基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)開發(fā)目錄TOC\o"1-3"\h\u91421緒論 緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究目的近年來，隨著人們?nèi)找嬖鲩L的居家需求和智能設備的不斷發(fā)展，5G網(wǎng)絡的逐步建設、人工智能交互技術的普及、VR/AR技術的應用、大數(shù)據(jù)相關領域的不斷發(fā)展等，智能家居設備正逐步進入大眾用戶的選擇范圍，并與日常家居生活逐漸融合。傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品雖然能滿足人們對于居住地舒適性、便利性、安全性的基本要求，但傳統(tǒng)家居的基礎功能無法吸引年輕一代的目光，而室內(nèi)溫、濕、亮度的人工操作以及自動調(diào)節(jié)，門禁、窗戶的安防以及監(jiān)控等項目，將成為智能家居行業(yè)在未來的主流產(chǎn)品。因此智能監(jiān)控與報警系統(tǒng)的研發(fā)作為信息化時代的高科技需求應運而生。自2000年開始，智能設備進入家居行業(yè)以來，形成了現(xiàn)如今的智能家居。智能家居發(fā)展至今，市場上各大生產(chǎn)商已經(jīng)推出品類繁多、功能多樣的智能化家居設備，市場信息化的普及、信息的對稱，引導智能家居產(chǎn)品逐步走向低價格、高性能、高品質(zhì)的方向。1.1.2研究意義隨著移動通信基礎設施和高新技術的快速發(fā)展，以及相關新技術的快速重復，智能家居正在對傳統(tǒng)產(chǎn)品進行測試。為了解放雙手，享受家居生活，智能家居是基于自動控制的關鍵生活環(huán)境，提高人們對家庭生活的滿意度。同時，智能家居提供實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，保障家居安全；為獲得最佳家居體驗，可提前開啟智能家居控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)整個房間的舒適度。家居中各種電器設備通過網(wǎng)絡連接起來，提供更加方便的控制方式，簡化家居中的維護操作，成為常態(tài)化訴求。智能家居系統(tǒng)的主要框架是搭建一個可以涵蓋家居住宅中各種電器設備和信息設備的網(wǎng)絡，通過設計好的方案或者個性化的配置和控制來實現(xiàn)各種設備的自動運行，將原有家居環(huán)境組建成一個既安全又舒適，既科技又溫馨的現(xiàn)代化環(huán)境。當前市面上關于智能家居的產(chǎn)品，更新了傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品，例如燈具亮度的自動調(diào)節(jié)，窗簾的自動展開和收疊，視頻監(jiān)控以及部分電器上的智能化操作。在滿足基本需求的前提下，一定程度上提升了整體家居生活體驗，但與大眾對室內(nèi)家居設備更加人性化、自動化、智能化的日益增長的需求相比，仍有待發(fā)展。因此，本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術，提供更加便捷的智能終端，加強了智能家居系統(tǒng)中的全領域適應性和高度統(tǒng)一的智能化水平，提升智能家居的信息化程度，對于智能家居產(chǎn)品在實現(xiàn)更便捷、更智能的生活起居環(huán)境上具有非常重要的理論意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1智能家居國外現(xiàn)狀隨著國外智能家居的不斷開發(fā)，許多國家都開發(fā)出了一套具有自己特色的智能家居系統(tǒng)。如美國的X-10制、德國的EIB制和新加坡的8x制，各有利弊。美國X－10系統(tǒng)的優(yōu)點（如圖1.1所示）是不需要額外的布線。其缺點是施工難度大、成本高、工期長。德國的EIB系統(tǒng)工程更復雜、更嚴格，價格也更高。新加坡的8x系統(tǒng)目前比較成熟。這三個系統(tǒng)都屬于目前世界上廣泛使用甚至直接使用的智能家居系統(tǒng)。圖1.1X-10系統(tǒng)方案1.2.2智能家居國內(nèi)現(xiàn)狀智能家居在中國起步較晚，還處于起步階段。它還沒有建立自己的技術標準。其中不少人直接借鑒了國外智能家居的發(fā)展標準。