0 引言
科學技術的高速發(fā)展大大提高了人們的生活品質(zhì)，智能家居作為高品質(zhì)生活的代表產(chǎn)品越來越受到人們的關注。智能家居是以居家環(huán)境為平臺，融合了建筑、通信、網(wǎng)絡、計算機、自動控制等技術形成的，集功能性、服務性、管理性為一體的舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，是高新技術在生活中的典型應用之一。
本文基于Cortex—M3架構的STM32系列芯片，設計開發(fā)了一套智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)以智能家居控制器為核心，包括智能插座、多功能面板、紅外轉發(fā)、電動窗簾、窗戶控制模塊、光強度及溫、濕度計等多種智能家居產(chǎn)品，也可與紅外探測器、煙感探測器、門禁控制器、網(wǎng)絡攝像機等安防產(chǎn)品組建智能家居的安防系統(tǒng)。智能家居控制器可通過以太網(wǎng)或Wifi與家庭信息互聯(lián)處理中心通訊;各智能產(chǎn)品通過RS485總線方式與控制器通訊。對系統(tǒng)的控制方式包括：上位機控制、觸屏控制，或利用手機、iPAD等移動互聯(lián)產(chǎn)品進行控制。如圖1所示為系統(tǒng)示意圖。
1 智能家居控制系統(tǒng)的整體設計
1.1 智能家居控制器
智能家居控制器是智能家居系統(tǒng)的核心處理模塊，是整個智能家居系統(tǒng)的關鍵。本設計中的智能家居控制器基于STM32芯片設計，并根據(jù)控制器的功能分為如下幾個模塊：模擬量采集輸入模塊、開關量輸出模塊、RS-485通信模塊、ADC轉換模塊、以太網(wǎng)接口模塊、JTAG模塊、電源模塊、無線通信模塊、輸入、輸出LED顯示模塊。其硬件結構框圖如圖2所示。
1.2 智能家居產(chǎn)品
1.2.1 智能插座
智能插座以STM32系列芯片為核心，內(nèi)含ADE7753電能芯片、液晶屏、繼電器等，可計量顯示對應家用電器的電量參數(shù)，并可設置何時啟動該家用電器的電源，可合理分配家中用電負荷，實現(xiàn)智能電網(wǎng)功能，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。
1.2. 2 多功能面板
多功能面板以STM32系列芯片為核心，包含4路繼電器輸出，可同時控制4路負載(燈、排氣扇等)，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。
1. 2.3 紅外多功能轉發(fā)器
紅外轉發(fā)器是以STM32系列芯片為核心?？蓪W習、存貯、接收和轉發(fā)電視機、空調(diào)及其他電器的遙控器紅外信號，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。
1.2. 4 觸摸屏
本設計采用的彩色觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產(chǎn)品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率800×480)，四線電阻式觸摸屏，高檔塑料結構，工業(yè)級低功耗，CPU400MHz，64M內(nèi)存，64M閃存，1*RS232(隔離接口)，1*RS485(隔離接口)，1*USB接口(一主一從)，24VDC電源輸入，功耗小于7W。同時還預裝了嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)組態(tài)軟件?？赏ㄟ^485與智能家居控制器通訊，可實現(xiàn)遙控、遙信、遙調(diào)及情景模式的設定。
2 智能家居系統(tǒng)的硬件平臺設計
智能家居控制器主要涉及到的硬件部分包括STM32F103VET系列芯片、8路達林頓驅動ULN2803、8路雙向光耦隔離TLP280-4、2路高速光耦隔離6N137、5路RS485 SN65LBC184、以太網(wǎng)ENC28J60、FLASH存儲器SST25VF016B。
2. 1 STM32F103VET系列芯片
STM32F103VET系列芯片使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達512k字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)帶512k字節(jié)閃存的微控制器。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。USB、CAN、11個定時器、3個ADC、13個通信接口。本設計中對STM32F103VET芯片的管腳做了功能劃分，如圖3所示。
