基于嵌入式的智能家居系统设计.doc

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1、摘 要由于电子信息工程技术、工业控制技术、多传感器控制技术的快速发展，许多智能家居产品不断出现在人们的日常生活中，人们不再满足于传统的生活方式，因此智能家居控制作为一种更加人性化的、智能化的行业便应运而生变成现实。首先，本文模拟现实家居生活对户型进行3D建模，场景主要包括客厅、卧室、阳台以及厨房四个区域，各区域布置了不同的智能功能。其次，本次毕业设计采用的主控芯片是STM32F407VET6单片机，这款芯片是基于Cortex-M4内核的，外加MQ-2型烟雾气敏传感器、DHT11温湿度传感器、火焰传感器、雨滴传感器和其他用于对环境进行监视的传感器。在本次毕业设计中实现的主要家居环境功能包括：智能

2、门锁、智能安防、智能窗帘等模块，并采用ESP8266WiFi模块作为无线通信模块，实现各个模块间的相互通信，同时与6818开发板进行通信。本次硬件设计采用模块化的思想进行电路的设计。最后，对智能家居模型整体进行搭建并对硬件进行实体调试。路部分，并经过测试验证电路正确。关键词：智能家居；STM32；模块；硬件Design of Embedded Smart Home SystemCircuit Hardware and Model DesignAbstractWith the rapid development of electronic information engineering tech

3、nology, industrial control technology and multi-sensor control technology, many smart home products continue to appear in peoples daily life, people are no longer satisfied with the traditional lifestyle, so smart home control has become more people-oriented Smart industry.First of all, this article

4、 simulates real home life and conducts 3D modeling of the apartment type. The site mainly includes four areas: living room, bedroom, balcony and kitchen, each area is equipped with different intelligent functions .Secondly, the main control chip used in this graduation design is the STM32F407VET6 si

5、ngle-chip microcomputer. This chip is based on the Cortex-M4 core, plus MQ-2 smoke gas sensor, DHT11 temperature and humidity sensor, flame sensor, raindrop sensor and other sensors. Monitor. The main home environment functions implemented in this graduation design include: smart door locks, smart s

6、ecurity, smart curtains and other modules, and use ESP8266WiFi module as a wireless communication module, each module can communicate with each other and communicate with 6818 development board at the same time. This design in hardware adopts the integrated way to design the circuit. Finally, build

7、the smart home model as a whole and physically debug the hardware.Keyword: Smart Home; STM32; Module; Hardware目 录1 绪论41.1 课题研究背景41.2 智能家居国内外研究现状51.2.1国外发展状况51.2.2国内发展状况71.3课题研究的意义和目的81.4智能家居未来的发展趋势91.5研究内容及文章结构92 智能家居系统总体方案设计102.1总体实现方案设计102.2GEC6818开发平台112.3处理器芯片的选择122.3.1 Cortex-M4内核介绍122.3.2 STM3

8、2F407132.4智能家居场景模型设计142.5本章总结163智能家居系统硬件电路设计173.1家居系统主控节点硬件设计173.1.1 STM32最小系统模块173.1.2无线收发模块213.1.3 JTAG/SWD电路模块223.2家居系统外围模块硬件设计233.2.1智能照明控制模块233.2.2WiFi模块243.2.3环境检测模块253.2.4智能门锁模块273.2.5舵机控制模块283.2.6监控模块303.3附加电源模块及变压器模块313.4本章总结314硬件调试与分析324.1调试环境324.1.1蓝牙调试模块324.1.2 ESP8266无线WiFi模块334.2硬件模块功能

9、调试364.2.1各模块测试主要流程364.2.2各主要模块测试结果及问题374.3本章小结375总结与展望385.1总结385.2未来展望38参考文献40致 谢42附录1 模型相关图43附录2 硬件相关图46附录3 英文文献47附录4 英文文献翻译581 绪论1.1 课题研究背景早在20世纪80年代初，因为科学家们对模拟技术、多传感器技术、通讯技术的一直深入研究发展，智能家居这个新型观念就在北美洲被人们进行研究，但很长一段内详细的实现案例没有具体呈现。随着二十一世纪的到来，智能家居控制系统设计及其相关的技术发展非常迅猛，其功能也趋于多元化、人性化、智能化。一方面，这是一个高度信息化的时代，集

