物联网技术与微控制器在智能家居控制系统设计

曹士明 宋吉峰

（吉林建筑科技学院 吉林省长春市 130000）

1 物联网技术应用

近年来互联网是信息科学技术的新浪潮，国内外企业、政府重视物联网技术构建，其包含传感器技术，计算机和通信技术等，具有较广的应用范围，涉及工业检测，智能交通、溯源管理、城市管理、门禁管理等多个方面。在家具使用过程中，目前海尔推出物联网智能家居uhom 战略，能够借助ZigBee 协议使家用电器与海尔家电进行网络连接，目前研究针对物联网技术通信和控制开关研究较少。因此，本研究重点分析了基于智能家居中物联网技术以及微控制器的具体应用，以期能够为基于物联网技术，智能家居设备研发奠定基础。

2 基于ARM及LabVIEW控制器的智能家居控制系统方案设计

如图1 所示为系统的总体结构设计图。

该系统是由上位机、下位机这两个部分共同构成的。上位机的显示程序可通过LabVIEW 进行编写，下位机是由液晶显示电路、外设外围设备、ARM 最小系统构成，其中主控芯片是STM32F107，通过RS-232 串口进行外围设备的预警控制，为确保控制准确度，在每次状态参数发生变化时，外围设备均需要向ARM 返回改变后的状态，并通过上位机进行显示。

从该系统的硬件设计上来看：

（1）微控制器的选型。在本系统中使用的处理器为STM32系列产品，该处理器为32 位处理器，是基于ARMV7 所构架的Cortex-M3 内核，其主频为72MHz，含有256 字节FLASH 和64K字节SRAM，同时具有32 位宽路径，寄存器库和内存接口，包含通用寄存器13 个，堆栈指针两个，链接寄存器一个，程序计数器一个，其具有较快的运行处理速度，代码产生量较少。这种嵌入式快速中断控制器，能够帮助系统实现延迟操作和实时性功能。

（2）在TFT 液晶屏选型中，TFT 是指薄膜液晶管能够主动控制屏幕的独立像素。图像产生原理是，显示屏由较多可发出任意颜色光线像素构成，控制各像素显示颜色即可实现。在本系统中可使用TFTLCD 屏，其分辨率为320×240，262K 色，采用控制器ILI9320 包含720 路源极驱动以及320 路栅极驱动，显存容量可达到172800 字节。在ST M 32F107 处理器与LIL9320 控制模块中，其接口是i80-sys tem 接口，数据总线为DB，其余信号为控制信号。由于该控制器芯片无法支持FSMC，因此该系统需要通过GPIO 总线，以实现对屏幕访问操作。

（3）设计串口模块，本系统需使用有ARM 所自带的串行通讯模块，由于ST M32F107 芯片具有丰富的串口功能，可提供五路串口，本系统使用两个串口，其中一个可用于上位机命令接收，另一个用于外围设备的实时控制。本系统串口接口为9 个引脚的 RS-232 接口，由于ST M 32F107 处理器所输出的电平为TTL/COMS，而PC 串口是RS-232 电平，因此，在硬件设计上使用MAX232 转换芯片，以实现双向电压切换。

在软件设计中，由于该智能家居控制系统，包含上位机、下位机这两个部分软件，其中利用LabVIEW 来编写上位机软件，可实现人机交互，主要负责命令发送。而下位机是由STM23 底层驱动程序，液晶屏显示程序和串口通讯程序构成的。在上位机设计中，LabVIEW 是使用图标来代替文本构建的图形编辑语言，在本系统设计中通过LabVIEW 所提供的VISA 控件，其串口为CONI 口，波特率可达到9600b/s，能够通过事件结构及时做出用户界面响应。每次按下显示界面的按键后，则会形成一个事件，事件能够对外围设备运行控制。在下位机设计中，系统初始化之后，显示屏会显示欢迎使用的界面，其内容包括系统名字以及系统使用的注意事项等，ARM 在接收上位机传送的信号之后，会将相应的信号按照协议打包发送给外围设备，外围设备将变化状态按照通信协议返回给ARM，ARM 提取数据，并将数据传送给上位机显示。

利用该系统进行实时远程控制，选择实验终端配置4 个继电器控制板，摁下上位机的显示界面按键之后，对应继电器会及时作出响应，如果打开继电器，那么上位机的显示界面会有对应的指示灯亮，如果关闭继电器，会有对应的上位机指示灯熄灭，正常条件下，液晶屏会显示欢迎使用的界面，包含系统名字和注意事项。一旦系统运行时存在故障，那么液晶显示屏会直接显示ERROR，并且ARM 会及时发出蜂鸣报警信号，如果该报警器响起，则测试可达到预期效果。

图1：系统总体设计图

图2：灯光控制系统结构示意图

3 基于物联网技术灯光控制应用

目前在智能家居中，灯具控制方式相对单一，缺乏智能化控制，因此，本研究基于物联网技术提出了家居灯光智能控制系统，以实现对灯光的智能化控制，采用单片机STC12C5A60S2 作为设计平台，能够结合GSM 模块、蓝牙、红外等模块，以实现对灯光的无线控制。在设备中还安装了时钟芯片，DS 12C887 能够实现定时控制，通过共同作用，在时间上及时提醒用户。首先，在系统设计上有以下几个部分构成，包括 GSM 接收模块、蓝牙接收模块、继电器、定时设置模块，电压模块等，能够通过GSM 接收模块，蓝牙模块向单片机传送信号，同时由液晶显示屏显示时间，通过传感器进行用户时间提醒，在多种模块配合下能够进行灯光无线控制。如图2 所示为灯光的控制系统结构示意图。

