基于WIFI的智能家居系统方案.docx
《基于WIFI的智能家居系统方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于WIFI的智能家居系统方案.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于WIFI的智能家居系统方案
基于WIFI的智能家居系统
作者：
王某某
专业名称：
信息工程
指导教师：
某讲师
贾某某讲师
理工大学工程技术学院
学位论文诚信承诺书
本人慎重承诺和声明：
1.本人已认真学习《学位论文作假行为处理办法》（中华人民国教育部第34号令）、《理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）》（成理工教发〔2013〕30号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。
2.本人已认真学习《理工大学工程技术学院毕业设计指导手册》，已知晓学院对论文撰写的容和格式要求。
3.本人所提交的学位论文（题目：
基于WIFI的智能家居系统），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。
若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。
承诺人（学生签名）：
20年月日
注：
学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。
摘要
随着“互联网+”的概念进入公众视线，以及无线技术的发展和高速宽带网络的普及，利用互联网来掌控传统一切的做法已为人们广泛接受。
现在人们的生活条件大大改善，人们的物质文化追求也逐渐提高。
用户打开一款PC软件或手机APP，通过互联网接入到家庭的WIFI网关，向其发送指令即可控制家中的一切，反之亦可查看家中（传感器）状态，以此来掌控家中的一切情况。
本文推出了一种基于WIFI的智能家居系统，主要提供安全舒适的居家环境，采用MCU（STM32F103）作为主控芯片，通过WIFI无线网络技术将家中的部分电器或监测设备连接到一起，提供门禁系统控制、风扇自动控制、安防防盗报警、环境数据监测等。
与传统的智能家居系统相比，无需布线，免去了安装过程中的布线繁多复杂，成本高，以及使用3G网络作为传输的高额流量费用。
有利于提升家庭生活的安全性、便利性、舒适性等，改变了传统的呆板生活方式，帮助人们有效的安排时间，另外也为家庭能源开支节约资金。
关键词：
智能家居WIFI网关STM32物联网
Abstract
Withtheconceptof"Internet+"intothepubliceye,andthedevelopmentofwirelesstechnologyandthepopularityofhigh-speedbroadbandnetwork,usetheInternettocontrolalltraditionalapproachhasbeenwidelyacceptedforthepeople.Nowpeople'slivingconditionsgreatlyimproved,people'smaterialandculturalpursuitalsograduallyimprove.UseropensaPCsoftwareormobilephoneAPP,throughWIFIInternetaccesstohomegateway,tosendcommandstocontroleverythinginthehome,andcanalsoviewthehomestate（sensor）,inordertocontrolallhomesituation.
ThispaperintroducedakindofsmarthomesystembasedonWIFI,mainlytoprovideasafeandcomfortableenvironmentthatoccupythehome,usingMCU（STM32F103）asthemastercontrolchip,throughWIFInetworktechnologywillbepartoftheapplianceinthehomeormonitoringequipmenttogether,providetheentranceguardsystemcontrol,fanautomaticcontrol,securityalarm,environmentaldatamonitoring,etc.Comparedwiththetraditionalintelligenthouseholdsystemwithoutwiring,removesthewiringinstallationprocessofcomplex,highcost,andtheuseof3gnetworkasatransportflowofhighcost.Helpenhancefamilylifesafety,convenience,comfort,etc.,haschangedthetraditionalrigidlifestyle,helpingpeopleeffectivelyarrangeatime,whilealsosavingmoneyforhomeenergycosts.
Keywords:
SmartHome,WIFIGateway,STM32,Internetofthings
前言
现在人们的生活条件大大改善，人们的物质文化追求也逐渐提高。
21世纪的人们变的“懒惰”，正是科技的迅猛发展让我们有了懒惰的资本，也正因为有懒惰的心里才使得我们开发更多智能化的产品。
目前多种智能家居产品层出不穷，但在通信传输方面时，很多选择了3G无线网络作为传输手段，再或者就是根本无法远程通信。
目前市场上的传统的智能家居产品大多是各种单个设备技术组合成一套的智能家居产品，各个设备之间不能实现通信数据交换，安装布线复杂，成本高。
使用STM32主控芯片与WIFI模块搭载可以较好的解决以上问题，免布线以及省去3G流量费用等，这正是选择基于WIFI的智能家居设计的主要原因及动机。
1绪论
1.1课题意义
智能家居作为一个新时期发展的智能化产品，处于一个初期与长期发展的临界点，现如今推入市场还比较困难，况且消费的观念还未形成，但从另一面来说，中国市场较大，随着智能家居市场推广乃至大围的普及，培育广大消费者的智能产品使用习惯，智能家居市场的产业前景必然是巨大的。
正因为如此，国各种从事智能设备的企业对智能家居行业的研究越发不可收拾，特别是对企业发展环境和客户需求改变的深入研究，这也成为了各大智能家居厂商的重点投入方向!
