智能家居環境監測系統研究與設計

摘 要 本設計通過結合了ARM和ZigBee兩大技術，搭建了一個智能家居環境監測系統。實現了對家居中的溫度、濕度、煙霧濃度的監控。硬件方面，采用了STM32采集數據，ZigBee模塊傳輸信息，ARM9作為處理器進行統一處理信息。軟件方面，利用Qt編寫上位機程序。然后移植到ARM，平臺，實現了ARM板對家居的監測。

【關鍵詞】STM32 智能家居 ZigBee 監測

1 引言

隨著人們生活需求的提高，家居智能化控制已成為一種必然趨勢。本系統在研究了嵌入式開發技術和ZigBee網絡技術的基礎上，使用ARM9微處理器芯片設計為核心，實現大面積的多點溫度、濕度以及煙霧濃度進行實時監測，并將數據通過無線網絡傳輸到控制器進行數據存儲和分析，最終實現了家居室內監測系統。

2 智能家居環境檢測系統總體設計

系統主要以STM32嵌入式控制芯片為主，外接各種控制模塊電路，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器以及光照傳感器對室內狀況進行檢測，并將檢測到的數據發送到嵌入式控制器進行數據分析，當有異常狀況發生時，嵌入式控制器立即做出相應的處理并發出報警。并通過ZigBee發送給ARM端的上位機中，同時將數據保存到sqlite數據庫中，方便用戶直觀的查看室內狀態。外圍電路則由光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器模塊組成，與嵌入式器件相連接，實現了控制芯片的通信。

3 系統硬件設計

本系統電路設計主要包括以下幾個功能模塊的設計：

3.1 光強檢測模塊

通過光敏二極管電路接收裝置來檢測光照強度，將光值轉換為電信號，以供單片機處理判斷關照條件，決定是否自動開啟燈光。

3.2 煙霧濃度采集模塊

通過驅動MQ_2傳感器實現對環境中液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、煙霧等敏感氣體的檢測，及時傳輸給單片機后進行條件判斷，環境煙霧濃度值是否超過閥值。

3.3 溫度數據采集模塊

使用靈敏度系數比較高的DS18B20芯片。該芯片檢測靈敏度高、穩定性好、價格便宜，因此很適合用于本系統。

3.4 濕度采集模塊

溫濕度采集使用DHT11傳感器，該傳感器可以同時輸出溫度和濕度，只需按照規定的時序進行讀寫即可。

3.5 LED電路的設計

本次系統通過模擬LED實現對家庭照明燈的控制，所有的燈均是共陽，控制時只需要給對應控制管腳低電平即可實現。

3.6 ZigBee通信接口電路

ZigBee通信接口為串口，因此只需留出對應的串口接口即可，系統使用串口2作為通信接口。

3.7 控制部分功能的實現

系統中硬件控制部分主控芯片選擇STM32F103C8T6。該芯片具有64KB的SRAM和32位地址數據線，其性能和傳統的8位51單片機相比提高了數倍，因此足以實現本系統控制部分功能。輔助電路的設計：復位電路、振蕩電路、按鍵電路及初始位置定位設計，還有額外添加的串口輸出模塊，方便調試和維護。

4 系統軟件設計

本系統軟件方面，利用Qt編寫上位機程序。然后移植到ARM平臺，實現了ARM板對家居的監測。軟件設計總體上分為STM32數據采集、ZigBee網絡數據發送和接收、嵌入式平臺的搭建以及基于Qt技術的系統主控軟件的設計。上位機部分的軟件設計實時顯示當前家居內的溫濕度、煙霧濃度以及LED燈的狀態燈信息，還可以實現實時控制LED燈的狀態。下位機STM32單片機中移植了一款嵌入式操作系統μC/OS-II，所以的傳感器都是以獨立任務的形式在運行，使得整個程序比較流暢、效率比較高，系統的穩定性也得到了調高。

5 通信協議設計

ZigBee網絡中傳遞的是信息叫ZigBee消息，一個ZigBee消息由127個字節組成， 在本智能家居系統設計中，采用的ZigBee協議幀格式為MsG格式。通信協議作為一個比較重要的部分，它完成了系統中數據的封裝和解析依據。本系統中通信協議使用自定義的，數據幀結構體的定義如下：

typedef struct Protocol{

u8 send_begin； //起始標志 以“#”開始

u8 potocol_len； //信息長度 可變長

u8 device； //設備名

u8 device_cmd； //設備命令

u8 date_len； //數據長度 沒有為0

u8 *date； //數據 沒有指向空

u8 send_end； //結束標志 以“*”結束

}protocol；

不僅在上位機和下位機通信過程中始終保持著同一份協議，數據的發送和解析都是嚴格按照此協議進行的。

6 系統測試

系統硬件平臺的搭建以及軟件的開發完畢后，需要對系統進行性能測試，以驗證整個智能家居系統運行的可靠性和穩定性。在硬件連接測試，可以點擊上位機中的LED燈開關，發送開燈或者關燈命令，查看下位機STM32板上所連接的LED燈狀態是否改變，若改變了則證明整個硬件連接正確。此外測試系統是否死機的一個辦法是用手擋住光敏傳感器，若此時旁邊的LED燈亮，說明系統正常運行。通過測試最終實現本系統監測功能要求。

參考文獻

[1]柯國琴.基于單片機的智能家居系統的研究[D].合肥：合肥工業大學，2010.

[2]孫常清，趙英濤.數字家庭網絡發展分析[J].電信科學，2007（06）：23-27.

[3]穆秀春著.Altium Designer原理圖與PCB設計[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]師振偉.基于ARM和ZigBee的智能家居無線終端控制系統的設計[D].西安：西安工業大學，2013.

[5]馮承金.基于ZigBee和ARM9的智能家居系統的研究與設計[D].湖北：武漢理工大學，2010.

作者簡介

劉云萍（1980-），女，山西省太原市人。碩士學位?，F為太原工業學院計算機工程系講師。主要從事數據庫系統設計研究。

作者單位

太原工業學院計算機工程系 山西省太原市 030008