论文基于STM32的智能家居远程控制系统文档格式.docx
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指导教师签名：
基于STM32的智能家居远程控制系统
摘要
随着经济、社会以及相关技术的发展，特别是近年来在物联网建设的带动下，智能家居的概念越来越受到人们的关注，人们对家居智能化的需求也越来越大。
因此如果能设计一套成本低，控制简单，并且可以在最大程度上为用户提供高效、舒适、节能的居住和工作环境的智能家居系统是非常有前景的。
本课题在分析智能家居的研究现状、发展趋势、研究意义的基础上提出了基于STM32的智能家居远程控制系统的设计方案。
该系统以STM32F103ZET6为系统的主控芯片，配合许多的外设模块。
比如：
GSM模块、指纹识别模块、TFT液晶屏、语音识别模块等器件。
软件程序方面，实现对串口通讯、GSM无线网络通信、TFT液晶屏等模块的程序编写。
在本设计中，用手机远程的向GSM模块发送短信，并识别短信的内容，根据其短信内容实现对实现家庭电器、窗帘、照明的本地或远程控制；
利用语音识别模块控制家居环境中灯光部分的开、关以及亮度的调整；
利用指纹识别来实现家居系统中门禁功能来保证用户安全。
本系统功能实用、操作简单、价格低廉、易于安装，可以为人们提供更便捷，更高效，更环保的生活环境。
关键词：
智能家居，STM32，GSM无线通信，语音识别，指纹识别
IntelligentHomeRemoteControlSystemBasedonSTM32
Abstract
Withtheeconomic,socialandrelatedtechnologydevelopment,especiallyinrecentyearsinthenetworkconstructioninthedrive,smarthomeismoreandmorebypeople'
sattention,peopleareincreasinglyhighdemandofintelligenthome,thefuturesmarthomeindustryexisthugepotentialmarket,sothedesignofalowcost,simplecontrolandcaninmaximumextenttoprovideuserswithanefficient,comfortable,energy-efficientlivingandworkingenvironmentforthesmarthomesystemisverypromising.
Theanalysisofthesmarthomeresearchpresentsituation,developmenttrendandresearchsignificance,putsforwardthedesignofthesmarthomeremotecontrolsystembasedonSTM32scheme.TheSTM32F103ZET6asmaincontrolchipofthesystem,andcooperatewithmanyperipheralsmodule.Suchas:
GSMmodule,fingerprintidentificationmodule,TFTLCDscreen,speechrecognitionmoduledevice.Softwareprogramfortheunderlyingdriverdesignusingofficialfirmwarelibrary,realizetheserialcommunication,TFTLCDscreen,GSMwirelesscommunicationdriverfortheprogrammingofthesystem.
Inthisdesign,withremotemobilephonetoGSMmoduletosendtextmessages,andtoidentifythemessagecontent,accordingtorealizethemessagecontentforhouseholdelectricalappliances,curtains,localorremotecontroloflighting;
usingthespeechrecognitionmoduletocontrolthelightpartofthehomeenvironmentofopeningandclosingandbrightnessadjustment;
thefingerprintrecognitiontoachievehomesystemaccesscontrolfunctiontoensurethesafetyofusers.
Thissystemisfunctionalandpractical,simpleoperation,lowprice,easytoinstall,canprovidepeoplewithmoreconvenient,moreefficientandmoreenvironmentallyfriendlylivingenvironment.
