基于ARM的嵌入式智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要科技改變生活，科技為人類(lèi)帶來(lái)了更舒適更方便的解決方案，智能家居是現(xiàn)代化科技的體現(xiàn)，智能家居也正是在應(yīng)人們需求下而產(chǎn)生的。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)硬件控制系統(tǒng)有以下模塊：控制主機(jī)STM32F103VET6、無(wú)線(xiàn)短信收發(fā)模塊GPRS(遠(yuǎn)程監(jiān)控的主要模塊)、用于顯示的LCD1602液晶顯示屏(顯示測(cè)量出來(lái)的溫濕度值)、測(cè)量外部環(huán)境溫濕度的溫濕度傳感器DHT11，異步電機(jī)28BYJ-48(模擬控制窗簾收放用到的控制器)、蜂鳴器(報(bào)警用)、LED燈(模擬室內(nèi)各種燈)、繼電器(模擬室內(nèi)各種電器的控制開(kāi)關(guān))。溫濕度傳感器測(cè)量出來(lái)的溫濕度數(shù)值通過(guò)LCD1602來(lái)顯示，當(dāng)

2、超過(guò)設(shè)定的閾值將通過(guò)GPRS模塊發(fā)送警報(bào)短信到指定的手機(jī)上，同時(shí)也可以由手機(jī)發(fā)送特定短信到GPRS上控制LED燈的亮滅、控制28BJY-48步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、讀取當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度并發(fā)送回手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的。關(guān)鍵詞 智能家居；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPRS；ARMAbstractTechnology has changed life, science and technology has brought to mankind more comfortable and more convenient solution, smart home is a manifestation of modern tec

3、hnology, 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 (th

4、e 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),

5、 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 t

6、he 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; ARMI

7、I目 錄摘要 . I Abstract . II第1章 緒論 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2國(guó)外的發(fā)展動(dòng)態(tài) . 1 1.3 國(guó)內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài) . 2 1.4 本文各章主要安排 . 2III來(lái)信中斷處理函數(shù)程序代碼 . 24結(jié)論 . 32參考文獻(xiàn) . 33致謝 . 35附錄一 整個(gè)硬件系統(tǒng)電路圖 . 36附錄二 開(kāi)題報(bào)告說(shuō)明 . 37附錄三 文獻(xiàn)綜述 . 38附錄四 中期報(bào)告 . 39附錄五 外文文獻(xiàn)及其翻譯 . 40附錄六 完整的程序代碼 . 41IV第1章 緒論第1章 緒論1.1 課題背景隨著科技的提高，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平的提高，對(duì)家居環(huán)境的要求也越來(lái)越高，作為家居智能化

8、的核心部分智能家居控制系統(tǒng)也越發(fā)顯得重要。智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供智能控制方案，使住戶(hù)的控制更便捷，更高效，更能為家庭的日常活動(dòng)節(jié)約不必要的能耗1。而且在現(xiàn)在這個(gè)注重綠色環(huán)保的世界里，智能的為住戶(hù)控制好空氣的濕度、溫度等，檢查分析空氣成分，讓住戶(hù)安心入住。家居智能化控制的開(kāi)發(fā)和建設(shè)是未來(lái)國(guó)家、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，智能家居產(chǎn)品也在不斷發(fā)展尋求突破，用智能的方式緩和、解決社會(huì)矛盾，這是本課題的目的及意義所在。1.2國(guó)外的發(fā)展動(dòng)態(tài)1984年，世界上第一座智能建筑在美國(guó)的康涅迪格州建成，這座意義不一般的智能建筑是對(duì)一座舊式大樓在一定程度上的改造而完成的。它只是采用計(jì)算機(jī)系

9、統(tǒng)對(duì)大樓的照明、空調(diào)、電梯等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并提供情報(bào)資料、語(yǔ)音通信、電子郵件等方面的信息服務(wù)。2000年，新加坡大約有5000戶(hù)家庭采用了這種家庭智能家居化系統(tǒng)，而與此同時(shí)，美國(guó)采用這種智能家居化系統(tǒng)的用戶(hù)已高達(dá)4萬(wàn)戶(hù)。目前，在國(guó)外的家庭智能化系統(tǒng)技術(shù)己經(jīng)越來(lái)越成熟，預(yù)計(jì)今后，越來(lái)越多的新房將會(huì)安裝具有一定的“智能家居化”功能的系統(tǒng)。于此同時(shí)，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日益標(biāo)準(zhǔn)化，這些新型智能家居系統(tǒng)將會(huì)比世界首富比爾. 蓋茨耗資六千萬(wàn)美元的高端智能家居別墅便宜得多。在家居智能化系統(tǒng)研發(fā)方面，美國(guó)及一些西方國(guó)家一直處于領(lǐng)先地位。近年來(lái)，以摩托羅拉公司及美國(guó)微軟公司等為首的一些國(guó)外知名企業(yè)，先后加入到智

