基于单片机的智能家居系统研究

2019-04-19高鑫茹

科学与技术 2019年13期

高鑫茹

摘要：伴随着经济的发展与技术的进步，人们对于生活的要求越来越高。随着近几年物联网技术的迅速发展，智能家居作为物联网的一个广泛应用领域，逐漸走进了人们的视野并成为了市场关注的焦点。本文对智能家居的背景及发展状况做了简单介绍，了解了国内外的研究现状，并分析了当前智能家居的优缺点，设计了一款基于STM 15系列单片机为控制核心的智能家居系统。本文详细介绍了智能家居系统的总体设计方案，具体软、硬件开发及无线传输网的选择与使用，实现了对家中一些家用电器的控制。

关键词：物联网；智能家居；STM15；单片机

1.智能家居概述

1.1智能家居的概念

智能家居概念起源于20世纪80年代的美国，称之为SmartHome。智能家居的发展经历了三个阶段：第一阶段是家庭电子化阶段，在这一阶段主要是针对单一的电器，各电器之间没有总的联系，也没有形成网络；第二阶段是住宅自动化阶段，这个时期实现了一些电气的特定的功能如全自动洗衣机、自动抄表等，部分电器之形成了简单的网络；第三阶段是家居智能化阶段，这一阶段是面向系统的设计阶段，利用计算机技术、网络技术、自动控制技术将家居生活中的各种相关设备进行集成，实现集中管理和远程监控。

1.2智能家居的发展状况

在智能家居的研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于世界先进水平。此外，日本、韩国、新加坡等国的龙头企业也都纷纷加入到家居智能化的开发之中，对家居市场均是跃跃欲试。与欧洲和日本、韩国和其他国家相比，中国的智能家居技术提供研究和发展的机遇都是较晚一些的，然而国内的发展环境与其他国家相比较又具有较明显的优势，对于智能家居产业化得到了政府及有关部分的鼎力支持和国内优越市场环境的引导，所以发展的步伐非常迅速。进入二十一世纪初，国内智能家居仍然多表现为智能单品，但智能家居不是一个产品，而是一个系统化的概念。但在物联网技术的引导下，国内智能家居系统再一次得到了崭新的发展良机。我国推出了相关的规范标准，进行智能化小区的建设，实现智能家居产品技术朝向技术统一的方向进行发展。现阶段智能家居系统被集成到物联网技术中，实现对象与对象之间的家居、人与物之间的信息交流，物联网技术再次对智能家居系统提出了新的解释。目前我国对于智能家居系统需求大量的需求，未来市场具有广阔的发展空间，智能家居技术的发展也具有良好的实践环境。

2对嵌入式网关技术的研究

2.1对硬件部分的研究

在硬件平台方面，目前主要有可编程逻辑器件、微控制器和微处理器三种。对比三种硬件，综合考虑成本、处理能力、功耗等多方面因素，本文选用微控制器作为系统嵌入式网关的硬件实现。本文选择的微控制器即我们常说的单片机，它具有较强的中断控制系统，能够快速响应外界的中断，主要负责系统产品中的控制功能。目前常用的单片机有TI公司的MSP430系列、Cisco公司的S12系列和STC系列、ATMEL等公司的51系列。微控制器具有整合多种功能于一体的特性，不但节省了开发时间，在降低产品体积和成本也有相当大的助益。

综合性能和成本考量，本文选用STC15系列的微控制器，并最终选用stc15f2k60s2作为智能家居网关的核心处理器，其各环节原理图如图1。

2.2对软件部分的研究

要完成网关功能，除硬件平台外还需要软件平台，最主要的是选择合适的操作系统。目前主流的嵌入式操作系统有微软的WindowsCE、谷歌的Android以及完全开源的Linux。本文选择Android作为嵌入式网关的软件开发平台。

Android系统目前被广泛应用在手机、Pad等移动设备上，它是以Linux为基础的开源式系统。安卓系统最大的优势在于它的开放性、不受束缚性、丰富的硬件。它使用java作为开发语言，目前的开发人员较多，应用较广泛，参考案例较多。

2.3对无线控制模块的研究

无线个域网是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的无线通信网络技术。无线通信最大的优点就是自由方便，它能将人们从线缆的束缚中解脱出来，让人们更加便捷的互相沟通。无线局域网和短距离宽带技术的发展是无线个域网发展的催化剂。现今的无线个域网主要有红外、射频识别、蓝牙、超宽带、Wi-Fi以及ZigBee等，基于我们的技术和功能要求，本文选择的无线传输网是WiFi系统。

系统采用WiFi的无线远程控制来实现对智能家居的远程管理。目前市场上WiFi设备非常多，比如cc3200、mt7681等，综合考量成本和性能因素，最终选取ATK-ESP8266作为系统的WiFi模块。ATK-ESP8266是一款高性能串口-无线模块，它板载ESP8266模块，通过串口和主控芯片通讯，内置TCP/IP栈协议，可以实现WiFi和串口之间的转换。该模块可以兼容3.3V和5V的单片机系统，这样可以很方便和主控芯片进行连接，此外，它还支持WIFISTA、串口转AP和WIFISTA+WIFIAP三种模式，这有利于开发。除了以上几点，ESP8266还具有以下特点：

（1）价格低廉

ESP8266模块目前是主流WiFi模块产品中价格相对便宜的一款WiFi模块，它以最低的成本实现最大的功能，非常实用，这非常符合系统的研发定位；

（2）集合程度高

ESP8266具有很多部件，包括电源管理组件、TR开关等，它们全部都高度集合在ESP8266模块上，这样高度集合使ESP8266模块体积小，便于设计使用。

（3）应用多样化

ESP8266应用非常广泛，比如可以用在智能电源插头、家庭自动化、可穿戴电子产品等等，如此广泛的应用使ESP8266有很多资料，这样可以大大缩减研发周期，进而降低研发成本。

3结语

随着当今科学技术的发展，智能科技逐渐融入了生活，人们对生活质量的追求也随着智能科技的发展不断提升。传统的家居环境己不能满足人们对高质量生活品质的追求，更具有安全性、舒适性、便利性和艺术性的智能化家居环境需求日增。

近些年来，得益于物联网技术突飞猛进的发展，网络技术也给家居的智能化带来了新的爆发点。如今的智能家居，是面向系统的设计阶段，利用计算机技术、网络技术、自动控制技术，把住宅内各种相关的设备、家用电器、报警装置当作网络中的一个节点，进行集中的监控、管理，保持家电与环境的协调，营造一种温馨舒适的家庭氛围。

参考文献

[1]关超，柴宝仁.基于stm32的智能家居控制系统的设计与实现[J/OL].轻工科技，2019（02）：91-92+95[2019-03-06].

[2]贾宗维，杨鹏飞，吴小强.基于Arduino Uno和STM32智能家居安防控制系统的设计[J].山西电子技术，2018（05）：29-32.