智能家居从进入中国市场到现在已有十多年的发展，依稀记得进入时人们有着最初的梦想，到今天部分智能家居产品已实实在在的走入了我们的生活，期间经历了许多不为人知的艰难过程。
2014年以来，中国各大生产及科研厂商已经开始快速的进军智能家居产业，从智能家居进入中国以来，从事该行业的厂商其实并没有特别成功的案例，但为此也很大的预示着物联网行业发展仍处于探索阶段，需要投入更多的厂商。
当然，他们也开始涉足和参与，同时也感受到智能家居主宰未来的不可逆的。
目前来看，从近几年智能家居的发展以及成效来看，有着很大的改变，几乎已处爆发前夜。
智能产品开发的业人士认为，2015年随着合作企业不断增多，团队加大技术研究，这也即将进入成果的预产期，智能家居新品将如雨后春笋般出现，行业的新案例也会越来越多。
随着电子科学技术在实际生活中的广泛应用，人们已经感受到电子产品为家庭以及生活所带来的各种便利，尤其是在20世纪80年期间，智能家居的出现更为人们繁杂的生活提供了一个广阔的平台。
智能家居，按照普遍通用的理解是以住宅为平台，搭载网络信息通信、信息交换家电和电器自动化等，集智能系统，服务和管理为人性化居住环境的一体设备。
它具有便利、安全、舒适、环保的基本功能的同时，还是具有智能化的现代工具。
智能家居系统不仅能够给家庭提供各设备全方位的信息交互功能，还能帮助人们有效地安排时间、节约各种能源，实现了PC机以及手机端远程家电控制、温湿度检测、气体泄漏报警、照明控制、窗帘自控、非法入侵报警等功能。
1.2智能家居发展趋势
近年来，随着互联网（Internet）、物联网（Internetofthings）、云计算（cloudcomputing）、大数据（megadata）、人机交互（Human–ComputerInteraction）等现代高新技术的成熟与迅速发展，智能家居市场也得以从概念走向现实，而与此同时，行业竞争力也越发激烈。
据《2010-2015年中国智能家居产业发展趋势与投资机会研究报告》预测，2015年我国智能家居市场规模将达1240亿元,千亿级的蓝海市场吸引了众多厂商争先恐后地投入其中，无论是各大运营商还是号称互联网的巨头，不管是智能家居的新起厂商还是传统家电行业的老者，都想分到一些利润。
虽然智能家居进入我国已有十多年的发展，但由于普遍的前期技术不成熟，大量的研究，并没有找准切入点（也即是某一个着力点），大多数厂商光打雷不下雨，没有做出实质性的产品，却一直在炒作概念，使得智能家居市场发展速度相当缓慢。
就如上段所说，国厂商在智能家居行业的着力点各不相同，没有找到突出点，但在国外运营商市场，他们更注重智能家居的安全性，使得有所突破，有所特点。
欧洲运营商巨头德国电信在2013年推出了自己的智能家居--SmartHome平台，支持智能插座、烟雾报警器、动态感应、门窗监控、智能插座、烟雾报警、暖气控制等多个模块。
2014年10月，Vodafone推出一款名为Gigasetelements的智能家居套装。
AT&T也不甘人后，推出DigitalLife，主要包括安全模块和动态传感模块两个模块，侧重于门窗监控、监控摄像和车库监控。
通过大量数据得知，智能家居行业乱象严重，以及不规，不兼容等问题任然存在，未来发展劲头十足，值得加大投入以及研发。
2智能家居系统原理
2.1系统原理概述
传统家居一般都是带来生活品质的提升，通过添置家庭的一些生活用品来提高生活质量，但这些都比较单一化，完全没有智能可言，也即没有达到互通互联。
再则家居生活自动化是智能家居的特色以及提升所在，例如家庭部设备等发生故障等，该系统便可以自行处理，达到自动化的效果，并不需要人为的查找原因。
最显著的变化就是智能、实用、可控、方便、易整合。
每一个家庭必然都存在的各种各样的电器，一直以来由于标准的不同而独立工作，从系统的角度来看，他们都是扎乱无章的，并不是一个有机的、可协调工作的统一整体，作为家庭的主人面对这些各种各样的电器，有各式各样的遥控器，给个人消耗的时间成本、管理成本、控制成本等带来许多繁琐的麻烦事，占用了许多闲暇的时光。
本系统设计主要由软硬件组成。
