基于STM32的物联网智能家居环境监控系统

田启松 江祖旺 叶鹏

摘  要：在物联网的研究基础上，提出基于STM32的物联网智能家居环境监控系统。此系统将各种传感器通过ZigBee无线传感技术和ARM嵌入式技术、GSM网络通讯技术相结合，具有成本低、应用范围广、测量精度高、运行稳定等特点。该系统由多种传感器采集各种环境参数并传输至主控中心，通过网络通知远程用户对家庭环境参数的改变而迅速做出相应调整，实现对家庭环境的监控。

关键词：物联网技术;智能家居;环境监控;传感器技术

中图分类号：TP391.4       文献标志码：A              文章编号：2095-2945（2019）35-0029-02

Abstract： On the basis of the research of the Internet of things， this paper puts forward the intelligent home environment monitoring system of the Internet of things based on STM32. This system combines all kinds of sensors through ZigBee wireless sensing technology， ARM embedded technology and GSM network communication technology. It has the characteristics of low cost， wide application range， high measurement accuracy， stable operation and so on. The system collects all kinds of environmental parameters from a variety of sensors and transmits them to the main control center. Through the network， the remote users are informed of the changes in the parameters of the home environment and quickly adjust accordingly， so as to realize the monitoring of the home environment.

Keywords： Internet of things technology; smart home; environmental monitoring; sensor technology

1 概述

随着物联网技术、现代通信技术、传感器技术等科技的发展，人们对家居生活条件要求越来越高，智能家居环境监控系统应运而生。智能家居环境监控系统是把计算机技术、网络通讯技术和传感器技术与用户日常生活有關的各种设备有机地结合到一起，既可以在家庭内部实现家居设备的自动控制、信息共享和通信，又可以与家庭外部网络进行信息交换，同时可实现家居设备的远程控制。智能家居监控系统在未来市场前景十分广阔，因此根据用户日常居家生活环境需求，设计出一种基于物联网的智能家居环境监控系统。

2 物联网及其整体架构体系

把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理即为物联网（Internet of Things）。物联网技术的诞生，使得环境监控、对象识别、远程控制等变得更加智能和便捷。

物联网技术基本架构分为三层，分别是感知层、网络层、应用层如图1所示。

感知层：用于感知、采集物理世界的各种信息，利用通信模块建立物理实体和网络的连接。

网络层：即完成信息的传递、路由和控制。网络层可以应用各种网络通信例如互联网、移动通信网络或者行业专用通信网络。本系统采用ZigBee无线传感网络技术，通过网络将信息传送到后台服务器。

应用层：即把前端感知层得到的信息进行处理，并实现具体的应用，比如自动驾驶、环境监控、健康管理等实际的应用。

3 智能家居环境监控系统基本结构

根据设计要求，整个系统分为五个模块，如图2所示。

第一部分是传感器模块，本系统采用四种不同类型传感器来监测环境的各种参数，传感器是感应物理世界各种参数的变化并将其转换成电信号的装置。第二部分是ZigBee无线传感模块，通过ZigBee无线传输技术将各类传感器组成无线传感网络，将采集到的环境参数信息传输到主控中心。第三部分是整个系统的控制核心，通过无线传感技术将采集到的信号进行处理，控制芯片选择STM32F103RBT6。第四部分是电源模块，为整个系统供电。第五部分为GSM通信模块，将收到的信息通过GSM网络以短信形式发送到用户终端实现远程报警。

4 系统设计与实现

4.1 主控芯片选择

本系统选择STM32F103RBT6为核心芯片，STM32是ARM系列32位处理器芯片，采用高性能Cortex-M3内核， 闪存为512K，高达72MHz的工作频率。此芯片外设接口丰富，实时性好，成本低、集成度高、功能强，被广泛应用于智能家居、智能管理等核心控制领域。

4.2 ZigBee无线传感模块设计

4.2.1 ZigBee模块的选型

ZigBee无线传感技术是一种低功耗、低成本的双向短距离无线通讯技术。其中存在三种逻辑设备类型：协调器、路由器、终端设备。E18-2G4Z27SI是亿佰特设计生产的一款小体积2.4GHz频段的ZigBee转串口无线模块，发射功率为500mW，采用美国德州仪器（TI）公司原装进口CC2530射频芯片，芯片内部集成了8051单片机及无线收发器，并内置 PA+LNA，极大的扩展通信距离、提升稳定性，适用于多种应用场景（尤其智能家居）。

4.2.2 火灾烟雾传感器模块

本系统选用MQ-2半导体烟雾传感器，它以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡（SnO2）为主体的N型半导体气敏元件，适用于烟雾、天然气等可燃性气体的检测。环境中有烟雾时，传感器的电导率和烟雾浓度成正比，当达到临界值时立即向主控中心发出信号，主控中心将信号处理后向用户发出指令，从而有效地减少火灾给用户带来的生命财产损失。该传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、工作稳定，应用十分广泛。

4.2.3 温湿度度传感器模块

本系统采用集温度、湿度传感器于一体的传感器SHT11，可以将環境中的温湿度转变成相对应的数字信号，并将参数传输至主控中心进行处理，通过家居互联控制加湿器、空调、空气净化器工作，使室内温湿度舒适。

4.2.4 光照强度传感器模块

本系统采用TSL230B光照强度传感器，该模块主要由光敏电阻组成，当感应到光照时其阻值会随光强变化而变化，从而实时采集室内光强信息，并传输至主控中心，经过主控中心处理自动调节灯光和窗帘开关，不仅节能，还提供用户一个舒适宜人的光照环境。

4.2.5 人体红外传感器模块设计

本系统选用HC-SR501人体红外传感器，可在门、窗等地方做信号采集点。一般情况下人体会发出特定波长约为10？滋m的红外线，通过菲尼尔滤光增强后聚焦到红外感应源，红外感应源采用热释电元件，当有人入侵时，热释电元件会感应到人体红外辐射温度的变化，因失去电荷平衡而向外释放电荷，经后续电路检测放大处理后产生报警信号，实现远距离自动报警。该模块功耗低、触发灵活、自动感应、有温度补偿功能，适用于各种安防检测等设备。

4.2.6 GSM模块设计

本系统选用深圳合方圆的GSM产品-GU900D GSM/ GPRS模块，拥有短信、语音、数据等通信功能。该模块具有标准AT指令，支持多种协议的AT指令以及合方圆增强AT指令。该模块的9引脚是串口通信数据发送引脚，10引脚是串口通信数据接收引脚，分别连接主控芯片STM32的 RXD4和TXD4端，通过AT指令集通信。

4.2.7 电源电路设计

本系统应用双电源工作模式，大大提高了系统的可靠性。由于系统主控芯片需要3.3V供电，而传感器模块需要5V供电，故电源部分分别设计了3.3V和5V供电模式。3.3V电源电路由两个LM317三端集成稳压器及其外围电路将12V转换为3.3V电压输出;5V电源电路选用了直流/直流转换器2359芯片，输入12 V直流电压，输出5V的直流电压。系统使用电源适配器提供的外部12V直流电源供电，同时还有备用电源（碱性电池）。当外部供电出现故障时，可以自动切换为备用电源工作模式，以保证系统正常工作。

5 结束语

本系统将各种传感器通过ZigBee无线传感技术和ARM嵌入式技术、GSM网络通讯技术有机地结合，统筹管理，为用户实现更加人性化的家居生活环境。与以往相比，将原来静止被动环境结构主动化和智能化，不仅拥有相对全面的信息交换功能，还帮用户创造更加安全、舒适、便捷和人性化的居住环境。

参考文献：

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