从其原理上来看，该灯光控制系统是以单片机STC12C5A60S2作为主控制芯片，同时，时钟芯片、DS124887 配合同时，采用多站P2338DP 作为蓝牙智能模块以及单片机窗口桥梁，由单片机来接受指令，此时系统增加芯片组，经放大电路进行信号放大，配合继电器完成对应功能，串联二极管IN4007 进行电压检测，能够实现灯光亮度调节。具体来看：

（1） GS 模块单片机与蓝牙模块连接，蓝牙与GSM 模块采用窗口方式实现单片机通信研究，STC12C5A60S2 单片机能够提供一个串口，利用多串口扩展器SP2338DP，可解决蓝牙GS 模块无法与大面积串口连接问题，在无线控制系统中蓝牙模块具有重要作用，可通过V2.0 协议，借助HC-07 从模块引出接口，进而实现与单片机串口进行连接。GSM 模块能够通过RS-232 接口，进而与外围设备连接，通过单电源电平转换芯片处理之后，可将该信号传送给多串口扩展芯片。

（2）手机APP 和短信发送端设计。在蓝牙发送指令前需安装Arduino 程序，将该APP 与蓝牙连接，根据蓝牙显示，如果灯闪烁则表示未成功连接，如果指示灯常亮则表示已完成连接，并打开端口，在用户连接时手机会自动弹出匹配窗口，用户需要输入密码后即可实现与蓝牙模块的连接，再次连接手机可自动匹配。在手机中输入on、off、y5 等相关字符，会实现灯光状态的实时控制。单片机在接在接收到数据后，将原有数据及时传送给软件，并在显示屏中进行显示确认是否进行指令发送，如果蓝牙模块预约手机发送端。之间的距离超出信号接收范围，需通过短信方式发送指令，到达GSM 接收模块完成操作。

（3）设计红外控制模块，可通过芯片红外遥控控制实现与灯光连接，采用PT2272 解码芯片仅能够用于接收端指令接收，设备可保持对应电平，进而接受不同指令使电平发生变化，按下遥控端的4 个按钮中其中任何一个，这种情况下系统能够控制灯光显示状态，上述A，B，C，D，4 个符号中分别对应灯光打开，强光弱，光以及灯光关闭4 种状态。

（4）设计定时控制模块，物联网灯光控制系统使用时中心面镜设计，其型号为DS1241887，该芯片能够显示日期，时间和信息的那个信息，通过芯片采集信息进行系统定时控制同时该模块还有4 个按键，利用S1，S2，S3，S4 能够设定定时控制系统参数，当达到提醒状态时可由系统其自动向p2.3 输出低电平，经放大电路后可使扬声器动作并向用户发出提醒，同时向P2.6 输出低电平，通过放大电路可驱动B 显示灯操作。这种情况下灯光能够与蜂鸣器同时处于动作，如需关闭扬声器，可通过APP 自动字符发送或通过S5 按键来操作。

基于物联网技术的智能灯光控制系统，根据其功能系统软件分为以下4 个模块：

（1）系统初始化，包括蓝牙，GSM 模块以及电视机初始化，数据初始化等。

（2）通过短信进行指令发送，可通过手机短信编辑等多种方式将指令发送于GSM 接收端中，通过该模块中的RS232 串口可提取接收指令，并将其传送给单片机完成操作。

（3）蓝牙接收指令模块，通过蓝牙接收的指令，经过TXD 或RXD 模块进而传送给串口芯片，最终由单片机进行后续处理，如果单片机接受指令之后，通过程序判断后续继电器的动作，选择SP2338DP 中TXD 或RXD 完成串口接收，将所接收新指令传送给APP。

（4）定时控制模块，包括设计扫描和终端控制，此时如果摁下按键会设置提醒时间，设置完成后自动退出屏幕，目前一旦到达预期的显示时间，系统会启动继电器照明功能。

智能家居系统整体设计比较复杂，其能够借助多个网络设备访问单片机，进而对家中的门禁系统以及家用电器进行实时监控，该智能系统平台设计是由多个子系统构成的，彼此之间可进行信息交换和采集，同时监控系统还能够实现远程问题解决，用户可通过电脑或手机APP 即可远程遥控。对智能家居发出指令之后，可对系统实现有效控制。通常智能家居系统控制分为三个方式，第一可通过WEB 服务器控制按钮控制家庭电器；第二用户可在家中通过触摸屏点击控制；第三通过手机进行控制，比如短信、电子邮件等。上述三种方式均可通过远程或者直接控制。电路控制需要借助传感器，该模块功能的实现需要利用电压编写电路程序，对ADC 部分程序进行监测。确保输出电压可达到标准范围，一旦ADC 电压存在问题会及时发出蜂鸣报警，确保住宅安全性。

4 结语

总而言之，近年来，随着物联网和微控制器技术的发展，本研究基于AR M 微控制器和labVIEW 进行智能家居控制系统的设计，处理器是下位机接收上位机发送指令，以实现家电、窗帘、照明、电话等设备的远程控制。过去智能家居控制系统功能要求较低，大多采用8 位微控制器作为核心，随新技术发展，本系统在设计中采用32 位ARM 处理器，同时搭配LabVIEW 进行上位机程序的编写，能够提高智能家具性能，在控制方式上由过去的定时控制转为实时远程控制，在任务执行上由单任务创新改变为多任务创新，最后在终端中能够实现可视化，操作完成界面较好，功能丰富，操作简单的智能家居远程控制系统。