何麗媛

（內(nèi)蒙古廣播電視監(jiān)測(cè)與發(fā)展中心，內(nèi)蒙古呼和浩特，010010）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)智能家居的需求越來越高。智能家居控制系統(tǒng)可以提供便利、舒適和能源效率。本研究的目的是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于STM32F407 的智能家居控制系統(tǒng)，以滿足人們對(duì)智能家居的需求。通過該系統(tǒng)，用戶能夠方便地控制和監(jiān)測(cè)家居設(shè)備，提高生活的便利性和舒適度[1]。

智能家居系統(tǒng)應(yīng)能夠控制智能家居設(shè)備，如燈光、空調(diào)、窗簾等，實(shí)現(xiàn)開關(guān)、調(diào)節(jié)和定時(shí)等功能[2]；應(yīng)能夠監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照等，并能根據(jù)設(shè)定的條件自動(dòng)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)；應(yīng)具備安全監(jiān)測(cè)功能，如火災(zāi)、煤氣泄漏等，及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)措施。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具備能源管理功能，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電量、水量等，并提供節(jié)能建議和優(yōu)化方案[3]。同時(shí)能夠支持通過手機(jī)、平板或電腦遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備，提供便捷的遠(yuǎn)程管理功能。

1 智能家居控制系統(tǒng)邏輯框架

整體架構(gòu)可分為幾個(gè)關(guān)鍵層次以確保系統(tǒng)的有序運(yùn)作，具體如圖1 所示。在頂層是應(yīng)用層，負(fù)責(zé)用戶與系統(tǒng)的直接互動(dòng)，包括用戶界面、應(yīng)用程序邏輯和輸入處理。業(yè)務(wù)邏輯層處于其下，負(fù)責(zé)解釋用戶輸入、執(zhí)行命令，并協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部操作，包括控制邏輯、命令解釋器和狀態(tài)管理。通信層管理系統(tǒng)內(nèi)各組件的通信，包括硬件間通信和系統(tǒng)與外部設(shè)備（如云服務(wù)）的通信，涵蓋通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和數(shù)據(jù)傳輸層。

圖1 系統(tǒng)邏輯框架

在核心控制層，作為系統(tǒng)的中樞，主控制單元協(xié)調(diào)硬件和軟件組件，執(zhí)行業(yè)務(wù)邏輯，控制設(shè)備，包括外設(shè)接口、擴(kuò)展模塊管理、傳感器和執(zhí)行器控制。底層則是硬件抽象層，提供對(duì)底層硬件的抽象，包括微控制器、外設(shè)接口、傳感器和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。這種清晰的分層結(jié)構(gòu)有助于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和擴(kuò)展，同時(shí)減少了各個(gè)層次之間的耦合，提高了系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性。

整體邏輯架構(gòu)中，硬件設(shè)計(jì)以STM32F407 微控制器為核心，通過外設(shè)接口和擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)與傳感器、執(zhí)行器的連接，同時(shí)集成通信模塊支持無線和有線通信。傳感器負(fù)責(zé)感知環(huán)境信息，執(zhí)行器用于控制家居設(shè)備，而通信模塊負(fù)責(zé)與其他設(shè)備和云服務(wù)進(jìn)行通信。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS），應(yīng)用程序?qū)犹峁┯脩艚缑?、?yīng)用程序邏輯和用戶輸入處理，利用STM32F407 固件庫和開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)算法和功能。通信協(xié)議和數(shù)據(jù)處理確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制。整個(gè)系統(tǒng)通過主控制單元協(xié)調(diào)硬件和軟件的工作，實(shí)現(xiàn)了智能家居控制的用戶友好界面和智能化功能。下面章節(jié)詳細(xì)介紹硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

■2.1 STM32F407 微控制器

本研究所選用的STM32F407 是STMicroelectronics公司生產(chǎn)的一款高性能嵌入式微控制器，具有豐富的特性和功能，適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。它采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)。STM32F407 具有靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，包括多個(gè)時(shí)鐘源和時(shí)鐘分頻器。它支持時(shí)鐘頻率高達(dá)168MHz，并提供多個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器用于精確的時(shí)序控制。

該微控制器集成了多種存儲(chǔ)器類型，包括Flash 存儲(chǔ)器用于程序存儲(chǔ)和存儲(chǔ)器映射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）。Flash存儲(chǔ)器容量可達(dá)到1MB，SRAM 容量可達(dá)到192KB。STM32F407 提供了豐富的外設(shè)接口，包括多個(gè)通用輸入/輸出引腳（GPIO）、通用串行總線（USART、SPI、I2C）、模擬輸入/輸出（ADC、DAC）和高級(jí)定時(shí)器（PWM、捕獲/比較）等。而且該微控制器支持多種通信接口，如以太網(wǎng)控制器（Ethernet MAC）、USB 控制器（USB OTG）、CAN 總線接口、SDIO 接口等，實(shí)現(xiàn)了各種通信需求。

