一种基于STM32的远程无线智能家居控制系统

沈炎松

（漳州职业技术学院 电子工程系，福建 漳州 363000）

一种基于STM32的远程无线智能家居控制系统

沈炎松

（漳州职业技术学院 电子工程系，福建 漳州 363000）

本文设计了以STM32单片机为控制核心的智能家居控制系统.该设计综合应用GSM、2.4G等无线通信技术，并提出了一种改进的LEACH无线传感器组网协议，实现对家居的远程控制.实验表明，该系统运行稳定，具有广泛的应用前景.

STM32；智能家居；远程无线；LEACH协议

所谓智能家居[1]是指利用微处理电子技术来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如电脑设备、保全系统、暖气及冷气系统、照明系统、视讯及音响系统等.近年来，随着人们生活水平的不断提高以及计算机及网络通信技术的快速发展，家居系统越来越智能化.智能家居逐渐成为未来家居生活的发展方向[2].当前开发的有线智能家居产品存在布线麻烦、电缆使用量大、扩展麻烦等问题，因此在实现家居智能化同时，研制一套性能稳定且能无线组网的智能家居控制装置便显得很有必要.

本文设计了以STM32单片机为核心的智能家居系统，将GSM、蓝牙、2.4G等无线通信技术、传感器技术等相融合，用户经密码验证进入智能家居系统后，通过触摸屏设定室内家居工作，也可以利用手机蓝牙功能近距离控制家居工作，还可以用GSM手机对家居环境进行远程监控.

1 系统硬件平台

系统硬件平台选用是进行本例智能家居控制系统设计的基础，它直接影响整个系统的准确性、节能性和稳定性.本系统设计主要选用硬件平台如下：

1.1 STM32F103VET6及STC12C5A60S2单片机

系统主控制器的微处理器选用STM32F103VET6单片机，从控制器处理器选用STC12C5A60S2单片机.

STM32FI03VET6是意法半导体公司的一款超低功耗单片机，工作频率可达72MHz，片上集成64KB的FLASH存储器、20KB的SRAM存储器以及丰富的增强I/O端口，所有外设通过两条APB总线进行连接，并且都可匹配标准的通信接口.

STC12C5A60S2是宏晶科技（STC）生产的一款高速增强型8051单片机，具有功耗低、抗干扰能力强等特点，芯片内部自带60K的FLASH存储器，内置8路10位精度的高速ADC转换器和2路PWM.

1.2 2.4G无线模块NRF24L01

nRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHZ世界通用ISM频段的单片无线收发器件芯片，内部集成频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器等功能模块.其工作频道和输出功率可以通过程序进行设置，在工作时具有极低能耗.

1.3 GSM模块

GSM模块采用西门子公司的TC35，可工作在900kHz和1800kHz两个频段.TC35主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、电源模块、闪存、ZIF链接器、天线接口等部分组成[3]，具有信号传输快、性能稳定功耗低等特点.

1.4 蓝牙通信模块

本例选用正点原子ATK-HC05主从一体蓝牙串口模块，该模块可以同各种带蓝牙功能的智能终端配对，支持波特率范围:4800-1382400.

1.5 TFT触摸显示屏

选用4.3寸TFT触摸显示屏，触摸屏操作产生电平信号，经过转换处理后通过串口送至主控制器STM32FI03VET6进行处理并执行相应操作.

2 系统硬件电路设计及实现

本系统由一个主控制器、多个从控制器组成，主控制器部分由GSM模块、2.4G无线收发模块、蓝牙模块、液晶触摸显示模块、报警电路等构成.从控制器包括2.4G无线收发模块、信号采集及家电控制模块等，系统结构框图如图1-1所示.

该系统主控制器以蓝牙接收、触摸屏输入以及GSM短信等方式接收用户设置数据，主控制器通过2.4G模块与各从控制器进行通信.系统通过密码验证后进入主显示界面，实时接收并显示各从控制器状态信息，在室内用户可以利用手机内置蓝牙功能实现对各家居的实时控制；在户外，可以通过发送短信指令，实现户外控制；主控制器接收各控制指令，最终完成各项控制操作，从而实现户内近距离和户外远距离的无线控制.

图1-1 智能家居控制系统总体框图

本智能家居系统的主要功能及操作如下：

2.1 密码验证

用户设定密码预先存入主控制器单片机内置EEPROM，为避免家里儿童在触摸屏上误操作以及手机丢失被进行非法操作等行为，用户使用触摸屏设置控制功能、GSM短信息远程控制功能都要输入密码验证，以提高设备安全性.单片机获取输入的密码信息，识别到密码准确之后才响应此行为.

2.2 短信息控制

用户通过手机短信息实现远程控制，控制指令使用“密码+指令”的格式发送，主控制器通过GSM模块接收短信数据，经STM32单片机读取后，数据进行识别、处理，如果密码准确，主控制器通过2.4G无线模块发送指令至从控制器，从控制器接收数据后，完成后续控制操作.

2.3 手机蓝牙按键控制

用户可以利用手机安装蓝牙串口助手APP软件，与主控制器蓝牙模块配对成功后进入键盘模式可进行近距离无线输入控制，主控制器单片机接收控制指令后，对指令数据进行分析、处理后，将控制数据送至2.4G无线模块，由无线模块发送指令给从控制器，实施控制操作.

2.4 触摸屏控制

触摸显示屏具有实时显示、设置、控制功能，触摸操作产生的电平信号，经过转换后通过串口传送至STM32单片机进行处理.触摸显示屏按下设置进入设置界面之前，先进行密码验证，输入密码后，STM32单片机获取输入数据，进行比较判断，若密码正确将进入设置界面，否则不能进入设置界面，在进入设置界面后用户可以进行密码重新设置、保存.