本设计通过基于PC机/安卓系统的上位机软件（网络调试助手），该软件主要用来接收和发送用户发送的一些指令，即为串口数据交换界面。
系统硬件则是以STM32F1xx的32位ARM微控制器作为主控芯片，WIFI无线串口收发器为通讯的一个智能家居控制系统。
外围硬件搭载LCD1602显示器、4*4矩阵密码键盘、继电器、人体红外感应模块、MQ_2气体检测、风扇、蜂鸣器。
2.2现阶段智能家居原理及对比
智能家居就是构建一个智能化的家庭生活环境，即外加一些设备来自动或手动控制室要控制的设备。
如遥控器、手机、电脑等来实现电视的控制、灯光的自动控制等等。
根据使用不同的控制传输介质，可知道以下几种方式。
1.红外技术，遥控器控制家电。
红外技术出现的年代较久，也比较成熟。
但它是方向性控制，而且各遥控器地址编码不一样，控制起来各有差异，那就需要许多遥控器，面对家中众多的电器，使用起来也比较麻烦。
2.蓝牙技术，一般可采用电脑或手机来控制。
它较红外技术优势在于传输距离较远、传输速度快、安全性高等。
但是作为当今互联网发展高速的21世纪，要想远距离跨地域控制就难以实现了。
3.GSM技术，采用可安装SIM卡的手机或者其他终端作为控制器。
它是使用GSM协议来控制室物体，即通过控制终端向另一块GSM客户端发送指定的控制指令来控制家中设备。
但会产生一系列流量费用以及短信或者通话费用，给已经花费较大的系统带来更大的昂贵开支。
4.WIFI技术，它是最近几年才兴起的一种上网方式，一般的上网设备（比如手机、电脑等）通过无线网卡连接WIFI信号就可以实现无线上网。
受控设备通过WIFI网关接入互联网，再通过已连接互联网的上网设备，向指定IP发送指令即可实现远程无线控制，其不受地域限制。
综述，WIFI技术优势凸显，相对于其他无线技术而言，具有成本低、使用方便、操作简单、安全性高、开发方便、灵活性强。
2.3智能家居系统功能简介
该基于WIFI的智能家居系统中，各传感器负责数据采集；STM32（以下简称MCU）芯片负责数据处理及分析，再通过分析结果做出相关响应，一般紧急情况可以自行处理并报告给控制中心；WIFI无线串口收发器实现控制中心（上位机）与MCU的相互通信，将采集到的数据提供给中心控制器（后台推送），并且能将接收来自控制器的指令回传给MCU；控制中心（上位机）负责将一切来自传感器的数据接收，并且可以通过控制中心（上位机）来发送指令控制各个电器设备，实现住宅各服务、设备一体化；WIFI网关则负责家庭外的信息交互，再则就是连通互联网，使得用户在任何地方都可以进行客户端的数据更新。
主要的功能如下介绍。
2.3.1安全触发报警功能
本系统包含人体红外感应、MQ_2气体检测等安全隐患检测模块，通过这些传感器，可以将住宅外发生的异常情况做出报警，并及时传达到小区保安室以及用户手机端推送窗口，以便对应人员做出相应处理。
保证家庭的安全，让用户更放心。
2.3.2密码门禁功能
该系统的门禁系统采用密码验证，摒弃以往钥匙开锁的繁琐。
通过4*4矩阵键盘输入密码，比对成功后即可开门。
2.3.3客户端功能
（PC/APP）客户端可以提供用户远程实时控制家中设备，了解家中设备实时信息，比如家中传感器的检测信息。
这样用户在任何地方都可以了解家中的一切状况。
2.3.4远程控制
1.为了避免朋友到访家中无人的尴尬，该系统编写了远程控制门禁的功能，避免朋友吃“闭门羹”。
用户打开手机APP（客户端）软件（或者电脑客户端），输入指定指令即可打开房门，手机端也可看到房门已打开的文字提醒。
2.提供远程开启与关闭风扇、警报、红外监控等功能。
2.3.5查询功能
用户可以通过PC端或APP管理软件，连接指定IP及端口查看家中设备的用运行状况，让用户了解设备的相关情况。
2.4系统工作原理框图
图2.4系统工作原理框图
3智能家居硬件设计
在系统设计过程中，充分考虑了该行业的实际情况，系统设计的成本、以及软硬件应用的可靠性和开发的兼容性，以便尽量有效的缩短系统地开发周期。
硬件设计如下：
3.1控制中心
本系统中，由PC端/APP充当整个智能家居的指令控制中心。
个人电脑及手机如今已普遍存在，并且使用起来及其方便。
