基于STM32智能家居系统的设计与实现

XJzy

[导读] 对比普通家居系统，智能家居不仅满足了人们对居住环境的基本要求，提供舒适安全且宜人的家庭生活空间。在设计实现智能控制的同时，研制一个成本低、实用性强并能普及寻常百姓家的智能家居系统成为必然趋势。
智能家居（又称智能住宅）是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的安全、高效、舒适、便利、环保的居住环境。利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居一系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统。对比普通家居系统，智能家居不仅满足了人们对居住环境的基本要求，提供舒适安全且宜人的家庭生活空间。还能够主动提供全方位的信息服务，联合外部资源，做出智能化响应。但这类系统通常代价昂贵，控制方式单一，且易受到干扰。因此，在设计实现智能控制的同时，研制一个成本低、实用性强并能普及寻常百姓家的智能家居系统成为必然趋势。
        　　本设备可使使用者置身千里之外也能轻松地全方位掌握家中各方面的情况，很方便的远程控制各类家用电器设备，提高了家居的安全性、方便性、舒适性，实现了环境保护和节约能源，让人们享受家居生活更轻松。
　　1系统整体结构
        　　系统整体结构如图1所示，主要由微控制器及多个子模块组成，微控制器主要用于分析和处理用户操作信息、传感器信息、控制手机模块的接收和发送，并按优先级执行相应的任务。子模块部分包括：门禁/安防、人机界面、CAN—BUS通信网络、无线通信网络、视频监控模块、语音识别、开窗电动机驱动控制器、多路传感器接口、开关电源电路等。

        　　

        　　图1 系统组成框图

        　　系统主机通过一个运行OpenWRT的路由器连入Internet.设置好网络端口，通过Internet访问时，本系统提供一个用户体验良好的界面，用户只需输入域名登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制。
　　2智能家居系统硬件平台
        　　本智能家居系统主要由主控芯片和功能外设组成。主控芯片STM32F103RBT6是以ARM 32的Cortex—M3为内核的处理器，最高工作频率可达72 MHz，内置大容量高速存储器，轻易容纳智能家居系统所需的空间;具备FSMC灵活的静态存储器控制器，用其来驱动液晶屏极大地提高了刷新率;同时，它内嵌有支持CAN 2.0B的控制器，无需外扩专用芯片便可以组成CAN网络。
        　　LD3320是一款语音识别及合成芯片，集成了高精度 A/D和D/A接口，不需要任何外接辅助芯片，如Flash闪存、RAM、解码、功放芯片等，可以直接地实现语音识别/语音/交互式功能的语音识别功能。主控芯片通过四线SPI数字接口传送适合的数据到该芯片对应的寄存器，设置好识别关键词、识别时间长度、麦克风增益等后，语音识别功能便开始运行了。当系统产生需要语音应答条件时，MCU可以把以mp3编码的数据发送到该芯片，配置音量等参数后，随即运行语音合成功能，片内自带的功率放大器推动扬声器发声。
        　　nRF24L01是一款新型单片高度集成的射频收发器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段之间。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器以及调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。其多种低功耗模式和40bit超长器件地址保证了它通信的安全性，传输速率高的特点，适合应用在本系统。
        　　CAN总线通信具有较高的通信速率、高可靠性、便于连接和性价比高的优势，它因为高速网络以及作为较低成本的各种网络而普及应用。由于智能家居系统的通信是在家庭供电线路的复杂电磁干扰中，本系统采用一种CAN双绞线转换器，组成一个家电通信网络，足够可靠地应用于强干扰的恶劣环境中。
　　3智能家居系统软件设计
        　　智能家居其中一个重要目的是为了实现舒适便捷的家居生活，因此必须设计一套用户体验良好的上位机操作界面，包括电脑端对智能家电的详细设置，以及能体现出手机便捷性对家电基本控制需求的Android客户端应用程序。其主要软件设计流程如图2所示。系统任务的实现由两个不同的线程实现：网络通信用的NetStream程序和本地数据处理的程序。

        　　

        　　图2 上位机软件设计流程

        　　本地数据处理程序根据任务又分为以下两部分：用户操作响应部分，视频流数据处理部分。用户操作响应部分主要负责采集用户对上位机软件按下的按钮、输入的命令等数据，并将这些采集到的数据进行运算和处理，得到结果后再进行加密并编码，最后加载到网络流上，自动通过网络发送到下位机。视频流数据处理部分则是智能家居安防监控功能的承载，上位机的软件定时器产生一定时间间隔的溢出中断后，通过TCP连接到路由器，账号和密码验证无误后，即可获取监控摄像头每一帧JPEG格式的图像信息，经过处理，可将这些JPEG图像信息合成24帧每秒显示在上位机界面上，由于人眼的视觉暂留效益（Persistence of vision），这些连续的图像可以被看成是达到了流畅的视频效果。
        　　NetStream部分则主要是解决上位机与下位机通信的问题。智能家居系统的安全是一个很重要的问题，建立一个稳定安全的连接就显得尤为重要。本系统采用一种SSL加密的TCP/IP协议。SSL又叫“安全套接层（Secure Sockets Layer）协议”，是一种在客户端和服务器端之间建立安全通道的协议，充分保证了系统通信过程的安全。