基于Zigbee 无线通信与STM32 的智能家居系统设计

裴晓燕

（晋中职业技术学院，山西晋中，030600）

0 引言

随着科技进步，人民的生活水平逐步提升，对居住环境的要求也越来越高。《IDC 中国智能家居设备市场季度跟踪报告》指出，中国智能家庭设备的出货量在2021 年上半年出货量达到了1 亿台左右，中国的智能家居产品在未来5年内将继续保持20%以上的复合增长率，到2025 年出货量将可能会突破6 亿台。然而，由于我国企业采用的技术标准并不统一，产品质量不能兼容，成本较高，控制方式单一，难以适应大众的需要。在这样的背景下，本文设计了以STM32 为核心 Zigbee 无线通讯智能家居系统，以实现对家庭环境的监测与控制。它可以弥补智能家居系统成本高、交互方式单一、设备操作困难等弊端。

1 智能家居系统总体方案设计

■1.1 系统设计目标及设计原则

针对目前智能家居系统的结构复杂、智能化程度低等问题，提出了一种基于智能家居的智能化、集成化的新系统。在此基础上，遵循下述原则的前提下完成了本系统的设计。第一，使用方便，实用性强。现在市面上有许多智能家居产品，宣传功能丰富、使用便捷，但往往都是过度宣传，使用过程中操作繁琐，大多数人，在购买这些产品之后，都只会进行简单操作，而那些复杂的功能，根本无法使用。所以在进行设计时，应当本着方便用户的操作和实用性的原则来进行设计。第二，系统稳定，成本低。要将智能家居普及到广大的普通消费者，其产品价格也是不可忽略的一个重要因素。因此，在设计过程中，必须在保证功能齐全的基础上，尽量选择具有较高性能的元件和传感器，来实现产品的成本控制，实现硬件电路的简单流畅、易于维护，实现软件编程较高的逻辑性和稳定性。

■1.2 智能家居系统

本文所研究的智能家居系统，可以从整体上划分为两个主要的模块，即上位机和下位机。上位机主要由PC、手机通过服务器向协调器发出指令，再由协调器向终端设备传送指令；而下位机则主要负责收集和传送各传感器节点数据，并将其上传到服务器，从而实现PC 和手机端的实时监控。在图1 中显示了智能家居系统之间的组织关系。

图1 智能家居系统拓扑图

在本文所设计的智能家居系统中，PC 和手机终端被选为显示设备。如今，智能手机已成为我们日常生活的重要组成部分，通过用户界面向ZigBee 发送命令，然后通过ZigBee 网络向终端设备传输数据，从而实现对智能家居系统的控制；与此同时，在家居环境中，各种传感器采集的数据也会通过原路返回并上传到UI 界面，方便使用者随时浏览，并进行相应的操作。ZigBee 协调器是智能家庭中的一个重要的控制部件，它可以将所有的信息传输到智能家居中。而智能家居系统中的另外一个关键器件是包括终端节点，温度、湿度、烟雾等传感器都会在主界面上实时的显示出家居情况。

■1.3 系统的总体设计方案

从硬件的角度来看，智能家居系统可以分成三大部分，分别是下位机终端、家庭网关、上位机终端。系统的整体设计框图如图2 所示。

图2 系统总体设计框图

(1) 下位机的终端

下位机终端主要承担数据采集与控制工作。采集是指收集家居环境信息，包括室内温度、室内和卧室中的光照强度、厨房中的烟雾和易燃气体浓度，以及在家中安装具有传感器的ZigBee 终端节点；控制是对家庭生活用具的运行状况进行管理，其实施方法是将继电器ZigBee 连接到装置的电源插座上，通过对继电器的开闭进行以控制家电的开闭。

(2) 家庭网关

家庭网关主要承担网络管理、传输、存储等工作。该网络的管理包含了ZigBee 网络和WiFi、GSM 和因特网的管理，ZigBee 协调器用于初始化家用网络，收集和控制终端节点加入该网络中，并对整个ZigBee 网络进行维护等；其中，WiFi 模块、GPRS 模块主要负责对外部网络进行管理，包括启动外网、向云端服务器及手机端传输数据等。主控制器主要功能之一是实现ZigBee 协调器与WiFi、GPRS 模块之间的数据交互，以及向SD 卡中写入数据。

(3) 上位机终端

本论文所设计的上位机终端是指手机或PC。通过手机APP，使用者可以随时查看室内温度、湿度、烟雾浓度等情况，还可以遥控家电；同时，当易燃气体超出临界点时，该系统会通过手机短信通知使用者。与传统的智能家居相比，本文所设计的智能家居系统加入了自动控制功能，当处于自动控制状态时，系统会按照使用者的使用习惯来进行自动调节，例如在感应到气温较低时，会自动开启空调，调整室内的温度。与上位机终端有关的是路由器和云计算服务器，路由器是一个用于管理本地网关和云端服务的数据的接口；云服务器主要承担着数据的存储、家庭网关与手机端之间的交互，以及对模型算法的预测与控制。

2 系统硬件设计

■2.1 电路设计

控制器采用STM32L476VGT6 芯片，以此芯片为核心，可根据智能家居网关需求，下载、复位系统的电源程序、SD 卡存储、USB 接口、WiFi、GPRS，以及相应的外部接口。图3 显示了主控制器和外围功能模块结构框图。

