基于嵌入式平台的智能化家居系统设计方案.docx
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基于嵌入式平台的智能化家居系统设计方案
基于嵌入式平台的智能化家居系统设计方案
一、设计题目
基于嵌入式平台的智能家居系统设计
二、设计要求
基于嵌入式智能家居控制系统主要由系统服务器、家庭控制器<各种模块>、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等部分组成。
设计重点完成基于嵌入式系统平台的家居控制中心设备的结构、功能。
系统采用SM8952AC25P、MT8870、TC35modem和各类家居传感器设计制作一款智能家居控制系统样机。
系统使用UC/OS-II嵌入式系统。
系统设计主要包括：
系统硬件的设计与调试和控制软件的编写与调试。
本次基于嵌入式的智能化家居系统的设计,选择高性能的STM32F103RBT6为核心的控制芯片,植入μC/OS-II实时操作系统。
设计围绕智能家居中的智能照明、电动窗帘、背景音乐、安防报警、远程控制等方面以STM32F103RBT6为硬件开发平台,为设计具有实用性高、性价比高的智能化产品做市场调研,为在智能家居方向发展提供科技展望理念。
本系统设计主要包括智能照明控制电路、电动窗帘控制电路、家用电器控制电路、环境监测电路、安防报警电路、远程控制电路和单片机集中控制与人机对话部分。
其中,智能照明控制电路包括对多地、多个照明设备的同时或分开控制；电动窗帘控制电路则是根据需求自动控制窗帘,主要是通过控制电机的正反转来实现；家用电器控制电路主要是控制是否需要开启电器设备,包括电视、音乐播放器、空调等等；环境监测电路主要通过传感器获取室温度、湿度、烟雾浓度等；安防报警电路主要对室防盗等提供技术保障；远程控制电路包括用户在外地通过手机或者互联网对家中相应设备实现控制与信息交流等；单片机集中控制与人机对话部分主要是将各部分信息收集到单片机进行集中处理,根据户主需求,执行相应的控制命令与操作,实现人机对话等。
三、设计作用与目的
通过本次基于STM32和μC/OS-II的智能家居控制系统,熟悉并初步掌握STM32和μC/OS-II的编程与实际应用。
了解智能家居的发展历程与前景,熟悉智能家居的常见控制系统的组成与控制对象。
加深对嵌入式概念的理解以及对相关知识的掌握,使自己的系统设计提升一个等级,朝着科技发展前沿靠近,学会分析嵌入式未来的发展趋势以及其在控制系统中正在扮演或即将扮演的重要角色。
基于STM32和μC/OS-II的智能化家居系统的设计,初步了解智能家居的发展动态。
高性能的STM32单片机和μC/OS-II即将在智能家居中承担重要角色。
通过本次设计,有效的提高了对STM32和μC/OS-II的认识,更是了解了智能家居是物质生活发展的必然趋势。
同时必将推动物联网的发展进程,使得物联网产业存在于各个角落。
四、所用设备及软件
本系统设计完全依赖个人计算机,从调研过程到设计报告,所有的工作都是在计算机的帮助下完成的,所以计算机是必备工具。
同时随着智能手机的发展,手机功能也在不断完善与改进,有些手机软件同样也能完成个人计算机能完成的部分功能,也在本设计中占据一定地位。
系统设计主要使用到的软件有KeilMDK-ARM、Proteus、μC/OS-II等。
五、系统设计方案
5.1系统总体设计
基于STM32和μC/OS-II的智能化家居控制系统,主要包括智能照明控制电路、电动窗帘控制电路、家用电器控制电路、环境监测电路、安防报警电路、远程控制电路和单片机集中控制与人机对话部分。
具体人机对话部分还包括红外发送与接收,语音输出提示等。
除此之外,系统的电源由220V交流电经电源模块转换为3.3V直流电和12V直流电,再经过SPX29300稳压芯片转换为5V和3.30V的不同电压等级,这里的3.30V为语音芯片供电；整个系统为了减少外部干扰对STM32的影响,都采用了光耦隔离,STM32是3.3V的工作电压,所以需要两个不同的3.3V电源；另外完成远程控制的GSM模块供电电压为4V,故使用SPX29302芯片得到4V的GSM供电电压。
