基于Zigbee无线通信与...TM32的智能家居系统设计_裴晓燕.pdf

30|电子制作 2023 年 6月智能应用0 引言随着科技进步，人民的生活水平逐步提升，对居住环境的要求也越来越高。IDC 中国智能家居设备市场季度跟踪报告指出，中国智能家庭设备的出货量在 2021 年上半年出货量达到了 1 亿台左右，中国的智能家居产品在未来 5年内将继续保持 20%以上的复合增长率，到 2025 年出货量将可能会突破 6 亿台。然而，由于我国企业采用的技术标准并不统一，产品质量不能兼容，成本较高，控制方式单一，难以适应大众的需要。在这样的背景下，本文设计了以STM32 为核心 Zigbee 无线通讯智能家居系统，以实现对家庭环境的监测与控制。它可以弥补智能家居系统成本高、交互方式单一、设备操作困难等弊端。1 智能家居系统总体方案设计 1.1 系统设计目标及设计原则针对目前智能家居系统的结构复杂、智能化程度低等问题，提出了一种基于智能家居的智能化、集成化的新系统。在此基础上，遵循下述原则的前提下完成了本系统的设计。第一，使用方便，实用性强。现在市面上有许多智能家居产品，宣传功能丰富、使用便捷，但往往都是过度宣传，使用过程中操作繁琐，大多数人，在购买这些产品之后，都只会进行简单操作，而那些复杂的功能，根本无法使用。所以在进行设计时，应当本着方便用户的操作和实用性的原则来进行设计。第二，系统稳定，成本低。要将智能家居普及到广大的普通消费者，其产品价格也是不可忽略的一个重要因素。因此，在设计过程中，必须在保证功能齐全的基础上，尽量选择具有较高性能的元件和传感器，来实现产品的成本控制，实现硬件电路的简单流畅、易于维护，实现软件编程较高的逻辑性和稳定性。1.2 智能家居系统本文所研究的智能家居系统，可以从整体上划分为两个主要的模块，即上位机和下位机。上位机主要由 PC、手机通过服务器向协调器发出指令，再由协调器向终端设备传送指令；而下位机则主要负责收集和传送各传感器节点数据，并将其上传到服务器，从而实现 PC 和手机端的实时监控。在图 1 中显示了智能家居系统之间的组织关系。在本文所设计的智能家居系统中，PC 和手机终端被选为显示设备。如今，智能手机已成为我们日常生活的重要组成部分，通过用户界面向 ZigBee 发送命令，然后通过ZigBee 网络向终端设备传输数据，从而实现对智能家居系基于 Zigbee 无线通信与 STM32 的智能家居系统设计裴晓燕（晋中职业技术学院，山西晋中，030600）摘要：随着人们的生活质量不断提高，对居住环境舒适度的改善也日益关注。科学技术在住宅系统的设计越来越受到重视，智能家居已成为现代住宅的主要趋势。智能AI、大数据、物联网等技术的运用，为改善居民的生活质量提供了有力保障。本文目前智能家居系统目前存在的问题，提出了设计目标和设计原则，并从总体设计方案、总体结构、各个部件的功能等方面进行了阐述。结合ZigBee无线通信技术及STM32，开发了一种既能满足一般家庭功能要求，又能降低开发、安装和维护费用、易于使用的智能家居系统，并有望在实际应用中推广普及。关键词：Zigbee；STM32；智能家居；系统设计；无线通信图 1 智能家居系统拓扑图DOI:10.16589/11-3571/|31智能应用统的控制；与此同时，在家居环境中，各种传感器采集的数据也会通过原路返回并上传到 UI 界面，方便使用者随时浏览，并进行相应的操作。ZigBee 协调器是智能家庭中的一个重要的控制部件，它可以将所有的信息传输到智能家居中。而智能家居系统中的另外一个关键器件是包括终端节点，温度、湿度、烟雾等传感器都会在主界面上实时的显示出家居情况。