［解寧宇 黃?。?/p>

基于STM32的智慧開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［解寧宇 黃?。?/p>

智慧開關(guān)具有智能、自動(dòng)化、低功耗等特點(diǎn)，將成為新一代智慧家居的主要功能實(shí)現(xiàn)部分。文章介紹了智慧開關(guān)的主要工作原理及軟、硬件組成部分，分析了包括數(shù)據(jù)聯(lián)合檢測(cè)、數(shù)據(jù)通信協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)，綜述了系統(tǒng)的工作過程和數(shù)據(jù)處理過程，并展望了智慧開關(guān)的應(yīng)用前景。

智慧開關(guān) 數(shù)據(jù)處理 聯(lián)合檢測(cè) 通信協(xié)議

解寧宇

碩士研究生學(xué)歷，重慶郵電大學(xué)信號(hào)處理與片上系統(tǒng)研究所。主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)。

黃俊

博士、教授、碩士生導(dǎo)師。重慶郵電大學(xué)，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、4G、5G無線網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)及嵌入式技術(shù)等。

引言

智慧開關(guān)是智慧家居的重要組成部分，主要應(yīng)用于家庭中，負(fù)責(zé)管理家庭的用電設(shè)備，取代傳統(tǒng)開關(guān)，旨在營(yíng)造一個(gè)溫馨、舒適、安全、方便的家庭環(huán)境，因此智慧開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要充分考慮現(xiàn)代人的生活習(xí)慣和思維方式［1］。智慧開關(guān)系統(tǒng)要求所有操作全部自動(dòng)完成，無需任何人為操作，同時(shí)當(dāng)用戶習(xí)慣發(fā)生變化時(shí)，可以通過控制軟件改變相應(yīng)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的更改以適應(yīng)用戶新的習(xí)慣［2］。根據(jù)智慧開關(guān)系統(tǒng)的性能及要求，本文設(shè)計(jì)了一種具有數(shù)據(jù)聯(lián)合檢測(cè)和信息反饋功能的智慧開關(guān)系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)框架

圖1為智慧開關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)圖。由圖1可見，該系統(tǒng)主要包括核心處理器、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)模塊、信息發(fā)送模塊5部分。

1.2系統(tǒng)工作原理

1　智慧開關(guān)系統(tǒng)概述

降壓模塊將家用220V交流電壓降為5V和3.3V直流電壓分別供給核心處理器、ZigBee模塊和開關(guān)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)施采集房間內(nèi)的溫、濕、光、煙霧以及是否有人等數(shù)據(jù)，并傳給核心處理器。核心處理器收到數(shù)據(jù)后將做出分析，當(dāng)判斷到家庭環(huán)境情況異常時(shí)，處理器會(huì)向開關(guān)模塊發(fā)出指令，執(zhí)行相應(yīng)操作，同時(shí)通過ZigBee模塊向網(wǎng)關(guān)推送相關(guān)消息，再由網(wǎng)關(guān)將該消息發(fā)至用戶手持終端，及時(shí)提醒用戶［3］。此外，開關(guān)控制模塊上還加載有一個(gè)報(bào)警裝置，當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)有人非法入侵、起火等緊急情況時(shí)，報(bào)警模塊會(huì)自動(dòng)鳴響，提醒家庭成員。

圖1　智慧開關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

2　智慧開關(guān)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器最小系統(tǒng)電路

核心處理器采用ST公司設(shè)計(jì)的STM32F107VCT6芯片，片內(nèi)加載μC/OS-II操作系統(tǒng)。該芯片片內(nèi)資源豐富，內(nèi)部帶有256K可編程Flash存儲(chǔ)器，可同時(shí)讀寫；片內(nèi)存儲(chǔ)容量64KB；16路A/D轉(zhuǎn)換輸入通道；兼容CAN，I2C， SPI， UART， USART， USB等多種接口類型［4］。圖2為處理器最小系統(tǒng)電路原理圖。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊電路

圖3為數(shù)據(jù)采集模塊電路原理圖，該模塊中采集溫濕度的傳感器為DHT11，該設(shè)備使用專用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件構(gòu)成，具備輸出準(zhǔn)確、可靠性高、價(jià)格低、功耗低且可同時(shí)輸出溫度、濕度值的特點(diǎn)［5］。采集到的溫濕度數(shù)據(jù)由PB1口傳至處理器。

采集光照強(qiáng)度的傳感器為光敏電阻GL5516，基于內(nèi)光電效應(yīng)的原理，在黑暗環(huán)境中光敏電阻阻值較高，隨著光照的增強(qiáng)其阻值變小，采集到的光照數(shù)據(jù)由PB0口傳至處理器。

采集空氣質(zhì)量的傳感器為MS1100，其具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，能夠檢測(cè)到0.1ppm以上的氣體，適用于檢測(cè)空氣中的甲醛、苯、二甲苯等多種有機(jī)揮發(fā)成分，同時(shí)具有體積小巧、價(jià)格低、低功耗、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。采集到的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)由PB5口傳至處理器。

圖2　處理器最小系統(tǒng)電路原理

采集房間內(nèi)是否有人存在的狀態(tài)信息的傳感器是紅外熱釋電模塊HC-SR501，具備全自動(dòng)感應(yīng)功能，人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則輸出低電平。該模塊具有檢測(cè)范圍廣，功耗低，穩(wěn)定性高，安裝簡(jiǎn)易等功能。采集到的狀態(tài)信息由PC7口傳至處理器。

