第２８卷第３期 ２０１３年６月 光电技术应用 ＥＬＥＣＴＲ０一ＯＰＴＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ Ｖｏ１．２８．ＮＯ．３ Ｊｕｎｅ．２０１３ ·电路与控制· 基于ＳＴＭ３２的智能家居系统 刘鹏飞，刘云学 （烟台大学光电信息科学与技术学院，山东烟台２６４００５） 摘要：系统以ＳＴＭ３２Ｆ１０３为控制核心，将现代传感器技术与现代信息处理技术相结合，通过分析各传感器信息、ＧＳＭ模块 接收的信息与用户通过人机界面的操作信息，向电机模块发送相应的动作命令（控制开关窗户），同时将危险报警信息通过ＧＳＭ 模块发送至用户手机，以保证居住的舒适性及安全性。系统采用多种保护措施和隔离措施，并加入了备用电源以保证掉电后开 关窗操作仍然能够得到执行。整个系统具有很强的抗干扰能力及很高的可靠性，本方案可适用于智能家居及智能农业等多种应 用领域。 关键词：ＳＴＭ３２Ｆ１０３；智能家居；ＧＳＭ模块 中图分类号：ＴＰ２７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１２５５（２０１３）一０３—００５５—０６ Ｓｍａｒｔ Ｈｏｍｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ＬＩＵ Ｐｅｎｇ－ｆｅｉ，ＬＩＵ Ｙｕｎ－ｘｕｅ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｙａｎｔａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｔａｉ ２６４００５，ＣｈｉｎａＪ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｒｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ＳＴＭ３２Ｆ１ ０３ ｉＳ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｒｅｌａｔｉｖｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｒｄｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｗｉｔｃｈ ｗｉｎｄｏｗ ａｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ａ ｍｏｔｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｓｅｎｓｏｒｓ，ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｂｙ ＧＳＭ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｕｓｅｒ ｂｙ ｈｕ． ｍａｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ．Ａｎｄ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｗａｒｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｕｓｅｒ ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ＧＳＭ ｍｏｄｕｌｅ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅｎｅｓｓ ｏｆ ｌｉｖｉｎｇ．Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｄ ａ ｓｔａｎｄｂｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ａｄｄｅｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｋｅｅｐ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈ ｗｉｎｄｏｗ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｏｆｆ．Ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ａｎｄ ｊｔ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍａｎｙ ａｒｅａｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ｊｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２Ｆ１０３；ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｇｌｏｂａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＧＳＭ）ｍｏｄｕｌｅ 随着经济的不断发展和生活水平的不断提高， １系统整体结构 系统通过分析各个传感器的信息，遥控器信息， 人们对个人人身、财产的安全以及生活和工作环境 的质量越来越关注…。为了保障个人生命和财产的 安全，就需要有安全可靠的智能家居系统。传统的 用户通过人机界面输入的命令和ＧＳＭ模块的远程控 制信息，执行相应的开关窗动作；同时系统对检测危 自动化家居设施已经不能满足需求，于是各种新型 智能家居系统应运而生。文中将智能报警系统与开 窗电机相结合，不仅实现了智能报警的功能，同时还 险状况进行声音提示，并通过ＧＳＭ模块将报警信息 发送至用户手机。对于停电情况，由备用电池维持 系统的正常运行，同时系统实时检测电池电量，在电 实现了由ＭＣＵ根据传感器信息自动控制窗的开关， 从而调节环境的功能。 量不足时通过充电电路对电池充电。系统整体结构 收稿日期：２０１３－０４—１５ 基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＫ０９Ｂ０５）；山东省自然科学基金（ｚＲ２Ｏ１ＯＦＭＯ２６１ 作者简介：刘鹏飞（１９８８－），男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统设计及高速实时信号处理；刘云学ｆｌ９６５一），男，山东威海人，博 士，副教授，研究 向为统计信号处理、认知无线电、软件无线电、嵌入式系统． ５６ 光电技术应用 第２８卷 如图１所示，主要由ＭＣＵ及多个子模块组成，子模块 部分包括：２４ Ｖ开关电源电路、备用电池充电电路、 ２．１系统供电系统设计 开窗电机驱动控制模块、多路传感器接口、实时时 钟、声音报警、人机界面、４３３ ＭＨｚ遥控器接收模块、 ＧＳＭ模块、系统隔离电路等。ＭＣＵ主要用于分析和 系统供电系统框架如图２所示，首先系统直接输 入２２０ Ｖ交流电，通过板上的开关电源产生实际为 ２６ ｖ的直流电源（调整后输出），可直接用于电机驱 动，同时也可以满足为２４ Ｖ锂电池充电的要求。为 了避免外围部分对主控制部分的干扰，系统采用隔 处理传感器信息、遥控器信息、用户操作信息、控制 ＧＳＭ模块的接收和发送、控制电机和备用电池充电， 并按优先级执行相应的任务【２ｌ。 人机界面 离的ＤＣ／ＤＣ降压模块和线性稳压芯片产生主控制部 分电源，系统外围部分的电机驱动控制部分和传感 器部分供电，可以直接由ＤＣ／ＤＣ降压芯片产生 。如 ＧＳＭ模块 此不仅可以产生系统各部分所需要的供电，也使主 声肯报 ＳＴＭ３２Ｆ１Ｏ３ 传感器 一＿Ｊ多路传感 接口隔离｛ 器接门 电机控制 开窗机电 信号隔离 — 驱动电路 一控制部分与电机驱动部分和外部传感器输入部分隔 做控制器 离开，从而避免了外部输入信号和电机产生的干扰， 提高了系统的可靠性。 ２＿２传感器接口电路 时时钟 供．ｉ垡粤 ２４Ｖ开 ４３３Ｍ遥控 器接收模 王 剖 ，疗 皇塑堕塑 ］电 隔离ｌ 匮 电电路ｌ 图１系统组成框图 ２系统硬件电路设计 图２供电系统结构图 在系统硬件电路设计中，为了提高系统的性能， 系统采用高性能的Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的微控制器 ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＣＴ６。ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＶＣＴ６比常规的单片 机具有更强的处理能力和更丰富的外设０ ，足以满足 设计的要求。为了提高系统的抗干扰能力和可靠 性，系统采取了多种隔离和保护措施，使系统具有更 强的环境适应性。 系统中包括的传感器主要有：温度传感器、湿度 传感器、燃气传感器、烟雾传感器、ＣＯ 传感器、雨传 感器、风传感器、光照传感器等。这些传感器信号都 为外部输入信号，并且分为模拟量和开关量两类，为 了提高系统的抗干扰能力，必须对开关量进行数字 信号隔离，对模拟量进行模拟信号隔离。 