智能家居环境监测系统研究与设计

摘 要 本设计通过结合了ARM和ZigBee两大技术，搭建了一个智能家居环境监测系统。实现了对家居中的温度、湿度、烟雾浓度的监控。硬件方面，采用了STM32采集数据，ZigBee模块传输信息，ARM9作为处理器进行统一处理信息。软件方面，利用Qt编写上位机程序。然后移植到ARM，平台，实现了ARM板对家居的监测。

【关键词】STM32 智能家居 ZigBee 监测

1 引言

随着人们生活需求的提高，家居智能化控制已成為一种必然趋势。本系统在研究了嵌入式开发技术和ZigBee网络技术的基础上，使用ARM9微处理器芯片设计为核心，实现大面积的多点温度、湿度以及烟雾浓度进行实时监测，并将数据通过无线网络传输到控制器进行数据存储和分析，最终实现了家居室内监测系统。

2 智能家居环境检测系统总体设计

系统主要以STM32嵌入式控制芯片为主，外接各种控制模块电路，利用温湿度传感器、烟雾传感器以及光照传感器对室内状况进行检测，并将检测到的数据发送到嵌入式控制器进行数据分析，当有异常状况发生时，嵌入式控制器立即做出相应的处理并发出报警。并通过ZigBee发送给ARM端的上位机中，同时将数据保存到sqlite数据库中，方便用户直观的查看室内状态。外围电路则由光敏传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器模块组成，与嵌入式器件相连接，实现了控制芯片的通信。

3 系统硬件设计

本系统电路设计主要包括以下几个功能模块的设计：

3.1 光强检测模块

通过光敏二极管电路接收装置来检测光照强度，将光值转换为电信号，以供单片机处理判断关照条件，决定是否自动开启灯光。

3.2 烟雾浓度采集模块

通过驱动MQ_2传感器实现对环境中液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等敏感气体的检测，及时传输给单片机后进行条件判断，环境烟雾浓度值是否超过阀值。

3.3 温度数据采集模块

使用灵敏度系数比较高的DS18B20芯片。该芯片检测灵敏度高、稳定性好、价格便宜，因此很适合用于本系统。

3.4 湿度采集模块

温湿度采集使用DHT11传感器，该传感器可以同时输出温度和湿度，只需按照规定的时序进行读写即可。

3.5 LED电路的设计

本次系统通过模拟LED实现对家庭照明灯的控制，所有的灯均是共阳，控制时只需要给对应控制管脚低电平即可实现。

3.6 ZigBee通信接口电路

ZigBee通信接口为串口，因此只需留出对应的串口接口即可，系统使用串口2作为通信接口。

3.7 控制部分功能的实现

系统中硬件控制部分主控芯片选择STM32F103C8T6。该芯片具有64KB的SRAM和32位地址数据线，其性能和传统的8位51单片机相比提高了数倍，因此足以实现本系统控制部分功能。辅助电路的设计：复位电路、振荡电路、按键电路及初始位置定位设计，还有额外添加的串口输出模块，方便调试和维护。

4 系统软件设计

本系统软件方面，利用Qt编写上位机程序。然后移植到ARM平台，实现了ARM板对家居的监测。软件设计总体上分为STM32数据采集、ZigBee网络数据发送和接收、嵌入式平台的搭建以及基于Qt技术的系统主控软件的设计。上位机部分的软件设计实时显示当前家居内的温湿度、烟雾浓度以及LED灯的状态灯信息，还可以实现实时控制LED灯的状态。下位机STM32单片机中移植了一款嵌入式操作系统μC/OS-II，所以的传感器都是以独立任务的形式在运行，使得整个程序比较流畅、效率比较高，系统的稳定性也得到了调高。

5 通信协议设计

ZigBee网络中传递的是信息叫ZigBee消息，一个ZigBee消息由127个字节组成， 在本智能家居系统设计中，采用的ZigBee协议帧格式为MsG格式。通信协议作为一个比较重要的部分，它完成了系统中数据的封装和解析依据。本系统中通信协议使用自定义的，数据帧结构体的定义如下：

typedef struct Protocol{

u8 send_begin； //起始标志 以“#”开始

u8 potocol_len； //信息长度 可变长

u8 device； //设备名

u8 device_cmd； //设备命令

u8 date_len； //数据长度 没有为0

u8 *date； //数据 没有指向空

u8 send_end； //结束标志 以“*”结束

}protocol；

不仅在上位机和下位机通信过程中始终保持着同一份协议，数据的发送和解析都是严格按照此协议进行的。

6 系统测试

系统硬件平台的搭建以及软件的开发完毕后，需要对系统进行性能测试，以验证整个智能家居系统运行的可靠性和稳定性。在硬件连接测试，可以点击上位机中的LED灯开关，发送开灯或者关灯命令，查看下位机STM32板上所连接的LED灯状态是否改变，若改变了则证明整个硬件连接正确。此外测试系统是否死机的一个办法是用手挡住光敏传感器，若此时旁边的LED灯亮，说明系统正常运行。通过测试最终实现本系统监测功能要求。

参考文献

[1]柯国琴.基于单片机的智能家居系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[2]孙常清，赵英涛.数字家庭网络发展分析[J].电信科学，2007（06）：23-27.

[3]穆秀春著.Altium Designer原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4]师振伟.基于ARM和ZigBee的智能家居无线终端控制系统的设计[D].西安：西安工业大学，2013.

[5]冯承金.基于ZigBee和ARM9的智能家居系统的研究与设计[D].湖北：武汉理工大学，2010.

作者简介

刘云萍（1980-），女，山西省太原市人。硕士学位。现为太原工业学院计算机工程系讲师。主要从事数据库系统设计研究。

作者单位

太原工业学院计算机工程系 山西省太原市 030008