基于嵌入式物联网家居控制系统的设计与实现

吴新胜，何 鲲，李 震，张奎宝，方 桦

我国四十年改革开放取得天翻地覆的变化，计算机和网络技术设备［1］、网络通讯技术、智能家用电器、智能终端设备、云计算、大数据等网络技术和设备产品得到大幅推广和应用，特别是互联网应用已经改变人们的生活，给人们带来更多的方便和快捷.现在每个家庭都有为数众多的电器产品，大到空调、智能电冰箱、自动洗衣机、云电视等.小到电饭煲、净水器、空气净化器、清扫机器人、烤箱、微波炉、洗碗机等电器产品.使用和管理这些电器产品已变得越来越麻烦，特别是不同的厂家遥控器不同，给人们的使用带来许多烦恼.针对这一现状利用互联网技术，研究设计开发出嵌入式物联网家居控制系统终端，解决目前不同功能分散控制带来的问题，将所有遥控器整合为一个整体，统一管理和监控，实现一个控制设备掌控家庭所有电气设备，更加高效简捷地使用它们.

该终端采用意法半导体ST Microelectronics生产的ARM Cortex-M3架构STM32系列MCU作为内核总控［2］（具有性价比好、高性能、成本低的特点，超低功耗，待机休眠状态耗电仅微安级等优点），开发出嵌入式物联网家居控制系统终端的设计方案，通过433MHz无线模块和WIFI模块将家居家电组成一个无线物联网网络，使得各家电统一到一个集中控制和管理的平台上来，减免品类繁多的控制.设计控制终端系统通过无线模块WIFI或者433MHz无线模块与各类家庭电气设备进行信息交换，控制终端既能收集各类电器的工作状态和环境指标数据，又能够对它们进行灵活控制.按钮界面系统逼真、简洁明了、方便操作、稳定可靠，实时对需要管理的设备进行指挥控制以及监视鉴别.这也使家居生活变得简单、方便、快速、准确、实用和有趣.

1 家居智能控制设备的实现机理

基于ARM Cortex-M3架构MCU核的STM32控制终端是整个物联网家庭控制系统所有数据传输站和信息通信的神经中枢［3］，是整个系统设计的核心部分.该系统设计通过无线网关利用STM32作为控制核心，通过WIFI模块和433MHz无线模块与感知层和控制层互连和共享数据.系统由中央控制芯片STM32 F103、电源模块组和JTAG（Joint Test Action Group）相关仿真及接口调试部分组成.为了确保整个系统数据通信的准确性能、及时稳定、可靠安全运行，采用两种系统网关通讯方式，即WIFI模块通信和433MHz无线模块通信［4］，发生问题时确保系统双体系切换保证工作，如图1所示.同时设计了相应的通信协议和控制命令代码.

图1 系统架构图

2 系统硬件设计及芯片介绍

物联网家庭控制终端硬件构成部分包括主控芯片STM32F103、WIFI模块、基于433MHz通讯模块及其他相关模块，如图2所示.

2.1 主控芯片

核心MCU芯片采用Cortex-M3内核ECOPACK封装的ST公司生产的32位ARM芯片.主频72MHz的频率，1.25DMips/MHZ的访问速度，具有停机、待机及休眠的低功耗模式，自带温度感应器，支持各类外设接口，包括定时器接口、模拟转化数字模块接口（Analog to Digital Converter）、通用串行总线（Universal Serial Bus）、集成电路总线（Inter-Integrated Circuit）以及通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmit⁃ter）［5］等 .

2.2 WIFI模块

WIFI模块选用上海汉枫生产的HF-LPB100.具有省电节能超低功耗、适宜电池供电、体积极小的优势，互联网“线上”和面对面“线下”［6］.支持UART/SPI/PWM/GPIO/STA/AP/AP+STA/Smart Link/WPS/TCP和外置或内置天线的特点.HFLPB100是一体化802.11b/g/n WIFI的高性能、高可靠、价廉物美的解决方案，传统的低端串行设备或MCU控制设备可以轻松访问WIFI无线网络，以促进物联网网络的联网、控制和管理.