10、成电子、网络通信、传感器控制、嵌入式等各种技术的不断融合，使得越来越智能化、信息化的社会成为新的发展趋向，更多人性化、科技化的电子产品因而涌入人类的家居环境中。另外一个现象则是：随着全球经济的快速发展、人类日常生活环境的加快变化、人类对生活质量的期望及需求的上升，一个安全、健康、便捷、舒适并且智能化的新型家居环境已经成为未来家居生活的发展趋势，由此智能家居的市场便水到渠成地出现。智能家居这个领域的研究是结合着计算机技术、信息集成技术、电磁感应技术、家用电器模块化技术等多种先进技术手段相互融合实现的，是在传统家居住宅环境的基础上把家居环境中的家庭用电的器具、安防设备等集中在一个主控制器上进行信息

11、集合以及系统化控制管理，从而构造出一个人性化、智能化的日常住宅环境系统，使得我们可以在任何时间任何地点对住宅环境系统进行远程操控。智能家居的发展趋势及其宗旨是为人类创造出一个更加科技化、安全性更高、十分便捷以及符合环保概念的生活环境，图1.1为现在智能家居系统方案实现的结构组成图。 图1.1 现有智能家居系统方案实现的结构组成图1.2 智能家居国内外研究现状1.2.1国外发展状况人类对智能家居的钻研时间最开始是在19世纪80年代，最初开展的国家主要是在美国、英国、加拿大、德国等家用电器产品相关技术发展比较成熟的国家。全世界第一座智能大厦早在1984年就出现在美国的民间，就奠定了美国在智能家居系

12、统研究领域的前沿地位。在此之后，日本、英国、加拿大、澳大利亚等发达国家也效仿美国对智能家居提出了各式各样的相对应解决计划，并对智能家居控制技术的标准进行了统一的制定，在智能家居的发展过程中必须按照此标准进行研究发展，这就对关于智能家居产品的全面宣传和发展起到了非常重要的推动效果。随后几十年内，互联网等各项技术的不断发展并逐渐被运用到智能家居系统中，使得智能家居居住环境变得更加科学化、人性化、先进化的方向发展。像微软、谷歌、苹果等知名企业都争先恐后地投入智能家居控制系统的研究行列中，就在1999年，虽然微软实施的“维纳斯计划”在很短的时间内以失败收场，但微软仍然十分看好智能家居系统及智能家居电阻

13、产品行业的发展前景。就在2003年，微软联合Intel、Sony、SAMSUNG等十几家电子通信领域的大企业成立了“Digital Home Working Group”，也就是数字家庭工作组，他们主要致力于对家居环境系统的通信连接协议建立统一规范的标准。随后便涌现了一系列的智能家居产品及智能家居系统，如微软的“梦幻之家”、三星SUHD智能电视、苹果的HomeKit、X-10系统（美国）、EIB系统（德国）等。从各大数据统计可以得知美国在智能家居行业市场的覆盖率、美国居民的消费率已经是呈现全球领跑趋势，这很大程度上得益于美国在相关技术上的先进性。如图1.2及图1.3所示，市场调研公司Stati

14、sta于2018年公布的两份报告揭示了智能家居行业的发展前景。据统计数据显示，截至2018年全世界只有百分之七点七的居民在自己的生活环境中引入智能家居产品，而只是在美国已经有着百分之十五的居民在日常生活中用到智能家居产品，与此同时的另外一个结果就是美国在智能家居行业的整体收益有200亿美元之高。图1.2数字市场前景分析数据图1.32018年全球智能家居市场预测数据1.2.2国内发展状况在九十年代末、二十世纪初期，中国的智能家居行业领域才慢慢地有相关家用电器企业加入研究领域的，智能家居产品是在2000年后得到广大中国老百姓的关注，而且目前也还未建立属于自己的一套统一的技术标准，所以在智能家居研究