■2.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)需求和STM32F407 微控制器的引腳功能，設(shè)計(jì)主控制單元電路，并將STM32F407 微控制器正確連接到外部電路。確保正確配置供電電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路等。進(jìn)行電路布局設(shè)計(jì)，考慮信號(hào)線長度、電源線和地線的走向，以最小化電路干擾和噪聲。為主控制單元提供必要的外部元件，如晶振、電容器和電阻器等，以滿足STM32F407 微控制器的要求。以下是主控制單元電路設(shè)計(jì)的具體模塊和功能。

2.2.1 供電電路

本設(shè)計(jì)使用AMS1117 芯片作為主控制單元的穩(wěn)壓器，為STM32F407 提供穩(wěn)定的3.3V電源，如圖2 所示。同時(shí)，使用LM2596 芯片作為DC-DC 轉(zhuǎn)換器，將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)其他部分所需的較低電壓，如圖3 所示。

圖2 AMS1117 應(yīng)用原理圖

圖3 LM25965 應(yīng)用原理圖

在設(shè)計(jì)中確保正確連接芯片的引腳、滿足電壓和電流要求，并選擇適當(dāng)?shù)碾娙萜鬟M(jìn)行濾波和穩(wěn)定電源。還需注意功耗和熱管理，特別是對(duì)于LM2596 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，根據(jù)系統(tǒng)功率需求選擇合適的散熱措施，以確保其正常運(yùn)行和溫度控制。在電路布局和連接時(shí)要考慮信號(hào)線的長度、電源線和地線的走向，以最小化電路干擾和噪聲，確保供電電路的可靠性和穩(wěn)定性

2.2.2 復(fù)位和時(shí)鐘

將STM32F407 的復(fù)位引腳（NRST）連接到復(fù)位電路。使用一個(gè)電容和一個(gè)電阻構(gòu)成復(fù)位電路。將電容連接到復(fù)位引腳和地引腳，將電阻連接到復(fù)位引腳和供電電源。

STM32F407微控制器支持多種時(shí)鐘源，包括外部晶振、內(nèi)部RC 振蕩器和外部時(shí)鐘輸入。外部晶振是一種常用的時(shí)鐘源，它提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。本設(shè)計(jì)選擇8 MHz 外部晶振。將外部晶振連接到STM32F407 的時(shí)鐘輸入引腳（PH0 和PH1 引腳）。在STM32F407 的時(shí)鐘配置寄存器中設(shè)置正確的時(shí)鐘源和分頻系數(shù)，以確保正確的時(shí)鐘頻率。

2.2.3 外部存儲(chǔ)器接口

本系統(tǒng)采用SPI Flash 存儲(chǔ)器W25Q32，W25Q32 容量為4MB，最高支持80 MHz 的快速時(shí)鐘速度，并且存儲(chǔ)器壽命長。具體引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 存儲(chǔ)器與控制器引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2.4 ADC 轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ADC 轉(zhuǎn)換芯片AD7908，使用MCP1525提供穩(wěn)定的參考電壓。連接MCP1525的輸出引腳到AD7908的引用輸入（REFIN）。確保MCP1525的輸出電壓符合AD7908的參考電壓要求。從AD7908的數(shù)字輸出引腳獲得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字結(jié)果。各個(gè)器件的地線連接在一起，確保共同的地電位。在電路中添加合適的濾波電容和去耦電容，以減少電源噪聲和抑制干擾，整體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 AD 轉(zhuǎn)換原理圖

2.2.5 通信及外設(shè)接口

設(shè)計(jì)的通信接口，包括UART（見圖5）、SPI、I2C、JTAG 等，以實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)交換。連接外部設(shè)備到相應(yīng)的引腳，并確保通信線路的正確連接和信號(hào)質(zhì)量。根據(jù)系統(tǒng)需求和外設(shè)選擇，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)接口，如GPIO、PWM、ADC 等。

圖5 UATR 通訊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件架構(gòu)

件架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到軟件的可靠性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和易維護(hù)性等因素，軟件架構(gòu)圖6 所示。

圖6 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1.1 引導(dǎo)加載程序（Bootloader）

引導(dǎo)加載程序是系統(tǒng)啟動(dòng)的第一個(gè)階段，它負(fù)責(zé)初始化硬件，加載內(nèi)核或應(yīng)用程序到內(nèi)存，然后將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給加載的代碼。引導(dǎo)加載程序通常位于系統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器中，如閃存。

