基于STM32和Android的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱向慶，鄧浩欣，李嘉寶，朱萬鴻，何昌毅，鐘創(chuàng)平

（嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東梅州514015）

智能家居系統(tǒng)集電子信息、自動控制、計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)等于一體，與傳統(tǒng)家居相比，它能從各方面提高人們的生活質(zhì)量[1-2]。家居核心設(shè)備智能化，終端配套技術(shù)的不斷成熟和品牌化，物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是以人為本的健康電子興起，進(jìn)一步促進(jìn)智能家居的發(fā)展。在功能設(shè)定方面，智能家居從以往簡單的近程安防監(jiān)控，逐漸過渡到遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動控制，并往智能化方向發(fā)展[3]。

目前，我國市場上有很多功能各異的智能家居產(chǎn)品，但是不少產(chǎn)品在追求功能強(qiáng)大的同時(shí)，造成價(jià)格高企，不利于推廣應(yīng)用。為此，設(shè)計(jì)一套高性價(jià)比，集空氣質(zhì)量、溫度、氣壓和光強(qiáng)檢測，家居設(shè)備自動控制，遠(yuǎn)程Android應(yīng)用程序與手機(jī)短消息監(jiān)控等功能于一體的智能家居系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它以STM32F407ZGT6微控制器為核心，包含EEPROM存儲器、SRAM存儲器、Flash存儲器、煙霧及可燃?xì)怏w（液化氣、甲烷、酒精等）傳感器、有害氣體（氨、硫化物、苯等）傳感器、光敏電阻、PM2.5粉塵傳感器、數(shù)字溫度傳感器、氣壓傳感器、Wi-Fi無線模塊、GSM模塊、4.3寸TFT電容觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、繼電器、蜂鳴器、LED燈及數(shù)碼管等。

STM32F407ZGT6是意法半導(dǎo)體公司（ST公司）推出的一款以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的32位微控制器[4]，擁有 210DMIPS，高達(dá)1MB Flash ROM，192kB SRAM，4kB備用RAM，17個(gè)TIM（定時(shí)器），3個(gè)12位ADC，2個(gè)12位DAC，以及15個(gè)通信接口（3個(gè)I2C，4個(gè)USART/UART，3個(gè)SPI，2個(gè)I2S，2個(gè)CAN及1個(gè)SDIO），多達(dá)140個(gè)具有中斷功能的I/O端口，可滿足系統(tǒng)要求。

圖1 硬件系統(tǒng)框架

1.1 存儲器的擴(kuò)展

因?yàn)镾TM32單片機(jī)要運(yùn)行μC/OS-III操作系統(tǒng)，存儲圖片數(shù)據(jù)，所以必須擴(kuò)展系統(tǒng)的Flash ROM、RAM等存儲器。通過SPI接口連接華邦（Winbond）公司生產(chǎn)的W25Q128，可擴(kuò)展16 MB的Flash ROM。

STM32單片機(jī)使用FSMC（Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器）I/O口連接SRAM芯片IS62WV51216，該芯片由ISSI公司生產(chǎn)，容量為512 K字。

為了擴(kuò)展EEPROM，STM32單片機(jī)使用I2C總線連接AT24C256。該芯片由Atmel公司生產(chǎn)，容量為32 kB，其特點(diǎn)是可在線電擦寫，掉電后數(shù)據(jù)不丟失。

1.2 空氣質(zhì)量的檢測

煙霧及可燃?xì)怏w傳感器MQ2和有害氣體檢測模塊MQ135輸出的模擬電壓傳輸至STM32單片機(jī)的ADC引腳，單片機(jī)將采集到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進(jìn)行相應(yīng)處理，達(dá)到對煙霧、可燃?xì)怏w和有害氣體的檢測。

系統(tǒng)使用兩個(gè)Sharp公司生產(chǎn)的GP2Y1051AU型二代傳感器分別檢測室內(nèi)外PM2.5。PM2.5檢測模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信，其TXD引腳連接STM32的RXD引腳，單片機(jī)通過公式轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的室內(nèi)外PM2.5濃度值。

1.3 光照度、溫度及氣壓的檢測

光敏電阻MG5528與固定電阻的串聯(lián)分壓值送到STM32單片機(jī)的ADC引腳，單片機(jī)根據(jù)讀取的ADC值即可計(jì)算出周圍環(huán)境的光照度，進(jìn)而采用脈沖寬度調(diào)制（PWM），改變PWM輸出的占空比，通過ULN2803自動調(diào)節(jié)燈光的亮度。

單片機(jī)與DS18B20數(shù)字溫度傳感器通過單總線（1-Wire）通信，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測[5]。