图3 主控制器及外围扩展模块结构框图

控制器是智能家居系统中的重要组成部分，它担负着主、下位计算机和控制终端的通讯。其主要功能是利用因特网与外部网络进行数据通信，并与云平台进行数据交换，通过终端接入云端平台，实现对控制器的存取和数据交互；同时，它还承担着家庭内部的网络管理和数据的收发、传输，并在家庭内部和外部网络间进行信息的传输，使用户可以随时随地查看家庭环境信息，并对家庭设备进行远程控制。

■2.2 终端节点接口电路设计

（1）烟雾传感器接口电路设计

为了保障住宅环境安全，必须对室内火灾发生的烟气和易燃性气体进行浓度检测，以防止火灾危险。在本方案中，使用MQ-2 型气体传感器进行易燃气体的采集，其探测范围广泛，对可燃气体如丙烷具有良好的敏感性。MQ-2 型气体传感器性价比高、应用广泛，是家庭环境中的烟雾报警的理想选择。本芯片工作电压5V+0.1V，输出电压2.5～4.0V，可在300～10000ppm范围内进行测试。其应用接口电路如图4 所示。

图4 MQ-2 接口电路

（2）温湿度传感器接口电路设计

根据室内环境的温、湿特性，本系统将DHT11 作为家居环境温度与湿度传感器。DHT11 利用先进的温湿传感技术，实现对周边环境的温度、湿度进行实时监测，内置了数码模组，开发人员无需进行模数转换，只需要读出数字信号就能完成温度和湿度的读取。芯片可在3～5.5 V 的工作电压下工作。在0～50 摄氏度的范围内，测量准确度≤1℃；湿度在20%～90% RH 范围内。本模块有四个引脚，其中三个引脚用于电路设计，其接口部分如图5 所示。

图5 DH11 接口电路

（3）控制终端接口电路设计

继电器是由电流来控制电子设备，通常用于自动调整和安全保护。继电器的工作原理是，在电源输入端为0 或电流不足时，继电器线圈为断路，常闭触点闭合，常开触点断开；在有足够大电流通过时，保护线圈会产生吸合力，使其常闭触点断开，而常开触点闭合。从图6 可以看出，在P1_3 是无效电平状态下，在继电器的输入端没有电压，电流为0，因此常闭触点关闭；在P1_3 是有效电平情况下，继电器输入端会产生一个使继电器线圈闭合的电压，从而使常闭触点处于关闭状态；常开触点在吸合时，使继电器的刀位方向发生变化，达到电气设备的开关控制。

图6 继电器接口电路

3 系统软件设计

■3.1 下位机软件设计

下位机的软件设计包含终端和控制器的软件设计，采用KeilμVision5 作为STM32 的开发平台，采 C 语言进行编程，便于系统的维护和扩展。STM32 单片机在节点采集数据，然后将采集到的数据传输给ZigBee，ZigBee 采用Z-Stack协议栈进行封装，并通过ZigBee 网络传输给网络中的协调器节点。协调程序将采集到的各结点数据通过USART 发送给主机，主机接收到数据后，利用ID 判断节点信号是否超过了设置的阈值，并判定蜂鸣器是否发出警报；最后利用MQTT 技术对数据进行封装，通过ESP8266 接口，将其传输到云端平台，由手机终端接收到数据。在图7 中显示了该程序流程。

图7 程序流程图

■3.2 上位机软件设计

该系统采用MQTT 协议进行信息交互，交互形式以JSON 为主。控制器将所有的数据以JSON 方式封装，并经由设定的主题传送至云端平台，通过订购Topic 主题，即可在移动及电脑端使用。为了减少成本，本系统使用云平台，即EMQXCloud 公司免费提供的MQTT 服务器。微信应用框架式的软件架构，具有较低开发门槛、较高兼容性，可兼容各种不同的操作系统，而且无需下载、安装。基于上述优势，采用微信开发者平台开发手机上位机。MQTT 协议在微信应用软件中的应用首先要安 MQTT 客户端，在连接功能连接到MQTT伺服器的位址之后，可以订阅设备的数据主题。微信应用程序要求访问JSON 数据的WebAPI 平台。用户可以通过客户端监控事件来分析JSON 数据；利用Publish功能，完成用户对LED 灯、报警等功能的控制，在JSON上进行封装，并将其传输到云端平台。此外，系统还新增气象查询功能，用户可以通过墨迹天气网站上的API 来获取该服务；而且还可以通过JSON 解析用户数据，每天可以申请一万次，已经足够日常使用。

4 结语

近几年，随着物联网、人工智能、云计算等技术的飞速发展，致力于提高人们的居住品质的智能家居系统，已由实验室走向了普通的家庭。智能家居这个概念虽然被提出至今已有数十年之久，但至今还未广泛应用于整个社会，大部分家庭都还保持着传统的生活习惯。本文分析智能家居系统设计目标及设计原则，设计了基于STM32、Zigbee 的智能家居系统，具有高度的集成化和智能化，可以作为普通家庭智能家居的参考。