基于STM32F107微控制器的家庭智能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于stm32f107微控制器的家庭智能系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 摘 要：本文簡(jiǎn)要敘述了智能家居的發(fā)展及應(yīng)用，采用了基于cortex-m3內(nèi)核的stm32f107互聯(lián)型微控制器作為主控芯片，兩塊stc89c51單片機(jī)作為從機(jī)，通過(guò)rs485實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)的建立，達(dá)到本地控制的目的。同時(shí)經(jīng)分析得出采用紅外線遙控實(shí)現(xiàn)室內(nèi)單個(gè)房間的電器控制具有較好的實(shí)用性與抗干擾能力，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，功能拓展方便。本課題同時(shí)利用stm32f107的以太網(wǎng)10/100 mac模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄，使用stm32f107單片機(jī)構(gòu)建web sever，并在單片機(jī)上移植了精簡(jiǎn)的tcp/ip協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了嵌入式web sever與遠(yuǎn)程瀏覽器

2、的動(dòng)態(tài)交互，使用戶可以在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)利用標(biāo)準(zhǔn)的web瀏覽器（如ie瀏覽器）進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。極大地方便了家庭生活，提升了家居生活的智能化程度。關(guān)鍵詞 ： stm32；rs485；智能家居；以太網(wǎng)；web sever；遠(yuǎn)程登錄；tcp/ip。中圖分類(lèi)號(hào)：tp2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：athe development of intelligent home system based on the microcontroller of stm32f107 abstract: the article briefly describes the development and application of

3、 the smart home, which adopts the internet microcontroller of stm32f107 based on cortex-m3 as the master chip, and two stc89c51 microcontroller as a slave. it achieves to establish the internal control network through the rs485 and gains the goal of local control. meanwhile, according to the analysi

4、s, using the infrared remote electrical to control single room has good practicality and anti-jamming capability. the system is designed to be simple, cost-effective, and easy to expand the functionality.the subject not only takes the advantage of the stm32f107 of ethernet 10/100 mac module to reali

5、ze the remote login, but also uses stm32f107 microcontroller to build web sever and transplants the streamlined tcp / ip protocol in scm to achieve the dynamic interaction of the embedded web sever and remote browser, so that users can use a standard web browser (such as ie browser) for remote acces

6、s and control at any time and any place.key words：stm32; rs485; smart home; ethernet; web sever; remote login; tcp / ip.0 引 言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人民對(duì)物質(zhì)生活與精神生活的要求也逐日高漲，對(duì)生產(chǎn)、生活場(chǎng)所的條件越來(lái)越要求方便、舒適、高效、安全以及環(huán)保節(jié)能，這些需求極大地促進(jìn)了智能家居的應(yīng)用。智能家居這個(gè)概念的形成并引入國(guó)內(nèi)不過(guò)十來(lái)年的時(shí)間，但已在國(guó)內(nèi)興起持續(xù)的浪潮，它的應(yīng)用范圍包括了各個(gè)行業(yè)。智能家居是在物聯(lián)網(wǎng)的影響之下物聯(lián)化體現(xiàn)1。智能家居通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的

7、各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，提供全方位的信息交互功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金2。1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)家庭燈光、窗簾以及其他電氣設(shè)備的控制，本系統(tǒng)采用基于arm cortex-m3內(nèi)核的stm32f107互聯(lián)型

8、微控制器作為主控芯片。系統(tǒng)使用keil-mdk集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為程序設(shè)計(jì)的基本軟件，使用altium designer作為硬件設(shè)計(jì)軟件。整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)使用2塊stc89c51單片機(jī)作為從機(jī)，得以控制不同的房間。整體上系統(tǒng)分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種控制方式：(1)本地控制利用紅外遙控的方式控制主機(jī)，主機(jī)再通過(guò)rs485接口發(fā)送指令給目的從機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部局域控制網(wǎng)的建立；(2)遠(yuǎn)程控制利用stm32f107的以太網(wǎng)接口，通過(guò)websever實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄控制主機(jī)，主機(jī)進(jìn)而通過(guò)rs485總線控制各個(gè)從機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。各個(gè)從機(jī)利用自身的i/0資源，進(jìn)行燈光控制和繼電器的控制。本系統(tǒng)采用的核心芯片是意

9、法半導(dǎo)體集團(tuán)的stm32f107vct6，該處理器基于arm v7架構(gòu)的cortex-m3內(nèi)核，主頻72m，內(nèi)部含有256k字節(jié)的flash和64k字節(jié)的sram,lqfp100封裝。stm32f107屬于互聯(lián)型系列，資源非常豐富，比其他系列多了usb2.0 otg全速接口和以太網(wǎng)ieee1588接口。具有以太網(wǎng)接口是我選擇這款芯片的一大原因。cortex-m3內(nèi)核包含一個(gè)適用于傳統(tǒng)thumb和新型thumb-2指令的譯碼器、一個(gè)支持硬件乘法和硬件除法的先進(jìn)alu、控制邏輯和用于連接處理器其他部件的接口。cortex-m3處理器是一個(gè)32位處理器，帶有32位寬的數(shù)據(jù)路徑、寄存器庫(kù)和基于傳統(tǒng)ar