15、的很多技术和标准制定相关的领域，还是需要不断学习借鉴国外已经相对成熟的技术标准。二十世纪初，只有极其少数的家电大规模企业深入智能家居领域发展，逐渐开始投身于智能家居产品的研发中，这些企业主要集中在长三角地区以及珠三角地区。在国内企业对智能家居行业摸索过程中，中国市场源源不断地涌入了许多的外国企业，如施耐德、罗格朗等智能家居品牌。另外，在国内政府出台的各项政策的支持引导下，投身于智能家居行业的企业开始注重智能家居相关技术的研究和运用，而不是一味地从国外引进。据2010-2019年中国智能家居行业专利申请数量统计显示（如图1.4），可以清晰看出中国智能家居行业的最近十年内的发展状况。2014年可以

16、说是一个分水岭，此后智能家居相关技术的发展迎来了爆发期，并且推出了许多智能化、人性化的智能家居产品。此后，越来越多的企业注意到智能家居行业在中国的巨大市场，他们的毫不犹豫地投身于这一领域。这些年来，国内各大家电企业都提出自己的智能家居控制系统方案，许多与智能家居相关的国内“知名品牌”纷纷涌现，如智能家居中央控制系统的领军企业快思聪、全世界智能化家用电器产品的研究制作地海尔U-home 、国内最具知名度智能家居品牌安居宝等。图1.4 2010-2019年中国智能家居行业专利申请数量因为国内智能家居控制系统关于统一的技术标准制定的不足，各个公司采用的都是自己的标准、兼容性差，这对于用户对产品的扩展

17、十分不利，因此一定程度上限制了其发展。总的来说，国内智能家居控制系统仍然存在认知度低、使用成本高、缺乏完整系统等缺陷，但随着我国关于物联网技术和网络通讯技术的相关政策出台、国内人们生活质量的提高，国内将在未来几年的时间里出现大规模的智能家居化生活环境。1.3课题研究的意义和目的家居行业的智能化俨然成为一种时代发展的潮流，一个完整的日常家居环境的控制操作系统往往需要提供包括灯光控制模块、安防报警控制模块、橱窗控制模块等丰富多彩的功能，目前已经有不少成熟的智能家居产品。碍于在一开始我国智能家居行业的开展就比其他许多国家要迟，因此国内智能家居的发展以及相关技术的研发依然处于萌芽没多久的时期，受到许多

18、因素的约束，而且由于没有统一的标准、费用髙昂、操作复杂、性能单一等原因，使智能家居在我国始终难以遍布人们生活中。21世纪以来，随着我国在科学技术各个领域研究的大力发展、日益上升的经济、老百姓的生活水平和质量的不断提高，智能家居作为一个便于人们未来生活方式变得愈加方便化的新鲜领域，在我国存在着巨大的市场潜力、经济效益和实用价值。因此研发一套价格合理、统一标准、功能多元化、可兼容的智能家居控制系统亟待产生。本次智能家居控制系统设计的目标是实现一个低端实用的智能家居系统，基于 STM32控制的硬件自动控制系统和基于GEC6818 端的智能家居图像接口中央控制系统的综合智能家居控制系统解决方案，在兼顾

19、低成本、使用方便的同时，实现智能灯控模块、家居环境安防信息获取模块、智能门锁模块、智能晾衣杆模块等多种日常生活家居功能模块的整合。1.4智能家居未来的发展趋势尽管我国在智能家居领域的研究已经有了大概二十年，但是它并没有大范围地覆盖在人们生活中，它真正进入部分人家居环境中也是近几年的事情，以后智能家居行业相关技术还有不断深入研究的发展空间。首先，智能家居各项关键技术标准的统一化迫在眉睫。国内现如今的各大智能家居企业大多都是各成一派，各项技术领域之间的独立性太大，没有一套完整统一的技术规范标准，这不利于不同技术的融合以及不同产品的兼容。这就导致消费者若想实现互通互联，则必须买同一个企业的智能家居产

20、品。其次，随着第四次工业革命的到来，伴随着5g技术作为新一代移动通信的发展，语音识别技术、人脸识别技术等人工智能技术在大数据的支持下得以充分发挥其优势，这有利于未来智能家居控制系统往更先进化、科技化的方向前进。最后，智能家居的出发点就是给人们创造出一种人们最求的家居环境，在实际生活中必须得到全面覆盖，但由于产品关于零散以及单一产品价格过高，一直无法得到更好的普及，因此价格大众化、系统的模块化是大势所趋。1.5研究内容及文章结构本次毕业设计论文中各个章节的具体编写如下：第一章为对智能家居行业进行了解的绪论内容，主要是介绍了一下智能家居目前在全球的研发开展状况、国内外研究现状、研究意义、研究目的以

