基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

发布时间：2024-11-17

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

摘要

科技改变生活，科技为人类带来了更舒适更方便的解决方案，智能家居是现代化科技的体现，智能家居也正是在应人们需求下而产生的。

本设计的内容是设计一个基于ARM的智能家居远程监控系统。整个硬件控制系统有以下模块：控制主机STM32F103VET6、无线短信收发模块GPRS(远程监控的主要模块)、用于显示的LCD1602液晶显示屏(显示测量出来的温湿度值)、测量外部环境温湿度的温湿度传感器DHT11，异步电机28BYJ-48(模拟控制窗帘收放用到的控制器)、蜂鸣器(报警用)、LED灯(模拟室内各种灯)、继电器(模拟室内各种电器的控制开关)。

温湿度传感器测量出来的温湿度数值通过LCD1602来显示，当超过设定的阈值将通过GPRS模块发送警报短信到指定的手机上，同时也可以由手机发送特定短信到GPRS上控制LED灯的亮灭、控制28BJY-48步进电机的正反转、读取当前室内的温湿度并发送回手机上，实现远程监控的。

关键词智能家居；远程监控；GPRS；ARM

Abstract

Technology has changed life, science and technology has brought to mankind more comfortable and more convenient solution, smart home is a manifestation of modern technology, smart home is also in demand should be generated by people.

The content of this thesis is to design a remote monitoring system of smart home based on ARM. The entire hardware control system has the following modules: the host controller STM32F103VET6, wireless SMS transceiver module GPRS (the main module of the remote monitoring), LCD display (to display the temperature and humidity measured values), temperature and humidity sensor,DHT11, be used to measure the external environment temperature and humidity, asynchronous motor

28BYJ-48 (analog controller curtain used), a buzzer (alarm), LED light (simulated indoor lamps), a relay (control switch simulation of indoor each kind of electric appliance).

The temperature and humidity value measured by the temperature and humidity sensor and displayed by LCD1602, when more than a set threshold an alarm SMS will be sent by GPRS module to the designated mobile phone, but also can be caused by the mobile phone to send a specific message to the GPRS to control LED light, 28BJY-48 stepper motor reversible, read the current indoor temperature and humidity and sent back to the mobile phone.

Keywords smart home; remote monitoring; GPRS; ARM

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II

第1章绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 .................................................................................................. 1 1.2国外的发展动态 ....................................................................................... 1 1.3 国内的发展动

态 ...................................................................................... 2 1.4 本文各章主要安

排 (2)

第2章各个硬件模块的说明 ............................................................................ 3 2.1 主控模块 .................................................................................................. 3 2.1.1 STM32的系统架构 ............................................................................ 3 2.1.2 STM32F103VET6的内部资源 .......................................................... 4 2.2短信收发模块

GPRS ................................................................................ 7 2.3温湿度测量模

块 ....................................................................................... 8 2.3.1 DHT11的引脚说

明 ............................................................................ 8 2.3.2 DHT11的工作原

理 ............................................................................ 9 2.4 温湿度液晶显示模块

LCD1602 ............................................................ 11 2.4.1 LCD1602的管脚说

明 ...................................................................... 12 2.4.2 LCD1602的特

性 .............................................................................. 12 2.4.3 LCD1602的基本指

令 ...................................................................... 12 2.5 收放窗帘模块步进电机28BJY-48 ....................................................... 14 2.5.1 步进电机的工作原

理 ...................................................................... 14 2.5.2 步进电机的引脚接

线 ...................................................................... 14 2.6 本章小

结 (15)

第3章硬件系统的设计 .................................................................................. 16 3.1 直流稳压电源的设计 ............................................................................ 16 3.2 STM32最小系统的设计 ........................................................................ 17 3.2.1电源的供电方

案 ............................................................................... 17 3.2.2 晶振电

路 .......................................................................................... 17 3.2.3 复位电

路 (18)

III

3.2.4 串口驱动电路 ................................................................................... 18 3.3 步进电机、继电器驱动电路设计 ......................................................... 19 3.4 本章小