同時(shí)，單片機(jī)通過I2C通信協(xié)議與BMP180氣壓溫度模塊進(jìn)行通信，達(dá)到對氣壓和溫度的檢測[6]。

1.4 無線通信接口

為了完成與遠(yuǎn)程云服務(wù)器、手機(jī)的通信，單片機(jī)通過串口連接Wi-Fi模塊ESP8266和GSM模塊SIM900A。Wi-Fi模塊內(nèi)置樂鑫信息科技公司的ESP8266EX芯片[7，8]，它內(nèi)含一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)運(yùn)行。

GSM模塊SIM900A用于給遠(yuǎn)程手機(jī)發(fā)送短消息，它是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE（意法愛立信）的單芯片案，使用ARM926EJ-S架構(gòu)，性能強(qiáng)大，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的收發(fā)[9-10]。

1.5 輸入輸出接口

系統(tǒng)使用ALIENTEK公司推出的4.3寸TFT電容觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，該觸摸屏有FSMC和SPI兩種接口。FSMC總線連接液晶控制器ILI9341，以輸出圖像；SPI總線銜接觸摸屏控制器TCS2046，以達(dá)到觸摸輸入數(shù)據(jù)。

STM32單片機(jī)使用I/O口連接2個(gè)復(fù)合管驅(qū)動器ULN2803，它可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、繼電器、LED燈和蜂鳴器，電機(jī)和繼電器用于開關(guān)窗戶、抽風(fēng)機(jī)、空氣凈化器或其他家電設(shè)備。

STM32單片機(jī)使用I/O口連接7段數(shù)碼管譯碼器74LS48，用于驅(qū)動共陰數(shù)碼管，顯示空調(diào)預(yù)設(shè)溫度。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了移植方便，以及提高開發(fā)速度，STM32單片機(jī)運(yùn)行固件由C語言編寫，運(yùn)行μC/OS-III操作系統(tǒng)，使用Keil uVision5軟件編譯，通過J-LINK Utility軟件將生成的機(jī)器碼文件燒錄到單片機(jī)。智能手機(jī)APP使用Java語言設(shè)計(jì)，并通過eclipse軟件編譯生成可安裝的APK文件。

2.1 μC/OS-III系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)

μC/OS-III是一個(gè)基于ROM運(yùn)行、可裁剪、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，具有μC/OS-II不支持的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法[11-12]，特別適合于32位微處理器和控制器。μC/OS-III系統(tǒng)初始化后，建立圖2所示五個(gè)任務(wù)。程序開始運(yùn)行后，初始化外設(shè)與各功能模塊，初始化μC/OS-III，然后創(chuàng)建任務(wù)1，開啟多任務(wù)環(huán)境。

2.1.1 任務(wù)1程序設(shè)計(jì)

任務(wù)1首先開啟RTC（Real-Time Clock，實(shí)時(shí)時(shí)鐘），初始化emWin圖形庫，接著創(chuàng)建信號量與任務(wù)2～5，最后掛起，不再執(zhí)行。

圖2 μC/OS-III系統(tǒng)各任務(wù)流程

2.1.2 任務(wù)2程序設(shè)計(jì)

任務(wù)2負(fù)責(zé)設(shè)置和更新emWin顯示，執(zhí)行完畢后掛起15 ms。emWin圖形界面包括主界面、設(shè)置界面、Wi-Fi掃描界面、Wi-Fi連接界面和服務(wù)器界面。

主界面顯示家居系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況，設(shè)置界面用于配置各家電工作參數(shù)、傳感器報(bào)警門限等。

Wi-Fi掃描界面用于發(fā)現(xiàn)周圍Wi-Fi，掃描完成進(jìn)入Wi-Fi連接界面，輸入密碼后可連接至遠(yuǎn)程云服務(wù)器。

服務(wù)器界面用于輸入遠(yuǎn)程云服務(wù)器的IP地址和端口，修改完成會將設(shè)置保存在EEPROM內(nèi)。

2.1.3 任務(wù)3程序設(shè)計(jì)

任務(wù)3負(fù)責(zé)觸摸屏和數(shù)碼管顯示。首先用觸摸屏顯示emWin設(shè)置好的界面；接著對數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)掃描，并控制其顯示空調(diào)設(shè)定溫度；最后任務(wù)掛起15 ms。

2.1.4 任務(wù)4程序設(shè)計(jì)

任務(wù)4負(fù)責(zé)檢測各傳感器。在程序開始時(shí)對ADC、串口等外設(shè)進(jìn)行初始化，進(jìn)入μC/OS-III系統(tǒng)后，按圖3所示流程，依次對煙霧與可燃?xì)怏w濃度、有害氣體濃度、室內(nèi)外PM2.5濃度、氣壓、光照度及溫度進(jìn)行檢測。當(dāng)室內(nèi)PM2.5、MQ2和MQ135檢測到的數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，啟動蜂鳴器報(bào)警。如果檢測結(jié)果有異常，再根據(jù)其數(shù)值控制窗戶、抽風(fēng)機(jī)、空氣凈化器等設(shè)備，以改善家居環(huán)境；最后任務(wù)掛起500 ms。

