沈炎松

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000）

一種基于STM32的遠(yuǎn)程無線智能家居控制系統(tǒng)

沈炎松

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363000）

本文設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為控制核心的智能家居控制系統(tǒng).該設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用GSM、2.4G等無線通信技術(shù)，并提出了一種改進(jìn)的LEACH無線傳感器組網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制.實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有廣泛的應(yīng)用前景.

STM32；智能家居；遠(yuǎn)程無線；LEACH協(xié)議

所謂智能家居[1]是指利用微處理電子技術(shù)來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如電腦設(shè)備、保全系統(tǒng)、暖氣及冷氣系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、視訊及音響系統(tǒng)等.近年來，隨著人們生活水平的不斷提高以及計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，家居系統(tǒng)越來越智能化.智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向[2].當(dāng)前開發(fā)的有線智能家居產(chǎn)品存在布線麻煩、電纜使用量大、擴(kuò)展麻煩等問題，因此在實(shí)現(xiàn)家居智能化同時(shí)，研制一套性能穩(wěn)定且能無線組網(wǎng)的智能家居控制裝置便顯得很有必要.

本文設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為核心的智能家居系統(tǒng)，將GSM、藍(lán)牙、2.4G等無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等相融合，用戶經(jīng)密碼驗(yàn)證進(jìn)入智能家居系統(tǒng)后，通過觸摸屏設(shè)定室內(nèi)家居工作，也可以利用手機(jī)藍(lán)牙功能近距離控制家居工作，還可以用GSM手機(jī)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)選用是進(jìn)行本例智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、節(jié)能性和穩(wěn)定性.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要選用硬件平臺(tái)如下：

1.1 STM32F103VET6及STC12C5A60S2單片機(jī)

系統(tǒng)主控制器的微處理器選用STM32F103VET6單片機(jī)，從控制器處理器選用STC12C5A60S2單片機(jī).

STM32FI03VET6是意法半導(dǎo)體公司的一款超低功耗單片機(jī)，工作頻率可達(dá)72MHz，片上集成64KB的FLASH存儲(chǔ)器、20KB的SRAM存儲(chǔ)器以及豐富的增強(qiáng)I/O端口，所有外設(shè)通過兩條APB總線進(jìn)行連接，并且都可匹配標(biāo)準(zhǔn)的通信接口.

STC12C5A60S2是宏晶科技（STC）生產(chǎn)的一款高速增強(qiáng)型8051單片機(jī)，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，芯片內(nèi)部自帶60K的FLASH存儲(chǔ)器，內(nèi)置8路10位精度的高速ADC轉(zhuǎn)換器和2路PWM.

1.2 2.4G無線模塊NRF24L01

nRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHZ世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器件芯片，內(nèi)部集成頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制解調(diào)器等功能模塊.其工作頻道和輸出功率可以通過程序進(jìn)行設(shè)置，在工作時(shí)具有極低能耗.

1.3 GSM模塊

GSM模塊采用西門子公司的TC35，可工作在900kHz和1800kHz兩個(gè)頻段.TC35主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、電源模塊、閃存、ZIF鏈接器、天線接口等部分組成[3]，具有信號(hào)傳輸快、性能穩(wěn)定功耗低等特點(diǎn).

1.4 藍(lán)牙通信模塊

本例選用正點(diǎn)原子ATK-HC05主從一體藍(lán)牙串口模塊，該模塊可以同各種帶藍(lán)牙功能的智能終端配對(duì)，支持波特率范圍:4800-1382400.

1.5 TFT觸摸顯示屏

選用4.3寸TFT觸摸顯示屏，觸摸屏操作產(chǎn)生電平信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后通過串口送至主控制器STM32FI03VET6進(jìn)行處理并執(zhí)行相應(yīng)操作.

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由一個(gè)主控制器、多個(gè)從控制器組成，主控制器部分由GSM模塊、2.4G無線收發(fā)模塊、藍(lán)牙模塊、液晶觸摸顯示模塊、報(bào)警電路等構(gòu)成.從控制器包括2.4G無線收發(fā)模塊、信號(hào)采集及家電控制模塊等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示.

該系統(tǒng)主控制器以藍(lán)牙接收、觸摸屏輸入以及GSM短信等方式接收用戶設(shè)置數(shù)據(jù)，主控制器通過2.4G模塊與各從控制器進(jìn)行通信.系統(tǒng)通過密碼驗(yàn)證后進(jìn)入主顯示界面，實(shí)時(shí)接收并顯示各從控制器狀態(tài)信息，在室內(nèi)用戶可以利用手機(jī)內(nèi)置藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)對(duì)各家居的實(shí)時(shí)控制；在戶外，可以通過發(fā)送短信指令，實(shí)現(xiàn)戶外控制；主控制器接收各控制指令，最終完成各項(xiàng)控制操作，從而實(shí)現(xiàn)戶內(nèi)近距離和戶外遠(yuǎn)距離的無線控制.