整个系统总体结构框图如图5.1所示。
5.2系统工作原理
整个系统结构如图5.1所示,围绕不同的控制模块,通过STM32将各个部分联系在一起。
整个系统工作原理主要是通过遥控对STM32发出控制指令,单片机收到指令后执行相应的操作；环境温度检测电路主要采用DS18B20对室进行温度采集后直接给单片机进行处理；人体感应部分采用热释电红外感应模块,主要用于防盗过程中对室的监控,同时增加有G600模块完成短信的远程提示与控制功能；家电控制和照明灯控制主要是单片机控制相应的固态继电器来驱动家用电器的通断,根据不同的家电选择不同的固态继电器,功率要求高的家用电器采用单片机控制光电耦合器,再驱动继电器来控制接触器来实现控制；窗帘控制则是利用单片机控制电机的驱动芯片来控制电机的正反转,同时窗帘的位置由接近开关来识别；语音提示功能则是实现整个系统中的每个部分的操作语音提示,利用WT588D语音芯片通过D类功放模块连接喇叭。
六、系统硬件设计
6.1系统整体设计
系统硬件设计主要包括电源电路、STM32最小系统电路、环境监测电路、照明灯和家用电器控制电路、电动窗帘控制电路、GSM通信电路和语音播放电路。
电源部分直接由AC220V〔50Hz/60Hz转换得到DC3.3V、DC12V,再由DC12V经稳压芯片得到DC5V和DC4V等不同电压等级的电源,为STM32和各个功能模块供电。
STM32的最小系统是完成系统工作的最低硬件配置,程序的下载使用J-Link下载器,支持JTAG和SW两种下载模式。
环境检测电路包括对室环境温度的检测,遥控的检测以及窗帘闭合的位置检测等。
照明灯与家用电器的控制电路主要是控制某些照明灯或者某些家用电器的的开与关,单片机的控制纯属开关量控制,该部分电路要求较高的是控制部分与执行部分元器件的合理选择,器件的使用更要考虑到照明灯或家用电器设备的使用功率。
电动窗帘控制电路就是控制直流电机的启动、停止和该电机的正反转,设计选择了专门的H桥电机驱动芯片L298N。
GSM通信电路主要工作在住户不在家时的远程控制和信息交流,采用目前较为普遍应用的G600无线通信模块。
语音播放电路包括控制语音芯片WT588D来经过功放模块播放语音或者是音乐,该部分功能模块的加入给人一种温馨的感觉,使得人机对话不再是单纯的文字、图片等形式。
6.2各单元电路设计
任何系统都是由各个单元电路构成的,或者说系统的设计是完成了不同功能模块的整合。
所以对一个系统的分析与设计,也就是对各单元电路的分析与设计。
6.2.1STM32最小系统的设计
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统基本应用单元。
STM32的最小系统包括电源提供,时钟管理,重置控制,启动模式的设置和调试管理。
设备由2.0V到3.6V的操作电压〔VDD,为提高ADC的转换精度,ADC还要有一个独立的电源供应,它可以被单独过滤,且不受PCB噪音的干扰,一个单独的VDDA引脚上的ADC电压输入是可用的。
VSSA引脚提供一个被隔离的接地输入,当VREF-可用时,它必须被绑定到VSSA。
100引脚的封装为了保证更好的低电压输入精度,可以连接一个单独的外部参考电压ADC输入到VREF+,VREF+的电压围为2.0V到VDDA。
64个引脚以及更少引脚的封装,VREF+和VREF-是不可用的,它们在部被连接到一个ADC电压提供源〔VDDA并接地〔VSSA。
值得注意的是,如果ADC被使用,VDD的围必须被控制在2.4V到3.6V之间。
如果ADC没有被使用,VDD的围为2V到3.6V。
VDD引脚必须连接带外部稳定电容器,包括五个100nF的瓷电容器和一个电解电容〔最小4.7uF,最大10uF。
VBAT引脚必须连接到外部电池〔1.8VVDDA引脚必须被连接到两个外部稳定电容器〔10nF瓷电容器和1uF电解电容。
另外STM32有一个完整的POR/PDR电路,它允许2V电压以上的适当操作,只要VDD低于特定的阀值—VPOR/PDR,则设备将一直处于复位模式,而不需要外部重置电路。