10、m7處理器的系統(tǒng)只支持訪問(wèn)對(duì)齊的數(shù)據(jù)，沿著對(duì)齊的字邊界即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和存儲(chǔ)3。cortex-m3處理器是專為那些對(duì)成本和功耗非常敏感但同時(shí)對(duì)性能要求又相當(dāng)高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。憑借縮小的內(nèi)核尺寸和出色的中斷延遲性能、集成的系統(tǒng)部件、靈活的配置、簡(jiǎn)單的高級(jí)編程和強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，cortex-m3處理器將成為從復(fù)雜的芯片系統(tǒng)到低端微控制器等各種系統(tǒng)的理想解決方案4。2 智能家庭系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)模塊分為以下幾個(gè)個(gè)模塊：mcu主芯片最小板、stc89c51從機(jī)模塊、電源電路、led顯示模塊、繼電器控制模塊、rs485模塊、紅外接收模塊、以太網(wǎng)模塊。總體硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示：紅外遙控總線stm3

11、2f107rs48589c5189c51rj45接口繼電器繼電器燈光燈光圖 1 總體硬件系統(tǒng)框圖此智能家庭系統(tǒng)外部網(wǎng)絡(luò)采用了以太網(wǎng)技術(shù)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用基于rs485總線的主從網(wǎng)絡(luò)。所以本地控制的核心電路部分為rs485電路和紅外解碼電路。遠(yuǎn)程控制的核心電路部分為以太網(wǎng)電路。下面對(duì)這兩部分電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.1 rs485模塊電路rs485標(biāo)準(zhǔn)接口是單片機(jī)系統(tǒng)種常用的一種串行總線之一。rs-485通信方式rs-485標(biāo)準(zhǔn)是由eia(電子工業(yè)協(xié)會(huì))和tia(通訊工業(yè)協(xié)會(huì))共同制訂和開(kāi)發(fā)的。rs-485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范,已成為業(yè)界最廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。理論上,rs-485標(biāo)

12、準(zhǔn)最多接入32個(gè)設(shè)備(受芯片驅(qū)動(dòng)能力的影響),可以工作在半雙工或全雙工模式下,最大傳輸距離約為1219米,最大傳輸速率約為10mbps。然而通常rs-485網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體,平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比,只有在20kbps的傳輸速率下,才可能達(dá)到最大傳輸距離。一般15米長(zhǎng)的雙絞線最大傳輸速率僅為1mbps。不過(guò)對(duì)于速率要求不是很高的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了5。本系統(tǒng)中主機(jī)通過(guò)rs485總線向各個(gè)從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，其應(yīng)用框圖如圖2所示：stm32f107微控制器rs485總線信道通道rs485mcu控制信道通道rs485mcu控制圖2 rs485應(yīng)用框圖rs485通過(guò)a、b兩個(gè)線與從

13、機(jī)的txd、rxd相連，rs485總線電路如圖3所示：圖3 rs485電路圖2.2 以太網(wǎng)(ethernet)模塊10/100以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（mac）是基于arm cortex-m3的stm32互聯(lián)系列（connectivity line）微控制器的特色亮點(diǎn)之一。該以太網(wǎng)模塊支持兩種標(biāo)準(zhǔn)接口，連接到外接的物理層（phy）模塊：ieee802.3協(xié)議定義的獨(dú)立于介質(zhì)的接口（mii）和簡(jiǎn)化的獨(dú)立于介質(zhì)的接口（rmii），提高了設(shè)計(jì)人員選擇最佳的phy芯片的靈活性。stm32f107內(nèi)部以太網(wǎng)模塊與外部phy芯片采用rmii接口的連接圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用高性價(jià)比的dm9161作為10m/1

14、00m以太網(wǎng)phy芯片，采用rmii接口與連接，標(biāo)準(zhǔn)rj45接口，支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)。dm9161a是用于100base-tx和10base-t以太網(wǎng)物理層的單芯片、低功耗收發(fā)器。在媒介一側(cè)，它提供了一個(gè)直接接口，對(duì)于100base-tx快速以太網(wǎng)使用非屏蔽5類(lèi)雙絞線，對(duì)于10base-t以太網(wǎng)使用5類(lèi)/3類(lèi)雙絞線。圖4 stm32f107以太網(wǎng)rmii連接圖stm32f107內(nèi)部以太網(wǎng)和以太網(wǎng)芯片相連接，其原理圖如圖5所示：圖5 以太網(wǎng)接口原理圖3 智能家庭系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1家居系統(tǒng)工作軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中，控制方式只要分為兩種：紅外遙控和以太網(wǎng)遠(yuǎn)程登錄控制。軟件設(shè)計(jì)根據(jù)這兩種控制方式來(lái)

