一种基于S3C6410和STM32的智能家居系统设计

　　摘要：本文利用S3C6410主控板、STM32、wifi模块、GSM模块及多种移动终端设计一个智能家居系统，使分立的设备通过无线和有线网络组成一个相互联系、协同操作的整体，实现家居环境监视、防盗自动报警、灯具自动控制、燃气泄漏远程报警等功能，使用效果良好。
　　随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们对家居的安全、舒适、便利等方面要求也逐步提高，现代家居向着高度智能化、人性化的智能家居方向发展。智能家居又称智能住宅，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。智能家居作为一个新生产业，市场消费潜力巨大。本文以三星公司S3C6410处理器为核心，利用S3C6410主控板、STM32、wifi模块、GSM模块及多种移动终端设计一个智能家居系统，使分立的设备通过无线和有线介质构成一个整体，实现了家居环境监视、防盗自动报警、灯具自动控制、燃气泄漏远程报警等功能，使家居更安全、更舒适、更方便。
　　1 系统整体方案
　　智能家居系统总体结构如图1所示，包括4个子系统：数据采集与自动控制系统、数据监控系统、摄像头监控系统和远程报警系统。其中，数据采集子节点通过无线传感模块NRF24L01将数据发送到集中处理节点，进行相关自动控制任务，集中处理节点的数据通过RS232发送到S3C6410主控板进行数据的处理;使用wifi模块建立局域网，将数据发送到局域网的安卓移动终端;使用GSM模块将报警信号发送到移动终端，同时将摄像头安装在S3C6410主控板上，使用路由器建立局域网，可在终端上打开浏览器，监视摄像头。
　　


　　1.1 数据采集与自动控制系统
　　数据采集与自动控制原理如图2所示。数据采集与自动控制系统对家居环境主要参数(温湿度、自然环境光照状态、燃气状态，红外感应状态)进行采集和自动控制，此系统包含3个采集和自控节点。温湿度通过温湿度传感器DHT11进行采集，自然光照状态通过光敏电阻电路进行检测，燃气状态通过烟雾传感器模块进行检测，楼梯口情况通过红外感应传感器进行检测;系统有3个节点，节点1包括室内温湿度采集，楼梯口情况检测与楼梯灯自动开关控制，厨房烟雾状态检测与厨房排气扇自动开关控制;节点2有浴室的烟雾状态检测与排气扇的自动控制;节点3包括室外温湿度的采集，自然光照状态的检测与院子灯的自动开关控制。数据采集集中处理节点(无线传感器模块NRF24L01)收集分立节点数据，在集中节点上装有一个液晶显示屏来显示采集到的温湿度等数据，同时通过串口发送到S3C6410主控板。
　　


　　1.2 数据监视系统
　　系统的数据监视有两类终端，分别是主控板显示屏和移动安卓终端。数据监视原理如图3所示。S3C6410利用串口接收来自数据采集系统的数据，并进行相应处理。主控板上安装液晶显示屏，用来显示采集对象的图标和数据;显示屏的应用程序采用QT开发工具C++开发语言进行开发，使用Linux系统进行调用。主控板上安装wifi模块，通过此模块建立wifi局域网;移动安卓终端装载有安卓系统，监视应用程序利用Eclipse开发工具用java语言进行设计;监视数据从wifi模块向外传送，在局域网范围内，只要连接上建立的局域网络就可进行数据的监视。
　　1.3 摄像头监视系统
　　摄像头可在很多设备进行监视，只要此设备装有浏览器即可。攝像头监视方案如图4所示。摄像头安装在主控板上，利用程序进行驱动;这里利用网线或无线路由建立的局域网进行摄像头数据的传送;可在电脑上连上网线对摄像头进行监视，也可连接路由建立的局域网进行监视，同时可在移动终端上连接路由建立的局域网进行监视。多终端监视，方便灵活实用。
　　