然而，隨著國家和智能家居市場的不斷投資，許多自己的產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)出來。目前，中國的智能家居產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球非常大的市場，國內(nèi)相關企業(yè)也越來越多。早期的智能家居企業(yè)包括海爾集團、清華同方等公司，以及海爾集團的e－h(huán)ome，它們以電腦和手機作為控制中心和移動數(shù)字樞紐（如圖1.2所示）。終端設備包括海爾生產(chǎn)的多種網(wǎng)絡設備。此外，海爾在技術上與微軟合作，盡可能將微軟的WindowsMe技術與其網(wǎng)絡設備管理技術整合，打造“e家”系統(tǒng)。清華同方也推出了自己的智能家居產(chǎn)品——電子home數(shù)字家居。符合國際技術標準，采用軟硬件一體化技術，提供從網(wǎng)絡到終端的廣泛產(chǎn)品。這是一個專門針對中國家庭的智能家居系統(tǒng)。這些企業(yè)為中國智能家居產(chǎn)業(yè)做出了重大貢獻，將智能家居產(chǎn)業(yè)做大做強。就像國外一樣，現(xiàn)代新技術公司也在開發(fā)自己的智能家居產(chǎn)品，比如?？低暤闹悄芊雷o設備、小米的智能家居系列產(chǎn)品，以及華為主導的HiLink智能家居解決方案?？偟膩碚f，中國的智能家居與一些發(fā)達國家有著明顯的區(qū)別。但我國智能家居發(fā)展非常迅速，擁有大量的發(fā)展資源。經(jīng)過不斷發(fā)展，與這些發(fā)達國家的差距將逐漸縮小。圖1.2智能家居解決方案1.3本設計主要工作在這個科技時代，選擇智能家居作為研究對象具有社會意義。我國智能家居市場雖然潛力巨大，但由于多種原因，目前還沒有上市銷售，造成這種情況的主要原因之一是智能家居產(chǎn)品在市場上的定位有誤。此外，初期，相關概念引發(fā)了很多爭議，而第二階段，產(chǎn)品服務的缺失導致了高級用戶的流失。最后，高昂的價格讓普通消費者望而卻步，并導致了目前的市場狀況?？紤]到這一點，本文設計了一個簡單、實用且價格合理的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32為硬件平臺，配合物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)智能家居的基本功能。該系統(tǒng)不追求華麗的外觀，以低價為主，簡單實用，專注于低端市場。這個智能家居系統(tǒng)的設計主要是讓人們享受科技帶來的便利，引導公眾消費智能家居產(chǎn)品，促進智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2系統(tǒng)整體架構與關鍵原理2.1系統(tǒng)整體架構智能家居系統(tǒng)屬于物聯(lián)網(wǎng)這個范疇，如圖2.1是物聯(lián)網(wǎng)的架構圖。圖2.1系統(tǒng)整體的架構圖2.1.1感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，也是物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)區(qū)別。傳感層主要分為兩類：自動傳感和手動傳感。自動感知是指傳感器能夠自動感知周圍環(huán)境以獲取數(shù)據(jù)的傳感器等。另一種是人工感知，人工感知是指靠近待識別標簽的電子設備。例如，紅外條碼掃描是一個人工概念，理解層的另一個重要功能是智能終端的信息交互和信息處理。每個智能終端通過交換信息完成定位和同步功能，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，供高端設備使用。2.1.2網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層主要提供的服務是將感知的層數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡，并提供所需求的基本網(wǎng)絡，包括移動網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)絡等。2.1.3應用層應用層主要為相關行業(yè)提供具體的應用服務，分為兩部分。一是管理服務層，提供數(shù)據(jù)存儲服務、中間軟件服務、數(shù)據(jù)處理和決策服務；另一部分是行業(yè)應用層，主要是各種應用軟件。