结 (20)

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

第4章软件程序的设计 ................................................................................... 21 4.1 主函数及TIM2中断服务函数设计 ...................................................... 21 4.1.1 主函数及TIM2中断服务函数程序代码 ........................................ 21 4.1.2 主函数及TIM2中断服务函数程序流程图 .................................... 23 4.2 GPRS来信中断处理函数设

计 (24)

来信中断处理函数程序代码 (24)

4.2.2 GPRS来信中断处理流程图 ............................................................. 26 4.3 GPRS 的AT指令 .................................................................................... 27 4.3.1 本设计中用到的AT指令 ................................................................ 27 4.3.2 PDU编

码 ........................................................................................... 27 4.3.3 AT指令的使用程序设计 .................................................................. 29 4.4本章小

结 (31)

结论 (32)

参考文献 (33)

致谢 (35)

附录一整个硬件系统电路图 (36)

附录二开题报告说明 (37)

附录三文献综述 (38)

附录四中期报告 (39)

附录五外文文献及其翻译 (40)

附录六完整的程序代码 (41)

4.2.1 GPRS

第1章绪论

1.1 课题背景

随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分——智能家居控制系统也越发显得重要。智能家居控制器可以为系统提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗[1]。而且在现在这个注重绿色环保的世界里，智能的为住户控制好空气的湿度、温度等，检查分析空气成分，让住户安心入住。家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。在科学技术日新月异的今天，智能家居产品也在不断发展寻求突破，用智能的方式缓和、解决社会矛盾，这是本课题的目的及意义所在。

1.2国外的发展动态

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

1984年，世界上第一座智能建筑在美国的康涅迪格州建成，这座意义不一般的智能建筑是对一座旧式大楼在一定程度上的改造而完成的。它只是采用计算机系统对大楼的照明、空调、电梯等设备进行监控，并提供情报资料、语音通信、电子邮件等方面的信息服务。2000年，新加坡大约有5000户家庭采用了这种家庭智能家居化系统，而与此同时，美国采用这种智能家居化系统的用户已高达4万户。目前，在国外的家庭智能化系统技术己经越来越成熟，预计今后，越来越多的新房将会安装具有一定的“智能家居化”功能的系统。于此同时，由于科学技术的发展日益标准化，这些新型智能家居系统将会比世界首富比尔. 盖茨耗资六千万美元的高端智能家居别墅便宜得多。

在家居智能化系统研发方面，美国及一些西方国家一直处于领先地位。近年来，以摩托罗拉公司及美国微软公司等为首的一些国外知名企业，先后加入到智能家居系统的研发中。比如:摩托罗拉公司开发出来的“居所之门”、微软公司开发出来的“梦幻之家”、IBM公司开发出来的“家庭主任”等都以日趋成稳的技术霸占家居市场。此外，亚洲国家日本、韩国、新加坡等国

的领头大企业也纷纷致力于家居智能化的研发，对家居市场更是跃跃欲试。

1.3 国内的发展动态

1990年后，我国的智能家居化住宅小区日益兴起。我国的智能家居化住宅建筑最早起于广州、深圳和上海等沿海发达城市，并慢慢地向内陆发展。在1997年香港回归时，上海的中皇广场在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中被建设部科技委员会评为全国首家“智能住宅示范工程”，从此揭开了我国智能家居住宅小区发展的序幕。1999年，建设部住宅产业化办公室、建设部勘察设计司联合组织实施了全国住宅小区智能化技术示范工程，这也标志着我国的智能家居进入了一个新阶段。随着信息化技术日益普，国家经贸委领头成立了家庭信息网络技术委员会，同时信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。根据建设部的要求，截止今年，大中城市中50%的住宅要实现智能化[2]。

我国的智能家居建设相对于国外起步比较晚，尚未形成一定的国家标准。国内各大硬、软件企业机构正在积极的研发更为符合市场的智能家居化产品，以解决我国当前智能化设备使用复杂、产品价格昂贵及实用性差等缺点，而技术创新能力也逐渐向国际先进水平靠拢，这样智能家居的未来值得我们期待[3-4]。