15、進(jìn)行，系統(tǒng)的軟件程序流圖如圖6所示。核心控制器接收信號(hào)分別來(lái)自紅外遙控器和以太網(wǎng)，同時(shí)根據(jù)不同的控制信號(hào)，通過(guò)rs485總線向下發(fā)送地址數(shù)據(jù)，當(dāng)從機(jī)和該地址數(shù)據(jù)相匹配后，向主機(jī)回復(fù)應(yīng)答數(shù)據(jù)，主機(jī)接收到應(yīng)答信息后向該從機(jī)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，而后，該從機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)向設(shè)備端發(fā)送設(shè)備控制指令，控制燈光或繼電器工作。核心控制器可以同時(shí)接收紅外遙控信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，但是會(huì)以遙控信號(hào)為優(yōu)先控制信號(hào)，然后再處理網(wǎng)絡(luò)端傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)。開(kāi)始系統(tǒng)初始化紅外遙控信號(hào)？yn紅外解碼指令解析y以太網(wǎng)控制信號(hào)？yn等待信號(hào)讀取數(shù)據(jù)通過(guò)總線發(fā)送數(shù)據(jù)讀取地址n從機(jī)1？從機(jī)2？向從機(jī)1發(fā)送數(shù)據(jù)向從機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)yn等待信號(hào)控制房間1

16、相應(yīng)設(shè)備控制房間2相應(yīng)設(shè)備循環(huán)等待圖6 系統(tǒng)的主程序流圖3.2 通訊協(xié)議當(dāng)通訊命令發(fā)送至儀器時(shí)，符合相應(yīng)地址碼的設(shè)備接通訊命令，并除去地址碼，讀取信息，如果沒(méi)有出錯(cuò)，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)；然后把執(zhí)行結(jié)果返送給發(fā)送者。返送的信息中包括地址碼、執(zhí)行動(dòng)作的功能碼、執(zhí)行動(dòng)作后結(jié)果的數(shù)據(jù)以及錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。如果出錯(cuò)就不發(fā)送任何信息6。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用的信息幀包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)碼和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼，其結(jié)構(gòu)如表1所示。表1 信息幀結(jié)構(gòu)地址碼功能碼數(shù)據(jù)區(qū)錯(cuò)誤校驗(yàn)碼8位8位n 8位16位地址碼：地址碼是信息幀的第一字節(jié)(8位)，從0到255。這個(gè)字節(jié)表明由用戶設(shè)置地址的從機(jī)將接收由主機(jī)發(fā)送來(lái)的信息。每個(gè)從機(jī)都必須有唯一的

17、地址碼，并且只有符合地址碼的從機(jī)才能響應(yīng)回送。表2列出了不同地址所代表的含義。表2 地址碼代碼含義操作011號(hào)從機(jī)地址選擇1號(hào)從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)022號(hào)從機(jī)地址選擇2號(hào)從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)功能碼：主機(jī)發(fā)送的功能碼告訴從機(jī)執(zhí)行什么任務(wù)。表3列出的功能碼都有具體的含義及操作。表3功能碼代碼含義操作01開(kāi)燈打開(kāi)所選擇房間的燈光02關(guān)燈關(guān)閉所選擇房間的燈光10開(kāi)設(shè)備1打開(kāi)所選擇單片機(jī)所控制的1號(hào)繼電器連接的設(shè)備11開(kāi)設(shè)備2打開(kāi)所選擇單片機(jī)所控制的2號(hào)繼電器連接的設(shè)備12開(kāi)設(shè)備3打開(kāi)所選擇單片機(jī)所控制的3號(hào)繼電器連接的設(shè)備13開(kāi)設(shè)備4打開(kāi)所選擇單片機(jī)所控制的4號(hào)繼電器連接的設(shè)備數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)包含需要從機(jī)執(zhí)行什么動(dòng)作或