2.2物聯(lián)網(wǎng)技術介紹物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸，是一種利用傳感設備將物體與互聯(lián)網(wǎng)相連形成的網(wǎng)絡，它使物與物、物與人之間可以相互通信，達到萬物互聯(lián)、智能感知和事物管控的目的。圖2.2所示為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構圖，為滿足應用需要，一般把物聯(lián)網(wǎng)劃分成應用層、網(wǎng)絡層和感知層，每層都對應不同的功能。圖2.2物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構感知層是物聯(lián)網(wǎng)的耳目及肢干，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，用以獲取準確可靠的環(huán)境信息。其中最主要的功能是利用傳感設備檢測對生產(chǎn)、工作、生活等有研究或使用價值的信息，并經(jīng)過信號處理傳遞給控制裝置。網(wǎng)絡層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的神經(jīng)，提供了信息交互和共享的通道，主要用于數(shù)據(jù)傳輸。應用層將感知層獲得的信息資源進行匯總，并加以分析利用，為具體的行業(yè)領域提供服務。2.3無線技術介紹2.3.1無線網(wǎng)絡的組成無線網(wǎng)絡的基本組成包括無線網(wǎng)卡和網(wǎng)橋，可以通過這兩個設備連接到網(wǎng)絡。無線網(wǎng)卡類似于有線網(wǎng)絡的調(diào)制解調(diào)器，主要負責信號轉(zhuǎn)換，網(wǎng)橋又稱AP，在媒體訪問控制層，它主要起到無線工作站和有線局域網(wǎng)的作用，有點像有線網(wǎng)絡中的集線器，只有有了它，你才能快速連接到網(wǎng)絡。之所以能風靡全球，與其固有的特性是分不開的。2.3.2無線網(wǎng)絡的特點與其他無線通信技術相比，具有以下八個特點：（1）更快的傳輸速率與1mbps的藍牙和250kbps的ZigBee相比，它的傳輸速度可達11mbps。如果采用802.11n協(xié)議，理論傳輸速率可達600mbps。（2）更加低功耗2009年，基于ieee802.11行業(yè)標準的802.11n標準發(fā)布，在功耗方面進行了重大創(chuàng)新，使得功耗非常低。（3）更高的安全性互聯(lián)網(wǎng)安全一直是個問題。IEEE批準的802.11w標準可保護無線操作環(huán)境并增強無線連接性。同時，可以切斷黑客利用MAC地址及時攔截信息，使網(wǎng)絡更加安全。（4）更強更穩(wěn)定的信號802.11n無線芯片有很多特性，比如STBC，它使用低分辨率奇偶校驗碼使用多根天線來提高糾錯能力，提高信號可靠性。3系統(tǒng)硬件設計3.1微控制器最小系統(tǒng)設計3.1.1核心芯片概述總體硬件設計主要包括核心控制器、擴展模塊和外圍模塊。從性能和成本兩個方面考慮，選擇了基于美國STMicroelectronics公司Cortex-M3的32位增強型ARM微處理器stm32f103rct6作為智能家庭網(wǎng)關的核心處理器。微處理器的主頻為72mhz，48ksram空間和256K閃存，有51個通用IO端口。引腳圖如圖3.1所示。圖3.1STM32F103RCT6引腳圖3.1.2調(diào)試接口設計在開發(fā)過程中，調(diào)試是必不可少的，一個程序往往需要反復調(diào)試，才能最終實現(xiàn)相應的功能。如圖3.2所示，電路圖采用標準JTAG電路連接。因為STM32有SWD接口，所以JTAG和SWD之間有一個通用接口。連接JTAG電路后，SWD模式可用于對下載的應用程序進行故障排除。由于SWD調(diào)試器的速度比JTAG模式調(diào)試器快，因此SWD模式通常用于接口調(diào)試。圖3.2STM32最小系統(tǒng)3.1.3電源電路設計基于實用原理，將USB串口、USB和電源電路設計在一起，使電源、串口下載代碼和串口連接都可以使用，適合開發(fā)者使用。如圖3.3所示，USB串口芯片使用ch34g進行程序記錄和串口連接。電源芯片采用AMS117-3.3電源調(diào)節(jié)芯片（封裝如圖3.4所示），可將5V電壓轉(zhuǎn)換成STM32主控芯片所需的3.3V電壓。另外，考慮到在開發(fā)過程和未來的擴容升級過程中可能會用到3.3V和5V電壓，在設計過程中特別畫出了一排3.3V和5V電壓。