外部晶振电路的优点就是能产生非常精确的主时钟,晶振电路的两个电容,推荐使用高质量的围在5pF到25pF之间的瓷电容。
两个电容通常具有相同的值。
晶体制造商通常确定一个电容值,该值为两个电容的组合。
STM32的启动模式由BOOT0和BOOT1这两个模式选择引脚控制。
具体控制方式如表6.1所示。
表6.1启动模式配置
BOOT模式选择引脚
启动模式
别名
备注
BOOT1
BOOT0
X
0
用户闪存
用户闪存被选作启动区
0
1
系统存
系统存被选作启动区
1
1
嵌入式SRAM
嵌入式SRAM被选作启动区
这些选择的别名表明每种启动模式的相关的物理存储器。
BOOT引脚的值在重置后SYSCLK的第四个上升沿时被锁定,在重置后,有用户决定是如何设置BOOT1和BOOT0引脚,来选择需要的启动模式。
主机/目标接口是将主机连接到目标板的硬件设备,系统采用J-Link下载器,支持JTAG和SW两种下载模式。
6.2.2电源设计
系统STM32的工作电压为3.3V,加上外部其它功能模块所需的电压等级不相同,分别还用到4V、5V、12V电压等级。
家庭用电为AC220V,直接通过两个专门的电源模块的到DC12V和DC3.3V。
由于提高系统对外界的抗干扰能力,采用了电源隔离技术,微处理器采用了一个独立的电源,与其它功能模块之间的连接采用光电耦合器进行隔离。
由于外部功能模块需要3.3V、4V、5V和12V等级的电源,所以外部5V的电源和微处理器的电源是不同的,为了区分这两个电源,原理图中使用3.3V和3.30V来区分不同的电压等级。
为了得到不同的电压,可以使用专用的三端稳压芯片SPX9300-3.3、SPX9300-5.0以及SPX29302可调电压电路从DC12V的电源模块得到4V的电压。
每个电源等级还配置了一个电源指示灯便于观察。
电源供电部分电路原理图如图6.3所示。
图6.2电源电路
6.2.3环境监测电路设计
环境监测电路包含两个窗帘的接近开关的检测、红外遥控的接收,如图6.4所示。
在家庭防盗系统部分控制电路还有一个热释电人体感应模块检测电路,如图6.5所示。
图6.4中电路原理图包含232通信接口,方便与PC机的连接与控制。
〔一接近开关
接近开关也叫近接开关,又称无触点行程开关,它除可以完成行程控制和限位保护外,还是一种非接触型的检测装置,用作检测零件尺寸和测速等,也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。
特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。
〔二红外遥控技术
远程遥控技术又称为遥控技术,是指实现对被控目标的遥远控制,在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。
红外遥控是一种无线、非接触控制技术,具有抗干扰能力强,信息传输可靠,功耗低,成本低,易实现等显著优点,被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用,并越来越多的应用到计算机系统中。
〔三热释电人体感应
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。
早在1938年,有人提出过利用热释电效应探测红外辐射,但并未受到重视,直到六十年代,随着激光、红外技术的迅速发展,才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。
热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器,它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。
热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇
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