21、及其发展趋势。接下来一章的内容则介绍的是本次设计中整体实现方案的设计，首先对总体设计的方案进行介绍，再介绍选用的远程控制界面开发板GEC6818以及主控芯片STM32F407，最后对智能家居场景模型建模进行介绍。第三章介绍的是本次设计中系统硬件的设计，主要介绍的是本次设计主控芯片以及各个外加硬件电路的设计及其原理图。第四章为硬件调试与分析，主要是首先对蓝牙辅助调试的说明，并对各个硬件实物调试的结果进行展示。第五章为总结与展望，主要是剖析本次智能家居控制系统设计中的成果以及不足。最后则是总结对本次设计有参考价值的参考文献的编写，以及对在本次设计过程中通过帮助的老师及队友进行感谢。2 智能家居系统

22、总体方案设计2.1总体实现方案设计图2.1显示了在此毕业设计中实施智能家居系统控制的总体思路。基于STM32控制硬件自动控制系统和基于GEC6818终端的智能家居图像接口中央控制系统的综合智能家居控制系统解决方案。 它在成本和使用兼顾方便的同时，实现了多个功能模块的集成，例如照明控制，窗帘控制，温度和湿度收集，可燃气体和烟雾检测，事故报警，时间读取等。以STM32为主控单元的硬件电路GEC6818远程界面的操作界面ESP8266 WiFi模块图2.1 智能家居控制系统框架对于硬件部分如图2.2所示，主要是以STM32嵌入式控制芯片外加各种电路模块组成，其中通过烟雾检测模块、温湿度模块、火焰红外

23、检测模块以及雨滴检测模块对智能家居环境进行检测，并通过无线收发ESP8266WiFi模块，将实时接收到的模块数据信息传送到STM32主控芯片进行数据分析，如若存在非正常情况产生，控制芯片迅速做出提前设定的反应。亮度可控led颜色可控RGBRFID读卡模块4*4矩阵键盘智能门锁蜂鸣器OLED屏幕监控模块MQ-2烟雾气敏传感器KY-026火焰传感器DHT11温湿度传感器FC-37雨滴传感器家居环境检测智能灯控STM32F407主控单元智能门锁模块舵机驱动智能窗帘模块智能晾衣杆模块图2.2 STM32为主控单元的硬件电路框架2.2GEC6818开发平台本次设计采用GEC6818实现对智能家居控制系统

24、的远程界面的操作，此开发板主要应用了十层板的工艺设计，这使得其具有可靠的稳定性，该平台搭载的处理器是S5P6818，这是一款三星在市场环境的需求下推出的Cortex-A53系列处理器，具有高性能、八内核的特点，1.4G赫兹是其可以达到的极限主频率，其主要的作用是用于在嵌入式Linux操作系统的驱动以及高端应用的研发。如图2.3所示，GEC6818开发平台有着十分充足的外围设备，其中主要包USB接口、音频输入输出口、HDMI接口等。 图2.3 6818开发板主要外设介绍2.3处理器芯片的选择2.3.1 Cortex-M4内核介绍Cortex-M4是一款由全球领先的半导体知识产权提供商的ARM公司

25、最新开发出来的处理器，Cortex-M4与Cortex-M3相同之处在于：两者都是一款32位嵌入式微处理器，而且都是基于ARMv7-M结构体系设计出来的，但Cortex-M4在Cortex-M3的基本框架上对运算能力进行优化，并且额外加入了新的浮点、DSP、并行计算等新的指令和特性。Cortex-M4处理器内部结构框图如图2.4所示，其在硬件结构上采用了运行速率高达80MHz的ARM浮点内核，该内核是基于Harvard结构的三级流水线结构，它是一款高速嵌入式存储器(其内部存在高达256KB的闪存和高达32KB的SRAM)。M4使用的指令集是指令效率高、性能强的Thumb-2，它有着指令长度可变