圖3.3USB轉(zhuǎn)串口圖3.4AMS1117-3.3電源穩(wěn)壓芯片封裝3.1.4按鍵電路設計按鈕是網(wǎng)關設計中不可缺少的一部分。它可以幫助開發(fā)者進行程序開發(fā)，當然也可以幫助控制智能家居。網(wǎng)關設計有三把密匙，分別是KEY_BOOT、KEY2和KEY3，其中KEY2和KEY3作為公共密鑰。關鍵電路設計示意圖如圖3.5所示。圖3.5按鍵電路3.2無線通信系統(tǒng)設計該系統(tǒng)使用Wi-Fi無線遙控器遠程控制智能家居。當今市場上有許多Wi-Fi設備，例如cc3200和mt7681。由于成本和性能因素，選擇ATK-ESP8266作為系統(tǒng)中的Wi-Fi模塊。3.2.1ATK-ESP8266Wi-Fi模塊特點Atk-esp8266是一個高性能的串口無線模塊。車載esp8266模塊通過串口與主控芯片進行通信，內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議可以實現(xiàn)Wi-Fi與串口的轉(zhuǎn)換。該模塊兼容3.3V和5V單片機系統(tǒng)，可輕松接入主控電路。此外，支持STA、串口轉(zhuǎn)AP、STA+AP三種模式，支持開發(fā)。3.2.2Wi-Fi硬件電路設計由于主控芯片的電源設計有多個3.3V電源接口，主控芯片的冗余電源接口可以用來為ATK-ESP8266供電，但不能直接連接，因此在中間應增加穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器電路采用以線性穩(wěn)壓器rt9193-33為核心的穩(wěn)壓器模塊。使用時，僅VCC，GND，TXD，RXD和主控制器需要通過DuBang線5/3。3V，GND，PA3，PA2可以連接，如圖3.6所示。Wi-Fi模塊實物圖如圖3.7所示。圖3.6Wi-Fi硬件電路圖3.7Wi-Fi模塊實物圖3.3RGB全彩燈設計本設計使用RGB三色LED指示燈，并使用stm32三路IO端口產(chǎn)生PWM波，以控制彩色燈的顏色。硬件原理圖如圖3.8。圖3.8RGB指示燈電路3.4溫濕度傳感器設計帶校準數(shù)字信號輸出：DHT11溫濕度傳感器。該傳感器是一種具有校準數(shù)字信號輸出的復合溫濕度傳感器。采用專用數(shù)字模塊采集技術和溫濕度檢測技術，保證產(chǎn)品高可靠性和低長期穩(wěn)定性。該傳感器包括電阻式濕度傳感器和NTC測溫元件，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良，抗干擾能力強，性價比高。每個DHT11傳感器在高精度濕度校準箱中進行校準。標定系數(shù)以程序的形式存儲在OTP存儲器中，在檢測傳感器內(nèi)部信號的過程中調(diào)用這些標定系數(shù)。單線串行接口，系統(tǒng)集成方便快捷。超小型，極低功耗，信號傳輸距離在20m以上，產(chǎn)品為4針單線封裝。硬件原理圖如圖3.9所示，標準封裝圖模塊如圖3.10所示。圖3-9DHT11傳感器硬件電路圖3.10DHT11傳感器封裝圖3.5直流電機電路設計3.5.1驅(qū)動芯片概述為了模擬現(xiàn)場執(zhí)行器，在板上設計了微型直流電動機，該電動機由MX1508驅(qū)動。Mx1508是一款四通道推挽放大器ASIC元件，設計用于控制和驅(qū)動電機。分立電路集成到單個集成電路中，降低了附件成本，提高了系統(tǒng)和整機的可靠性。芯片采用兩路TTL/CMOS兼容電平輸入，抗干擾性能好；兩個輸出端可直接驅(qū)動電機正負方向，各通道具有較強的電流轉(zhuǎn)移驅(qū)動能力。各通道間可實現(xiàn)800ma以上的連續(xù)電流，峰值電流驅(qū)動能力可達2A；同時，具有較低的輸出飽和電壓降；內(nèi)置箝位二極管可以釋放感性負載的反向沖擊電流，使其在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率晶體管中工作。MX1508驅(qū)動芯片引腳圖如圖3.11，MX1508驅(qū)動芯片引腳定義如表3.1。