基于STM32的智慧开关系统设计

［解宁宇 黄俊］

基于STM32的智慧开关系统设计

［解宁宇 黄俊］

智慧开关具有智能、自动化、低功耗等特点，将成为新一代智慧家居的主要功能实现部分。文章介绍了智慧开关的主要工作原理及软、硬件组成部分，分析了包括数据联合检测、数据通信协议等关键技术，综述了系统的工作过程和数据处理过程，并展望了智慧开关的应用前景。

智慧开关 数据处理 联合检测 通信协议

解宁宇

硕士研究生学历，重庆邮电大学信号处理与片上系统研究所。主要研究方向为物联网技术、嵌入式技术。

黄俊

博士、教授、硕士生导师。重庆邮电大学，主要研究方向为物联网与移动互联网技术、4G、5G无线网络、通信网络测试技术及嵌入式技术等。

引言

智慧开关是智慧家居的重要组成部分，主要应用于家庭中，负责管理家庭的用电设备，取代传统开关，旨在营造一个温馨、舒适、安全、方便的家庭环境，因此智慧开关系统的设计要充分考虑现代人的生活习惯和思维方式［1］。智慧开关系统要求所有操作全部自动完成，无需任何人为操作，同时当用户习惯发生变化时，可以通过控制软件改变相应的参数来实现对系统的更改以适应用户新的习惯［2］。根据智慧开关系统的性能及要求，本文设计了一种具有数据联合检测和信息反馈功能的智慧开关系统。

1.1 系统框架

图1为智慧开关系统架构图。由图1可见，该系统主要包括核心处理器、电源模块、数据采集模块、开关模块、信息发送模块5部分。

1.2系统工作原理

1　智慧开关系统概述

降压模块将家用220V交流电压降为5V和3.3V直流电压分别供给核心处理器、ZigBee模块和开关模块。数据采集模块实施采集房间内的温、湿、光、烟雾以及是否有人等数据，并传给核心处理器。核心处理器收到数据后将做出分析，当判断到家庭环境情况异常时，处理器会向开关模块发出指令，执行相应操作，同时通过ZigBee模块向网关推送相关消息，再由网关将该消息发至用户手持终端，及时提醒用户［3］。此外，开关控制模块上还加载有一个报警装置，当室内出现有人非法入侵、起火等紧急情况时，报警模块会自动鸣响，提醒家庭成员。

图1　智慧开关系统架构

2　智慧开关硬件设计

2.1 处理器最小系统电路

核心处理器采用ST公司设计的STM32F107VCT6芯片，片内加载μC/OS-II操作系统。该芯片片内资源丰富，内部带有256K可编程Flash存储器，可同时读写；片内存储容量64KB；16路A/D转换输入通道；兼容CAN，I2C， SPI， UART， USART， USB等多种接口类型［4］。图2为处理器最小系统电路原理图。

2.2 数据采集模块电路

图3为数据采集模块电路原理图，该模块中采集温湿度的传感器为DHT11，该设备使用专用的数字采集技术和温湿度传感技术，由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件构成，具备输出准确、可靠性高、价格低、功耗低且可同时输出温度、湿度值的特点［5］。采集到的温湿度数据由PB1口传至处理器。

采集光照强度的传感器为光敏电阻GL5516，基于内光电效应的原理，在黑暗环境中光敏电阻阻值较高，随着光照的增强其阻值变小，采集到的光照数据由PB0口传至处理器。

采集空气质量的传感器为MS1100，其具有较高的灵敏度和稳定性，能够检测到0.1ppm以上的气体，适用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，同时具有体积小巧、价格低、低功耗、稳定性高的特点。采集到的空气质量数据由PB5口传至处理器。

图2　处理器最小系统电路原理

采集房间内是否有人存在的状态信息的传感器是红外热释电模块HC-SR501，具备全自动感应功能，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则输出低电平。该模块具有检测范围广，功耗低，稳定性高，安装简易等功能。采集到的状态信息由PC7口传至处理器。

2.3 ZigBee模块电路

图3　数据采集模块电路原理

图4为ZigBee模块电路原理图，该模块兼容2.4GHz IEEE802.15.4协议，有效发射功率为2.5dBm，接收灵敏度为-95dBm，最大通信速率为250bit/s，最大传输距离可达5kM（F）。ZigBee模块可通过SPI接口或者UART接口与其他模块通信，本系统中该模块采用UART接口与主控芯片通信［6］。

系统上电后，先拉低ZigBee模块的复位（RESETN）引脚，一秒钟后模块自动复位，然后进入工作状态。处于工作状态时，模块会将从UART接口接收到的数据通过无线信道传送至网关节点。若五分钟内没有任何数据发送，为了降低功耗，ZigBee模块会自动进入休眠（SLEEP）状态，直到有新的数据到来模块才会被唤醒（WAKE）进入工作状态，处于休眠状态（SLEEP）的ZigBee模块每隔五分钟会自动向网关发送一条消息以证明自己还在网内，系统正常。

