtthread進(jìn)行系統(tǒng)的線程調(diào)度。

STM32的軟件控制流程如圖4所示。

(1)藍(lán)牙子進(jìn)程程序設(shè)計(jì)，KEY位置高電平進(jìn)入AT指令模式，通過發(fā)送AT指令進(jìn)行藍(lán)牙模塊的設(shè)置，例如USART_Send_Cmd(“%srn”，atstr);設(shè)置完成后KEY位置低進(jìn)入數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ?，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。接受到指令后返回?cái)?shù)據(jù)，手機(jī)端對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果接受錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，則手機(jī)端重新發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到正確數(shù)據(jù)后發(fā)送給相應(yīng)的模塊，執(zhí)行相應(yīng)的操作。藍(lán)牙軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

(2)紅外子進(jìn)程程序設(shè)計(jì)，先初始化紅外模塊，對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)解碼后編碼再經(jīng)過紅外模塊發(fā)送出去。判斷是否發(fā)送結(jié)束，未發(fā)送完整則繼續(xù)發(fā)送。紅外軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

(3)報(bào)警子進(jìn)程程序設(shè)計(jì)，初始化報(bào)警模塊，將一個(gè)家用煙感探測(cè)器與報(bào)警模塊相連，一旦超過設(shè)定值報(bào)警模塊通過STM32系統(tǒng)將報(bào)警信息，發(fā)送送到手機(jī)或其他終端設(shè)備上實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警。判斷是否有報(bào)警信息，如果有報(bào)警信息則通過串口1將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32芯片，再執(zhí)行報(bào)警函數(shù)。

2.3 該系統(tǒng)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

要控制紅外設(shè)備必須先學(xué)習(xí)控制該設(shè)備的紅外碼。首先，通過半口工具連接到該模塊，將該設(shè)備的遙控器對(duì)準(zhǔn)紅外接收頭，通過半口工具發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)文，按下需要學(xué)習(xí)的鍵，然后就可以收到該控制鍵對(duì)應(yīng)的紅外碼。將學(xué)習(xí)到的紅外碼保存在QT的槽函數(shù)內(nèi)。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)手機(jī)或終端設(shè)備智能的控制家電，并且實(shí)現(xiàn)了智能報(bào)警。

3 結(jié)束語

綜上所述，可知基于STM32的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，應(yīng)用廣泛。而藍(lán)牙技術(shù)的成熟和普及，可以將各種遙控器由一個(gè)Android手機(jī)軟件所代替，實(shí)現(xiàn)了智能化的控制電視、風(fēng)扇、空調(diào)等設(shè)備。通過在室內(nèi)安裝多個(gè)STM32系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每間房間的控制?；赟TM32的智能家居系統(tǒng)綜合了多門技術(shù)，主要包括視藍(lán)牙通信、紅外遙控技術(shù)、433報(bào)警等，隨著這些技術(shù)的發(fā)展，該智能家居系統(tǒng)將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。