圖3.11MX1508驅(qū)動芯片引腳圖表3.1MX1508驅(qū)動芯片引腳定義引腳編號引腳名稱輸入/輸出引腳功能描述1VCC1-1通道邏輯控制電源端2INA1|1通道正轉(zhuǎn)邏輯輸入3INB1|1通道反轉(zhuǎn)邏輯輸入4VDD1-1通道功率電源端5VCC2-2通道邏輯控制電源端6INA2|2通道正轉(zhuǎn)邏輯輸入7INB2|2通道反轉(zhuǎn)邏輯輸入8VDD2-2通道功率電源端9OUTB2O2通道反轉(zhuǎn)輸出10GND-接地端11GND-接地端12OUTA2O2通道正轉(zhuǎn)輸出13OUTB1O1通道反轉(zhuǎn)輸出14GND-接地端15GND-接地端16OUTA1O1通道正轉(zhuǎn)輸出3.5.2直流電機電路設計微型直流電動機為4針單排引腳封裝，4個引腳分別連接VCC、OUTA1、OUTB1、GND，出電源和地外分別連接驅(qū)動芯片的正轉(zhuǎn)輸出以及反轉(zhuǎn)輸出，電路圖如圖3.12。圖3.12直流電機電路4系統(tǒng)軟件設計4.1軟件整體架構智能家居系統(tǒng)不僅要有硬件，還要有軟件，否則就無法工作。兩者同等重要，缺一不可。搭建了智能家居的硬件平臺。為了使智能家居系統(tǒng)發(fā)揮功能，需要搭建相應的軟件平臺。軟件平臺分為應用層、抽象層和底層三部分。應用層主要包括無線通信、外圍模塊與主控制器的串行通信、數(shù)據(jù)訪問等。抽象層主要包括相關協(xié)議和操作系統(tǒng)，底層主要是主控芯片的驅(qū)動程序?？傊?，智能家居系統(tǒng)主要采用TCP-IP協(xié)議，實現(xiàn)智能家居內(nèi)外的ZigBee通信，最終實現(xiàn)智能家居的相關功能。軟件結構如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)整體流程圖4.2軟件開發(fā)環(huán)境發(fā)展環(huán)境對發(fā)展非常重要。目前，STM32主控芯片的開發(fā)采用了ARMSDT、ARMARDS、IAREWARM和KELLARM-MDK等常見的開發(fā)環(huán)境，如圖4-2所示。KeiluVision5是2013年10月推出的一款集成開發(fā)工具，主要針對使用uVision5ide。它主要針對arm處理器，特別是以armcortex-M為核心的處理器。KeiluVision5（界面如圖4.2所示）與KeiluVision4兼容?；趉eiluVision4，加強了對Cortex-M單片機開發(fā)的支持。傳統(tǒng)的開發(fā)模式和接口分為MDK內(nèi)核和軟件包。其中，MDK內(nèi)核包含了由單片機開發(fā)的所有組件，包括編輯器、IDE（uVision5）、uVision調(diào)試跟蹤器、armc/C++編輯器和pack安裝程序，軟件包無需工具鏈即可完成對新芯片的支持和中間庫的升級。圖4.2keiluVision5初始界面4.2.1軟件開發(fā)工具在智能家居控制網(wǎng)關的開發(fā)過程中，開發(fā)工具是一個重要的組成部分，影響著開發(fā)進度。系統(tǒng)開發(fā)采用J-link，主控器開發(fā)采用J-link仿真器（如圖4.3所示），J-link仿真器是Segger公司生產(chǎn)的JTAG仿真器。主要用于支持ARM核心芯片的仿真。它可以支持在Keil、ads和其他集成開發(fā)環(huán)境中模擬大多數(shù)arm系列內(nèi)核。它可以與Keil無縫連接，易于學習和連接。它是學習和開發(fā)arm的一個非常實用的開發(fā)工具。此外，j-link模擬器還具有下載速度快、電壓兼容范圍寬、自動速度識別、即插即用等優(yōu)點。這些好處對開發(fā)人員非常有用。圖4.3J-Link仿真器實物圖4.2.2軟件開發(fā)環(huán)境本次設計使用Keiluvision5進行軟件開發(fā)，開發(fā)界面如圖4.4所示。圖4.4Keil開發(fā)界面圖該軟件中安裝了stm32系列芯片的庫文件如圖4.5所示。圖4.5STM32庫文件4.3TCP/IP協(xié)議4.3.1TCP/IP協(xié)議簡介TCP/IP協(xié)議是TransmissionControlProtocol/InternetProtocol的縮寫，中文名networkcommunicationProtocol，它于1974年12月由美國科學家卡恩和瑟夫正式提出并發(fā)表。它是互聯(lián)網(wǎng)最基本的協(xié)議和基礎，主要包括TCP協(xié)議和IP協(xié)議。4.3.2TCPTCP用于應用程序之間的通信。當一個應用程序想要通過TCP連接到另一個應用程序時，它會發(fā)送一個通信請求。請求必須發(fā)送到特定地址。成功之后，TCP在兩個應用程序之間創(chuàng)建全雙工通信。這種全雙工通信占用兩臺計算機之間的通信線路，直到其中一方或雙方都關閉。4.3.3IPIP是一種無線連接協(xié)議。