3.1.2 硬件驅(qū)動(dòng)程序

硬件驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與嵌入式系統(tǒng)中的硬件交互，包括以下硬件驅(qū)動(dòng)：

（1）FLAS H驅(qū)動(dòng)：管理閃存的讀寫操作，包括存儲(chǔ)應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)。

（2）AD驅(qū)動(dòng)（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）：與模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交互，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

（3）DM驅(qū)動(dòng)（數(shù)字電機(jī)驅(qū)動(dòng)）：控制數(shù)字電機(jī)的運(yùn)行，包括速度和方向控制。

（4）通訊接口驅(qū)動(dòng)：管理與外部設(shè)備和傳感器之間的通信，如UART、SPI、I2C 等。

3.1.3 FreeRTOS內(nèi)核

FreeRTOS是一個(gè)開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，提供多任務(wù)管理、調(diào)度和同步機(jī)制。內(nèi)核包括以下組件：

（1）內(nèi)存管理：分配和管理系統(tǒng)內(nèi)存資源，避免內(nèi)存泄漏和沖突。

（2）I/O管理：管理外部設(shè)備和資源的輸入輸出操作，包括中斷處理和定時(shí)器管理。

（3）進(jìn)程控制：管理多任務(wù)調(diào)度，確保不同任務(wù)之間的合理分配處理器時(shí)間。

（4）通訊協(xié)議：實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信和同步機(jī)制，如消息隊(duì)列、信號(hào)量等。

3.1.4 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是實(shí)際實(shí)現(xiàn)智能家居功能的核心部分，包括以下內(nèi)容：

（1）C函數(shù)庫：提供了通用的C函數(shù)庫，用于處理數(shù)據(jù)操作、計(jì)算和算法。

（2）云平臺(tái)接口：實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的通信接口，用于遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)上傳和設(shè)備管理。

這樣的軟件架構(gòu)允許嵌入式智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理、硬件控制、通信和數(shù)據(jù)處理。引導(dǎo)加載程序確保系統(tǒng)能夠正確啟動(dòng)，硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)與硬件的交互，F(xiàn)reeRTOS內(nèi)核提供任務(wù)管理和同步機(jī)制，應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)智能家居功能和與云平臺(tái)的交互。這種分層架構(gòu)使系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)更加清晰和可擴(kuò)展。

■3.2 進(jìn)程控制

在ARM 架構(gòu)下，本設(shè)計(jì)中選用的是FreeRTOS 系統(tǒng)。在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)reeRTOS 是不多的同時(shí)具有實(shí)時(shí)性，開源性，可靠性，易用性，多平臺(tái)支持等特點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)[4]。

FreeRTOS 的任務(wù)調(diào)度是基于搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度的。每個(gè)任務(wù)都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)越高的任務(wù)會(huì)優(yōu)先執(zhí)行。當(dāng)多個(gè)任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)執(zhí)行，直到該任務(wù)被阻塞或者時(shí)間片用盡，才會(huì)調(diào)度其他任務(wù)執(zhí)行。在FreeRTOS 中，任務(wù)可以通過xTaskCreate()函數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建，并可以指定任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和堆棧大小等參數(shù)。任務(wù)可以通過vTaskDelay()函數(shù)進(jìn)行延時(shí)、通過vTaskSuspend()和vTaskResume()函數(shù)進(jìn)行掛起和恢復(fù)操作。具體的任務(wù)調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)變圖如圖7 所示。

圖7 任務(wù)調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

■3.3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

STM32F407 微控制器提供了豐富的外設(shè)和功能模塊，每個(gè)外設(shè)都有相應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng)程序和功能庫，具體功能庫見表2。

表2 STM32功能庫

這些功能庫提供了一系列API 函數(shù)，用于配置和控制相應(yīng)的外設(shè)。在使用之前，需要包含相應(yīng)的頭文件，并根據(jù)具體需求調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行配置和操作。

下面以ADC 庫為例說明使用方法：

（1）引入必要的頭文件

#include "stm32f4xx.h"

（2）初始化ADC 模塊

void ADC_Init(void)

{

//使能ADC 時(shí)鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);

ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;

//配置ADC 參數(shù)

ADC_InitStruct.ADC_Resolution=ADC_Resolution_12b;

ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode=DISABLE;

ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;

ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;

ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConvEdge=ADC_ExternalTrigConvEdge_None;

ADC_InitStruct.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;

ADC_InitStruct.ADC_NbrOfConversion=1;

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStruct);

