【正文】 本次設(shè)計(jì)采用了主從的控制理念，設(shè)計(jì)了2塊控制電路板：一個(gè)是以51單片機(jī)為中心的家居信息（包括報(bào)警信息）的采集、基于短距收發(fā)模塊nRF24L01的信息收發(fā)以及相應(yīng)的控制裝置（繼電器）的輔助控制系統(tǒng)；另一個(gè)是以STM32為中心的負(fù)責(zé)所有家居信息的顯示人機(jī)對(duì)話(huà)與接受與處理以及同用戶(hù)交換控制信息（通過(guò)GSM為通信載體）并發(fā)出控制命令的智能控制模塊。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境信息的及時(shí)發(fā)給用戶(hù)和空調(diào)、電視、電燈等家電的控制。智能家居系統(tǒng)組成：主控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)包括智能控制模塊、GSM通信網(wǎng)絡(luò)、短距無(wú)線(xiàn)收發(fā)nRF24L01。輔助控制系統(tǒng)包括信號(hào)采集模塊、信息傳送模塊nRF24L0家電設(shè)備控制模塊。智能家居系統(tǒng)的主/。主控制系統(tǒng)STM32F103VCT6任務(wù)：1信息收集2短消息收發(fā)3控制命令輸出4人機(jī)界面nRF24L01接收家居信息和發(fā)送控制命令TC35I與用戶(hù)手機(jī)通信、接受控制命令TFT觸摸屏ILI9320和ADS7843的人機(jī)對(duì)話(huà)界面控制輔助控制系統(tǒng)單片機(jī)AT89S52任務(wù)：1家居信息采集2信息發(fā)往主控器3執(zhí)行主控制命令收集傳感器采集的家居環(huán)境信息溫濕度等nRF24L01收發(fā)家居信息和控制命令MAX72198位數(shù)碼管顯示HS0038紅外接收頭接收手動(dòng)控制命令SD卡 讀寫(xiě)操作SPI模式、儲(chǔ)存字庫(kù)繼電器控制命令響應(yīng)模塊控制 智能家居系統(tǒng)主、輔控制系統(tǒng)原理框圖智能家居系統(tǒng)的核心是智能家居控制中心模塊的設(shè)計(jì)，將在下面的章節(jié)中重點(diǎn)介紹智能家居控制中心模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程。作為系統(tǒng)的核心部分，智能控制中心不僅要對(duì)被控對(duì)象實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息顯示而且要對(duì)控制信息及反饋信息及時(shí)處理并顯示。根據(jù)實(shí)際需要可知，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的，必須具備的條件就是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制的無(wú)線(xiàn)射頻模塊，還有就是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的通信模塊，在加上相關(guān)的外圍電路構(gòu)了智能居家系統(tǒng)。 智能家居系統(tǒng)工作原理STM32構(gòu)成的主控模塊對(duì)輔助系統(tǒng)發(fā)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)信息和來(lái)自手機(jī)模塊的控制指令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，如果采集到被控模塊的手動(dòng)控制操作信息，則記錄相應(yīng)操作。除現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作外，本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)家電工作情況等被控對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。當(dāng)用戶(hù)希望進(jìn)行某種操作時(shí)，只需用手機(jī)編寫(xiě)相應(yīng)的短信發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的號(hào)碼上。智能家居控制中心接到短信后，與預(yù)先設(shè)定的控制指令格式進(jìn)行比對(duì)，提取出用戶(hù)欲進(jìn)行的操作信息，然后再通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式（nRF24L01模塊）傳送給輔助控制系統(tǒng)。輔助控制系統(tǒng)則根據(jù)接收到的由控制中心發(fā)來(lái)的相應(yīng)的控制信息控制后，與預(yù)存信息比對(duì)。當(dāng)確定是對(duì)那個(gè)控制對(duì)象的操作時(shí)，就進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)反饋給控制中心。如果智能家居控制中心接到控制指令，但是經(jīng)過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)是無(wú)效控制命令是，則控制中心就會(huì)把錯(cuò)誤反饋信息通過(guò)短信息發(fā)到用戶(hù)手機(jī)。 