3.2主控芯片--STM32F1XX32位ARM微控制器
方案中主控器件STM32F103zet6单片机使用的是ARM公司为要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式应用专门设计的32位的ARMCortex-M3核。
●基于ARMCortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封装.
●512K片FLASH（相当于硬盘）,64K片RAM（相当于存）,片FLASH支持在线编程（IAP）.
●高达72M的频率,数据,指令分别走不同的流水线,以确保CPU运行速度达到最大化.
●通过片BOOT区,可实现串口下载程序（ISP）.
●片双RC晶振,提供8M和32K的频率.
●支持片外高速晶振（8M）,和片外低速晶振（32K）.其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后的时钟行走.
●42个16位的后备寄存器（可以理解为电池保存的RAM）,利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能.
●支持JTAG,SWD调试.配合廉价的J-LINK,实现高速低成本的开发调试方案.
●多达112个快速IO端口（大部分兼容5V逻辑）,4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2路I2S接口,2路I2C接口,5路USART,一个USB从设备接口,一个CAN接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR和NANDFlash接口的16位总线-FSMC.
●3路共16通道的12位AD输入,2路共2通道的12位DA输出.支持片外独立电压基准.
●CPU操作电压围:
2.0-3.6V.
综上STM32F103的性能完全可以满足本设计的所有控制需要，置ADC模块可以直接用于模拟量的采集，丰富的I/O接口完全可以与1602显示屏模块的通信，并且采用STM32F103ARM微控制器做为主控制器可以减少使用外围器件（例如减少ADC模块等），使得降低了成本以及电路的复杂程度。
图3.2STM32F103ZET6芯片引脚及部分电路图
3.3无线传输--WIFI模块
方案中采用的WIFI模块是某公司的低成本高性能嵌入式串口-以太网-无线网模块，在本设计中只用串口转无线网模式。
3.3.1WIFI模块参数概述
该模块采用IEEE802.11协议栈网络标准，无线传输速率最高可达150Mbps。
信道个数可达到14个，频率围2.4-2.4835G，发射功率12-15DBM，2个以太网口、2个串口。
它的系统配置管理采用远程Web管理。
串口波特率非常宽，在1200~230400bps（支持非标准波特率）之间，工作温度：
-20-70℃。
该模块是基于通用的串行接口与无线或有线网络标准的模块，置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口和以太网和无线网（WIFI）3个接口之间的相互转换。
3.3.2WIFI模块功能概述
模块功能分为4大模式：
串口转以太网和无线网络、串口转以太网、串口转WIFI客户端及串口转WIFI热点。
该方案中采用串口转WIFI热点模式（答辩演示需要），该模式下用户通过手机或者电脑连接该WIFI模块发出的WIFI热点，即可控制。
3.3.3串口转WIFIAP模型
图3.3.3串口转WIFIAP模型
3.3.4WIFI模块主芯片引脚图
图3.3.4HLK-RM04模块主芯片引脚图
3.3.5芯片引脚
WIFI芯片引脚定义如下表：
表3.3.5WIFI芯片引脚定义
功能
方向
说明
1
VCC
PowerIn
5V电源输入
2
GND
GND
电源地
3
WLAN_LED
0
WIFI启动指示（高电平有效）
4
VDD
PowerOut
3.3V电源输出
5
LINK2
O