KeyWords:
SmartHome,STM32,GSMWirelessCommunication,SpeechRecognition,FingerprintRecognition
第1章绪论
1.1智能家居的研究背景
关于智能家居这种概念的起源，要追溯到很久之前，但是在提出这个概念之后很长的时间内都一直未有具体的建筑案例出现，一直到1984年美国一家公司的相关项目的出现，才将建筑设备信息化、整合化概念应用于其项目上，这才出现了世界上首栋的“智能型建筑”[1]。
从此智能家居这个理念就如雨后春笋般地遍布各处，开始被人们接触，熟知。
计算机的普及以及技术的快速发展，顺应着信息时代的浪潮，智能家居这个概念正在不断地向日常的家用电器领域延伸。
从科学技术层面来看，智能家居的出现与发展依靠着的是当今社会在计算机领域、电子科学技术领域以及AI技术的发展。
不管是计算机软件技术，还是嵌入式硬件技术，在这多元化的技术发展时代，技术间的相互融合是必然的趋势。
正是因为各项技术的相互整合，使得传统的家用电器能够在融合技术的包装下满足人们日益丰富的生活需求。
人们在享受了信息时代所带来的便利时候，便更加追求更智能化的生活方式。
于是，将单个的智能设备通过网络相互联系，打造出易控制的贴近人们生活的智能家居系统。
2007年7月1日我国也正式发布了《智能建筑设计标准》，并提出了相应的口号。
智能家居这个话题虽然引起了民众们的兴趣，但它却与普通民众家庭却还很遥远，因为现在的智能家居还普遍存在着许多问题，比如结构的复杂性、通信范围有限性、安装调试的困难性、价格昂贵等缺点。
如何解决这些问题已成为普通百姓和广大科研开发人员关注的焦点。
1.2智能家居的研究意义
科学技术的发展带来了智能家居的出现。
在智能家居的推动下，人们的生活质量和生活环境将可以得到提高和改善。
智能家居控制系统主要是提供对家居设备的智能控制方案，以提供高效便捷环保的生活环境。
智能家居系统没有复杂的技术，没有繁杂的设备接线，有的只是以用户体验为首要指标的，简简单单的UI界面，更为人性化的操作手法和通俗易懂的维护检修方式。
在当今社会提倡的节能减排，推崇环保的潮流下，智能家居系统的研制不但可以提供更优质的空气、更安全的饮用水和更节能用电的生活方式。
而且在生活方面上，已经广泛的是无线传感网络技术和智能的门禁系统，都能更有效的便捷了人们生活，保护了住户的生命财产安全。
所以说智能家居系统的研制对我们拥有更好的生活环境是据有重大的推动作用和意义的。
1.3智能家居的国内外研究现状
1.3.1国内发展状况
鉴于智能家居的发展前景，目前在国内已有许许多多的来自不同行业的公司都纷纷涉足到其中。
比如一些传统家电业的巨头、一些正在蓬勃发张，充满朝气的IT行业等等。
比如海尔公司开发的智能家居系统，在国内的发展情形一直都比较好。
清华同方还专门成立了控制工程公司来承接智能化楼宇住宅的业务。
最近几年，国内的智能家居行业有了一定的发展，并且根据这种发展动态，可以为我们描述了一幅智能家居的美好的蓝图和前景。
虽然说是有了一定的发展，但是还是存在一些比较突出的缺点和问题，比如说：
缺乏统一的标准、规范和接口协议；
产品的技术与市场需求脱节、实用性较差；
产品生产规模小，价格偏高等等问题。
1.3.2国外发展状况
自1984年世界上第一幢智能建筑出现以后，一些经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家居的方案，并都已经得到了广泛的应用[2]。
国际上公认的有影响的家庭网络标准有：
美国标准、日本标准家庭总线、欧洲标准安装总线等等，它们都各有优缺点[3]。
近几年，以微软为首的一批国际知名企业也先后加入到智能家居控制系统的研究开发中来。
而这些的智能家居的特色就在于充分考虑到了用户的舒适便捷性、环保性、安全性等等方面。
1.4论文结构与主要内容
本文的主要内容如下：
第一章为绪论，通过整理资料，介绍了课题背景、意义和国内外发展的状况，并给出了本设计研究内容和论文的组织架构。
第二章为智能家居控制系统方案设计，总体阐述了该系统的模块构成，包括主控、GSM模块、指纹识别模块、语音识别模块。
