1、1河南科技学院2015 届本科毕业论文（设计）论文题目：基于单片机的智能家居控制系统设计学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业：电气工程及其自动化 导师姓名： 完成时间：20015 年 5 月 13 日2摘要随着物联网时代的到来，人们对生活的质量、效率的要求图越来越高。本设计将自动控制及技术用于日常生活，来提高生活质量，使人们拥有一个舒适，安全，方便的生活环境。智能家居，就是利用网络技术，自动控制技术，软件技术来实现一个家居设施的自动控制系统，从而减少人对设备的控制，使人们的家居生活更加的舒适快捷。本次设计的智能家居控制系统，目标群体定位在普通人群，产品功能以实用为主，结合日常生活中人们的作
2、息习惯，行为习惯，为人们提供一个灵活的、使用的、低成本的控制系统。关键词：智能家居，自动化，控制AbstractWith the advent of the Internet of things era, peoples quality of life and the efficiency of the figure higher and higher.This design of automatic control and technology used in everyday life, to improve the quality of life, so that people have
3、 a comfortable, safe and convenient living environment. Smart home is the use of network technology, automatic control technology, software technology to achieve a home facility of the automatic control system, thus reducing human control of the device, making peoples home life more comfortable and
4、efficient. The design of intelligent home control system, the target group positioning in the general population, product features mainly practical, combined with the routine of daily life, people, behavior, providing people with a flexible, use, low-cost control system.Key words: Smart home 、automa
5、tic、 control3目 录第一章 绪论 .11.1 智能家居的发展背景 .11.2 国外发展状况 .11. 国内发展状况 .11. 智能家居的发展展望 .21. 课题的研究内容及安排 .2第三章 智能家居控制系统的硬件设计 .3. 智能家居控制系统的主控芯片 .3. 串行通讯电路设计： .5. 温度湿度传感器的硬件设计 .5. 光照强度传感器的设计 .6. 火险预警模块 .7. 入侵警告模块 .8. GSM 模块设计与应用 .10. 2.4G 无线通讯模块 .10第四章 软件开发 .124.1 LabVIEW 上位机软件设计 .124.1.1 LabVIEW 基本控件介绍 .124.1.
6、2 LabVIEW 的基本函数介绍 .134.1.2 LabVIEW 程序设计 .164.1.3 前面板美设计 .204.1.5 WEB 发布设置 .214.2 嵌入式系统开软件开发 .214.2.1 STM32CubeMX 开发环境介绍 .214.2.2 MDK 软件开发环境 .224.2.3 光照强度传感器 BHV1750 程序设计 .234.2.4 DHT11 温度湿度传感器程序设计 .234.2.5 NRF24L01 无线发射模块程序设计 .244.2.6 TFTLCD 程序设计 .25第五章 硬件测试 .265.1 手持设备信息显示测试 .275.2 上位机软件测试 .275.3 W