圖1-1 智能家居控制系統(tǒng)總體框圖

本智能家居系統(tǒng)的主要功能及操作如下：

2.1 密碼驗(yàn)證

用戶設(shè)定密碼預(yù)先存入主控制器單片機(jī)內(nèi)置EEPROM，為避免家里兒童在觸摸屏上誤操作以及手機(jī)丟失被進(jìn)行非法操作等行為，用戶使用觸摸屏設(shè)置控制功能、GSM短信息遠(yuǎn)程控制功能都要輸入密碼驗(yàn)證，以提高設(shè)備安全性.單片機(jī)獲取輸入的密碼信息，識(shí)別到密碼準(zhǔn)確之后才響應(yīng)此行為.

2.2 短信息控制

用戶通過手機(jī)短信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，控制指令使用“密碼+指令”的格式發(fā)送，主控制器通過GSM模塊接收短信數(shù)據(jù)，經(jīng)STM32單片機(jī)讀取后，數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別、處理，如果密碼準(zhǔn)確，主控制器通過2.4G無線模塊發(fā)送指令至從控制器，從控制器接收數(shù)據(jù)后，完成后續(xù)控制操作.

2.3 手機(jī)藍(lán)牙按鍵控制

用戶可以利用手機(jī)安裝藍(lán)牙串口助手APP軟件，與主控制器藍(lán)牙模塊配對(duì)成功后進(jìn)入鍵盤模式可進(jìn)行近距離無線輸入控制，主控制器單片機(jī)接收控制指令后，對(duì)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，將控制數(shù)據(jù)送至2.4G無線模塊，由無線模塊發(fā)送指令給從控制器，實(shí)施控制操作.

2.4 觸摸屏控制

觸摸顯示屏具有實(shí)時(shí)顯示、設(shè)置、控制功能，觸摸操作產(chǎn)生的電平信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過串口傳送至STM32單片機(jī)進(jìn)行處理.觸摸顯示屏按下設(shè)置進(jìn)入設(shè)置界面之前，先進(jìn)行密碼驗(yàn)證，輸入密碼后，STM32單片機(jī)獲取輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較判斷，若密碼正確將進(jìn)入設(shè)置界面，否則不能進(jìn)入設(shè)置界面，在進(jìn)入設(shè)置界面后用戶可以進(jìn)行密碼重新設(shè)置、保存.

3 智能家居軟件設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分主控制器程序設(shè)計(jì)、從控制器程序設(shè)計(jì)，從控制器按功能實(shí)現(xiàn)不同分為家電控制類從控制器程序設(shè)計(jì)、信息采集類從控制器程序設(shè)計(jì).程序模塊主要由底層驅(qū)動(dòng)程序、觸摸顯示子程序、2.4G無線通信子程序、

圖1-2 主控制器控制流程圖

圖1-3 家電控制類從控制器控制流程圖

圖1-4 信息采集類從控制器控制流程圖

其中，r是當(dāng)前輪數(shù)，p是節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率，G是目前1/p輪中還沒有成為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合.

由于閾值公式中沒有考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)能量的影響，且LEACH采用隨機(jī)選擇輪流成為簇頭的算法，其參考指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)成為簇頭的次數(shù)；而節(jié)點(diǎn)的加入是以接收信號(hào)的強(qiáng)弱為依據(jù)，因此在成簇過程中會(huì)出現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)過多的簇（極大簇）和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)過少的簇（極小簇）[4]，因此，該算法難以達(dá)到平衡節(jié)點(diǎn)能耗的預(yù)期目標(biāo)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)能量不均衡時(shí)，使用就不理想.通過分析算法可見，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的大、小與該節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率緊密相關(guān)，為了平衡各節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如式（2）.藍(lán)牙通信子程序及GSM子程序等部分組成.主控制器控制流程如圖1-2所示，家電控制類從控制器控制流程如圖1-3所示，信息采集類從控制器控制流程如圖1-4所示.

3.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)路由算法設(shè)計(jì)

本例中，考慮主控制器匯聚節(jié)點(diǎn)功能較強(qiáng)，并且?guī)в蠫SM模塊、藍(lán)牙模塊及觸摸顯示模塊電路，因此主控制器供電使用變壓器轉(zhuǎn)換電壓直接供電，而各從控制器節(jié)點(diǎn)使用電池供電，各從控制器節(jié)點(diǎn)非常容易移動(dòng)、維護(hù).因此，如何將從控制器節(jié)點(diǎn)能耗控制到最低顯得尤為重要.