第三章进行智能家居控制系统的硬件设计，根据本系统的功能要求，对主控、GSM模块、指纹识别模块、语音识别模块等部分进行介绍。
第四章为智能家居控制系统的软件设计，结合智能家居系统的设计和功能要求，分别进行模块化软件设计。
第五章为系统的硬件测试方案及结果，阐述测试注意要领，并给出测试相关实现结果。
根据本文的设计，得到整个系统的实物。
第2章系统方案设计及主要模块介绍
2.1系统方案设计
本设计研究智能家居远程控制系统，该系统主要是以STM32作为控制芯片，然后外接各种模块电路组成智能家居控制系统的设计[4]。
外部集成模块有GSM无线通信模块、FPM10A指纹识别模块、非特定人声语音识别模块、TFT触屏显示模块和电源控制模块等等部分。
这几个模块分别代表系统的基础功能需求，通过导线集合在一起就能够成为一个以主控模块为核心的系统。
除主控系统以外的其它模块都可以实现各自的功能，主控模块只需要从其它模块那儿获取信号再经过处理给其它模块下达指令信号，如此形成一个闭环系统。
我们可以利用这些模块的功能随时随地的对家居环境中的家居电器进行控制。
如果我们从系统的控制的方式上来看，系统可以分为本地控制和远程控制。
在系统中，本地控制是指通过指纹识别模块配合电机和继电器形成家居中的门禁系统；
语音识别模块配合继电器完成对家居中某些的家用电器的控制。
远程控制是指通过GSM无线通信模块发送短信的方式来控制系统所接入的外设模块，TFT模块可以把GSM模块所收到信息经过串口通信发给主控模块处理的部分信息显示给用户观看。
当用户回家前可以通过发短信的方式打开家中的空调、风扇和窗帘等电器，比如：
我们给系统发个“窗帘开”的短信，系统就会自动的通过板上的继电器实现输出,能够控制电机的转动,从而实现窗帘的自动调节。
在当离家比较远的地方也可以通过发送短信的方式，远程的关掉出门时忘关的某些电器。
在当用户回到家门口时,通过点指纹的方式来打开家门，这保证了家居环境中一定程度上的安全性。
来到家中时，可以通过语音来控制照明系统，对着语音模块对话相关的关键词，就能智能控制家里的电灯。
比如用户可以喊出“开灯”或“关灯”来打开或者关闭家中的灯；
喊“太亮”或“太暗”就可以实现对灯光强度的智能调节。
利用这些功能可以直接有效的为用户生活家居环境提供许多便利。
智能家居系统是先解决各个模块的功能问题，然后结合系统整体结构将所有模块进行组合，再通过软件不断的调试改善来完成智能家居系统的制作。
智能家居系统控制系统框如图2-1所示。
图2-1智能家居系统控制框
2.2主要模块功能介绍
本设计中，系统主要是以STM32作为控制芯片，然后外接各种模块电路完成智能家居控制系统的整体设计[5]，外接的模块主要包括GSM无线通信模块、指纹识别模块、语音识别模块，以下对除主控外的各模块功能简要介绍。
2.2.1GSM无线通信模块
GSM无线通信模块是一款基于移动GSM短消息平台和GPRS数据业务的通讯终端。
它是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一起，是一款具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
GSM模块，它具有接发短消息，通话等等功能。
GSM模块通过使用AT指令才能控制它，模块可以通过RS232串口方式与电脑相连，也可以用单片机来进行控制[6]。
它利用GSM移动通信网络的短信息和GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台。
由于短信息的费用低廉的特点，所以从某种程度上可以取代传统的无线遥控。
因此本系统采用手机向GSM模块发送短信，GSM模块通过串口与单片机相连，从而实现远距离控制家用电器的功能。
2.2.2指纹识别模块
指纹锁的最核心部件就是指纹识别部分，它通常被安装于如指纹门禁上，用来完成指纹的采集和指纹的识别。
大多的指纹模块主要由指纹采集模块、指纹识别模块和扩展功能模块组成。
指纹识别模块的工作原理是指通过比较不同用户的指纹上细节特征点来进行鉴别指纹识别。
这一过程涉及到的技术有：
图像处理、模式识别、计算机视觉、数学形态学等学科。
由于每个人的指纹特征不同，就是同一个人的十个手指之间，指纹也有明显区别，因此指纹也可用于身份鉴定。
