基于STM32的智能家居系统设计

uperrua · 发表于 2019-12-11 10:20

EDA365欢迎您登录！

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册

x

基于STM32的智能家居系统设计

作者姓名：谭瑜专业班级：2013130201 指导教师：高雪菲

摘要
本文设计介绍一种以stm32 单片机为核心，设计了一套基于GPRS无线网络的智能家居控制系统。该系统以GPRS通信为基础、能通过无线通信技术实时监控家居的温湿度状态，并能自由控制家居的电器的开关操作。同时集成光强采集电路，能自动开关窗帘的功能。
本设计硬件电路结构简单，分为控制器模块，GPRS模块，继电器控制模块，步进电机控制模块等五大电路模块，其中控制器选用基于cotex-m3内核的32位微控制器STM32F103R8T6。GPRS模块选用SIM900模块，人机交互模块选用OLED12864模块显示数据，独立键盘作为输入设备，继电器控制输出控制家电电路开关。最终通过系统的测试，本设计实现的功能包括：窗帘电机检测当前光照强度或者湿度情况实现自动开闭以及本地按键控制开闭、GSM短信远程控制继电器的开闭、室内温度异常时的GSM短信通知。
关键词：智能家居；GPRS；远程控制；STM32

Design of Intelligent Home System Based on STM32
Abstract：This paper introduces a kind of intelligent home control system based on GPRS wireless network with stm32 single chip as the core. The system based on GPRS communication, wireless communication technology can be real-time monitoring of home temperature and humidity status, and can freely control the home electrical switch operation, the use of stm32 internal calendar to achieve effective time management of household appliances, while integrated light Acquisition circuit, can automatically switch the function of the window.
The design of the hardware circuit is simple, divided into controller module, GPRS module, relay control module, stepper motor control module and other five circuit modules, including controller based on cotex-m3 core 32-bit microcontroller STM32F103R8T6. GPRS module selection SIM900 module, human-computer interaction module selection OLED12864 module display data, independent keyboard as input device, relay control output control home appliance circuit switch. Finally, through the system test, the design of the realization of the functions include: the curtain motor to detect the current light intensity or humidity to achieve automatic opening and closing and local key control open and close, GSM SMS remote control relay opening and closing, indoor temperature abnormal GSM SMS notification

Keywords: Intelligent Home Furnishing; GPRS; remote control; STM32

目录
第1章  前言       1
1.1 课题研究的背景和实际意义       1
1.1.1课题背景       1
1.1.2实际意义       1
1.2国内外发展现状、存在问题以及前景       2
1.2.1发展现状       2
1.2.2存在问题       2
1.2.3发展前景       2
1.3 主要工作、内容安排及预期成果       3
1.3.1主要研究工作       3
1.3.2预期成果       3
第2章总体设计方案       5
2.1 系统总体方案设计       5
2.2 系统方案选择       6
2.2.1 无线通讯方案选择       6
2.2.2       显示器方案选择       6
第3章系统硬件设计       7
3.1 控制单元模块       7
3.2 人机交互模块       8
3.3 GPRS电路设计       9
3.4 温湿度传感器电路设计       10
3.5 光强检测电路设计       10
3.6 窗帘控制电路设计       11
3.6.1 步进电机的选用       11
3.6.2 步进电机28BYJ-48介绍       11
3.6.3 步进电机驱动       12
3.7 继电器驱动电路设计       12
3.8 电源电路设计       13
第4章系统软件设计       15
4.1 软件开发环境介绍       15
4.2 软件总体设计       15
4.2.1 程序结构分析       15
4.2.2 主程序设计       15
4.2.3 OLED驱动程序分析       17
4.2.4 SIM900通信程序设计       17
第5章  系统调试与结果分析       19
5.1 程序仿真设计       19
5.2 实物调试       20
结论       22
致谢       23
参考文献       24