2.1.5 任務(wù)5程序設(shè)計(jì)

任務(wù)5負(fù)責(zé)與Wi-Fi模塊和GSM模塊交換數(shù)據(jù)。進(jìn)入μC/OS-III系統(tǒng)后，若Wi-Fi模塊已正確連接以太網(wǎng)，系統(tǒng)執(zhí)行圖4所示W(wǎng)i-Fi信息發(fā)送程序，將采集到的數(shù)據(jù)和當(dāng)前家居設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送至遠(yuǎn)程云服務(wù)器。當(dāng)遠(yuǎn)程Android應(yīng)用程序要控制家居時(shí)，也通過云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給Wi-Fi模塊，由其傳輸給單片機(jī)。

當(dāng)出現(xiàn)緊急情況，需要報(bào)警時(shí)，則依據(jù)圖5所示流程，通過GSM模塊發(fā)送短消息至用戶手機(jī)，及時(shí)提醒使用者。STM32單片機(jī)都是通過AT命令控制Wi-Fi模塊和GSM模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖4 ESP8266遠(yuǎn)程信息發(fā)送程序流程

圖5 GSM模塊發(fā)送報(bào)警短消息程序流程

2.2 遠(yuǎn)程服務(wù)器

遠(yuǎn)程監(jiān)控工作框架如圖6所示，遠(yuǎn)程服務(wù)器采用騰訊公司的騰訊云云服務(wù)器（Cloud Virtual Machine，CVM），它提供可擴(kuò)展的計(jì)算容量，且擁有公網(wǎng)唯一IP，理論上在任何地方只要能連接因特網(wǎng)，即可與其進(jìn)行通信。通過騰訊云CVM，可以在短時(shí)間內(nèi)快速啟動任意數(shù)量的云服務(wù)器，即時(shí)部署應(yīng)用程序，并支持使用者自定義的一切資源，如CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)和安全等[13]。騰訊云CVM使用Linux Ubuntu系統(tǒng)，利用Socket和雙進(jìn)程分別完成對8001和9999端口的監(jiān)聽，其中8001為智能手機(jī)連接端口，9999為家居系統(tǒng)連接端口。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控工作框架

2.3 Android APP程序設(shè)計(jì)

智能手機(jī)Android應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境包括JDK（Java Development Kit，Java開發(fā)工具包）、Android SDK（Software Development Kit，軟件開發(fā)包）、Eclipse和 ADT（Android Development Tools）插件。在安裝Android開發(fā)環(huán)境時(shí)，首先須要安裝支持Java程序開發(fā)和運(yùn)行的JDK，還需要有 JRE（Java Runtime Environment，Java運(yùn)行環(huán)境）的支持；Android SDK是Android開發(fā)工具包，它提供Android相關(guān)的API；Eclipse是IBM公司開發(fā)的一種基于Java語言編寫，開放源代碼，可擴(kuò)展的集成開發(fā)工具；ADT是Google專門為Eclipse開發(fā)的一個(gè)插件，用來輔助開發(fā)[14-20]。

打開應(yīng)用程序后會自動使用Socket連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，監(jiān)聽遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送的信息，解析并顯示于屏幕。圖7（a）為手機(jī)上的Android應(yīng)用程序主界面，用于顯示家居系統(tǒng)整體工作狀態(tài)；進(jìn)入圖7（b）所示設(shè)置頁面后，可修改各家居系統(tǒng)工作參數(shù)，點(diǎn)擊保存會將所有參數(shù)以指令形式發(fā)送給云服務(wù)器。云服務(wù)器進(jìn)程接收到指令后，將指令發(fā)送至管道，另一進(jìn)程接收管道內(nèi)容并將數(shù)據(jù)發(fā)送至家居系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的交互。

圖7 Android端應(yīng)用程序

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究過程中，采用先模型驗(yàn)證，后實(shí)物制作的方法。圖8為系統(tǒng)硬件模型，它采用KT紙板做外觀材料，電路固定于模型底部，各傳感器和電器露出于模型外，以便觀察。

實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能夠正常檢測并自動調(diào)節(jié)家居環(huán)境溫度、光照度、空氣質(zhì)量等，使用者可通過智能手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居狀況；有異常時(shí)，家居系統(tǒng)也會發(fā)送手機(jī)短消息以告知使用者。

圖8 系統(tǒng)硬件模型

4 結(jié)束語

研究表明，通過糅合現(xiàn)有的傳感檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)等，借助現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)器，結(jié)合Wi-Fi短距離無線通信，操作者可通過Android智能手機(jī)遠(yuǎn)程對家居環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)性能良好，實(shí)時(shí)性高，安全可靠，成本低廉，其包含的核心技術(shù)經(jīng)過企業(yè)消化后，能直接投入市場，可望產(chǎn)生積極的社會效應(yīng)和社會效益，推動現(xiàn)代化智能家居的發(fā)展。