本例采用一種改進(jìn)的LEACH協(xié)議，在LEACH協(xié)議中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配到的數(shù)據(jù)rand小于閾值T（n），則此節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，并向其他節(jié)點(diǎn)廣播消息.閾值計(jì)算公式為：

其中rand為初始隨機(jī)產(chǎn)生的0-1之間的數(shù)據(jù)，En_init為n號(hào)節(jié)點(diǎn)的初始能量，En_now為n號(hào)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量.

由式（2）可見，節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量越多，通過公式（2）最終生成的隨機(jī)數(shù)就越小，其成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率就越大.由此可見，通過對(duì)LEACH算法的設(shè)計(jì)和改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗平衡，提高能量效率，延長(zhǎng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命.

3.2 GSM模塊軟件設(shè)計(jì)

TC35模塊采用AT賀氏指令，GSM模塊與單片機(jī)通過串口連接，AT命令是單片機(jī)與GSM模塊進(jìn)行通信的一套指令集，單片機(jī)可以通過向GSM模塊發(fā)送AT命令，實(shí)現(xiàn)GSM模塊短信收發(fā)等操作，本系統(tǒng)GSM設(shè)置在PDU模式進(jìn)行短信息接收和發(fā)送.與SMS收發(fā)短信有關(guān)的部分AT命令[5]如下：

AT+CMGC：發(fā)送一條短消息命令

AT+CMGR：讀出短消息

AT+CMGS：發(fā)送短消息

AT+CMGW：向SIM內(nèi)存中寫入待發(fā)的短消息

AT+CMSS：從SIM內(nèi)存中發(fā)送短消息

AT+CSCA：設(shè)置短消息服務(wù)中心地址

AT+CNMI：顯示新收到的短消息

3.3 nRF24L01無線模塊軟件設(shè)計(jì)時(shí)序

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的有效通信是智能家居系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間通信無誤碼是無線模塊程序設(shè)計(jì)的核心.本例中，nRF24L01設(shè)置工作在增強(qiáng)型的ShockBurst TM模式下，單片機(jī)先通過指令初始化nRF24L01，然后使能芯片片選引腳，并配置芯片工作模式（發(fā)送和接收模式）后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6].

為了降低信號(hào)在無線傳輸過程中的誤碼率，本例程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在傳輸過程增加附加校驗(yàn)碼，附加校驗(yàn)碼部分包含“節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼+奇偶校驗(yàn)碼”兩部分.接收節(jié)點(diǎn)通過nRF24L01接收完數(shù)據(jù)包后數(shù)據(jù)處理分離出“數(shù)據(jù)+驗(yàn)證碼”兩部分，對(duì)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼、奇偶校驗(yàn)碼進(jìn)行雙重驗(yàn)證.當(dāng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼和奇偶校驗(yàn)碼都準(zhǔn)確時(shí)，才保存數(shù)據(jù)并進(jìn)入后續(xù)數(shù)據(jù)處理，否則，拋棄數(shù)據(jù)后進(jìn)入后續(xù)操作.本例設(shè)計(jì)實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明，使用雙重驗(yàn)證技術(shù)與無驗(yàn)證碼數(shù)據(jù)傳輸相比，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率更低，系統(tǒng)工作更為穩(wěn)定性，抗干擾能力更強(qiáng).

本文提出一基于STM32遠(yuǎn)程無線智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.該方案以STM32F103VET6及STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，融合GSM通信、2.4G無線通信、觸摸顯示等技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居智能化控制功能.該系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)過調(diào)試和測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定、反映靈敏，并具有操作簡(jiǎn)便、安全性高、節(jié)能環(huán)保、成本低、易升級(jí)等優(yōu)點(diǎn).設(shè)計(jì)成果將為智能家居等測(cè)控領(lǐng)域的研究以及家居智能化的進(jìn)一步推廣提供重要指導(dǎo)意義.

〔1〕中國(guó)智能家居網(wǎng).http://www.Smarthomecn.com.2012.

〔2〕張逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32單片機(jī)的無線智能家居控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011,30(8):98-101.

〔3〕王文濤，黎杰，李賀，等.基于GSM的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技博覽，2012(14):276-277.

〔4〕呂濤，朱清新，張路橋，等.一種基于LEACH協(xié)議的改進(jìn)算法[J].電子學(xué)報(bào)，2011,39(06):1405-1409.

〔5〕羅海兵.基于GSM短消息的智能家居系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2007.

〔6〕管來奇，吳闖，等.智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].人工智能及識(shí)別技術(shù)，2014(06):77-79.

TP273

A

1673-260X（2017）05-0015-03

2017-01-15

2015年福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（科技類）（JA15692）