10、能家居系統(tǒng)的研發(fā)中。比如:摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的“居所之門(mén)”、微軟公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的“夢(mèng)幻之家”、IBM公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的“家庭主任”等都以日趨成穩(wěn)的技術(shù)霸占家居市場(chǎng)。此外，亞洲國(guó)家日本、韓國(guó)、新加坡等國(guó)1的領(lǐng)頭大企業(yè)也紛紛致力于家居智能化的研發(fā)，對(duì)家居市場(chǎng)更是躍躍欲試。1.3 國(guó)內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)1990年后，我國(guó)的智能家居化住宅小區(qū)日益興起。我國(guó)的智能家居化住宅建筑最早起于廣州、深圳和上海等沿海發(fā)達(dá)城市，并慢慢地向內(nèi)陸發(fā)展。在1997年香港回歸時(shí)，上海的中皇廣場(chǎng)在建設(shè)部“97跨世紀(jì)住宅小區(qū)案競(jìng)賽活動(dòng)”中被建設(shè)部科技委員會(huì)評(píng)為全國(guó)首家“智能住宅示范工程”，從此揭開(kāi)了我國(guó)智能家居住宅小區(qū)發(fā)展的序幕。1999

11、年，建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化辦公室、建設(shè)部勘察設(shè)計(jì)司聯(lián)合組織實(shí)施了全國(guó)住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程，這也標(biāo)志著我國(guó)的智能家居進(jìn)入了一個(gè)新階段。隨著信息化技術(shù)日益普，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委領(lǐng)頭成立了家庭信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)，同時(shí)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)已經(jīng)被列為了國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃。根據(jù)建設(shè)部的要求，截止今年，大中城市中50%的住宅要實(shí)現(xiàn)智能化2。我國(guó)的智能家居建設(shè)相對(duì)于國(guó)外起步比較晚， 尚未形成一定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)各大硬、軟件企業(yè)機(jī)構(gòu)正在積極的研發(fā)更為符合市場(chǎng)的智能家居化產(chǎn)品，以解決我國(guó)當(dāng)前智能化設(shè)備使用復(fù)雜、產(chǎn)品價(jià)格昂貴及實(shí)用性差等缺點(diǎn)，而技術(shù)創(chuàng)新能力也逐漸向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏，這樣智能家居的未來(lái)值得我

12、們期待3-4。1.4 本文各章主要安排本文第二章主要介紹了智能家居控制系統(tǒng)中用到的各個(gè)硬件模塊，有主控模塊STM32F103VET6、GPRS短信收發(fā)模塊GTM900-B、溫濕度測(cè)量傳感器DHT11、液晶顯示屏LCD1602、步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48。第三章主要介紹了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)描述各個(gè)功能模塊電路圖的設(shè)計(jì)及其功能。第四章主要介紹了控制系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)，主要有主函數(shù)及TIM2中斷處理函數(shù)的程序設(shè)計(jì)，GPRS來(lái)信中斷處理函數(shù)的設(shè)計(jì)以及GPRS的AT指令的PDU編碼過(guò)程。其中給出了主要程序代碼及其程序流程圖。2第2章 各個(gè)硬件模塊的說(shuō)明第2章 各個(gè)硬件模塊的說(shuō)明2.1 主控模塊本設(shè)計(jì)整個(gè)

13、系統(tǒng)的主控芯片選擇的具有ARM內(nèi)核Cortex-M3的STM32F103VET6。該芯片屬于增強(qiáng)型的32位高性能微控制器，具有100引腳和高達(dá)512K字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器。STM32VET6的系統(tǒng)架構(gòu)包含4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元：Cortex-M3內(nèi)核Dcode總線(xiàn)、系統(tǒng)總線(xiàn)、通用DMA1和通用DMA2；4個(gè)被動(dòng)單元：內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器Flash、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM、FSMC和AHB到APB的橋。這些單元都是通過(guò)一個(gè)多級(jí)的AHB總線(xiàn)構(gòu)架相互連接的，如圖2-1所示。ICode: 該總線(xiàn)將閃存指令接口與ARM的Cortex-M3內(nèi)核的指令總線(xiàn)相連接。指令預(yù)取在此總線(xiàn)上完成。DCode: 該總線(xiàn)將閃存存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)接

