基于STM32的智能家居环境监测系统设计

行业应用与交流IndustrialApplicationsandCommunications

基于STM32的智能家居环境监测系统设计*

杜晓岚,张磊

（陕西工业职业技术学院电气工程学院,陕西咸阳712000）

摘

要:随着科技的进步，人们对家居环境监测提出了智能化的需求。针对用户的家居生活环境和安全环境两大需求，设计了一套

基于STM32的智能家居环境监测系统，能够让用户通过手机实时了解房屋的生活环境和安全环境。

关键词:STM32；智能家居；智能环境监测；防盗系统中图分类号：TP273+5;TP212

文献标志码:A

文章编号:1003-7241(2019)07-0172-04

DesignofIntelligentHomeEnvironmentMonitoringSystem

BasedonSTM32

DUXiao-lan,ZHANGLei

(ShaanxiPolytechnicInstitute,Xianyang712000China)

Abstract:Withtheprogressofscienceandtechnology,peopleputforwardthedemandofintelligenceforhomeenvironmentmoni-toring.Accordingtouser'slifeenvironmentandsecurityenvironmentrequirements，asetofintelligenthomeenvironmentmonitoringsystembasedonSTM32isdesignedout.Userscangetreal-timeinformationaboutthelivingenvironmentandsafetyenvironmentofthehousethroughtheirmobilephones.

Keywords:STM32;intelligenthome;intelligentenvironmentalmonitoring;anti-theftsystem

1引言

随着科技的日新月异，人们对家居环境的要求不仅局限在安全舒适性，更提出了智能化的需求。利用一部手机就可以对家居环境进行实时监控已经成为了高品质生活的象征。家居环境可以分为生活环境和安全环境两个部分。其中生活环境主要包含室内温湿度和光照度；安全环境则主要包括燃气浓度和防盗技术。

本文采用基于Cortex-M3内核的微处理器STM32F103RCT6作为主控芯片，通过温度传感、光照传感、燃气检测和红外探测四种方式，利用ZigBee通信技术将数据传输到微处理器中进行集中处理，进而将各项数据反馈到用户手中，从而达到对家居环境进行智能监测的目的[1-4]。

本系统可以操作手持设备终端（手机或平板电脑），通过网络将控制指令发送到STM32中，STM32通过ZigBee通信技术与各传感器模块进行数据传递，实时获取监测数据[5]。由此用户利用一部手机就可以查阅家居环境的各项指标，从而实现家居生活智能化。

系统总体设计由主控芯片设计，传感器模块电路设计和系统软件设计三个环节构成。由于主控芯片和传感器之间的数据交换依赖于ZigBee通信技术，因此在对主控芯片设计时，考虑到了接口电路的设计环节。传感器检测模块分为生活环境监测模块和安全环境监测模块，包括温湿度检测、光照度检测、燃气检测和红外探测四部分。系统整体结构图如图1所示。

2系统总体方案设计

*基金项目:2017年度陕西高等教育教学改革研究重点项目(编号17GZ003),高职技能大赛工作的研究与实践收稿日期:2018-07-06

172TechniquesofAutomation&Applications3主控芯片设计

主控芯片在整个系统中承担着最核心的任务，它负责整套智能家居环境监测系统内部所有数据的收发与执行，起到承上启下的作用。当用户通过手机查看实时监测数据时，它需要实现与移动终端的交互，并利用ZigBee

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《自动化技术与应用》2019年第38卷第7期

通信技术将传感器模块传输过来的数据进行运算和处理，让用户得到想要的结果。因此，选择合适的主控芯片，关系到整个系统的稳定性和可靠性。

寸搭配72MHz时钟频率，工作温度范围为-40℃～85℃达到工业级水平。

STM32的电路设计主要包括电源电路设计、时钟电路设计、复位电路设计和接口电路[6]设计四个环节，结构图如图2所示。

图1系统整体结构图

图2

STM32最小系统结构图

考虑到实用、经济成本和性能等方面的因素，本次设计的主控制芯片采用搭载Cortex-M3内核的STM32F103RCT6型单片机。它是一种嵌入式微控制器集成电路，以低功耗、低价格、高性能等优势一直备受嵌入式开发者的青睐。STM32F103RCT6属于STM32F1系列中的通用型产品，有个引脚，闪存容量达到256K，32位芯体尺