　　1.4 远程报警系统
　　燃气是家居安全的一大隐患，这里利用GSM模块和移动终端建立燃气远程报警系统，方案如图5所示。当燃气出现泄漏时，触发GSM模块动作，远程通知用户及时处理。
　　2 系统硬件设计
　　基于S3C6410的智能家居系统由采集自控系统，多终端监视系统构成;所有的节点通过有线介质和无线网络构成一个整体;主控板采用S3C6410配用板和核心板;硬件的主要设计在数据采集部分，数据采集使用STM32处理器，再加上外围的传感器、控制电路组成。
　　2.1 家居温湿度硬件设计
　　温湿度采集模块的核心是温湿度的采集，采用集成温湿度传感器DHT11，要注意DHT11输出的数字量是串行数据，有特定的数据格式，需要用STM32的通用IO口来“模拟”这个串行口与DHT11进行通信。
　　2.2 红外状态硬件设计
　　红外感应系统包括热释电人体红外模块电路和自动开灯模块电路。热释电人体红外模块电路采用RE200B型的热释电人体红外探测头，利用专门的高性能传感信号处理集成电路BISS0001对RE200B的信号进行处理，然后将信号传到STM32进行处理。
　　2.3 自然光照状态硬件设计
　　家居的自然光照状态数据采集和自控系统包括光明电阻探测电路、自动开灯电路两部分。光照状态探测器选用光敏电阻传感器，当光照值达不到设定的要求时，其阻值迅速变大，从而传感器电路输出信号，自动控制开灯电路。光敏电阻采集到的信号经过过零比较器后连接到STM32，由STM32进行处理。
　　2.4 燃气泄漏状态硬件设计
　　家居燃气泄漏系统包括燃气泄漏探测器电路、自动开关排气扇控制模块电路两部分。燃气泄漏探测器选用MQ-7型气敏传感器，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高;可用于可燃性气体的检测。燃气泄漏探测器硬件电路如图6所示，MQ-7采集到的信号经过过零比较器后连接到STM32，由STM32进行处理。
                               
                　　


　　3 系统软件设计
　　软件系统包括数据采集和自控、主控板监控和安卓监控等三部分。采集数据和自控部分在KEIL平台利用C语言进行设计;主控板监控部分利用QT平台用C++进行设计;安卓监控部分利用Eclipse开发工具用java语言进行设计;这些软件系统实现采集、控制、传送、显示的功能。
　　3.1 采集数据和自控系统软件设计
　　家居采集数据部分对温湿度、红外感应状态、自然光照状态、燃气状态进行周期性采集;自控部分包括院子灯、排气扇、楼梯灯的实时自动控制。软件统一使用keil开发工具用C语言进行设计。数据采集和自控任务流程图如图7所示。
　　


　　3.2 主控板监控系统软件设计
　　主控板周期性接收来自数据采集部分的数据，并进行显示、控制、传送任务，这些任务通过软件来完成。软件使用QT平台用C++高级语言进行设计，并用Linux系统进行调用。系统会自动传送数据并在液晶屏上显示，同时会根据数据进行显示图标的变化，若燃气发生泄漏还会进行声音报警。
　　3.3 安卓监控软件设计
　　安卓终端通过连接wifi局域网络，接收来自主控板传送的数据;软件设计利用Eclipse开发工具用java语言进行设计;可以利用软件将接收到的数据显示在安卓设备显示屏上，若燃气发生了泄漏还会进行声音报警。
　　4 系统设计注意事项
　　系统设计时需注意以下问题：1)在使用STM32时，因为使用的IO口较多，软件配置IO口要特别注意正确配置它的模式。2)因为使用的IO口较多，程序处理部分也较多，要特别注意检查，避免多个功能重叠使用同一个IO口。3)使用无线收发模块NRF24L01时，写接收通道地址，P0和P1通道是40位地址，但P2-P5只有8位地址，其高32位地址与P1通道相同，因此只要写一个字节地址就可。4)切记在配置NRF24L01无线收发器时发送和接受的模式不能搞混，与收发频率要设置相同。5)配置内核要耐心和细心，否则容易出问题。6)STM32是一款小管脚较多的贴片芯片，焊芯片时要特别注意。7)各传感器在使用前都要调整它的灵敏度，否则会出现测试不了的情况。
　　5 结束语
　　课题应用S3C6410主控板、STM32、wifi模块、GSM模块、各种移动终端等设计一个智能家居系统，使分立的设备通过无线和有线介质组成一个整体，使之拥有家居环境监视，多终端摄像头监视，灯具自动控制，燃气泄漏远程报警等丰富功能，真正让用户感到家居的安全、舒适和便利。