图4　ZigBee模块电路原理

3　智慧开关软件设计

根据智慧开关系统的功能需求，系统软件主要划分为以下几个模块：系统初始化模块、数据监测模块、防盗监控模块、数据处理模块、信息推送模块。软件系统流程图如图5。

图5　软件系统流程

系统上电工作时首先完成主控制器初始化、ZigBee模块初始化。然后检测工作模式标志位，如果是工作模式，则开始进行数据处理；如果是防盗模式，则开始进行安全分析。在工作过程中，系统可根据家庭环境状况随时在这两种工作模式之间切换。

3.1数据联合检测机制

在对传感器采集到的异常信息进行分析处理时，主要采用了联合检测分析机制。数据联合检测是指控制器通过收集、比对、分析来自不同空间、时间、区域的不同类型的数据，按照一定的数学模型进行计算，最后得出对事件最准确的判断，其主要原理是：当某一传感器监测到环境情况发生异常时，控制器将此异常数据保存并同时发出指令查询与该区域相关联（包括空间关联和区域关联）的传感器数据，并将二次查询数据存储在特定区域内，经过一段延时后再次查询相关传感器的数据并存储在控制器内，最后将所有查询的数据依据信号检测与估计相关理论进行分析，得出最终的结论［7］。通过多传感器联合检测分析，可以提高对事件判定的准确度，降低错误概率，提高实用性［8］。

3.2 通信协议

为了规范传输数据的格式，提高开关系统数据的通用性，根据通信的内容和长度，定义了如表1的数据帧格式。

表1　数据帧格式

该数据帧中，帧头标志着一帧数据的开始。网络号用于区分家庭内部ZigBee无线网、WiFi网络等不同网络，便于对各种不同的无线网络数据进行区分。节点号主要用于区分家庭内部不同的开关系统（如厨房开关系统节点号为1，卧室开关系统节点号为3）［9］。物理地址是每个开关系统硬件设备独有的唯一地址，由生产厂商生产时确定，主要用于后期厂家的维护和软件升级。设备号用于区别开关系统中不同的传感器。数据内容是经过量化处理的各类传感器数据信息。和校验是为了在接收端验证传输过程中数据内容完好无损，保证了通信的准确性［10］。帧尾是一帧数据结束的标志。

4　结 论

文中给出了基于STM32的家庭智慧开关系统的工作原理及软硬件实现方法。该系统还需进一步优化，如在系统优化方面，提高控制信息的反馈速度、增加系统自动记忆用户生活习惯等功能；信息推送方面，系统与家庭路由器相兼容，通过路由器将数据发送至公网，由公网将信息推送至用户终端［11］。

1Notra S， Siddiqi M， Gharakheili H H. An experimental study of security and privacy risks with emerging household appliances［C］//2014 IEEE Conference on Communications and Network Secturity （CNS）. San Francisco: IEEE Press，2014: 73-81

2韩江洪等主编.智能家居系统与技术［M］. 合肥：合肥工业大学出版社，2005

3Son J Y， Park J H， Moon K D， et al. Resource-aware smart home management system by constructing resource relation graph［J］. IEEE Transactions on Consumer Electronics，2011， 57（3）: 1101-1114

4王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3 微控制器原理与实践［M］. 北京：北京航天航空大学出版社，2008.7:14-45

5张璘， 陶琳， 袁江南等. 基于GSM网络的远程温湿度监测系统研究及实现［J］. 电子技术应用， 2012， 38（6）: 91-98

6TexasInstruments，CC2530 Data Sheet（rev.2.1）SWRS036F，2008（11）

7吴艳. 多传感器数据融合算法研究.西安：西安电子科技大学，2003

8Kulik J， Heinzelman w R， Balakrishnan H. Negotiationbased protocols for disseminating information in wireless sensor networks［J］.Wire less Networks. 2002， 8（2）:169-185

9R. Lu， X. Lin， H. Zhu， et al. BECAN: a bandwidth-efficient cooperativeauthentication schemeforfilteringinjectedfalse data in wireless sensornetworks［J］. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems， 2012， 23（1）:32-43

10高延增， 邓毅华. 智能家居系统的组网及移动端控制实现［J］.物联网技术， 2015， 4（1）: 47-52

11Yang Cui， Yuan Bo， Tian Ye， et al. A smart home architecture based on resource name service［C］//2014 IEEE 17th International Conference on Computational Science and Engineering（CSE）. Chengdu: IEEE Press， 2014: 1910-1920

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.07.017

2016-04-06）