ＶＣＣ ５ Ｖ ｔＪ１０ ｋｎ ＾Ｒ２ １０ ｋ＇ＱＲ１ 图３开关信号隔离电路 （１）数字量隔离 尺１电阻为限流电阻，防止对地端接人的ＴＶＳ ＰＴ— 数字量的隔离如图３所示，信号输入端串联磁珠 ＶＳ３Ｖ３直接被外来瞬间大电流损坏。然后用具有施 ＦＢ１，用于抑制信号线引入的高频噪声和尖峰干扰； 密特功能的７４ＨＣ １４ＤＢ反相器对开关信号进行预处 第３期 刘鹏飞等：基于ＳＴＭ３２的智能家居系统 ５７ 图４模拟信号隔离电路 理，再用光耦进行隔离，最后将隔离后的信号送入 ＭＣＵ。此设计将外部信号与主控部分隔离开，提高 了系统的可靠性及抗干扰能力。 （２）模拟量隔离 对于模拟量输入的接口如图４所示，首先接入 ＴＶＳ用于吸收外来的浪涌冲击（ＥＳＤ保护），然后再用 线性光耦进行隔离。线性光耦采用ＨＣＮＲ２０１芯片， 它由一个高性能的发光ＬＥＤ和两个具有严格比例关 系的光电二极管ＰＤ１和ＰＤ２组成（见图４）。发光 系 ］。由图４根据运放的“虚短”和“虚断”特性，有 ｌ＝ ／尺７ （１） 那么ｋ— ／，ＰＤ （２） 集成运放 ３和电阻Ｒ９组成了一个放大器把电 流转化为电压，即 ： ２·尺９ （３） 上述三个方程联立，即可表示出输入电压和输 出电压之间的关系 ，／ ＝ｋ·Ｒ９ ７ （４） ＬＥＤ与光电二极管ＰＤ１组成隔离转换电路的输入部 分并形成负反馈，ＰＤ２则构成隔离转换电路的输出部 因此，也可以通过调节Ｒ９、Ｒ７之问的比值调节 运算放大电路的输出电压，而流过两个光电二极管 分。由于整个电路输入部分构成负反馈回路，因而 只要负反馈通道的发光ＬＥＤ和光电二极管ＰＤＩ关系 确定，隔离转换电路的输入部分就稳定。又因为ＰＤＩ 电流的比值ｋ可以认为是定值，为了提高精度，具体 数值可以根据实际电路测量而定。 ２．３ ＧＳＭ模块接口电路 与ＰＤ２工艺相同有严格的比例关系，这就可以通过 适当的电路使输出信号与输入信号有稳定的比例关 ＧＳＭ模块采用西门子公司生产的ＴＣ３５模块，该 Ｕ５ ５８ 光电技术应用 第２８卷 模块是一种支持中文短信息的工业级ＧＳＭ模块，模 块自带ＲＳ２３２通讯接口，可以方便地与ＰＣ机、单片机 连机通讯。ＴＣ３５模块的工作电压为３＿３ ５．５ Ｖ，峰值 电流１．８ Ａ，空闲模式消耗电流１０ ｍＡ，各项功能和参 数都可以满足本设计的要求ｌ６１。模块接口电路如图５ 所示。 电路主要包括：上电启动、ＳＹＮＣ信号指示、ＳＩＭ 卡接口、通信接口四部分。由于ＴＣ３５模块在上电以 后可以通过将ＩＧＴ引脚拉低至少１００ ＩｌｌＳ来启动模块， 所以设计采用ＭＡＸ８１０ＭＤ复位芯片来实现该模块的 启动。在ＭＡＸ８１０ＭＤ的ＶＣＣ端电压上升至４．３８ Ｖ时 ＲＳＴ端产生一个１４０ ＩｎＳ的高电平脉冲，驱动三极管 Ｑ１０导通将ＩＧＴ引脚拉低至少１４０ ＩｎＳ，从而使ＴＣ３５ 模块启动。 ２．４电机驱动电路 由于开窗电机使用的电机为２４ Ｖ直流电机，正 常Ｔ作电流不超过０．４ Ａ，所以在设计中采用Ｌ２９８Ｐ 作为电机驱动芯片。Ｌ２９８Ｐ芯片的电机驱动电源电 压最高为５０ Ｖ，最大输出电流为２ Ａ，峰值可达３ Ａ， 足以满足驱动开窗电机的要求。电机驱动电路结构 如 ６所示。为了避免电机 作时对主控制部分产 生干扰，设计中将主控制部分与电机驱动部分进行 了隔离。为了避免电机在动作过程中出现堵转现 象，需要实时检测流过电机的电流。系统通过ＡＤＣ 采样经过线性光耦隔离的电流采样信号，判断当前 兰 ］ 驱动信号 １． １５ ＶＤＣ／ＤＣ 数 隔璃 微 控 制 电流采样 器 模拟隔离 — ２４Ｖ电１二：电机接口 ： ： 机驱动 数字 隔离 图６电机驱动电路结构图 电机是否堵转，如果电流超过系统没置值则立即停 止电机，由此可以使电机不至于因为长时问过流而 损坏（无限位开关失效时）。限位开关安装在窗的两 端，用于判断窗是否已开到位或已关到位，如果限位 开关触发则立即停止电机，由于限位开关为外部输 入信号，所以也必须对其进行隔离。 ２．５电池充电电路 为了使系统在停电时能继续１二作，设计中加入 了备用电池和相应的充电电路。由于电池只用作后 备供电并不经常使用，所以设计采用体积和容量较 小的２４ Ｖ／１ ３００ ｍＡｈ的锂电池（由６节４．２ Ｖ锂电池 串联构成）。为了避免ＰＷＭ形式的充电电路对主控 制部分产生干扰，设计中对主控制部分与电池充电 部分进行了隔离。电路主要包括电池充电电压采样 电路、充电电流采样电路、ＰＷＭ驱动ＭＯＳＦＥＴ开关及 充电滤波电路、控制信号隔离电路，电路结构框图如 图７所示［７】 ＭＯＳＦＥ Ｔ １２６糯ｖ 微 控 制 器 一霹 …口二 ’ 图７电池充电电路结构图 为了使电池随时都有足够的电量来应对突发的 断电事故，设计中系统实时检测电池电压，当电池电 压低于设定值时启动充电过程，同时ＭＣＵ根据实时 采样到的充电电压和电流的大小，调整输出ＰＷＭ输 出的占空比，从而控制充电电流和充电电压的大小， 实现对锂电池的恒流充电和恒压充电过程。 ３软件设计 图８系统软件流程图 第３期 刘鹏飞等：基于ＳＴＭ３２的智能家居系统 ５９ 软件控制部分主要由ＧＳＭ模块收发信息、人机 界面、４３３ ＭＨｚ遥控信号接收、电机驱动控制、电池充 电控制、传感器信号接收等部分构成。系统软件整体 流程如图８所示。系统上电后首先完成系统初始化， 充分发挥电池的效能和使用寿命，必须对充电过程 进行合理有效的管理。充电控制流程如图９所示，首 先系统周期性地检测电池电压，当电池电压小于设 定值时立即进入恒流充电过程（设定值高于涓流充 电过程电压），根据ＡＤＣ采集到的充电电流大小，调 然后检测是否有任务触发，一旦有任务触发则按任务 优先级执行相关任务；如果需要发送信息，则在消息 发送队列中标记，当系统监测到消息标记后立即发送 相应消息；如果发送失败，进入重复发送；如果重复发 送次数超限，则在ＬＣＤ上显示发送错误提示，同时系 整ＰＷＭ的占空比，使充电电流维持在设定的范围 内；同时检测电池电压，当电压满足恒压充电压时， 进入恒压充电过程，根据ＡＤＣ采集到的充电电压，调 整ＰＷＭ的占空比，使充电电压维持在设定的范围 内；并检测充电电流的大小，当电流小于１３０ ｍＡ时进 统放弃本次发送任务，继续进行任务检测Ｌ８Ｊ。 ３．１电池充电软件设计 行延时累计，当满足延时条件时关闭ＰＷＭ输出完成 本次充电ｌ ９ｌ。实验测量证明，充电电压的精度优于 １％，可以满足锂电池充电要求。 Ｎ由于系统使用２４ Ｖ锂电池作为备用电源，为了 电池电压检测 龟压是杏＼＼ 过低，进人＞ ＰＷＭ占空比增大１ 流充 ／ ／＾＼ 妻是灌苗 二＝＝＞ Ｙ 充电电流是否过 ＰＷＭ占空比减小Ｉ 登爹 Ｊ Ｙ ＇ ＰＷＭ占空比增大１％ 否超 Ｎ 延时累计 图９充电控制流程图 ３．２ ＴＣ３５发送信息软件设计 ＴＣ３５模块用于用户手机与主控制板的远程通 测是否有要发送的报警信息，如果有则立即发送相 关信息；如果失败则重复发送，直至发送次数超限； 如果没有要发送的信息，则检测是否接收到了新信 信，主要包括发送报警信息、接收用户控制命令和发 息；如果收到新信息则先比对号码是否为用户手机 送命令应答等功能。工作流程如图１Ｏ所示，软件检 号码；如果是则立即提取信息，并根据信息执行相应 光电技术应用 第２８卷 图１０ ＴＣ３５发送信息流程图 动作，在执行动作后还要向用户发送命令执行应答； 如果为无效号码或无效信息则不作任何动作，继续 进行检测 。 【２】 张磷，陶琳，袁江南，等．基于ＧＳＭ网络的远程温湿度检 测系统的研究及实现『Ｊ１．电子技术应用，２０１２，３８（６）： ９３—９６． 文中以ＳＴＭ３２Ｆ１０３为控制核心，实现了通过传 【３１ 意法半导体（中国）投资有限公司．ＳＴＭ３２Ｆ系列ＡＲＭ内 感器监控室内环境并由微控制器根据传感器信息控 制开窗机的开关来调节室内环境的目的；同时对于 核３２位高新能控制器件参考手册ｖ１０＿１，２０１０． ｆ４】 周同民．电子电气电路的隔离技术浅探 企业技术开 发，２０ｌ１，３０（１２１：３５—３６． 危险传感器的报警信息通过ＧＳＭ模块发送至用户手 机，用户也可以通过手机远程控制窗的动作，实现了 远程报警和远程控制的功能。为了增强系统的可靠 ［５］ 杨小晨，王欣．高精度线性光耦ＨＣＮＲ２００／２０１及其应用 【Ｊ１＿仪器仪表用户，２００３，１０（５）：４１—４２． 性，系统采用了主控制部分与外部输入输出信号完 全隔离的设计，使系统具有了很强的抗干扰能力及 环境适应性。本系统已在现场安装使用，运行稳定 可靠，控制精确。 参考文献 ［１】 叶国伟，智能家居市场现状与趋势［Ｊ】．中国建设信息 ２０１２（９１：５４—５５． Ｉ６ ６］潘斌，郭红霞．短息ＴＣ３５ｉ的外围电路设计［Ｊ］＿单片机与 嵌入式系统应用，２００４ ｆ７１：３８—４１． 【７］ 师公社，陈超波．并网能馈维护性放电应急照明系统的 设计『ＪＪ．西安工业大学学报，２００８，２８（１）：５９—６１． ［８】 刘军．例说ＳＴＭ３２［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０１ １． 【９】 贾英江，傅孝忠，王耀济，等．锂电池充电方法分析［Ｊ】．科 技资讯，２００９（２）：１２３． ［１０］冯金超，张秀娟．智能家居系统中的短信收发程序设计 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