2.2 8路達林頓連接晶體管陣列ULN2803
8路NPN達林頓連接晶體管陣列適用于低邏輯電平數(shù)字電路(如TTL、CMOS或PMOS/NMOS)和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應用于計算機、工業(yè)用和消費類產(chǎn)品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負載中。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設計與標準TTL系列兼容，采取AP=DIP18，AFW=SOL18封裝方式，在本設計中ULN2803用于8路繼電器輸出的驅動電路。
2.3 雙向光耦隔離TLP280-4和高速光耦隔離6N137
TLP280-4是一塊超小且超薄的耦合器，適用于貼片安裝，常用于PCMCIA傳真調(diào)制解調(diào)器、可編程控制器電路中。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部電路由一個850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。6N137具有溫度、電流和電壓補償功能，廣泛用于高速數(shù)字開關、馬達控制系統(tǒng)和A/D轉換等電路中。本設計中采用TLP280-4構成控制器的8路光耦隔離輸入端電路，采用6N137構成控制器的2路高速光耦隔離輸入端電路。
2.4 RS485接口通信芯片SN65LBC184
本設計中前端智能設備和探測器之間通過SN65LBC184進行半雙工方式通信。
SN65LBC184工作原理電路如圖4所示。由DIR5控制通信方向，當DIR5端為高電平時控制器為接收狀態(tài)，反之，控制器則為發(fā)送狀態(tài)。
2.5 以太網(wǎng)模塊ENC28J60
本設計中各個控制器間可通過以太網(wǎng)口實現(xiàn)與家庭信息互聯(lián)處理中心的通信。
2.6 FLASH存儲器SST25VF016B
在本設計中利用FLASH存儲器SST25VF016B存儲各設備的IP地址。
2. 7 ADE7553單相電能計量芯片
ADE7553單相電能計量芯片具有高精度、低功耗的特點。有功電能計量誤差小于0.1%，具有SPI串口通訊方式和DI\DT傳感器接口，使用5V直流電源供電。該芯片內(nèi)部有很多寄存器，在設計中只需通過對其寄存器進行讀寫操作即可。
2.8 系統(tǒng)供電電路
控制器可提供雙路12V/0.5A的電源輸出，供與之相連的智能產(chǎn)品或模塊使用。電路如圖5所示。
3 智能家居系統(tǒng)的軟件設計
整個智能家居系統(tǒng)的軟件設計主要包括三部分：智能家居上位機管理軟件、智能家居產(chǎn)品(控制器、智能插座、多功能面板等)、觸摸屏。其中，智能家居上位機管理軟件是基于Lab VIEW開發(fā)環(huán)境開發(fā)的應用軟件，是系統(tǒng)的集中管理手段和工具。該軟件通過以太網(wǎng)協(xié)議和智能家居控制器底層控制協(xié)議在應用層面的融合，可實現(xiàn)對家居中安防設備、電氣設備的控制，溫度、燈光等參量的調(diào)節(jié)，以及場景設置、定時、遠程監(jiān)控等功能。如圖6所示為上位機管理軟件界面和客廳燈光程序框圖。
智能家居產(chǎn)品的軟件設計基于STM32單片機，采用C語言編寫完成。包含控制器程序和多個設備的驅動程序。智能模塊和控制器間通過RS485接口進行通訊，可以直接使用標準的串口驅動程序。設計驅動程序的大部分工作就是根據(jù)硬件結構來“填寫”框架中的函數(shù)。主要的函數(shù)包括open()、read()、write()、ioctl()、release()、module_init()和module_exit()等。
觸摸屏通過RS485與智能家居控制器通訊，通過預裝的嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)組態(tài)軟件，實現(xiàn)對家居設備的控制和情境模式的設定。如圖7所示為觸摸屏的界面。
4 結束語
本文設計了一個基于STM32的智能家居系統(tǒng)，包括控制器、智能電度表、智能插座、多功能面板等多個智能家居模塊。同時，配合紅外探測器、煙感探測器、門禁控制器、網(wǎng)絡攝像機等安防產(chǎn)品可組建成完善的智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有控制方式多樣靈活、模塊功能可擴展性強、設備操作簡單易行等優(yōu)點，適合家庭、教學、實驗開發(fā)等多個領域。
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