3 智能家居软件设计及算法设计

系统的软件设计可分主控制器程序设计、从控制器程序设计，从控制器按功能实现不同分为家电控制类从控制器程序设计、信息采集类从控制器程序设计.程序模块主要由底层驱动程序、触摸显示子程序、2.4G无线通信子程序、

图1-2 主控制器控制流程图

图1-3 家电控制类从控制器控制流程图

图1-4 信息采集类从控制器控制流程图

其中，r是当前轮数，p是节点成为簇头节点的概率，G是目前1/p轮中还没有成为簇头的节点集合.

由于阈值公式中没有考虑当前节点能量的影响，且LEACH采用随机选择轮流成为簇头的算法，其参考指标是节点成为簇头的次数；而节点的加入是以接收信号的强弱为依据，因此在成簇过程中会出现簇内节点过多的簇（极大簇）和簇内节点过少的簇（极小簇）[4]，因此，该算法难以达到平衡节点能耗的预期目标，当网络中各节点能量不均衡时，使用就不理想.通过分析算法可见，随机数产生的大、小与该节点成为簇头的概率紧密相关，为了平衡各节点能耗，延长网络使用寿命，可以对节点产生随机数据进行处理，如式（2）.蓝牙通信子程序及GSM子程序等部分组成.主控制器控制流程如图1-2所示，家电控制类从控制器控制流程如图1-3所示，信息采集类从控制器控制流程如图1-4所示.

3.1 无线传感器节点路由算法设计

本例中，考虑主控制器汇聚节点功能较强，并且带有GSM模块、蓝牙模块及触摸显示模块电路，因此主控制器供电使用变压器转换电压直接供电，而各从控制器节点使用电池供电，各从控制器节点非常容易移动、维护.因此，如何将从控制器节点能耗控制到最低显得尤为重要.

本例采用一种改进的LEACH协议，在LEACH协议中，当节点随机分配到的数据rand小于阈值T（n），则此节点作为簇头节点，并向其他节点广播消息.阈值计算公式为：

其中rand为初始随机产生的0-1之间的数据，En_init为n号节点的初始能量，En_now为n号节点的当前剩余能量.

由式（2）可见，节点当前剩余能量越多，通过公式（2）最终生成的随机数就越小，其成为簇头节点的概率就越大.由此可见，通过对LEACH算法的设计和改进可实现节点能耗平衡，提高能量效率，延长各网络节点寿命.

3.2 GSM模块软件设计

TC35模块采用AT贺氏指令，GSM模块与单片机通过串口连接，AT命令是单片机与GSM模块进行通信的一套指令集，单片机可以通过向GSM模块发送AT命令，实现GSM模块短信收发等操作，本系统GSM设置在PDU模式进行短信息接收和发送.与SMS收发短信有关的部分AT命令[5]如下：

AT+CMGC：发送一条短消息命令

AT+CMGR：读出短消息

AT+CMGS：发送短消息

AT+CMGW：向SIM内存中写入待发的短消息

AT+CMSS：从SIM内存中发送短消息

AT+CSCA：设置短消息服务中心地址

AT+CNMI：显示新收到的短消息

3.3 nRF24L01无线模块软件设计时序

无线网络节点间的有效通信是智能家居系统运行稳定的基础，实现各节点间通信无误码是无线模块程序设计的核心.本例中，nRF24L01设置工作在增强型的ShockBurst TM模式下，单片机先通过指令初始化nRF24L01，然后使能芯片片选引脚，并配置芯片工作模式（发送和接收模式）后进行数据传输[6].

为了降低信号在无线传输过程中的误码率，本例程序设计数据在传输过程增加附加校验码，附加校验码部分包含“节点标识码+奇偶校验码”两部分.接收节点通过nRF24L01接收完数据包后数据处理分离出“数据+验证码”两部分，对节点标识码、奇偶校验码进行双重验证.当节点标识码和奇偶校验码都准确时，才保存数据并进入后续数据处理，否则，抛弃数据后进入后续操作.本例设计实物测试结果表明，使用双重验证技术与无验证码数据传输相比，数据传输误码率更低，系统工作更为稳定性，抗干扰能力更强.

本文提出一基于STM32远程无线智能家居控制系统设计方案.该方案以STM32F103VET6及STC12C5A60S2单片机为控制核心，融合GSM通信、2.4G无线通信、触摸显示等技术实现家居智能化控制功能.该系统样机经过调试和测试运行稳定、反映灵敏，并具有操作简便、安全性高、节能环保、成本低、易升级等优点.设计成果将为智能家居等测控领域的研究以及家居智能化的进一步推广提供重要指导意义.

〔1〕中国智能家居网.http://www.Smarthomecn.com.2012.

〔2〕张逢雪，王香婷，王通生，等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J].自动化技术与应用，2011,30(8):98-101.

〔3〕王文涛，黎杰，李贺，等.基于GSM的智能家居安防系统设计[J].中国科技博览，2012(14):276-277.

〔4〕吕涛，朱清新，张路桥，等.一种基于LEACH协议的改进算法[J].电子学报，2011,39(06):1405-1409.

〔5〕罗海兵.基于GSM短消息的智能家居系统的研究[D].长春:长春工业大学，2007.

〔6〕管来奇，吴闯，等.智能家居系统设计[J].人工智能及识别技术，2014(06):77-79.

TP273

A

1673-260X（2017）05-0015-03

2017-01-15

2015年福建省中青年教师教育科研项目（科技类）（JA15692）