基于单片机的智能家居控制系统的设计

冯勋

（同济大学浙江学院，浙江 嘉兴314000）

随着科技的高速发展，人们的生活水平日渐提高，所以物联网产业也得到了快速的发展，人们更倾向于通过科技来让自己的生活变得更加舒适，智能家居由此诞生。窗帘已经成为了人们生活中的一部分，他可以保护自己的隐私不被他们侵犯，在早晨窗帘可以被设置定时自动开启，迎接着早晨的阳光将是一件多么惬意的事情，此外智能窗帘还可以合理利用浪费的光能为电机持续供电，真正的做到绿色污染。

1 系统硬件电路设计

1.1 单片机微控模块

针对微型控制这一个模块推荐使用stm32 系列的微控制器，这一系列芯片具有成本低、功耗低、性能优等特点，我们可以选用STM32F407 系列作为我们的实用芯片。这一芯片使用了ARM32 位的Cortex-M4 内核，工作的峰值频率最高可以达到168Mhz。STM32F407 系列的芯片不仅拥有15 个通讯接口、17 个定时器、USB、CAN，而且它还有拥有与以太网的接口，可以使网络模块得到极大的扩展，高效有序的完成各类通讯环节，此外可以通过stm32 将各种语音识别模块，光感应控制模块，步进电机驱动模块有效的联合在一起，采用这一款芯片我们还可以继续进行其他的开源设计，方便更好的为后期其他的嵌入式硬件打下良好的基石。

1.2 语音识别模块

采用WT588D 作为语音模块，该模块具有功能强大、音质支持范围高、性能稳定而得到广泛应用。内部自带32Mb 的SPI-Flash 存储，13 位的DA 转换器和128 位的PWM输出，支持6K-22KHz 采样率的音频加载,可以进行提示音的录入与语音识别功能的加载过程，我们可以通过开源的软件进行个性化设计，用户可以通过选择液晶显示屏的选项控制单片机，进而控制WT588D 进行语音录制模块的开源个性化设置，比如当用户选择液晶显示屏中的控制窗帘开合程度50%进行语音开源录制，语音识别模块就会根据当事人说过的具体内容来控制步进电机进行相对应窗帘开合。

1.3 光感应控制模块

在阳光照射采集这样一个模块中推荐是使用Po188 可见光照传感器，它是一个光电集成的传感器，常见入射波长为520nm，传感器的内部还安有双敏感元接收器，可以自动的衰减近红外，使得光谱响应接近人眼函数曲线，高度敏感的区域为可见光范围，输出电流随着光照强度呈线性变化。Po188 光照传感器是经过A/D 转换和stm32 的控制来确定步进电机的转向，一旦光照强度大于某一个标准值的时候，他就会给单片机发送一个特殊的指令信号，从而控制步进电机进行一个开合窗帘的过程。

1.4 电机驱动模块

步进电机的工作原理是在将接收端的电脉冲信号转变为角位移或线位移信号进行固定角度转动的电机器件，步进电机具有优秀的起停能力可以较为精确地控制窗帘开合的程度，此外因为每步的精度在3%～5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性。推荐使用集成驱动芯片L298 作为动力电机的驱动芯片，由于L298 可被PWM信号控制电机调速，所以可以使用stm32f104 单片机产生一个PWM波去控制L298 芯片，从而间接的控制电机的运转过程。

2 系统软件设计

2.1 单片机主控程序的开发与设计

针对软件编程环境的选择，我们采用Keil uVision5 作为我们编程环境，通过stc-isp-15xx-v6.86O 软件将编程好的信息烧录进我们的stm32 中，程序设计的理论如下：

如果光照强度大于500Lux 小于2500Lux 时，步进电机将被发送一个PWM信号进行正转操作，使得窗帘处于打开状态，数码管显示光照强度，液晶显示屏幕的信息为“当前状态=打开100%”；当大于或等于2500Lux 小于5000Lux 时，电机开始反向转动，窗帘被部分关闭，液晶显示屏幕当前的信息为“当前状态=打开80%”；当光照大于5000Lux 小于7000Lux 时，电机继续反转，再次显示光照强度，液晶显示屏幕此时的信息为“当前状态=打开50%”，当光照一旦小于15Lux(此时已达到傍晚或者已经是夜晚状态）为保护用户的个人隐私窗帘将自动关闭，此时显示“当前状态=打开0%”，此外用户也可以根据不同的实际情况选用不同的模式，比如当用户想要午睡的时候可以选择液晶显示屏中的“关闭”按钮自动将窗帘全部闭合，可以为窗帘设置一个定时，等到了指定时间，窗帘将会自动开启利用阳光唤醒用户，由于阳光不像闹钟那样具有极大的刺激作用，可以让那些有起床气的用户有更加良好的使用体验。

2.2 关于控制接收端网络节点的设计

关于控制接收端的网络节点我们选用由TI 公司生产具有CC2530 芯片的Zigbee 网络节点。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 使用的是一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它建设一个强大的网络节点所需要的材料成本非常低。CC2530 芯片结合了许多领先RF 收发器的优秀性能，其中包括业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 可以进行不同的工作模式，这使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530 系统硬件电路是由稳压电源、时钟电路、复位电路等电路的组合而成。通过Zigbee 将各种电子元器件给实时联网到手机或者电子显示屏上，所有的用户因此可以有更好的体验。Zigbee 可以建立很多网络节点，同时也可以通过5G 网络进行实时的传输数据通讯，所有它的信息传送量是很大的，此外Zigbee 的另外一个优势就是具有良好的兼容性，在进行操作的时候可以连接众多的家庭控制网络。作为新一代的产物Zigbee 还符合当下节能环保的主题，在收发信息时每个节点都可以很好的节约电能。

3 结论

本文完成了对智能窗帘的设计从外界光照强度的实时数据采集，到单片机对数据的分析与判断，从而发送给步进电机合适的PWM信号控制步进电机带动窗帘进行开合过程，可以通过Java 软件开发一款智能手机App 或者是微信小程序，通过wifi 信号对Zigbee 网络节点进行实时数据显示和控制，也可以通过液晶显示屏显示传感器的各项指标。如果遇到突然停电等特殊情况，窗帘的向阳面也含有太阳能电池可以将太阳能转换为直流电能继续为单片机和步进电机等模块进行供电，此外也可以直接对窗帘进行人为物理的控制，我相信这是很人性化的，在智能窗帘上我们不仅要体现出他的智能化而且更要体现出它最为一款新时代的智能家居系统为人类带来的良好用户体验，绝不能因为由于它的智能化而导致失去原有的功能，它的升级一定是在保留了原来优点的基础上对不好的地方的改良，最后我相信我们的生活会因为科技变得更加美好。