//配置ADC 通道

ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_1,1,ADC_SampleTime_84Cycles);

//使能ADC

ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);

//校準(zhǔn)ADC

ADC_StartCalibration(ADC1);

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)!=RESET);

//啟動(dòng)ADC 轉(zhuǎn)換

ADC_SoftwareStartConv(ADC1);

}

（3）讀取ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果

uint16_t ADC_Read(void)

{

//等待轉(zhuǎn)換完成

while(ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC)==RESET);

//讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

uint16_tresult=ADC_GetConversionValue(ADC1);

return result;

}

在使用ADC 模塊之前，需要先初始化ADC 的相關(guān)參數(shù)，包括分辨率、轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換觸發(fā)源等。然后通過調(diào)用ADC_RegularChannelConfig 函數(shù)配置所需的ADC 通道和采樣時(shí)間。在配置完成后，可以啟動(dòng)ADC 轉(zhuǎn)換并等待轉(zhuǎn)換完成。最后，通過調(diào)用ADC_GetConversionValue 函數(shù)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

■3.4 智能家居系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

在智能家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，可以考慮實(shí)現(xiàn)以下具體功能：

（1）設(shè)備控制功能：允許用戶通過移動(dòng)應(yīng)用程序或Web 界面控制智能家居設(shè)備，如燈光、溫度調(diào)節(jié)器、窗簾、安防系統(tǒng)等?？梢蕴峁╅_關(guān)、調(diào)節(jié)、定時(shí)等控制選項(xiàng)。

（2）場(chǎng)景管理功能：允許用戶創(chuàng)建和管理不同的場(chǎng)景，例如“回家模式”、“離家模式”、“睡眠模式”等。每個(gè)場(chǎng)景可以包含多個(gè)設(shè)備的狀態(tài)設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)一鍵操作。

（3）傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：將智能家居中的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示給用戶，如溫度、濕度、光線強(qiáng)度等。用戶可以通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)了解當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)。

（4）定時(shí)任務(wù)功能：允許用戶設(shè)置定時(shí)任務(wù)，例如定時(shí)開關(guān)燈、定時(shí)開啟/關(guān)閉安防系統(tǒng)等。可以根據(jù)用戶設(shè)定的時(shí)間和日期自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

（5）能耗監(jiān)控功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能家居設(shè)備的能耗情況，并提供能耗統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告，幫助用戶合理使用能源并降低能耗成本。

（6）遠(yuǎn)程訪問功能：允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問智能家居控制系統(tǒng)，無論身處何地都能控制和監(jiān)測(cè)家居設(shè)備。

（7）用戶管理功能：提供用戶賬號(hào)管理功能，允許多個(gè)用戶共享智能家居系統(tǒng)并分配不同的權(quán)限級(jí)別，以確保家庭成員或授權(quán)用戶能夠安全地使用系統(tǒng)。

（8）安全防護(hù)功能：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證和訪問控制，確保智能家居系統(tǒng)的安全性，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和操控。

根據(jù)以上功能設(shè)計(jì)，在FreeRTOS 系統(tǒng)中創(chuàng)建以下任務(wù)，如表3 所示。

表3 任務(wù)功能和任務(wù)優(yōu)先級(jí)

在FreeRTOS 系統(tǒng)需要在setup()函數(shù)中初始化硬件和系統(tǒng)資源，并使用xTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，并在每個(gè)任務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯。在任務(wù)函數(shù)中，使用vTaskDelay()函數(shù)來設(shè)置任務(wù)的延時(shí)或掛起，以控制任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間間隔。

通過完成軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括嵌入式操作系統(tǒng)選擇與配置、STM32F407 固件庫和開發(fā)工具的使用、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，以及應(yīng)用程序開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，并確保軟件與硬件的良好配合和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

在本文中，基于STM32F407 微控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套智能家居控制系統(tǒng)。通過硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，我們構(gòu)建了主控制單元電路，并設(shè)計(jì)了外設(shè)接口和傳感器/執(zhí)行器接口，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和擴(kuò)展性。在軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，選擇了適當(dāng)?shù)那度胧讲僮飨到y(tǒng)、使用STM32F407 固件庫和開發(fā)工具，開發(fā)了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，并實(shí)現(xiàn)了通信模塊以實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程通信。此外，還關(guān)注了系統(tǒng)的安全性與隱私保護(hù)，實(shí)施了數(shù)據(jù)加密、用戶身份認(rèn)證和訪問控制、隱私保護(hù)等措施。通過持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展，基于STM32F407的智能家居控制系統(tǒng)將能夠更好地滿足用戶的需求，并為未來智能家居技術(shù)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。