由于每次按指纹的位置有所不同，所以也会导致着力点不同带来的变形，同时也有可能存在大量模糊指纹，所以说如何正确提取特征和正确匹配特征，是指纹识别技术的关键。
2.2.3语音识别模块
语音识别模块主要是由语音识别芯片和一些其他的附属电路组成的。
为了实现语音交互的目的，并方便的将语音模块加入到自己的产品中使用，开发者设计了语音模块与主控芯片进行通讯的技术。
语音识别由训练和识别两个阶段组成。
训练阶段所做的具体工作是收集大量的语音语料，经过预处理和特征提取后得到特征参数，通过特征的建模，达到建立训练语音的比对模型库的目的[7]。
而识别阶段所做的主要工作是将输入语音的特征参数和参考模型库中的参考模型进行相似性度比较，然后把相似性最高的输入特征量作为识别结果输出[8]。
这样，最终就达到了语音识别的目的。
第3章智能家居系统的各模块电路设计
3.1系统主控的设计
3.1.1主控芯片简介
本设计最小系统模块所采用的是ST公司的STM32系列的STM32F103RCT6芯片。
其是一款拥有32位闪存控制器的Cortex-M3内核，该内核是专门用于设计高性能、低功耗、实时应用以及成本低的嵌入式应用[9]。
Cortex-M3在系统结构上的增强，使STM32的性能更加突出；
它既支持32位的ARM指令，也支持16位的Thumb-2指令，16位的Thumb-2指令集给处理器带来了更高的指令效率和更强的性能。
STM32集成了非常丰富的内核和外设资源、简易方便使用的架构以及低功耗低成本的特性，使得更多的项目开发人员选择使用STM32作为项目的控制芯片，可以说是嵌入式开发的不错选择。
STMF103RCT6所具备的功能完全满足本设计的需求，不管它高效的代码执行效率，还是丰富的内核资源，足够的存储空间，还是低功耗、低成本的特点，所以本设计的主控制模块采用该芯片。
3.1.2主控芯片引脚图
图3-1主控引脚图
3.1.3主控实物图
图3-2主控实物图
3.2GSM电路的设计
3.2.1GSM芯片介绍
本设计的GSM短消息模块选用的是SIM900A模块来实现短消息的发送，其电路图如图3-3所示。
该模块支持5V，1A的直流电源供电。
SIM900A模块是属于2G模块，不支持电信卡，支持其他的全部2G卡，也支持一些3G或4G的手机卡，所以综合考虑本设计用的卡是移动的手机卡。
SIM900A模块属于双频GSM/GPRS模块，采用SMT封装形式，十分适用于中国市场，而且其性能稳定，外观精巧，性价比高，能满足短消息的发送与打电话的多种需求[10]。
本设计采用的是SIM900A模块与单片机连接，需要将SIM900A模块的TXD端与单片机上的RXD相连，即单片机上的PA1管脚，SIM900A模块的RXD端与单片机的TXD相连，即单片机上的PA2管脚，GND与单片机上的GND相连接。
GSM模块实物图如图3-4所示。
SIM900A模块属于接上电源就会自己启动，检查模块是否可以正常工作的话，通过模块中的两个灯D5和D6的状态就可以判断了。
如果D5常亮，D6亮一秒灭一秒，表示模块正在搜索网络，如果D5常亮，D6亮一秒灭三秒，表示模块已经搜索到网络了，可以正常进行工作了，如果D5反复常亮几秒灭一秒，D6亮一秒灭一秒，电源的电压和电流不能满足工作条件[11]。
图3-3SIM900A模块
图3-4GSM的实物图
3.2.2GSM模块通信接口电路设计
当GSM模块接收到信息后，要由STM32主控来解析并做出相应的命令。
因此GSM模块要与STM32进行数据通信，并且STM32主控和各个外设模块间也要进行相互的通信。
幸运的是STM32拥有很强的串口通信的能力，所以可以采用其串口实现与各个模块间的数据传输。
STM32有4串口分别与4个单片机通讯，还有1个串口和PC机通讯。
在接收数据时，由RXD口负责接收数据。
单片机不断对RXD进行数据采样，当发现线路有电平的变化时，经过芯片的判断，确认收到了一帧信息的起始位时，便开始一帧数据的接收过程[12]。
此模块的优点见表3-1。
串口电路
采用TVS和磁珠保护器件来保护板子，使板子不会受到浪涌、高电压的伤害
SIM卡电路
增加SMF05C静电释放芯片
天线电路
保证的短且直，这样才能保证信号强度