智能家居系統(tǒng)的功能特點(diǎn)本智能家居系統(tǒng)有如下的幾個(gè)功能和特點(diǎn)：觸摸屏輸入，操作界面全圖形化，方便查看與人工設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)；基于短消息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送功能；基于短消息的遠(yuǎn)程手機(jī)控制命令的執(zhí)行功能；兩種操作方式，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)（紅外遙控）和遠(yuǎn)程短信遙控；可以方便的加入多個(gè)輔助控制模塊；采用局部無(wú)線(xiàn)控制信息傳送，基本無(wú)需布線(xiàn)，擴(kuò)展功能強(qiáng)；留有程序升級(jí)接口，方便程序升級(jí)完善性能。 主控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)也就是控制中心，是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞。它負(fù)責(zé)將輔助系統(tǒng)收集的信息接收過(guò)來(lái)，并判斷是否超限，若超限則將其通過(guò)手機(jī)模塊發(fā)送到用戶(hù)，以及手機(jī)指令的解析，并提取其中的控制信息，以此對(duì)被控對(duì)象和輔助系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)控制命令。整個(gè)控制系統(tǒng)以星型方式連接，而主控制系統(tǒng)，是星型連接的中心節(jié)點(diǎn)。因而主控制系統(tǒng)的好壞決定著整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，所以這次使用了高性能而低成本的ARM CortexM3 系列的STM32F103VCT6作為主控制器，但其外圍電路也至觀主要，只有它們都能好好工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)才會(huì)穩(wěn)定工作。下面就主控制系統(tǒng)的控制器和外圍電路介紹一下。 主控制器（STM32F103）介紹STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM/CortexM3/32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設(shè)。所有的器件都包含2個(gè)12位的ADC 、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器、2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。 STM32F103xx增強(qiáng)型系列產(chǎn)品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。使得STM32F103xx增強(qiáng)型微控制器適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合： 醫(yī)療和手持設(shè)備；PC外設(shè)和GPS平臺(tái)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制； 警報(bào)系統(tǒng)，視頻對(duì)講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)； 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀。 ARM公司的高性能”CortexM3”內(nèi)核簡(jiǎn)介 CortexM3內(nèi)核包含一個(gè)適用于傳統(tǒng)Thumb和新型Thumb2指令的譯碼器、一個(gè)支持硬件乘法和硬件除法的先進(jìn)ALU、控制邏輯和用于連接處理器其他部件的接口。CortexM3處理器是基于ARMv7M架構(gòu)的ARM處理器。中央CortexM3內(nèi)核使用3級(jí)流水線(xiàn)哈佛架構(gòu)，運(yùn)用分支預(yù)測(cè)、單周期乘法和硬件除法功能實(shí)現(xiàn)了出色的效率（）。CortexM3處理器是一個(gè)32位處理器，帶有32位寬的數(shù)據(jù)路徑、寄存器庫(kù)和基于傳統(tǒng)ARM7處理器的系統(tǒng)只支持訪問(wèn)對(duì)齊的數(shù)據(jù)，沿著對(duì)齊的字邊界即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)和存儲(chǔ)。CortexM3處理器是專(zhuān)為那些對(duì)成本和功耗非常敏感但同時(shí)對(duì)性能要求又相當(dāng)高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。憑借縮小的內(nèi)核尺寸和出色的中斷延遲性能、集成的系統(tǒng)部件、靈活的配置、簡(jiǎn)單的高級(jí)編程和強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，CortexM3處理器將成為從復(fù)雜的芯片系統(tǒng)到低端微控制器等各種系統(tǒng)的理想解決方案。表21為CortexM3處理器與ARM7作比較。