智能家居系统开发

徐瑞雪 李慧敏 程红艳

摘要：近年来，经济的发展，使我们进入到了一个信息化的时代。随着科技的发展，信息化和网络的应用变得越广泛。人们对于生活质量的要求越来越高，智能家居大力兴起。针对改善人们生活环境和生活质量的目的，本设计采用基于STM32F103Z8T6微处理器，CWS11经济型温湿度变送器，AS608光学指纹传感器，MQ-2烟雾传感器，光敏电阻加软件控制的方法，通过软硬件联调，实现环境相关数据的采集和显示，同时将采集的数据上传到上位机实时掌握环境数据信息。

关键词：单片机;传感器;智能家居;环境监测

引言

随着人们生活水平的提高，在物质生活越来越丰富的今天，大家对生存环境给予了越来越密切的关注，同时也越来越注意家居安全，使用密码锁，监控摄像头等设备。“智能家居”（Smart Home），又称智能住宅，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。系统以住宅为平台，利用先进的计算机、嵌入式系统、综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术将家居生活有关的设施集成连接到一起，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

1.总体系统设计

智能家居系统包括密码解锁区，环境检测区，报警区三部分。

密码解锁包括两种方式，一种是通过按键输入系统设置的特定密码来解锁，解锁成功会带动电机转动一圈达到开锁的目的;一种是使用AS608指纹模块，运用指纹库内的指纹解锁，如有管理员权限可删除和录入指纹，指纹识别成功可带动电机旋转一圈达到解锁的目的。

环境监测包括以下几个方面：室内温湿度检测，室内光照强度检测，以及烟雾检测。运用CWS11经济型温湿度变送器来达到对室内温湿度信息的检测;运用MQ-2烟雾传感器来实现对室内烟雾浓度的检测;运用光敏电阻来实现对室内光照强度的检测;并将环境中所检测到的所有环境信息显示到OLED屏上。

报警区：当时检测到室内烟雾浓度，光照强度，室内温湿度超过设定值时，蜂鸣器报警同时GSM短信报警。

上述的三个职能分区，三者既可相互联系又可独自工作。这样的设计可以更好的做到模块化和系统化的分工，为使用者提供了干净整洁的使用环境。

2 系统硬件设计

（1）处理器选型

本产品处理器选择的型号为意法半导体（ST）公司生产的STM32F103Z8T6，该处理器采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz。同时它还具有高达64KB的Flash， 20KB的RAM。此芯片还具有丰富的通用I/O端口，外设资源丰富，能完全满足产品的功能需要。在整体上，其性能相对于其他产品较为优越。

（2）指纹解锁模块的选取

该产品选取ATK-AS608指纹模块，此指纹模块是ALENTEK推出的一块高性能的光学指纹识别模块。模块只需3.3V的电源供电，内置指纹探测电路，用户读取状态引脚（WAK）判断有无手指按下。芯片内置DSP运算单元，集成了指纹识别算法，能高效快速采集图像并识别指纹特征。模块配备了串口、USB通讯接口，用户无需研究复杂的图像处理和指纹识别算法，只需要通过简单的串口，USB按照通讯协议便可以控制模块。

（3）温湿度检测模块的选取

该产品选用CWS11经济型温湿度变送器，可用于各种室内环境温湿度检测，遵守Modebus协议中的子集中RTU方式，RS485半双工工作模式。温度量程为-40℃～100℃，湿度量程为0～100%RH，温度误差为±1℃，湿度误差为±5%RH。具有长期稳定性好，全量程温度补偿，低漂移，响应速度快，使用寿命长，抗干扰能力强等优点。

（4）烟雾传感器的选取

选用MQ-2烟雾传感器尺寸为32mm*22mm*27mm，工作电压为5V，属于N型半导体气敏元件。这种半导体元件在温度為200-300℃左右时，器皿材料就会吸附氧颗粒，造成氧离子的含量下降，就使得器件的电阻值增大。具有双路信号输出包括模拟量输出以及TTL电平输出，TTL输出有效信号为低电平，浓度越高电压越高。对液化气、天然气、城市煤气具有良好的灵敏度，具有长期的使命寿命和可靠的稳定性。

3 系统软件设计

系统的硬件电路一旦确定，系统的主要功能需要通过软件编写程序来实现。本系统以STM32F103Z8T6为主控;用keil编译器，该编译软件可以为用户提供丰富及方便使用的库函数;使用C语言编写，将不同模块的程序分开编写，并对子函数进行封装，方便维护与调用。下面对主程序与各个模块程序进行分析。

（1）主程序。当智能家居系统开始运行时，各个模块先进行初始化，然后监测GSM模块是否已经接入系统中，确认GSM模块正确接入系统后，系统就可以开始工作了。GSM模块可以根据收到的短信来对外设发出相对应的指令，来对外设进行控制。

（2）指纹解锁模块。本设计使用ATK-AS608指纹模块，通过串口与主控进行通信就可以使用了。ATK-AS608获取的信息都是以二进制形式呈现的，并将数据存入FLASH芯片里面。当要进行指纹解锁的时候，指纹模块会先采集指纹，然后与FLASH芯片里面数据进行对比，判断是否存在相同的指纹信息，来决定是否开锁。

（3）操作指纹模块的方法是通过串口通讯。主控通过串口给指纹模块发送指令，等待指纹模块传回数据，主控在对数据进行处理，最后判断命令有没有执行。用到的指令有录入图像（PS_GetImage）、生成特征（PS_GenChar）、搜索指纹（PS_Search）、自动验证指纹（PS_Identify）、自动注册模板（PS_Enroll）、删除指纹（PS_DeletChar）。

（4）温湿度检测模块。温湿度检测模块中一次完整数据传输为40bit，高位先出。检测的具体过程主控发送一次开始信号后，温湿度检测模块等待主机开始信号结束后，发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可读取数据。

（5）烟雾检测模块。为了得到准确的烟雾浓度值，我们选择使用模拟量输出，通过ADC模数转化通道将模拟量转化为数字量。将处理后的数据发送到显示屏，并在主控与设置的阈值进行比较判断是否发出警报和发短信。

报警模块。报警模块其实是就是检测值与系统设定值比较并根据结果而做出不同动作的一个过程。

4总结

本文阐述的基于STM32智能家居系统设计，可帮助人们在日常生活中时刻检测环境情况，不断提高生活质量。该智能家居系统的设计在技术方面比较成熟，通过软硬件联调实现的功能如：温湿度数据的采集与显示、烟雾浓度显示、GSM短信报警等功能。这些功能在一定程度上提高了家庭居住舒适度，帮助家庭成员了解家庭住宿环境信息，让使用者能提早注意到家庭安全隐患。同时使用智能家具的热潮将不断促使智能家居在更多的家庭中普及。智能家居的普及将使智能家居系统领域不断更新换代，研究水平也将不断提高。这对于智能家居系统领域来说，其发展潜力不可小觑。

参考文献：

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河南科技大学 471023