1.3 系统的总体设计方案从硬件的角度来看，智能家居系统可以分成三大部分，分别是下位机终端、家庭网关、上位机终端。系统的整体设计框图如图 2 所示。(1)下位机的终端下位机终端主要承担数据采集与控制工作。采集是指收集家居环境信息，包括室内温度、室内和卧室中的光照强度、厨房中的烟雾和易燃气体浓度，以及在家中安装具有传感器的 ZigBee 终端节点；控制是对家庭生活用具的运行状况进行管理，其实施方法是将继电器 ZigBee 连接到装置的电源插座上，通过对继电器的开闭进行以控制家电的开闭。(2)家庭网关家庭网关主要承担网络管理、传输、存储等工作。该网络的管理包含了 ZigBee 网络和 WiFi、GSM 和因特网的管理，ZigBee 协调器用于初始化家用网络，收集和控制终端节点加入该网络中，并对整个 ZigBee 网络进行维护等；其中，WiFi 模块、GPRS 模块主要负责对外部网络进行管理，包括启动外网、向云端服务器及手机端传输数据等。主控制器主要功能之一是实现 ZigBee 协调器与 WiFi、GPRS 模块之间的数据交互，以及向 SD 卡中写入数据。(3)上位机终端本论文所设计的上位机终端是指手机或 PC。通过手机APP，使用者可以随时查看室内温度、湿度、烟雾浓度等情况，还可以遥控家电；同时，当易燃气体超出临界点时，该系统会通过手机短信通知使用者。与传统的智能家居相比，本文所设计的智能家居系统加入了自动控制功能，当处于自动控制状态时，系统会按照使用者的使用习惯来进行自动调节，例如在感应到气温较低时，会自动开启空调，调整室内的温度。与上位机终端有关的是路由器和云计算服务器，路由器是一个用于管理本地网关和云端服务的数据的接口；云服务器主要承担着数据的存储、家庭网关与手机端之间的交互，以及对模型算法的预测与控制。2 系统硬件设计 2.1 电路设计控制器采用 STM32L476VGT6 芯片，以此芯片为核心，可根据智能家居网关需求，下载、复位系统的电源程序、SD 卡存储、USB 接口、WiFi、GPRS，以及相应的外部接口。图 3 显示了主控制器和外围功能模块结构框图。图 3 主控制器及外围扩展模块结构框图控制器是智能家居系统中的重要组成部分，它担负着主、下位计算机和控制终端的通讯。其主要功能是利用因特网与外部网络进行数据通信，并与云平台进行数据交换，通过终端接入云端平台，实现对控制器的存取和数据交互；同时，它还承担着家庭内部的网络管理和数据的收发、传输，并在家庭内部和外部网络间进行信息的传输，使用户可以随时随地查看家庭环境信息，并对家庭设备进行远程控制。2.2 终端节点接口电路设计（1）烟雾传感器接口电路设计为了保障住宅环境安全，必须对室内火灾发生的烟气和易燃性气体进行浓度检测，以防止火灾危险。在本方案中，使用 MQ-2 型气体图 2 系统总体设计框图32|电子制作 2023 年 6月智能应用传感器进行易燃气体的采集，其探测范围广泛，对可燃气体如丙烷具有良好的敏感性。MQ-2 型气体传感器性价比高、应用广泛，是家庭环境中的烟雾报警的理想选择。本芯片工作电压 5V+0.1V，输出电压 2.54.0V，可在 30010000ppm范围内进行测试。其应用接口电路如图 4 所示。图 4 MQ-2 接口电路（2）温湿度传感器接口电路设计根据室内环境的温、湿特性，本系统将 DHT11 作为家居环境温度与湿度传感器。DHT11 利用先进的温湿传感技术，实现对周边环境的温度、湿度进行实时监测，内置了数码模组，开发人员无需进行模数转换，只需要读出数字信号就能完成温度和湿度的读取。芯片可在 35.5 V 的工作电压下工作。在 050 摄氏度的范围内，测量准确度 1；湿度在 20%90%RH 范围内。