7、EB 控制系统测试 .28结束语 .28致谢 .28参考文献 .29附录 .30附录 1 智能家居控制系统原理图： .30附录 2 智能家居控制系统 PCB 图： .3141第一章 绪论家庭居住是人们最基本的生活条件，一个舒适、高效、安全的居住环境会极大的提高人们的生活质量。一般家庭条件下，家用电器虽然使用方便，但是要控制起来却比较繁琐，缺乏集中管理，也缺乏智能控制。最近几年物联网的发展，可穿带设备的流行，使人们的生活方式、居家思维发生了一些转变，人们对家居生活的质量要求越来越高。最近市场上也出现了一些智能化的家用设备，如智能电视、无线温度检测等。将智能化这个概念引入到家庭生活，不仅是要使家居
8、生活智能化，网络化，自动化，还要，达到节约资源，提高生活效率的目标。本着这样的思想，智能家居控制系统开始一点点的形成了。智能家居控制系统的基本功能如下：家电统一管理：通过一个控制平台，如手持设备，电脑等可以对所有的家用电器进行控制；环境监测：通过传感器实时监测环境的温度、湿度、光照强度等信息；自动控制：检测到周围光照强度变化是能自动调节灯光，根据温度、湿度信息自动控制空调的开关，达到节能的目的；报警：当检测到可燃气体浓度达到可引起危害的浓度时，家中无人值守又检测到有外来人员入侵时发出警报，并以短信形式通知户主；远程控制：可以通过网络对该系统进行控制；1.1 智能家居的发展背景世界上第一座智能建
9、筑是位于美国康涅狄格州哈特佛市的 CityBuilding,是美国联合科技公司 1984 年的作品。该建筑体现了建筑设备信息化，整合化概念。从此以后便拉开了全世界争相建造智能家居的序幕。1.2 国外发展状况首栋智能建筑出现后，智能家居的方案在西方多了起来，智能家居开始在经济发达的地区广发应用。1998 年 5 月，新加坡发布了新加坡模式的家庭智能化系统。这套系统功能完善，具有抄表、安防、对讲、监控、智能控制等功能。国外电子技术较为发达，智能家居控制系统产品也较为成熟，主要产品有美国的 X-10 系统、德国的 EBI 系统、西家破的 X8 系统，但是由于国外的生活环境和生活理念与国内人民不同，并
10、且其灵活性和可选择性有局限，不适合我国应用。1. 国内发展状况智能家居在中国发展较晚，主要经历了四个阶段：萌芽期（1994 年-1999 年）：概念熟悉，但没有专业的智能家居的生产厂商，主要代理国外的产品从事零售业务。开创期（2000 年-2005 年）：国内智能家居企业逐渐发展、完善，国内企业逐渐占据国内市场。徘徊期（2006 年-2010 年）：由于市场的不良生长和恶性竞争导致智能家居行业造成了很多的负面影响，一些厂家夸大产品点的功能、厂商只顾营销而2忽略了技术培训和研发，导致产品不稳定，用户投诉率过高，用户和媒体开始对该行业持怀疑态度。大约有 20 多家企业退出智能家居行业。融合演变期（
11、2011 年-2020 年）：由于房地产受调控，智能家居行业有增长的势头。随着物联网的额发展，可穿戴设备的流行，智能家居行业的技术性难题也随之攻克。就目前市场来看，大多数企业提供的是整栋楼房的智能家居解决方案，而面向个人家庭的智能家居解决方案也开始展露头脚。1. 智能家居的发展展望结合现在非常成熟的互联网技术，物联网技术，智能家居的发展方向将会由以下几点：网络化。现在人们的生活已经与网络密不可分，人们通过智能手机链接到互联网获取信息。无论是短距离无线，还是移动网络、互联网等传输方式，智能家居的网络化是必然的。模块化。模块化设计师智能家居控制系统变得更加灵活，方便日后的维护。标准化。当市场智能家
12、居控制系统标准统一后，不同厂家的产品兼容性可以大大增强，丰富系统功能。人性化。智能家居控制系统的目的就是让人们的日常生活更加的方便、舒适、快捷、高效。绿色化。智能家居控制系统原则上应当做到节能、环保。 1. 课题的研究内容及安排本课题设计的智能家居控制系统主要面向一般家庭用户，使用户对设备的控制精良的简单，灵活，同时达到节能的效果，为用户创造一个安全舒适，高效的生活环境。本文第一章绪论主要介绍智能家居行业的发展背景和情况；第二章主要介绍系统的总体设计方案，各种技术及其原理；第三章对硬件设计进行分析，第四章介绍软件的开发环境及各种软件的开发流程；第五章进行系统的测试；第六章进行总结。3第二章 智
13、能家居控制系统的总体设计2.1 系统总体描述控制系统以意法半导体公司的 32 位的嵌入式控制芯片作为主控芯片，外接温度/湿度传感器、红外热释电传感器、烟雾传感器来对家居环境进行检测，主控芯片接收数据并进行分析处理，若有警报事件发生，主控芯片便通过 GSM 模块 TC35 发送相关信息到用户手机上，通知用户。数据通过 2.4G 方式发射，接收端接收到数据后传输给 STM8 单片机，单片机处理数据后通过串口传给上位机。Labview 开发的上位机收到数据后进行处理、显示。利用 Labview 的 WEB 发布功能，用户可以通过互联网对该系统进行控制。用户也可以通过上位机对该系统进行控制。本系统模块