14、口和Cortex-M3內(nèi)核的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連接(常量加載和調(diào)試訪(fǎng)問(wèn))。系統(tǒng)總線(xiàn): 此總線(xiàn)連接Cortex-M3內(nèi)核的系統(tǒng)總線(xiàn)到總線(xiàn)矩陣，總線(xiàn)矩陣協(xié)調(diào)著DMA與內(nèi)核之間的訪(fǎng)問(wèn)。DMA總線(xiàn): 此總線(xiàn)將DMA的AHB主控接口與總線(xiàn)矩陣相聯(lián)，總線(xiàn)矩陣協(xié)調(diào)著CPU的DCode和DMA到 內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器Flash、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM和外設(shè)的訪(fǎng)問(wèn)?？偩€(xiàn)矩陣: 該矩陣協(xié)調(diào)DMA主控總線(xiàn)與內(nèi)核系統(tǒng)總線(xiàn)間的訪(fǎng)問(wèn)與仲裁，仲裁采用輪換算法?？偩€(xiàn)矩陣包含4個(gè)驅(qū)動(dòng)部件和4個(gè)被動(dòng)部件。 AHB外設(shè)通過(guò)總線(xiàn)矩陣與系統(tǒng)總線(xiàn)相連，允許DMA訪(fǎng)問(wèn)。AHB/APB橋(APB): 兩個(gè)AHB/APB橋在AHB和2個(gè)APB總線(xiàn)間提供同步

15、連接。APB1操作速度限于36MHz，APB2操作于全速(最高72MHz)。 有關(guān)連接到每個(gè)橋的不同外設(shè)的地址映射。在每一次復(fù)位以后，所有除SRAM和FLITF以外的外設(shè)都被關(guān)閉，在使用一個(gè)外設(shè)之前，必須設(shè)置寄存器RCC_AHBENR來(lái)打開(kāi)該外設(shè)的時(shí)鐘3圖2-1 STM32系統(tǒng)架構(gòu)STM32F103VET6的引腳圖如圖2-2所示。(1) 內(nèi)核：ARM的32位Cortex-M3微處理器；最高達(dá)72MHZ頻率，Cortex-M3內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。Cortex-M3采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的Dcode總線(xiàn)和Icode總線(xiàn)，可以讓數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和取指并行不悖

16、，這樣數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)就不再占用Icode總線(xiàn)，從而提升了工作性能。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)特性，Cortex-M3內(nèi)部含有好幾條總線(xiàn)接口，每條都為自己的應(yīng)用場(chǎng)合而優(yōu)化過(guò)，并且它們可以并行工作。4第2章 各個(gè)硬件模塊的說(shuō)明圖2-2 STM32F103VET6引腳圖(2) 存儲(chǔ)器：512KB的閃存程序存儲(chǔ)器；64K字節(jié)的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器5SRAM，它可以以字節(jié)、半字(16位)或全字(32位)訪(fǎng)問(wèn)。(3) 時(shí)鐘和電源管理：(a) 三種不同的時(shí)鐘源可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘(SYSCLK)：1) HSI振蕩器時(shí)鐘；2) HSE振蕩器時(shí)鐘；3) PLL時(shí)鐘。(b) STM32的工作電壓(VDD)為2.03.6V，通過(guò)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)

17、器提供所需的1.8V電源；(c) 獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器供電和參考電壓；(d) 一個(gè)完整的上電復(fù)位(POR)和掉電復(fù)位(PDR)電路；(e) 可有3種不同工作模式的電壓調(diào)節(jié)器；(f) 可編程電壓監(jiān)測(cè)器(PVD)。(4) 通用和復(fù)用功能I/O(GPIO和AFIO)：5組多功能雙向5V兼容的通用I/O端口；可使用復(fù)用功能重新映射到其他一些引腳上。(5) DMA控制器：支持定時(shí)器、ADC、SPI、IIC和USART等外設(shè)。(6) 嵌套向量中斷控制器：(a) 有68個(gè)可屏蔽中斷通道(不包含16個(gè)Cortex-M3的中斷線(xiàn))； (b) 16個(gè)可編程的優(yōu)先等級(jí)(使用了4位中斷優(yōu)先級(jí))；(c) 低延遲的異常和中斷處理；(d) 電源管理控制；(e) 系統(tǒng)控制寄存