第1章  前言
' W; U8 Y3 O/ k4 U  ^1.1 课题研究的背景和实际意义5 P! j. U7 w6 v% b
1.1.1 课题背景
智能家居是在以原有传统住宅为基础，添加了网络通信、智控家电、大规模传感网络等模块设施的新型居住环境。这种新型家居环境的特点是集服务、系统控制、设施为一体，优点是舒适便捷、安全环保。系统既包含分布家居各个部位和设备上的传感器网络系统，还包括中央控制系统、计算机网络系统和网络通信系统。用户通过手机、电脑等终端设备以及网络通信系统实现对室内家电进行本地或远程控制。智能家居系统通常可以实现监控功能：室内烟雾、煤气检测及门窗监控等；远程控制功能：开闭家电、远程收水电费等。智能家居具有可定制性，即可根据不同客户的家居需求、预算及住房条件来设计不同的设计方案。
在20世纪80年代初，在美国业内就提出了Smart Home的概念，即智能家居的原型。然而在很长一段时间内没有具体的建筑案例问世。直到1984年，在建设美国康涅狄格州（Connecticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，美国联合科技公司（United Technologies Building System）把建筑设备信息化、智控化应用于这项工程，才出现了第一项的“智能化建筑”工程，由此将智能家居行业的发展和需求推到了全世界面前。
1.1.2 实际意义
经济的飞速发展使人们对家居环境的要求日趋上涨与当前智能家居所产生的发展瓶颈形成尖锐的矛盾，将迫切地驱使智能家居技术有进一步的飞跃。本课题的实际意义就在于通过对智能家居控制系统的了解及基础应用，有助于读者的智能家居概念启蒙和深入理解，激发读者对智能家居控制系统的研究兴趣。其次，从工程意义上讲，本文所介绍的基于stm32控制器的和GPRS网络通信控制的家居环境监测及家居电器开关控制系统是在一定程度可用于实践的，以此来满足人们生活的多样化需要，提升人们的生活质量。

1.2 国内外发展现状、存在问题以及前景; C& F1 k9 r& _6 M5 D, y
1.2.1 发展现状
国际市场上看，由于发展开始较早且大量的研发资源投入，美国以及一些欧洲国家在智能家居研发技术和市场比例一直走在世界前列。而发展近期，欧美一些顶尖研发公司投入到智能家居市场中来，极大地推动了智能家居的发展进程，同时也上线了一些可规模生产的实用项目。如“梦幻之家”、“居所之门”、“家庭主任”等。除此之外，亚太地区日、韩、新等国的相关前沿企业也正为智能家居研发作大规模投入。
而国内，信息化的春风走进了千家万户为中国智能家居的发展能追上国际发展脚步提供了可能。进年来，国家也越来越注重国内智能家居的发展。但由于我国智能家居发展起步较晚，还尚未形成合理统一的国家标准，所以还需克服很多标准上技术上的难关。目前，国内智能家居市场也开发出了以海尔企业的e家庭和清华同方企业的e-home为代表的智能家居产品。

1.2.2 存在问题
目前存在的智能家居系统产品自身性能与消费者的要求相去甚远，这样的矛盾在很大程度阻碍了智能家居的发展。具体情况如下：
①人们对于智能家居的期望过大导致智能家居功能过于理想化。而广告商对智能家居不切实际的宣传加剧了这一现象。在技术落后的发展现状面前，这就形成了一个形式大于实际效果的尖锐矛盾。
②智能家居行业还没有建立起统一的标准和协议。智能家居的各个研发行业均开发了属于自己产品的协议标准，这样导致各产品整合、关联时出现不兼容的现象。所以，要综合各研发行业的成果来进一步推进智能家居的发展必须建立统一的标准协议。
③作为新颖的研发行业，智能家居的发展是建立在大量科研前沿的技术和成果上的，所以要大规模发展智能家居必然导致巨额的推广和普及成本。要想使智能家居大规模普及实用，价格问题不同忽视。