26、的16位和32位混合指令，不需要ARM代码及Thumb-2代码的结合使用，这就很大程度上降低使用者的编程及后期的维护工作量。另外，NVIC也是M4处理器组成的重要结构，其主要作为系统控制空间，其特点是可编程而且寄存器位于存储器映射，并提供了多个中断屏蔽寄存器，当异常产生后，NVIC会比较其中已经失常的以及当前正在执行的优先级。正是由于这些结构特点，使得M4具有高效的信号处理能力、低功耗、高性能、可扩展性强、低成本、操作方便等优势，主要应用于传感、决策、中断驱动等领域，可以很好地满足专门面向到底控制、汽车、电源管理、嵌入式智能家电开发、自动化生产等新型行业的开发。 图2.4 Cortex-M4处

27、理器内部结构框图2.3.2 STM32F407综合性能及成本的因素，本次智能家居系统控制系统设计采用的是由英国ARM公司生产的一款主要以Cortex-M4为核心的32位低功耗型ARM微处理器STM32F407VET6，该款微处理器的芯片主要频率为168MHz，其主要参数如下：具有196K的RAM空间和512K的FLASH存储；通用IO口多达82个；具有的定时器有3种： 分别为2个32位的、12个16位的以及2个电机控制的定时器； 3个12位的ADC转换单元、16个12位ADC通道以及2个12位DAC通道；通信口十分丰富，有3个SPI、2个I2S、3个I2C、1个SDIO接口、6个UART和2个

28、CAN。因为STM32F407VET6的优势如表2.1所示，所以选择其作为本次设计的主控芯片.表2.1 STM32F407VET6的优势功能强大该款芯片具有强大的存储性能，足够多的外围接口和巨大的扩展空间，并且由于它使用的是Cortex-M4内核，因此可以在编程过程中节省ARM与Thumb之间的转换这一步骤，这一步使编程更容易，指令更高效，性能更稳定。成本低相对于很多其他同类型的单片机，该款芯片在价格上更容易让人接受，而且功能更加强大，对于满足智能家居控制系统多个功能的实现需求是完全足够的，而且有益于日后的扩展，这满足我们本次设计的原则。功耗低该款芯片的工作电压在1.8V-3.6V之间，有着S

29、LEEP、STOP、STANDBY三种省电模式，这很大程度上实现了其应用在智能家居控制系统的低功耗效果。技术成熟该款芯片是市面上的主流产品，目前市场上许多的开发人员都在使用该款芯片，这就了丰富的资料可以参考学习，从而增加了该设计的可实现性，更是大大节约了开发的成本和不必要的工作。2.4智能家居场景模型设计现如今的社会发展状况存在着各地区发展不平衡、城市房价过高、人们对住房家居环境的要求不一样等一系列问题，大城市中年轻人的身影占了很大一部分比例，由于生活压力大部分城市家居环境都是以小户型形式呈现。本次智能家居户型采用的是一居室的日常居民房间设置，在VR智能室内设计平台酷乐家对户型进行具体设计，具

30、体如图2.5以及图2.6所示，场景主要包括四个区域，分别是客厅、卧室、阳台以及厨房。此模型便于后期对于实物的搭建，并明确了每个功能的用处。本次设计基于当代大部分家居环境将各区域布置了不同的智能功能，如图2.7所示，客厅布置了颜色可控的智能照明模块、窗帘模块以及OLED屏幕显示屋内环境模块；厨房则是安防监控的主要区域，包括烟雾气敏传感器、DHT11数字温湿度传感器、火焰传感器；阳台有智能晾衣杆模块以及雨滴检测模块；智能门禁本次设计有三种模式，分别是远程控制门锁、刷门禁卡开门以及密码输入开门；可控亮度的智能照明则安排在卧室以及厨房两个区域。 图2.5 户型设计平面图图2.6户型设计三维图 图2.7

31、 具体功能分布图2.5本章总结本章是对本次毕业设计中系统总体设计方案的介绍。确定了以GEC6818开发面板作为远程控制界面，并对其进行介绍，同时选定搭载Cortex-M4核心的32位低功耗型ARM微处理器STM32F407VET6作为主控芯片，最后对智能家居单居室户型建模设计进行介绍，并见不同功能在家居环境中进行分配。3智能家居系统硬件电路设计3.1家居系统主控节点硬件设计3.1.1 STM32最小系统模块本文设计的是基于嵌入式的智能家居控制系统的设计，采用的是基于STM32F407VET6芯片的开发板，智能家居控制系统设计中硬件设计部分是系统设计的地基，也是本次毕业设计中一个极其重要的组成，

