智能家居控制系统的模块化设计研究.docx

智能家居控制系统的模块化设计研究由于科学技术的进步，"智能"渐渐融入到人们的生活当中，从智能手机的诞生到现在智能家居的开发，智能产品在人们生活中越来重要。基于人们的需求，于是造就了智能产品广阔的市场。智能家居的设计便具有了重要意义，一种好的设计思路就显得尤为重要了。本文就模块化设计思路在智能家居控制系统中的应用进行了探究。1.系统总体设计系统以 STM32F407 单片机为控制核心，进行了软硬件的设计。硬件电路主要设计了单片机最小系统、网络连接模块、摄像头模块、温湿度传感器模块、LCD 模块、继电器模块。2.各模块的硬件设计2.1 STM32F407 最小系统STM32F407 单片机是意法半导体有限公司生产的一款低功耗、基于 A R M 内核的高性能 32 位微控制器，具有 1MBFlash、192+4Kbytes RAM、80 个 I/O 接口线、看门狗定时器、3 个 ADC、2 个 DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、以太网 MAC、照相机接、CRC 计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设。任何一个处理器都必须拥有一个最小系统才能正常工作，我们所设计的 STM32F407 最小系统包括一个 25MHz 晶振电路和一个 Power On Reset 电路。2.2 网络连接模块设计中考虑到信号收发稳定抗干扰能力等因素，综合考虑后采用W8782无线模组，W8782具有高性能、低功耗的特点，W8782 符合 IEEE802.11N 标准，并且也兼容 IEEE802.11B/G 的标准，W8782 支持 IEEE802.11i 网络安全协议和 IEEE802.11e标准服务质量。W8782 以其极高的兼容性能能够快速、方便的与无线设备互相联通，支持最新的 64 或 128位 WiredEquivalentPrivacy 数据加密，支持 WPA-PSK/WPA2-PSK,WPA/WPA2 安全机制，无线传输速率高达 150M,为普通 11B 产品传输速率的 10 倍左右。W8782 无线模组通过 SDIO 接口连接到单片机的 PA11、PA12、PC8 PC12、PD2 这八个 I/O 口上。W8782 的额定工作电压为 3.3V.2.3 摄像头模块摄像头模块使用的是 C2640-1 模组，其核心部分为OV7670/OV7171 图像传感器，其优点为体积小、工作电压低，并且可以提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。OV7670/OV7171 图像传感器通过 SCCB 总线控制，以整帧的方式输出，输出速度最高可达到 30 帧 / 秒。在使用过程中用户可以完全控制图像的成像质量、数据格式以及传输方式。摄像头模块包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等图像处理功能，并且都可以通过 SCC B 接口编程。豪威科技公司的图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、浮散、托尾等，以提高成像质量，从而得到清晰、稳定的彩色图像。OV7670/O V7171 其功能有：灵敏度高，适合在光照环境差的情况下使用；电压低，适合于嵌入式应用；R aw RG -B,RGB（GRB4:2:2,RGB565/555/444），YUV（4:2:2） 和 YCb Cr（4:2:2） 输出格式1;支持 VGA,CIF 和从 CIF 到 40x30 的各种尺寸；采用 Vario Pixel 子采样方式；自动影响控制功能包括：自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡，自动消除灯光条纹、自动黑电平校准2.图像质量控制包括色饱和度、色相、伽玛、锐度和 ANTI_BLOOM;ISP 具有消除噪声和坏点补偿的功能；0 60Hz 自动检测；饱和度自动调节（即UV 调整）；对图像边缘增强并进行自动调节；降噪自动调节。在物联网智能家居中的无线防盗与控制中是我们监测家居中实时情况中的一个核心部分，它能让我们随时掌握家中的情况，大大提高的家居中的安全系数。摄 像 头 模 块 连 接 到 了 单 片 机 的 PA4、PA6、PA8、PB6 PB9、PC6、PC7、PD5、PD6、PE0 PE4I/O 口上。电源接口接入了电路中的 3.3V 电源系统。2.4 温湿度传感器模块在本设计中我们所采用的温湿度模块的核心是 DHT11 数字温湿度传感器。DHT11 是一款含有能校准数字信号输出的温度和湿度复合型的传感器。DHT11 应用独有的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性3.我们所采用的传感器包括电阻式感湿元件和 NTC 测温元件。因此该产品具有品质极佳、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。每个 DHT11 传感器都在校验室中进行过极为精确校准。校准系数储存在 OTP 内存中，每当系统工作时便会调用储存在传感器内部的校准数据与所测得的数据进行比对分析，从而得出所测量环境的温湿度数据。使用单线制串行接口技术，使系统集成操作简单而且反应变得更加灵敏。DHT11 既有超小体积，又有极低功耗的特点，而且传输距离远，故而使用 DHT11 数字温湿度传感器为最佳的选择。DHT11 数字温湿度传感器应用领域有：暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器等领域。DHT11 数字温湿度传感器通过 PE6I/O 口向单片机传输环境的温湿度数据。2.5 LCD 模块LCD 模块采用的是 1.44 寸，分辨率为 128×128,3/4线 SPI 接口 T FT 彩色液晶屏。LCD 主要参数：显示色彩为65K,分辨率是128×128,点距为0.1992（H）×0.207（V）（mm），显示类型为全透型，背光灯颜色及类型：白色 LE D 背光，背光 LED 驱动电压：15m A/3.2V,显示屏的外形尺寸为33.26×38.00×2.60 mm,可视面积：27.10×28.64 mm,点阵区面积：25.50×26.50mm,使用寿命长达 100000h,屏幕工作温度在 -20 摄氏度到 70 摄氏度之间，其响应时间为0.1（ms）。LCD 模块通过 PE10 PE15 I/O 口连接到单片机。2.6 继电器模块继电器模块使用的是 1 路 10A 光耦隔离继电器模块，继电器输出回路的常开接口最大负载为交流 250V/10A 或直流 30V/10A;输入回路与输出回路采用贴片光耦隔离，因此驱动能力强、性能稳定的特点；输入回路额定工作电压为5V,触发电流为 5m A;模块可以采用高电平触发或低电平触发。继电器模块本身包含了容错设计，控制端不发出信号更改指令，即使控制线断，继电器也不会改变当前工作状态；而且接口设计人性化，连接方便。继电器模块控制系统的接口有 DC+（电源正极接口）、DC-（电源负极接口）、IN（信号触发接口），被控制系统有 NO（继电器常开接口）、COM（继电器公用接口）、NC（继电器常闭接口）。单片机系统通过 PB2 I/O 口控制继电器。3.软件设计思路软件设计依据各个功能模块进行模块化设计。先设计一个主程序使单片机能正常工作，再将各功能模块的程序写成子程序，主程序通过调用子程序使各功能模块都能连接到单片机并正常工作。4.总结基于物联网的智能家居控制系统不论是硬件还是软件的设计都采用了模块化设计。模块化设计是基于电路设计的一种设计思路，这种思路是将总设计要实现的所有功能都单独设计，单独实现，然后再将所有的单独设计串联起来，达到总设计的预定功能。模块化设计在设计时更加简洁明了，思路清晰。因为各模块独立设计，所以在设计出现故障时更容易查找和维修，大大降低了维修成本。通过本设计可以证明在智能家居领域也可以采用这种设计思路，而且这种设计思路也更具优势。参考文献1 李林，应用光学 M,北京：北京理工大学出版社，2010 年 .2Mardia K V, Hainsworth T J. A spatial thresholding methodfor image segmentationJ. IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 1988, 10（6）：919-927.3 秦伟 . 温湿度监测系统设计 D. 长安大学，2013.