1.2.3 发展前景
曾几何时，智能家居仅仅是一个寄托了人们对未来生活想象的抽象概念。而时至今日，在科技发展的推动下，人们生活品质在一波又一波的智能浪潮中获得提升。如今，智能家居行业已经处于快速发展轨道且效用日益在人们生活中扩大化，但前文中提到的当下出现的问题决定了智能家居行业还有很长的路要走，并且这条路会越走越宽，前景大好。
放眼于国内，自从引入智能家居以来，由于诸多原因，国内智能家居行业发展一直不愠不火。目前国内行业正进入了一个发展期的临界点，领头企业所推出的相关智能产品一直处于争议状态，而市场消费观念还尚未形成。但在未来发展中，消费者认知的提高和观念的转变以及相关政策的鼓励一定会大大地推进智能家居的发展。除此之外，现代网络技术、电子信息科学技术及物联网技术的发展与成熟，也将给传统智能家居提供源源不断的发展动力，为其指明发展变革的道路。

1.3 主要工作、内容安排及预期成果
0 G. q/ Q- Z. _) E/ @6 u! v1.3.1 主要研究工作
消费者们对于智能家居呈现出一种多样化的迫切性需求，一方面是居住环境的安全性，体现在门窗安全、煤气泄漏及火灾隐患自动报警等要求；另一方面是居住环境的舒适便捷性，体现在无线通信的控制方式、室内灯光以及直观性人机交互操作等方面。
在了解到消费者对智能家居实质性需求的基础上，结合本人自身的开发能力，本课题最终确定研究的简易智能家居控制系统涵盖了如下几个模块：传感器模块、控制器模块，GPRS通讯模块，继电器输出控制模块，显示器模块等五大电路模块。本系统主要是侧重点是在远程报警（室内温度异常时，通过GPRS通讯模块向手机发送报警短信）和远程控制（需要时，远程终端通过GPRS通讯模块向本地控制器发送控制指令，控制继电器开闭）方面。除此之外，还有窗帘根据光照强度自动开闭以及本地按键执行中断控制（应用于特殊情况，如自动控制出错时）。

1.3.2预期成果
通过本系统设计各个模块的搭建，预计能够实现如下功能：
1、本地温度湿度报警器实时监测室内情况，当温度异常时发送室内实时数据到设定手机上；测量范围为湿度：20~90％RH；温度：0~50℃。所以本设计使用范围广泛，既可用于气候干燥的北方，也可用于较为湿润的南方；既可适用于工地环境，也可用于婴儿房环境；
2、窗帘的自动控制和按键控制（本设计中用电机正反转表示窗帘的开闭），这个功能解决了用户频繁手动打开窗帘的麻烦。日常生活中，当遇到有强光的晴天，本设计的窗帘则能自动关闭，减少用户亲自打开窗帘的麻烦，遇到相反情况则相反处理。此外设计的按键控制窗帘，也可减少用户手拨窗帘的不便；
3、手机发送控制指令的短信到GPRS通讯模块，实现继电器的开闭。本设计用两个发光二极管代替所控制的家电，实际应用中，可通过继电器控制空调、电饭煲等家用电器。例如炎炎夏季，空调制冷需要一定时间，用户在回家前提前远程控制空调打开，回家即可享受到冰爽的体验。

第2章总体设计方案* J0 P* _, `2 P. v' t. ^
2.1 系统总体方案设计
本设计硬件电路结构包含6个部分，分别是STM32控制器、输入部分、输出部分、电源模块、环境探测、SIM900无线通讯。其中控制器选用32位微控制器STM32F103R8T6OLED显示器；输入部分包含按键输入、SMS指令输入；输出部分包含0.96寸12864 OLED显示器、继电器输出、窗帘控制输出；环境探测包含一体化温湿度检测模块DHT11、光强检测4线制光敏传感器模块。结构框图如下图1.1所示。

游客，如果您要查看本帖隐藏内容请回复