32、其设计极大程度上影响着智能家居控制系统具体模块能否实现。本次设计硬件电路主要由主控芯片硬件电路以及外设模块硬件电路构成，其中，主控芯片硬件电路的总体实现结构思路如图3.1所示，主要包含STM32单片机及其扩展的外围模块电路。JTAG接口电源模块STM32F407VET6处理器无线收发模块JTAG/SWD电路模块复位模块指示灯图3.1 主控芯片硬件的整体架构STM32F407VET6是本次设计主控芯片，它是一款增强型芯片，而且该芯片内部集成了许多高性能的标准接口。本次设计采用STM32构成最小系统原理图如图3.2所示，为实现设计需求的实现，同时在电路中外接了一些辅助电路，例如主要电源电路、芯片晶

33、振电路、系统复位电路等。具体设计如下文所示：图3.2 STM32主控芯片的最小系统电路本次设计采用的晶振电路如图3.3所示，STM32有两个可接入的晶振电路，一个是HSE，它作为高速的外部时钟，用来驱动内部 PLL 提供工作时钟，工作频率常为8MHz，其应连陶瓷谐振器、Quartz Resonator或者是外部时钟源；另一个是用来驱动 RTC的LSE，它可以提供一个功耗低、准确、稳定、精准的时钟源供给其他时钟，如实时时钟以及其他定时功能，常为32.768 KHz，它作为低速的外部时钟。图3.3 主控芯片的晶振电路如图3.4显示了本次系统主控芯片硬件电路使用的电源电路的示意图，我们采用的是基于A

34、MS1117-3.3芯片的电路，它的主要功能是实现5V及3.3V的电压转换，是一种正向的、精密的、低压降的低功耗稳压器，可以用于稳定电源电压和输出电压。对于本次系统给主控芯片电路供电的设计，采用的是由5V的电源适配器给中央控制模块供电，而对于STM32F407VET6单片机正常工作电压稳定在3.3V的实现：电路通过AMS1117-3.3，以及其输入端、输出端都接上电解电容以及高频电容，以此来平稳电压以及清除高频干扰。图3.4 主控芯片的电源电路本次主控芯片电路设计中复位功能实现是采用如图3.5所示的电路，就是简单的上电复位电路。在调试过程中，若开发板出现故障，可以通过复位按钮来重启系统。图3.

35、5 主控芯片的复位电路3.1.2无线收发模块在本次设计中该模块是基于一种单片射频收发的芯片实现的，也就是许多开发人员常常用到的芯片nRF2401，其电路图如图3.6所示，该芯片是一款拥有丰富且性能强大的功能模块，如功率放大器、频率合成器等等，该芯片的主要工作频段是2.4GHz到2.5GHz，且功耗低，有着丰富的低功耗工作模式。 图3.6 nRF2401原理图本次设计采用nRF2401及STM32F407单片机的电路连线构成智能家居控制系统的无线收发模块，其电路原理图如图3.7所示。无线信号收发模块芯片及主控单元STM32芯片是通过CE、SCK、MISO、CS、MOSI、IRQ管脚进行信号的相互

36、传输，各个引脚的具体说明如表3.1所示。图3.7 无线收发模块电路表3.1 无线收发模块引脚说明引脚功能说明CE芯片的模式控制线CE会在CSN 为低电平的情况下与NRF24L01芯片的寄存器一起定夺芯片的状态。SCK芯片控制的SPI时钟线MISO芯片控制数据线其功能为主输入、从输出的。CS芯片的片选线该引脚工作电平为低电平。MOSI芯片控制数据线其功能为主输出、从输入的。IRQ中断信号引脚当芯片实现中断时该引脚呈现从高电平到低电平的转换。3.1.3 JTAG/SWD电路模块为保证本设计的正常进行，在智能家居系统设计的过程中，调试是对于整个系统性能考察中极其重要的一个步骤，对于一段能够实现最终功