2.3 433MHz无线模块

433MHz无线模块主要由STM8 S103 F3单片机和CC1101构成，该模块具有功耗和成本低、体积小结构简单、跨越障碍能力强的优点［7］.如图3所示，STM32通过寄存器将自己的SPI外设配置为主模式，并根据系统设计协议通过SPI将数据编码信息发送到433MHz无线模块.STM8 S103 F3微控制器的SPI配置为使用模式控制的433MHz无线模块工作，并接收STM32传输的编码数据.处理后，所连接的家用电器控制器上的433MHz无线模块接收相关的控制数据编码信息，然后控制家用电器通过家用电器控制器执行相应的操作.

图3 无线模块的硬件框图

3 终端软件设计

3.1 无线通信协议

系统开发设计的无线通信专用协议，保证系统的运行安全性，提高整个系统抗干扰能力.用于家用电器的无线通信协议的数据分组的数据结构在图4中示出.家电数据编码信息及控制指令信息通过无线模块以数据包发射接收形式进行传输，信息交互的第一个字节由主模块发出，指定0 x0 f0 x0 f代表主设备的信息发送到从设备接收的数据传输模式，0 xf00 xf0表示从设备的信息传输到主设备接收的数据传输模式.确定数据传输的方向统一.若是数据为主设备到子设备的数据传输，则字段的长度、控制、数据、校验由主设备发出，确认字段由子设备发出.若是数据为子设备到主设备的数据传输，则长字段的长度、控制、数据、校验由子设备发出，确认字段由主设备发出.其中控制字段中包含有组网帧、入网帧、数据帧、控制帧、主地址帧、模块忙等帧，用于规范物联网家居控制系统的组网与控制［8］.

图4 传输协议相关定义数据包的数据结构

3.2 终端软件设计的工作流程

系统设计用户通过物联网家庭控制终端上的家电控制接口的按钮，实现对家电的遥控和状态的实时监控.物联网家庭控制终端采用WIFI协议和无线RF通信协议，通过无线网关实现家庭电子设备的集成管理.

当控制终端没有接收到移动终端的控制命令时，系统将通过SPI与433MHz无线模块传送相关信息，系统每隔10ms发出查询设备工作状态的命令信息，通过WIFI把有关设置工作状态的命令发送到家电设备上，家电设备按照指令要求及时执行并将具体情况显示在设备的显示系统上.当系统接收到移动终端发出的反馈数据情况信息时，控制终端开始通过WIFI接收家电设备发送的数据，来及时改变系统中对应家电的运行工作状态.当系统与前端设备有数据信息传输时，也就是它们之间互相发送数据和接收数据时，LED工作指示灯按照事先设置的频率闪烁提示.具体的软件工作流程如图5所示.

图5 软件总体流程图

3.3 物联网家居433MHz无线模块软件工作流程

433MHz无线模块分为主模块和从模块.主设备上电时系统通过发送主地址的帧信息到主无线模块上，如果收到从设备发出的确认帧则继续查询主无线模块；如果接收到忙信息或者不同格式帧信息，系统将继续发送帧信息，如图6所示.

查询无线模块状态，若为数据帧则代表下端家电状态信息变化，主设备记录家电信息并更新显示；若为入网帧则主设备记录其家电设备ID码，其中每个家电设备拥有唯一的ID码，此时表明该设备已入网，可以对其进行联网控制；若为子地址帧则表示有新的家电申请入网，这时主设备则为其分配设备地址；若主设备有家电控制指令则发送数据帧到从无线模块，若无则循环查询无线模块［9］.

图6 无线模块程序流程图

4 控制终端样机系统实现

控制终端样机系统的样机如图7所示，控制界面设计为家庭体验馆，分设控制家庭内客厅、厨房、卧室功能界面，分别控制窗帘、灯槽、客厅大射灯、灯箱、客厅小射灯、风扇、电暖器、加湿器、空调、舞台灯（以上设备都已安装433MHz无线模块）.通过APP实时准确控制它们的开关和调节，如图8所示.

图7 控制终端样机电路板和手机APP控制界面

图8 广东瑞德智能科技股份有限公司物联网智能控制终端展示厅

5 结语

采用32位低功耗STM芯片MCU的嵌入式智能控制终端，通过433MHz无线模块和WIFI模块与移动终端及电气设备传递信息，实现对家电设备的控制和各种工作执行情况的信息反馈.系统实现家电设备的集中控制和管理，家电设备工作状态和工作效果实时监控，并对他们实现远程操作控制.使人们的生活更便捷.实验表明，该系统具有工作可靠、各方面指标性能稳定、不受其他设备的干扰等特点，适合家庭和办公室的应用.