本模块有四个引脚，其中三个引脚用于电路设计，其接口部分如图 5 所示。图 5 DH11 接口电路（3）控制终端接口电路设计继电器是由电流来控制电子设备，通常用于自动调整和安全保护。继电器的工作原理是，在电源输入端为 0 或电流不足时，继电器线圈为断路，常闭触点闭合，常开触点断开；在有足够大电流通过时，保护线圈会产生吸合力，使其常闭触点断开，而常开触点闭合。从图 6 可以看出，在 P1_3 是无效电平状态下，在继电器的输入端没有电压，电流为 0，因此常闭触点关闭；在 P1_3 是有效电平情况下，继电器输入端会产生一个使继电器线圈闭合的电压，从而使常闭触点处于关闭状态；常开触点在吸合时，使继电器的刀位方向发生变化，达到电气设备的开关控制。图 6 继电器接口电路3 系统软件设计 3.1 下位机软件设计下位机的软件设计包含终端和控制器的软件设计，采用KeilVision5作为STM32的开发平台，采 C语言进行编程，便于系统的维护和扩展。STM32 单片机在节点采集数据，然后将采集到的数据传输给 ZigBee，ZigBee 采用 Z-Stack协议栈进行封装，并通过 ZigBee 网络传输给网络中的协调器节点。协调程序将采集到的各结点数据通过 USART 发送给主机，主机接收到数据后，利用 ID 判断节点信号是否超过了设置的阈值，并判定蜂鸣器是否发出警报；最后利用MQTT 技术对数据进行封装，通过 ESP8266 接口，将其传输到云端平台，由手机终端接收到数据。在图 7 中显示了该程序流程。图 7 程序流程图 3.2 上位机软件设计该系统采用 MQTT 协议进行信息交互，交互形式以JSON 为主。控制器将所有的数据以 JSON 方式封装，并经由设定的主题传送至云端平台，通过订购 Topic 主题，即|33智能应用信号采集系统设计 J.传感器与微系统 2021(09),104-107.6 才滢,毕鹏.压阻式压力传感器及其应用电路设计 J.航空计测技术,2002(05):12-14.7 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解析用户数据，每天可以申请一万次，已经足够日常使用。4 结语近几年，随着物联网、人工智能、云计算等技术的飞速发展，致力于提高人们的居住品质的智能家居系统，已由实验室走向了普通的家庭。智能家居这个概念虽然被提出至今已有数十年之久，但至今还未广泛应用于整个社会，大部分家庭都还保持着传统的生活习惯。本文分析智能家居系统设计目标及设计原则，设计了基于 STM32、Zigbee 的智能家居系统，具有高度的集成化和智能化，可以作为普通家庭智能家居的参考。参考文献 1 刘婷,李洋.基于 ZigBee 网络的智能家居节能系统设计 J.科技与创新,2022(22):163-165.2 蒋翰林.智能家居新浪潮：从智能单品到全屋智能 N.中国经营报,2022-11-14(B14).3 于国福.基于 ZigBee3.0 技术的智能家居系统设计 J.电视技术,2022,46(10):222-225.4 程琪戬,王桂兰,周明亮.基于 Zigbee 技术的智能家居安防系统设计 J.集成电路应用,2022,39(10):258-259.5 曾浩.物联网技术支持下的智能家居系统建设探究 J.电子测试,2022,36(18):72-74.6 付心仪,张鹤,薛程,李欣洋,孙喆,徐迎庆.智能家居综合实验平台设计研究与应用实践 J.包装工程,2022,43(16):50-58+108.7 刘金雯.无线通信技术在智能家居中的应用研究 J.数字通信世界,2022(07):103-105.（上接第 24 页）