37、能的程序来说，它总是需要经过反反复复的调试过程的。鉴于STM32F407主控芯片本身是具有SWD接口的，所以在设计电路时便将JTAG和SWD共用接口，这样就不用担心两种模式切换时出现错误，TAG电路一旦接上，调试模式一样可以转换为SWD模式，如图3.8所示，该电路为JTAG调试电路模块标准原理图，表3.1为其主要引脚定义表。对于本次设计中软件调试采用的是通过J-Link模块进行调试，J-Link的SWD总共只需要4根线便可实现，即正电源线、负电源线以及2根数据传输线（PA13/JTMS、PA14/JTCK），这样MCU的接口就得到更多的解放，与此同时调试时，模式也可以随时切换。表3.2 JTA

38、G/SWD电路主要引脚定义表引脚说明TCKTCK为TAP的操作提供了一个独立的、基本的时钟信号，TAP的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的。TMSTMS信号在TCK的上升沿有效，TMS信号用来控制TAP状态机的转换，通过TMS信号，可以控制TAP在不同的状态间相互转换。TDITDI是数据输入的接口，所有要输入到特定寄存器的数据都是通过TDI接口一位一位串行输入的（由TCK驱动）。TDOTDO是数据输出的接口，所有要从特定的寄存器中输出的数据都是通过TDO接口一位一位串行输出的（由TCK驱动）。TRSTTRST可以用来对TAP Controller进行复位（初始化），因为通过TMS也可以对TA

39、P Controller进行复位（初始化），所以有四线JTAG与五线JTAG之分。图3. 8 JTAG/SWD电路3.2家居系统外围模块硬件设计3.2.1智能照明控制模块本次设计采用两种照明模式，其中一种采用的是通过对PWM信号的占空比控制普通led灯的亮度。另一种是引用RGB灯光控制模块，RGB灯可以通过编程对红（R）、绿（G）、蓝（B）三种原色之间相互交集成像组成其他颜色的灯光。本次设计采用的是WS2812模块，其电路原理图如图3.9所示，它是一个智能化的外部控制的LED，单个元件即可称作是一个独立像素点。像素点的内部包括着智能信号整合的驱动电路、高压可控编程部分、精密内部振荡器，这就十分

40、有效地确保了像素点光的颜色统一。另外，其实现不同颜色转换的实现方式相对简单可控，主要通过编程控制PWM信号的占空比来分别控制RGB三种原色灯的灯光大小。图3.9 灯光控制模块电路3.2.2WiFi模块智能家居控制系统要实现远程控制就必须应用到互联网，在众多方式中，本次设计采用WiFi的无线远程控制来进行通信，从而达到对智能住宅环境的监督和管控。综合考虑了成本、性能、内置等因素，如图3.10所示，我们选择ESP8266来实现WiFi的无线远程控制，该无线WiFi模块内置全面清晰的TCP/IP协议以及拥护规范的IEEE802.11 b/g/n协议，而且与主控芯片的通信是通过串口。ESP8266系列

41、无线模块以其极低的开发费用实现最大的功能，是高性价比的WiFi SOC模组，它主要支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式，这三种工作模式的区别表3.3所示。由于其内部高度集成了包括有TR开关、RF balun、电源内部套装等，使得其易于集成应用在其他的项目设计中。在实现系统开发的过程中可以编写独特的ROM，主要得益于ESP8266模块的特点，设计者可以做到系统内部的数据传输功能以及操作创建起自己命名的WiFi共享网络，并可以通过AT指令的设置对各个模块进行调试，这极大程度上方便了开发者对系统的检测。图3.10 WiFi模块电路表3.3 ESP8266模块三种工作模式区别工作模式说明STA

42、 模式（Access Point）ESP8266模块通过路由器连接互联网，用于连接到无线网络，实现串口和其他设备的无线数据转换互相传输。AP 模式（Station）ESP8266模块作为WiFi热点，允许其他设备连接到本模块实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。STA+AP 模式两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。3.2.3环境检测模块1.温湿度采集模块本次系统设计中需要实现对家居环境的温度以及湿度信号进行获取及反馈，我们选择的是DHT11模块，该模块是一种整合传感器，可以实现对温度以及湿度信号同时感应和信号收集，其内部已经含有早就校准数字信号输出的温