表21 CortexM3與ARM7相比較 豐富的內(nèi)部資源 STM32有豐富的內(nèi)部資源，如下所示：內(nèi)置閃存存儲(chǔ)器； 內(nèi)置SRAM；外部中斷/事件控制器(EXTI)； 時(shí)鐘和啟動(dòng)； 通用同步/異步接受發(fā)送器(USART)； DMA；嵌套的向量式中斷控制器(NVIC)； 自舉模式； RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)和后備寄存器 ； 窗口看門(mén)狗； I2C總線(xiàn) ； 串行外設(shè)接口(SPI)； CRC計(jì)算單元，96位的芯片唯一代碼； SDIO接口；通用串行總線(xiàn)(USB)； 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN) ；通用輸入輸出接口(GPIO)； 溫度傳感器；ADC(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器) ； DAC(數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器) ；串行線(xiàn)JTAG調(diào)試口(SWJDP)。 方便得開(kāi)發(fā)環(huán)境和優(yōu)良的電氣特性 RealView MDK（Miertocontroller Development Kit）基于ARM微控制器的專(zhuān)業(yè)嵌入式開(kāi)發(fā)工具；；容忍5V信號(hào)的I/O管腳； 優(yōu)異的安全時(shí)鐘模式；帶喚醒功能的低功耗模式； 內(nèi)部RC振蕩器； 內(nèi)嵌復(fù)位電路； 工作溫度范圍：40℃至+85℃或105℃。 STM32芯片選型原則與芯片所選型號(hào):(STM32F103VCT6)首先STM32芯片擁有很多種型號(hào)，不同的型號(hào)的管腳數(shù)量或管腳功能分布是不同，在選擇的時(shí)候必須本著節(jié)約的原則和廉價(jià)的原則以及設(shè)計(jì)夠用和方便的原則，管腳的分配能適應(yīng)所需模塊等原則。由于這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)會(huì)用到16位數(shù)據(jù)端口的TFT觸屏（ILI9320），以及SD卡等等。所以I/O引腳需求較多，又加上運(yùn)用到了彩色觸屏顯示和漢字顯示以及用SD卡是需要加入文件系統(tǒng)（FatFS），所以程序比較大，綜合考慮這些因素，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用了手上擁有的現(xiàn)成stm32芯片：STM32F103VCT6（256K FLASH，48K SRAM）如圖22所示。 圖22 STM32F103VCT6 LQPFP100管腳圖 主控制器的外圍電路設(shè)計(jì) TFT觸摸屏（ILI9320）簡(jiǎn)介QST320M2是一款240320點(diǎn)陣液晶模塊，采用先進(jìn)的TFT技術(shù)，內(nèi)部單芯片（ILI9320控制器）集成驅(qū)動(dòng)和控制芯片,非常方便應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)。在EMC性能及穩(wěn)定性方面有良好的表現(xiàn)?！?，240320點(diǎn)陣； ◆ 標(biāo)準(zhǔn)8080時(shí)序，16bit總線(xiàn)接口；◆電壓范圍：~； ◆ 外形尺寸：63mm84mm；◆ 直流 or ； ◆ 工作溫度：25176。C ~ +75176。C；◆ 標(biāo)準(zhǔn)20X2, ； ◆ 顯示屏(ILI9320)和觸摸 (ADS7843)驅(qū)動(dòng)電路。TFT觸摸屏與控制器的連接圖本次使用16位并行數(shù)據(jù)通信控制TFT屏的顯示，通過(guò)通用I/O來(lái)控制TFT屏的顯示，實(shí)現(xiàn)靚麗的顯示界面，便于用戶(hù)觀察系統(tǒng)工作情況。接線(xiàn)圖如圖23所示。圖23 TFT觸摸屏與控制器的連接圖TFT觸摸屏的控制讀寫(xiě)時(shí)序圖通過(guò)通用I/O來(lái)模擬SPI通信方式來(lái)與TFT屏的觸摸芯片（ADS7843）通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)信息的讀入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，便于用戶(hù)操作。只有嚴(yán)格的遵循SPI的時(shí)序才可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)信息的輸入。具體軟件模擬見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)，SPI讀寫(xiě)時(shí)序圖24如下。圖24 TFT觸摸屏的控制讀寫(xiě)時(shí)序圖 SD卡簡(jiǎn)介由于本次設(shè)計(jì)需要人機(jī)對(duì)話(huà)，所以使用到了漢字顯示，由于考慮成本因素，沒(méi)有使用漢字字庫(kù)芯片，而使用了BIN格式的電子版漢字字庫(kù)，但是由于處理器ROM有限，所以就把字庫(kù)裝到了SD卡上，這樣即方便成本又低，最重要的是可以放大量的東西減少了對(duì)CPU的ROM的需求，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。SD卡具有高度集成閃存，具備串行和隨機(jī)存取能力?？梢酝ㄟ^(guò)專(zhuān)用優(yōu)化速度的串行接口訪問(wèn)，數(shù)據(jù)傳輸可靠。它的出現(xiàn)，提供了一個(gè)便宜的、結(jié)實(shí)的卡片式的存儲(chǔ)媒介，為了消費(fèi)多媒體應(yīng)用。