2.3 ZigBee模塊電路

圖3　數(shù)據(jù)采集模塊電路原理

圖4為ZigBee模塊電路原理圖，該模塊兼容2.4GHz IEEE802.15.4協(xié)議，有效發(fā)射功率為2.5dBm，接收靈敏度為-95dBm，最大通信速率為250bit/s，最大傳輸距離可達(dá)5kM（F）。ZigBee模塊可通過SPI接口或者UART接口與其他模塊通信，本系統(tǒng)中該模塊采用UART接口與主控芯片通信［6］。

系統(tǒng)上電后，先拉低ZigBee模塊的復(fù)位（RESETN）引腳，一秒鐘后模塊自動(dòng)復(fù)位，然后進(jìn)入工作狀態(tài)。處于工作狀態(tài)時(shí)，模塊會(huì)將從UART接口接收到的數(shù)據(jù)通過無線信道傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。若五分鐘內(nèi)沒有任何數(shù)據(jù)發(fā)送，為了降低功耗，ZigBee模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠（SLEEP）狀態(tài)，直到有新的數(shù)據(jù)到來模塊才會(huì)被喚醒（WAKE）進(jìn)入工作狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)（SLEEP）的ZigBee模塊每隔五分鐘會(huì)自動(dòng)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一條消息以證明自己還在網(wǎng)內(nèi)，系統(tǒng)正常。

圖4　ZigBee模塊電路原理

3　智慧開關(guān)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧開關(guān)系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)軟件主要?jiǎng)澐譃橐韵聨讉€(gè)模塊：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊、防盜監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息推送模塊。軟件系統(tǒng)流程圖如圖5。

圖5　軟件系統(tǒng)流程

系統(tǒng)上電工作時(shí)首先完成主控制器初始化、ZigBee模塊初始化。然后檢測(cè)工作模式標(biāo)志位，如果是工作模式，則開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；如果是防盜模式，則開始進(jìn)行安全分析。在工作過程中，系統(tǒng)可根據(jù)家庭環(huán)境狀況隨時(shí)在這兩種工作模式之間切換。

3.1數(shù)據(jù)聯(lián)合檢測(cè)機(jī)制

在對(duì)傳感器采集到的異常信息進(jìn)行分析處理時(shí)，主要采用了聯(lián)合檢測(cè)分析機(jī)制。數(shù)據(jù)聯(lián)合檢測(cè)是指控制器通過收集、比對(duì)、分析來自不同空間、時(shí)間、區(qū)域的不同類型的數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，最后得出對(duì)事件最準(zhǔn)確的判斷，其主要原理是：當(dāng)某一傳感器監(jiān)測(cè)到環(huán)境情況發(fā)生異常時(shí)，控制器將此異常數(shù)據(jù)保存并同時(shí)發(fā)出指令查詢與該區(qū)域相關(guān)聯(lián)（包括空間關(guān)聯(lián)和區(qū)域關(guān)聯(lián)）的傳感器數(shù)據(jù)，并將二次查詢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過一段延時(shí)后再次查詢相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在控制器內(nèi)，最后將所有查詢的數(shù)據(jù)依據(jù)信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)相關(guān)理論進(jìn)行分析，得出最終的結(jié)論［7］。通過多傳感器聯(lián)合檢測(cè)分析，可以提高對(duì)事件判定的準(zhǔn)確度，降低錯(cuò)誤概率，提高實(shí)用性［8］。

3.2 通信協(xié)議

為了規(guī)范傳輸數(shù)據(jù)的格式，提高開關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的通用性，根據(jù)通信的內(nèi)容和長(zhǎng)度，定義了如表1的數(shù)據(jù)幀格式。

表1　數(shù)據(jù)幀格式

該數(shù)據(jù)幀中，幀頭標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開始。網(wǎng)絡(luò)號(hào)用于區(qū)分家庭內(nèi)部ZigBee無線網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)等不同網(wǎng)絡(luò)，便于對(duì)各種不同的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。節(jié)點(diǎn)號(hào)主要用于區(qū)分家庭內(nèi)部不同的開關(guān)系統(tǒng)（如廚房開關(guān)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)號(hào)為1，臥室開關(guān)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)號(hào)為3）［9］。物理地址是每個(gè)開關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)備獨(dú)有的唯一地址，由生產(chǎn)廠商生產(chǎn)時(shí)確定，主要用于后期廠家的維護(hù)和軟件升級(jí)。設(shè)備號(hào)用于區(qū)別開關(guān)系統(tǒng)中不同的傳感器。數(shù)據(jù)內(nèi)容是經(jīng)過量化處理的各類傳感器數(shù)據(jù)信息。和校驗(yàn)是為了在接收端驗(yàn)證傳輸過程中數(shù)據(jù)內(nèi)容完好無損，保證了通信的準(zhǔn)確性［10］。幀尾是一幀數(shù)據(jù)結(jié)束的標(biāo)志。

4　結(jié) 論

文中給出了基于STM32的家庭智慧開關(guān)系統(tǒng)的工作原理及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化，如在系統(tǒng)優(yōu)化方面，提高控制信息的反饋速度、增加系統(tǒng)自動(dòng)記憶用戶生活習(xí)慣等功能；信息推送方面，系統(tǒng)與家庭路由器相兼容，通過路由器將數(shù)據(jù)發(fā)送至公網(wǎng)，由公網(wǎng)將信息推送至用戶終端［11］。

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2016-04-06）