43、湿度。相比于同样是单总线协议的DS18B20的只能测温度的功能，本次设计采用的传感器能够实现对温度和湿度两种信号同时进行检测，只不过DHT11的测量范围低于DS18B20，其温度以及湿度检测幅度分别为：050摄氏度、20%90%RH，但这范围是符合本设计的要求的。此外，DHT11具有电路简单、性价比高、感应灵敏等优点，在本次毕业设计中此模块的电路图如图3.11所示。66图3.11 温湿度采集模块电路图3.12 温湿度传感器实物2烟雾浓度采集模块智能安防模块是智能家居系统中保障家居环境安全最重要的一部分，如图3.13所示，本次系统设计采用的是MQ-2传感器实现安防功能，它是一款烟雾气敏传感器，其

44、常用于对苯、液化气体、氢气、烟雾等气体的检测，是一个多功能的低成本气体探测器。此模块应用到的是在家居环境空气中有着超小电导率的透明导电材料SnO2，是一种可用作高灵敏度传感器制作材料的重要的半导体。MQ-2使用寿命长、稳定性稳固、反应时间短，长期工作性能良好，而且驱动电路简单。当所处的家居环境中苯、液化气体、氢气、烟雾等气体的浓度超出设定范围时，随着空气中气体浓度的上升，传感器的电导率也随之上升，输出的电阻就越小，使得输出更大的模拟信号。MQ-2就是这样通过简单的电路来实现：环境外部的有害气体占比的增加或者减少变换为模块自身电导率的改变，从而对相匹配的模拟信号输出检测。图3.13 烟雾浓度采集

45、模块图3.14 烟雾传感器实物3火焰红外采集模块火焰传感器模块KY-026，用作许多火灾信号及红外信号的接收。该模块感应外部的火焰的实现是通过内部特制的红外线，这使得火焰的信号转换成电平信号的高低，从而传送至终中央处理芯片，芯片可以根据相应的信号做出报警状态。其对火的光谱十分敏感，可以监控家居环境中是否有火苗，或者是否存在波长在760至1100纳米幅度内的疑似火苗，可用于智能家居系统中用做火焰报警等用途，在本次智能家居控制系统设计中其电路原理图如图3.15所示。图3.15 火焰红外采集模块电路图3.16 火焰传感器实物4.雨滴信号采集模块FC-37雨滴传感器模块在智能家居系统中由于智能晾衣杆的

46、模块，如图3.17所示，它在本次智能家居控制系统设计中的主要用途是检测是否下雨，并转成数字信号和AO输出，其采用双面材料的同时用镀镍处理了其平面，这样就使得其具有很好的抗氧化性能以及导电性性能。当雨滴传感器模块通电时，模块表面的电源指示灯灯亮起表示其处于工作状态，在雨滴感应板上没有雨水的情况下开关指示灯不亮，此时DO引脚的输出为高电平；若在雨滴感应板上滴上雨水时，开关指示灯将由灭到亮且DO引脚为低电平，若将感应板上雨水擦去，则回归到高电平状态、开关灯灭掉。图3.17 雨滴信号采集模块电路图3.18 雨滴传感器实物3.2.4智能门锁模块智能门锁模块是智能家居设计中保证家居环境安全的主要设计环节，

47、本次设计采用三种开门方式。第一种是由GEC6818远程控制界面操作来控制门的开关，第二种是通过按密码的方式进入家居环境，第三种则是通过刷卡进入。密码按键模块及IC卡模块电路图如图3.19所示。图3.19 智能门锁模块电路我们采用的是最常见的4*4矩阵键盘，该模块的设计充分体现本智能家居系统低成本、控制方便的设计原则，其连线也相当方便，只需要通过8根数据线与STM32F407相连，并配合相应的编程便可实现对按键的扫描定位。实现通过刷卡进入家居环境方式的实现我们应用的是GEC-RFID系列的读卡模块，在这一部分中主要内置模块是MFRC522，该芯片是一款采用NXP封装的、高度集成化的、非接触式、低功耗的可读可写卡芯片。给该模块提供的工作电压为5V，而且同时支持Mifare卡的数据读写操作以及CPU卡读写操作，这就方便我们在本次智能家居控制系统设计上集成智能IC读写功能。3.2.5舵机控制模块如图3.20所示，舵机是一个将直流电机、电机控制电路、齿轮组等集合成一