PCB展示
各个接口丝印标出，方便二次开发，设计时完全遵循SIM900A硬件设计手册
一路5V供电电源接口
做了保护，即使接反了也不会烧板子
一路TTL接口
支持3.3V单片机和5V单片机，也就是说支持51类的5V单片机和STM32单片机。
表3-1GSM模块的优点
3.3指纹模块的设计
3.3.1指纹采集与识别电路芯片简介
考虑到整个系统的计划要求以及实际情况，所以本设计决定采用FPM10A光学指纹模块。
这是一款指纹模块成品，该指纹模块已经设计的相当成熟，只要通过标准的串口就可以与外界通信。
而且该款模块可以与任何类型的单片机，以及等带串口的设备进行连接。
FPM10A使用1.0MMFPC上接插座引出了5个引脚。
五个引脚的作用见表3-2。
指纹识别模块的实物图如图3-5。
1
VCC
电源的正极接3.6V–5.5V的电压均可
2
GND
电源的负极接地
3
TXD
串口的发送
4
RXD
串口的接收
5
NC
悬空不需要使用
表3-2指纹模块引脚功能表
图3-5指纹识别模块的实物图
3.3.2指纹显示板模块的芯片简介
STC15F204EA系列单片机是新一代的单片机，其有着高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的特点。
该单片机是一种汇集A/D转化，1个时钟/机器周期，高速、高可靠，8路10位高速A/D转换，内部高精度R/C时钟，±
1%温飘，彻底省掉外部昂贵的晶振，5MHz~35MHz宽范围可设置[13]。
STC15F204EA内部含有256字节的RAM和1024字节的SRAM，能满足对程序代码长度的需求和缓冲区大小定义的要求。
该单片机可以选择传统的DIP28直插式的封装，STC15F204EA能提供26个通用I/O口，均可以进行位操作，通过对IO寄存器的配置可以设置为强推挽输出，满足系统使用要求。
STC15F204EA单片机的管脚引脚图见图3-6。
指纹显示板模块的实物图如图3-7。
图3-6STC15F204EA管脚引脚图
图3-7指纹显示板模块的实物图
3.4语音识别模块的设计
考虑到语音识别受环境影响比较大，本设计所采用的ASRM08-A语音模块，该模块最大的特点是使用方便，稳定可靠，通过简单的串口指令就能实现语音播放，并且没有复杂的程序底层，而且都以常见的信号输出。
ASRM08-A支持与多种单片通讯，通过语音来使单片机正确的执行用户的意图，同时能完成对MP3和WAV的硬解码。
该模块以SPIFLASH做为存储介质，也是深度定制的产品，直接外接喇叭即可放音，集成了3W的功放[14]。
这种语音模块不但具备语音识别功能，还有MP3播放的功能，通过芯片对该语音芯片里面传送进MP3数据，它就会有一个引脚播放音乐，这个引脚是可以直接带动喇叭的，效果非常好。
此芯片使用3.3伏特进行供电，开发人员可以轻松的应对开发，用户可以容易的对它进行供电。
ASRM08-A语音模块如图3-8所示。
图3-8语音模块实物图
第4章智能家居系统的软件部分设计与实现
系统的硬件单路一旦确定以后，系统的主要功能还需要通过软件来实现。
本系统采用STM32为主控，C语言编写，具有使用范围广、可维护性能好等特点。
集成开发调试工具采用keilC51编译器，该编译器软件提供丰富的库函数以及功能强大的开发调试工具[15]。
为了保证智能家居系统软件代码的可维护性，借鉴硬件设计时的模块化思想方式。
在软件代码的编写上也采用同级模块化的处理，此外对不同层次的子程序做了封装并制定出清晰的结构，保证了整个系统的代码可维护性和简洁度。
所以在本章节以下的内容中，将会对主程序的设计流程和各个模块的程序设计流程做出介绍。
4.1编程软件KEIL介绍
2005年ARM公司收购了Keil公司，随后Keil推出了基于uVision界面，可对ARM单片机进行编程及开发。
本设计软件编写平台为KeilVision4。
KeilVision4是德国Keil公司开发专门用于单片机C语言开发的程序编译器，不仅支持C语言，也支持汇编语言，keil4提供了多种调试工具，比如，通过Memmory窗口
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