3.1电源电路设计

STM32F103RCT6需要3.3V电源供电，本次设计采

用线性稳压芯片AMS1117-3.3搭接电路来满足STM32的电压需求。AMS1117是一种正向低压降稳压器，其内

图3电源电路设计

图4接口电路设计

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图5主控芯片电路

信号调节电路，适合本次设计的选件要求，二者电路如图6。

部集成了过热保护和限流电路，有多种输出电压型号可供选择。由于其他电路环节还需要用到5V电压供电，可以先利用外部变压器环节获得5V直流电，再利用AMS1117-3.3将5V转化成3.3V电压，电路如图3所示。

3.2接口电路设计

STM32通过ZigBee对各个功能模块进行控制，进而

监测家用电器，实现家居生活智能化。STM32和ZigBee模块内部都有串口控制器，可以通过串口进行通信，本次设计的串口采用了RS232，原理图如图4所示。

3.3主控芯片、复位电路及时钟电路设计

图5为本系统主控制核心器件STM32F103RCT6原

图6温湿度监测电路

理图，包含了复位电路设计和时钟电路设计。

室内光照度监测选用16位数字输出型环境光强度传感器BH1750FVI。它接近视觉灵敏度，高分辨率和低功耗，并且光源依赖性弱，受红外线影响小。原理图如图7所示。

4传感器模块电路设计

家居环境主要包含生活环境和安全环境两个部分。生活环境监测可以利用温湿度检测、光照度检测来完成；安全环境监测则可以通过燃气检测和红外探测来实现。

4.1生活环境监测模块设计

对室内温湿度的监测可以采用温度传感器DS18B20

和湿度传感器HIH4000-003实现。DS18B20是单线数字温度传感器，价格便宜，抗干扰能力强，对引脚无特殊要求，仅需一条线就可以实现与微处理器之间的双向通信。HIH4000系列湿度传感器近似线性电压输出，能够直接与控制器相连，该湿度传感器经过激光修正，并且集成了

174TechniquesofAutomation&Applications图7光照度监测电路

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4.2安全环境监测模块设计

安全环境监测环节中需要对家庭中常用的天然气进

中同一时段的部分测试结果陈列在表1中。

表1

环境模式生活环境安全环境

传感器模块温度监测（℃）湿度监测（%）光照监测（Lux）燃气监测防盗系统

23.848.6219正常正常

系统测试结果

第二次

测试23.948.8218正常正常

第三次测试24.148.4220正常正常

第四次测试23.848.5221正常正常

第五次测试23.8.4219正常正常

行实时监测，以保障日常安全。本次设计的燃气检测模块选用MQ-4实现，其对甲烷、天然气有很高的灵敏度，具备响应速度快、使用寿命长、稳定性高等优点，非常适用于家庭环境中对天然气的检测。

家庭防盗环节采用红外探测的手段，红外探测具备隐蔽性高、能耗低、抗干扰性强等优点。当人进入防区时被红外探测装置检测到，进而启动报警装置，同时通过ZigBee传输到STM32进行处理否遭遇非法闯入。

[7-9]

第一次

测试

7结束语

本系统是基于STM32的智能家居环境监测系统，包括了对主控芯片、接口电路以及各个功能模块的硬件和软件设计，能够让用户通过手机实时了解房屋的生活环境和安全环境。本套系统具备低成本、高稳定性、操作简单等优点，适合推广使用。由于当今社会智能手机的广泛应用，为了更加便利人们的生活，本系统还可以增加智能插座、智能电度表等模块进行简单升级，成为智能家居环境监测及控制系统，更大化的满足用户的需求。

，再通过网络反馈到用

户手中。这样一来，即使出门在外也能实时掌握家中是

5系统软件设计

本系统软件设计环节包括基于STM32的下位机开发和基于Adroid的上位机开发。其中STM32底层开发使用RealViewMDK来进行，编程语言采用C语言；Android的开发平台选择Eclipse使用java语言编程。本设计中，各功能模块全天24小时实时监测家居环境，并通过ZigBee将数据传到STM32中进行集中处理，再利用网络反馈到上位机，用户只需要打开手机APP就可以实时监测各项数据。其中下位机开发流程图如图8所示。

参考文献:

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[9]江华丽.智能家居便携控制系统[J].电子测量技术，2016（4）：90-92,100.

图8下位机开发流程图

6系统的实现与测试

为了保障系统的安全性及可靠性，系统设计完成以后，在一天中不同时段对其功能进行了多次测试，系统均能正常工作，并具备较高的稳定性和可靠性。选取一天

作者简介:杜晓岚（1982-），女，硕士研究生，从事嵌入式技术、传感器应用技术研究及应用电子技术专业教学。

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