14、图如 图 1 所示。图 智能家居控制系统模块图2.2 系统的结构体系本智能家居控制系统的结构体系有下位机、上位机和通讯模块三部分组成。上位机运行于用户计算机上，基于 Labview 开发，需要 NI-VISA 驱动支持。本上位机软件通过串口与用户设备进行通讯，将采集到的数据实时显示到软件界面上，并提供数据警报和一些简单的控制功能。下位机是用户设备，负责信息的采集、设备的控制、信息的收发等。该部分是本设计最为核心的部分，采用了 32 位单片机作为主控芯片，并配合各种传感器进行协同工作。通讯部分包括 2.4GHz 无线通讯，GSM 无线通讯、WEB 远程控制三个部分。其中 2.4GHz 模块使用
15、NRF24L01,主要用于单片机和上位机接收端单片机进行通上位机 USB 转串口 STM8 微控制器 NRF24L01NRF24L01红外传感器烟雾传感器光强传感器湿度传感器温度传感器RS232STM32 微控制器家电控制模块电灯空调洗衣机加湿器电视GSM图 1 智能家居控制系统模块图4讯；GSM 模块使用 TC35，用与单片机和用户手机之间进行通讯；WEB 端基于Labview,用于实现用户的远程控制。2.3 系统的主要功能本智能家居控制系统设计主要对家庭的信息进行采集，然后以无线形式传送数据到 PC 端控制器，PC 端控制器通过串口将采集的信息发送给上位机。系统的主要功能如下：（1）温度和
16、湿度的检测功能：检测室内温湿度信息，当温度或适度不合适时自动打开空调或加湿器。（2）烟雾报警功能：利用烟雾传感器检测室内可燃气体浓度，当浓度超过警报值时发出报警。（3）入侵检测功能：当无人看守且发现指定区域有可疑红外光时发出警报。（4）光照强度检测：根据光照强度自动调节灯光亮度。（5）远程控制功能：通过 GSM 实现发送室内状态到用户手机，用户也可以通过手机对室内硬件进行控制。（6）WEB 远程控制：通过网络浏览器对家居信息进行监控。5第三章 智能家居控制系统的硬件设计. 智能家居控制系统的主控芯片8 位单片机价格便宜，供货稳定，不同厂家的产品兼容性较好，但是 8 位单片机功能单一，功耗较大，
17、速度越来越不适应现在的各种信号处理；32 位单片机功能强大，功耗低，相关的数据资料也非常丰富，对于开发和后期的维护都非常的方便。现在的一部分中高端 32 位单片机已经具备了基本的数字信号处理的功能，所以本次设计选择使用 32 位单片机作为主控芯片。本智能家居控制系统的主控芯片为基于 ARM CROTEX-M3 架构的 32 位单片机STM32F103ZET6。该芯片具有以下特点：基于 ARM32 位的 CROTEX-M3 CPU；最高 72MHz 的工作频率；单周期乘法和硬件除法；512KROM，64KRAM，可驱动 SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH，并行 LCD 接口。有睡
18、眠、停机、待机模式，有高速内部晶振和低俗内部晶振。本设计采用 220V 交流电进行供电。由于主控芯片和一些传感器的标准工作电压在 5V 和 3.3V 左右，所以需要对 220V 电源进行转换。本设计使用一个变压器完成降压工作，将 220V 交流电降为 12V 交流电，然后经过桥式整流电路进行整流，用一个 50uf 的电容进行滤波，使用 1N4733 稳压得到 5V 电压。本设计使用 ASM1117-3.3 来完成 5V 转 3.3V 电压的工作。ASM1117-3.3 输入电压 5V，输出电压 3.3V,可驱动低于 1A 的负载，足以驱动本设计的各种电子器件。该芯片稳定工作温度在-65-150
19、，所以无需散热即可满足设计要求。本设计供电电路如 图 2 所示。6图 2 智能家居控制系统的供电电路电子产品工作是容易受周围环境的干扰，在出现受到干扰工作不稳定的情况的时候，需要通过复位来实现系统的重新运行。通过参考 ST 公司的官方数据手册，采用按键的方式进行系统的复位设计。通过对 RESET 引脚输入一个足够宽的下降沿脉冲，系统将重新开始运行。本系统复位电路如 图 3 所示。图 3 主控单片机的复位电路IO 口资源的分配：STM32F103ZET6 共有 144 个引脚，7 组通用输入输出端口，出去一些用作特殊功能的 IO 口外，有 70 多个引脚可以供我们自由使用。为了软件上设计的方便，可以将使用各种通讯协议的传感器与单片机对应的引脚相联。NRF24L01 使
