科學技術的高速發展大大提高了人們的生活品質，智能家居作為高品質生活的代表產品越來越受到人們的關注。智能家居是以居家環境為平臺，融合了建筑、通信、網絡、計算機、自動控制等技術形成的，集功能性、服務性、管理性為一體的舒適、安全、便利、環保的居住環境，是高新技術在生活中的典型應用之一。

本文基于Cortex—M3架構的STM32系列芯片，設計開發了一套智能家居系統。本系統以智能家居控制器為核心，包括智能插座、多功能面板、紅外轉發、電動窗簾、窗戶控制模塊、光強度及溫、濕度計等多種智能家居產品，也可與紅外探測器、煙感探測器、門禁控制器、網絡攝像機等安防產品組建智能家居的安防系統。智能家居控制器可通過以太網或Wifi與家庭信息互聯處理中心通訊;各智能產品通過RS485總線方式與控制器通訊。對系統的控制方式包括：上位機控制、觸屏控制，或利用手機、iPAD等移動互聯產品進行控制。如圖1所示為系統示意圖。

1 智能家居控制系統的整體設計

1.1 智能家居控制器

智能家居控制器是智能家居系統的核心處理模塊，是整個智能家居系統的關鍵。本設計中的智能家居控制器基于STM32芯片設計，并根據控制器的功能分為如下幾個模塊：模擬量采集輸入模塊、開關量輸出模塊、RS-485通信模塊、ADC轉換模塊、以太網接口模塊、JTAG模塊、電源模塊、無線通信模塊、輸入、輸出LED顯示模塊。其硬件結構框圖如圖2所示。

1.2 智能家居產品

1.2.1 智能插座

智能插座以STM32系列芯片為核心，內含ADE7753電能芯片、液晶屏、繼電器等，可計量顯示對應家用電器的電量參數，并可設置何時啟動該家用電器的電源，可合理分配家中用電負荷，實現智能電網功能，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。

1.2. 2 多功能面板

多功能面板以STM32系列芯片為核心，包含4路繼電器輸出，可同時控制4路負載(燈、排氣扇等)，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。

1. 2.3 紅外多功能轉發器

紅外轉發器是以STM32系列芯片為核心。可學習、存貯、接收和轉發電視機、空調及其他電器的遙控器紅外信號，可通過485總線與控制器通訊，也可獨立工作。

1.2. 4 觸摸屏

本設計采用的彩色觸摸屏是一套以嵌入式低功耗CPU為核心(主頻400MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏(分辨率800×480)，四線電阻式觸摸屏，高檔塑料結構，工業級低功耗，CPU400MHz，64M內存，64M閃存，1*RS232(隔離接口)，1*RS485(隔離接口)，1*USB接口(一主一從)，24VDC電源輸入，功耗小于7W。同時還預裝了嵌入式實時多任務操作系統組態軟件。可通過485與智能家居控制器通訊，可實現遙控、遙信、遙調及情景模式的設定。

2 智能家居系統的硬件平臺設計

智能家居控制器主要涉及到的硬件部分包括STM32F103VET系列芯片、8路達林頓驅動ULN2803、8路雙向光耦隔離TLP280-4、2路高速光耦隔離6N137、5路RS485 ?SN65LBC184、以太網ENC28J60、FLASH存儲器SST25VF016B。

2. 1 STM32F103VET系列芯片

STM32F103VET系列芯片使用高性能的ARMCortex-M3 ? 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達512k字節的閃存和64K字節的SRAM)帶512k字節閃存的微控制器。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。USB、CAN、11個定時器、3個ADC、13個通信接口。本設計中對STM32F103VET芯片的管腳做了功能劃分，如圖3所示。

2.2 8路達林頓連接晶體管陣列ULN2803

8路NPN達林頓連接晶體管陣列適用于低邏輯電平數字電路(如TTL、CMOS或PMOS/NMOS)和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應用于計算機、工業用和消費類產品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負載中。所有器件具有集電極開路輸出和續流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設計與標準TTL系列兼容，采取AP=DIP18，AFW=SOL18封裝方式，在本設計中ULN2803用于8路繼電器輸出的驅動電路。

2.3 雙向光耦隔離TLP280-4和高速光耦隔離6N137

TLP280-4是一塊超小且超薄的耦合器，適用于貼片安裝，常用于PCMCIA傳真調制解調器、可編程控制器電路中。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內部電路由一個850 ?nm波長AlGaAs ? LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。6N137具有溫度、電流和電壓補償功能，廣泛用于高速數字開關、馬達控制系統和A/D轉換等電路中。本設計中采用TLP280-4構成控制器的8路光耦隔離輸入端電路，采用6N137構成控制器的2路高速光耦隔離輸入端電路。

2.4 RS485接口通信芯片SN65LBC184

本設計中前端智能設備和探測器之間通過SN65LBC184進行半雙工方式通信。

SN65LBC184工作原理電路如圖4所示。由DIR5控制通信方向，當DIR5端為高電平時控制器為接收狀態，反之，控制器則為發送狀態。

2.5 以太網模塊ENC28J60

本設計中各個控制器間可通過以太網口實現與家庭信息互聯處理中心的通信。

2.6 FLASH存儲器SST25VF016B

在本設計中利用FLASH存儲器SST25VF016B存儲各設備的IP地址。

2. 7 ADE7553單相電能計量芯片

ADE7553單相電能計量芯片具有高精度、低功耗的特點。有功電能計量誤差小于0.1%，具有SPI串口通訊方式和DI\DT傳感器接口，使用5V直流電源供電。該芯片內部有很多寄存器，在設計中只需通過對其寄存器進行讀寫操作即可。

2.8 系統供電電路

控制器可提供雙路12V/0.5A的電源輸出，供與之相連的智能產品或模塊使用。電路如圖5所示。

3 智能家居系統的軟件設計

整個智能家居系統的軟件設計主要包括三部分：智能家居上位機管理軟件、智能家居產品(控制器、智能插座、多功能面板等)、觸摸屏。其中，智能家居上位機管理軟件是基于Lab ? VIEW開發環境開發的應用軟件，是系統的集中管理手段和工具。該軟件通過以太網協議和智能家居控制器底層控制協議在應用層面的融合，可實現對家居中安防設備、電氣設備的控制，溫度、燈光等參量的調節，以及場景設置、定時、遠程監控等功能。如圖6所示為上位機管理軟件界面和客廳燈光程序框圖。

智能家居產品的軟件設計基于STM32單片機，采用C語言編寫完成。包含控制器程序和多個設備的驅動程序。智能模塊和控制器間通過RS485接口進行通訊，可以直接使用標準的串口驅動程序。設計驅動程序的大部分工作就是根據硬件結構來“填寫”框架中的函數。主要的函數包括open()、read()、write()、ioctl()、release()、module_init()和module_exit()等。

觸摸屏通過RS485與智能家居控制器通訊，通過預裝的嵌入式實時多任務操作系統組態軟件，實現對家居設備的控制和情境模式的設定。如圖7所示為觸摸屏的界面。

4 結束語

本文設計了一個基于STM32的智能家居系統，包括控制器、智能電度表、智能插座、多功能面板等多個智能家居模塊。同時，配合紅外探測器、煙感探測器、門禁控制器、網絡攝像機等安防產品可組建成完善的智能家居系統。本系統具有控制方式多樣靈活、模塊功能可擴展性強、設備操作簡單易行等優點，適合家庭、教學、實驗開發等多個領域。