网口2连接指示（低电平有效）
6
USB_P
I/O
USB信号+
7
USB_M
I/O
USB信号-
8
STA/GPIO_0
I/O
状态指示/GPIO_0（低电平有效）
9
GPIO_1
I/O
GPIO_1485总线收发控制引脚
10
ES/RST
I
退出透传/恢复出厂值
11
TXOP2
A
网口2TX-P
12
TXON2
A
网口2TX-N
13
RXIP1
A
网口1RX-P
14
RXIN1
A
网口1RX-N
15
RXIN2
A
网口2RX-N
16
RXIP2
A
网口2RX-P
17
TXON1
A
网口1TX-N
18
TXOP1
A
网口1TX-P
19
RTS_N/GPIO_2
I/O
串口2硬件流控RTS
20
UART_RX
I
串口1RX
21
UART_TX
O
串口1TX
22
RXD/GPIO_3
I/O
串口2RX
23
LINK1
I/O
网口1连接指示（低电平有效）
24
CTS_N/GPIO_4
O
串口2硬件流控CTS
25
WPS/RST
I
WPS按键/恢复出厂值
26
TXD/GPIO_5
O
串口2TX
27
VDD_1_8
PowerOut
网口1.8V输出
28
VCC
PowerIn
5V输入
注：
I/O口电平电压为3.3V。
3.4LCD1602液晶显示屏
工业型的LCD1602字符液晶显示屏，它能够同时显示2排16列即为32个字符。
3.4.1LCD1602液晶显示屏概述
本设计使用的lcd1602液晶为5V驱动，带蓝色背光，但可以同时显示两排字符，每排有16个字符，共32个字符，但其不能显示汉字字符，置128个字符的ASCII字符集库。
1602液晶的引脚图如下
图3.4.1lcd1602液晶显示屏引脚图
1.LCD1602液晶显示屏引脚说明
表3.4.1液晶引脚说明
引脚编号
符号
功能说明
引脚编号
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
9
D2
双向数据总线2位
2
VDD
接电源（+5V）
10
D3
双向数据总线3位
3
V0
对比度
11
D4
双向数据总线4位
4
RS
寄存器选择
12
D5
双向数据总线5位
5
RW
读写信号线
13
D6
双向数据总线6位
6
E
使能端
14
D7
双向数据总线7位
7
D0
双向数据总线0位
15
A
背光电源正极
8
D1
双向数据总线1位
16
K
背光电源负极
注：
V0：
调整液晶显示器的显示对比度，接地时对比度最高，接正电源时对比度最低。
（但需注意的是完全接地时，会造成对比度过高，从而造成“鬼影”的产生，这种情况下，我们一般情况下采用串接一个10K左右的电位器来调整其对比度，这样就可以防止鬼影的产生。
）
RS：
RS为寄存器选择端口，当给该端口输入低电平0时，即为选择指令寄存器。
输入高电平1时，即为选择数据寄存器；
RW：
RW为读写信号线端口，为该端口输入高电平
（1）时进行读操作，输入低电平（0）时进行写操作。
E：
E端为使能端（Enable），为其命令写操作时，下降沿使能。
为其命令读操作时，Enable（使能）高电平有效。
DB7：
双向数据总线7位（最高位）及忙检测位。
2.操作时序：
表3.4.2操作时序说明
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令码D0~D7
0
1
读取输出的D0~D7状态字
1
0
写入数据D0~D7
1
1
从D0~D7读取数据
3.指令集：
1602初始化指令小结：
0x38设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
0x01清屏
0x0F开显示，显示光标，光标闪烁
0x08只开显示
0x0e开显示，显示光标，光标不闪烁
0x0c开显示，不显示光标
0x06地址加1，当写入数据的时候光标右移
0x02地址计数器AC=0;（此时地址为0x80）光标归原点，但是DDRAM中断容不变
0x18光标和显示一起向左移动
3.4.2LCD1
升级会员 