18、由從機(jī)采集的返送信息。這些信息可以是數(shù)值、參考地址等等。例如，功能碼告訴從機(jī)讀取寄存器的值，則數(shù)據(jù)區(qū)必需包含要讀取寄存器的起始地址及讀取長(zhǎng)度。對(duì)于不同的從機(jī)，地址和數(shù)據(jù)信息都不相同。錯(cuò)誤校驗(yàn)碼：主機(jī)或從機(jī)可用校驗(yàn)碼進(jìn)行判別接收信息是否出錯(cuò)。有時(shí)，由于電子噪聲或其它一些干擾，信息在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，錯(cuò)誤校驗(yàn)碼保證了主機(jī)或從機(jī)對(duì)在傳送過(guò)程中出錯(cuò)的信息不起作用。這樣增加了系統(tǒng)的安全和效率。錯(cuò)誤校驗(yàn)采用crc-16校驗(yàn)方法。注：信息幀的格式都基本相同：地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。3.3以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)telnet遠(yuǎn)程登陸 遠(yuǎn)程登陸是指用戶使用telnet命令，使自己的計(jì)算機(jī)暫時(shí)成為遠(yuǎn)程主機(jī)

19、的一個(gè)仿真終端的過(guò)程。仿真終端等效于一個(gè)非智能的機(jī)器，它只負(fù)責(zé)把用戶輸入的每個(gè)字符傳遞給主機(jī)，再將主機(jī)輸出的每個(gè)信息回顯在屏幕上。 telnet(teletype network)用于遠(yuǎn)程登錄，屬于客戶機(jī)/服務(wù)器模型的服務(wù)，使得在本地主機(jī)（telnet客戶端）上操作和控制遠(yuǎn)程服務(wù)器（telnet服務(wù)器）。它提供遠(yuǎn)程登錄功能，使用戶在本地主機(jī)上運(yùn)行telnet客戶端就可登錄到遠(yuǎn)端的telnet服務(wù)器。在本地輸入的命令可以在服務(wù)器上運(yùn)行，服務(wù)器把結(jié)果返回到本地，就像直接在服務(wù)器控制臺(tái)上操作一樣，從而達(dá)到遠(yuǎn)程操作與控制服務(wù)器的目的。 telnet分為telnet客戶端和telnet服務(wù)器程序。tel

20、net協(xié)議即是一種常見(jiàn)的遠(yuǎn)程登錄應(yīng)用協(xié)議。telne協(xié)議是tcp/ip協(xié)議簇中的一員，是internet遠(yuǎn)程登陸服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和主要方式。 本系統(tǒng)利用第2節(jié)所介紹的硬件平臺(tái)配合移植好的tcp/ip協(xié)議棧代碼成功實(shí)現(xiàn)了telnet遠(yuǎn)程登陸與http內(nèi)嵌網(wǎng)頁(yè)，支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)，一根網(wǎng)線就可以很方便地與路由器或pc相連接，連接后可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和控制板上的資源，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。 http協(xié)議即超文本傳輸協(xié)議，是一種應(yīng)用層協(xié)議。http可以通過(guò)傳輸層的tcp協(xié)議在客戶端和服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)，其工作方式采用了請(qǐng)求/響應(yīng)的工作方式?？蛻舳嗽诿看蜗蚍?wù)器發(fā)出請(qǐng)求后，服務(wù)器就會(huì)向客戶端返回響應(yīng)消息（

21、包括請(qǐng)求是否正確以及所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)），在確認(rèn)客戶端已經(jīng)收到響應(yīng)消息后，服務(wù)端就會(huì)關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。在這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，并不保存任何歷史信息和狀態(tài)信息，因此，http協(xié)議也被認(rèn)為是無(wú)狀態(tài)的協(xié)議，圖7描繪了http協(xié)議的通訊過(guò)程：圖7 http協(xié)議的通訊過(guò)程 本系統(tǒng)中，客戶機(jī)即為各種可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，包括電腦、手機(jī)等可通過(guò)瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁(yè)的設(shè)備，服務(wù)器即為stm32f107微控制器模擬的websever。用戶可通過(guò)瀏覽器登陸stm32f107所預(yù)設(shè)的html網(wǎng)頁(yè)，即可向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，進(jìn)而開(kāi)始一個(gè)請(qǐng)求/響應(yīng)會(huì)話，從而可以進(jìn)一步通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送控制數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到控制家庭電氣設(shè)備的目的7。4 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的智能家庭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家庭設(shè)備的智能化控制，包括本地控制和遠(yuǎn)程控制，具有很好的應(yīng)用性，能夠極大地滿足人們的生活需求，提高家居生活的方便性與高效性。在功能上實(shí)現(xiàn)了居家設(shè)備的可靠的自動(dòng)控制，且其可控制的設(shè)備種類(lèi)十分豐富，基本都能涵蓋生活所需。此系統(tǒng)應(yīng)用了以太網(wǎng)，能夠很好的將家庭控制與網(wǎng)絡(luò)相連接，使人們能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制自己的家庭設(shè)備，同時(shí)，也可在以后添加監(jiān)控模塊，實(shí)時(shí)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控家庭的安全情況，使自己的家更加安全舒適。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)采用紅外遙控的方式，采用了人們熟悉地控制方式更有利