SD卡可以設(shè)計(jì)出便宜的播放器和驅(qū)動(dòng)器而沒(méi)有可移動(dòng)的部分。一個(gè)低耗電和廣供電電壓的可以滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)、電池應(yīng)用比如音樂(lè)播放器、掌上電腦、電子書(shū)、電子百科全書(shū)、電子詞典等等，如下圖25所示。 圖25 大SD和mini SD對(duì)比圖SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD卡模式 SPI模式可以選擇以上其中任一模式，SD卡模式允許4線(xiàn)的高速數(shù)據(jù)傳輸。 SPI模式允許簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口，本次選用的就是SPI模式，其引腳如表22所示。表22 SPI模式針腳定義針腳名稱(chēng)類(lèi)型描述1CSI片選（負(fù)有效）2DII數(shù)據(jù)輸入3VssS地4VccS供電電壓5CLKI時(shí)鐘6Vss2S地7DOO數(shù)據(jù)輸出8RSV9RSV注：S：電源供電，I：輸入O：輸出 I/O：雙向 PP：I/O使用推挽驅(qū)動(dòng)SPI模式時(shí)，這些信號(hào)需要在主機(jī)端用10~100K歐的電阻上拉。SPI 總線(xiàn)概念：SPI總線(xiàn)允許通過(guò)2通道（數(shù)據(jù)入和出）傳輸比特?cái)?shù)據(jù)。SPI兼容模式使得MMC主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)很小的改動(dòng)就可以使用ＳＤ卡，SPI模式使用字節(jié)傳輸。所有的數(shù)據(jù)被融合到一些字節(jié)中并aligned to the CS signal（可能是：同過(guò)CS信號(hào)來(lái)校正）。SPI模式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)化主機(jī)的設(shè)計(jì)，SPI模式喪失了速度性能。SPI通道是被定向的位組，每個(gè)命令或數(shù)據(jù)塊都被組裝為8位的字節(jié)并且是被排齊到CS信號(hào)的字節(jié)(也就是長(zhǎng)度是8個(gè)時(shí)鐘周的循環(huán))。SPI信息由命令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)塊所組成。所有的通信在主機(jī)和卡之間被主機(jī)控制，主機(jī)處理總線(xiàn)上CS信號(hào)為低電平的那個(gè)。讀數(shù)據(jù)SPI模式支持對(duì)單一塊和多重塊的讀命令。 然而為了要遵從SPI工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只使用兩個(gè)(單向)信號(hào)。一個(gè)CS有效的卡會(huì)用一個(gè)同長(zhǎng)度的事先定義了的SET_BLOCKLEN(CMD16)命令作為回應(yīng)。讀一個(gè)多重塊結(jié)束后,類(lèi)似SD協(xié)議,會(huì)跟隨一個(gè)STOP_TRANSMISSION命令，如圖26所示。圖26讀取響應(yīng)一個(gè)有效的數(shù)據(jù)塊會(huì)后綴一個(gè)16位CRC，CRC由標(biāo)準(zhǔn)CCITT polynomial即產(chǎn)生。如果一個(gè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)錯(cuò)誤，卡將不傳送任何的數(shù)據(jù)。而將一個(gè)特別的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤記號(hào)發(fā)送到主機(jī)。如圖27所示，一個(gè)以錯(cuò)誤記號(hào)結(jié)束的讀操作而不是數(shù)據(jù)塊。圖27 讀操作—數(shù)據(jù)錯(cuò)誤寫(xiě)數(shù)據(jù)SPI模式支持單一塊和多重塊的寫(xiě)操作。 在收到有效的寫(xiě)命令時(shí)，卡將回應(yīng)一個(gè)響應(yīng)標(biāo)志(response token)并且等待主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)快。CRC后綴、塊長(zhǎng)度和起始地址限制與讀操作相同，如圖28所示。圖28 寫(xiě)操作當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊被卡收到后,卡將回應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)響應(yīng)標(biāo)志(dataresponse token)。如果數(shù)據(jù)塊被正確的接收到,它將會(huì)被寫(xiě)入卡的閃存中，在卡忙著規(guī)劃時(shí),忙信號(hào)就會(huì)一直有效。(保持DataOut線(xiàn)為低電平)硬件連接原理圖如圖29所示。 圖29 SD卡的硬件連接圖 輔助控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計(jì) 輔助控制器（AT89S52）介紹AT89系列單片機(jī)是美國(guó)Atmel公司的8位Flash單片機(jī)產(chǎn)品。這個(gè)系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)器，而其他方面和MCS一51沒(méi)有太