1.4 本文各章主要安排

本文第二章主要介绍了智能家居控制系统中用到的各个硬件模块，有主控模块STM32F103VET6、GPRS短信收发模块GTM900-B、温湿度测量传感器

DHT11、液晶显示屏LCD1602、步进电机28BYJ-48。

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

第三章主要介绍了硬件系统的设计，重点描述各个功能模块电路图的设计及其功能。

第四章主要介绍了控制系统软件程序的设计，主要有主函数及TIM2中断处理函数的程序设计，GPRS来信中断处理函数的设计以及GPRS的AT指令的PDU编码过程。其中给出了主要程序代码及其程序流程图。

第2章各个硬件模块的说明

2.1 主控模块

本设计整个系统的主控芯片选择的具有ARM内核Cortex-M3的

STM32F103VET6。该芯片属于增强型的32位高性能微控制器，具有100引脚和高达512K字节的闪存存储器。

2.1.1 STM32的系统架构

STM32VET6的系统架构包含4个驱动单元：Cortex-M3内核Dcode总线、系统总线、通用DMA1和通用DMA2；4个被动单元：内部闪存存储器Flash、内部数据存储器SRAM、FSMC和AHB到APB的桥。这些单元都是通过一个多级的AHB总线构架相互连接的，如图2-1所示。

ICode: 该总线将闪存指令接口与ARM的Cortex-M3内核的指令总线相连接。指令预取在此总线上完成。

DCode: 该总线将闪存存储器的数据接口和Cortex-M3内核的数据总线相连接(常量加载和调试访问)。

系统总线: 此总线连接Cortex-M3内核的系统总线到总线矩阵，总线矩阵协调着DMA与内核之间的访问。

DMA总线: 此总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相联，总线矩阵协调着CPU的DCode和DMA到内部闪存存储器Flash、内部数据存储器SRAM和外设的访问。

总线矩阵: 该矩阵协调DMA主控总线与内核系统总线间的访问与仲裁，仲裁采用轮换算法。总线矩阵包含4个驱动部件和4个被动部件。 AHB外设通过总线矩阵与系统总线相连，允许DMA访问。

AHB/APB桥(APB): 两个AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。有关连接到每个桥的不同外设的地址映射。在每一次复位以后，所有除SRAM和FLITF以外的外设都被关闭，在使用一个外设之前，必须设置寄存器RCC_AHBENR来打开该外设的时钟

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

图2-1 STM32系统架构

2.1.2 STM32F103VET6的内部资源

STM32F103VET6的引脚图如图2-2所示。

(1) 内核：ARM的32位Cortex-M3微处理器；最高达72MHZ频率，Cortex-M3内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32位的。Cortex-M3采用了哈佛结构，拥有独立的Dcode总线和Icode总线，可以让数据访问和取指并行不悖，这样数据访问就不再占用Icode总线，从而提升了工作性能。为实现这个特性，Cortex-M3内部含有好几条总线接口，每条都为自己的应用场合而优化过，并且它们可以并行工作。

第2章各个硬件模块的说明

图2-2 STM32F103VET6引脚图

(2) 存储器：512KB的闪存程序存储器；64K字节的静态数据存储器

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

SRAM，它可以以字节、半字(16位)或全字(32位)访问。

(3) 时钟和电源管理：

基于ARM的嵌入式智能家居远程监控系统设计.

(a) 三种不同的时钟源可被用来驱动系统时钟(SYSCLK)：1) HSI振荡器时钟；2) HSE振荡器时钟；3) PLL时钟。

(b) STM32的工作电压(VDD)为2.0～3.6V，通过内置的电压调节器提供所需的

1.8V电源；

(d) 一个完整的上电复位(POR)和掉电复位(PDR)电路；

(e) 可有3种不同工作模式的电压调节器；