它不占用兩臺互連計算機之間的通信線路。這樣，IP減少了對網(wǎng)絡線路的需求。每條線路可同時滿足多臺不同計算機的通信需要。在IP的幫助下，信息（或其他數(shù)據(jù)）被分成小的獨立數(shù)據(jù)包，并通過Internet在計算機之間傳輸。IP負責將每個數(shù)據(jù)包路由到其目的地。4.3.4TCP/IP的組成TCP/IP設定了將電子設備連接到Internet和傳輸數(shù)據(jù)的標準。該協(xié)議由四部分組成：鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。如下圖所示，TCP/IP協(xié)議模塊如圖4.6所示。網(wǎng)絡接口層主要是網(wǎng)絡接口。這四層分別負責不同的功能，形成TCP/IP協(xié)議。圖4.6TCP/IP協(xié)議模型（1）鏈路層鏈路層是協(xié)議的最低層。主要負責操作網(wǎng)卡、沖突檢測、PA同步、數(shù)據(jù)錯誤檢測等相關硬件設備。網(wǎng)絡層是所有協(xié)議的核心。它負責不同主機之間的通信。其活動涉及三個方面。1）收到請求后，將數(shù)據(jù)包加載到IP數(shù)據(jù)報中，填寫標題，選擇到目的機器的路由，將數(shù)據(jù)報發(fā)送到相應的網(wǎng)絡接口。2）對輸入數(shù)據(jù)報進行處理：先檢查其有效性，然后運行路線；如果數(shù)據(jù)報達到某個值，則刪除標題并將其余部分留在相應的傳輸協(xié)議中；如果數(shù)據(jù)尚未到達接收者，數(shù)據(jù)將被傳輸。3）解決路徑、流量控制、擁塞等問題。IP是這一層的核心，而ICMP是它的補充。（2）傳輸層傳輸層允許兩個不同的相似設備相互通信，并負責格式化信息并提供可靠的傳輸。為了實現(xiàn)后者，發(fā)送存儲協(xié)議要求接收方返回確認并在數(shù)據(jù)包丟失時重新發(fā)送它。該層包括TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。（3）應用層應用層主要為用戶提供郵件、文件傳輸、遠程登錄等應用。Telnet使用Telnet協(xié)議向網(wǎng)絡中的其他主機提供注冊接口。Telnet會話提供基于字符的虛擬終端。FTP使用FTP協(xié)議允許在網(wǎng)絡上的機器之間傳輸文件。4.4STM32驅(qū)動程序設計在開發(fā)智能家居的過程中，STM32核心芯片有很多模塊需要工作。包括：時鐘、串口、ADC等。這些模塊是開發(fā)過程中最基本和最重要的部分，它們是必不可少的組件。4.4.1時鐘初始化Stm32_Clock_Init(u8PLL)是一個時鐘初始化函數(shù)。選擇Pllclk作為系統(tǒng)時鐘，apb1除以2，apb2除以1，AHB除以1。設置參數(shù)PLL，范圍從2到16，主要用于配置時鐘的倍頻。4.4.2延時函數(shù)初始化delay_init(u8SYSCLK)是一個延遲初始化函數(shù)，在延遲等待等任務中起著非常重要的作用。Sysclk是系統(tǒng)的固定時鐘，參考如圖4.7系統(tǒng)時鐘樹。圖4.7系統(tǒng)時鐘樹4.4.3串口初始化根據(jù)數(shù)據(jù)手冊如表4.1所示，Stm32f103c8有三個串口，其中串口1對應IO端口PA9和PA10，串口2對應IO端口pa2和PA3。函數(shù)uart_init(u32pclk2，u32bound)是串口的初始化函數(shù)，其中pclk2是串口1的時鐘頻率，bound是串口1的波特率。在初始化功能中，首先啟用端口時鐘和串行時鐘，然后分別將PA9和PA10設置為多通道推挽輸出和浮動輸入，然后設置串行端口波特率，最后將停止位設置為1位，不設置校驗位。此時，設置串行端口1和3。表4.1用戶手冊P165-P1664.4.4LED初始化根據(jù)硬件電路原理，兩個LED分別連接到PA8和PD主控電路上的100gIO口，所以啟動LED主要是啟動兩個IO口。將兩個IO口設置為輸出，將函數(shù)設置為LED_Init（）并使用KEY_Init（）啟動。在該函數(shù)中，首先啟動PA0、pa15和PC5，并將三個IO口設置為輸入。然后長按功能鍵，設置掃描模式值（U8模式），選擇按鍵模式。當位置值為0時，不能連續(xù)按下按鈕。模式值為1時，可以連續(xù)按鍵。4.5驅(qū)動程序設計Esp-8266是一種高性能無線模塊。采用串口與主控制器通信，并內(nèi)置TCP/IP協(xié)議。它可以實現(xiàn)串口與主機控制器之間的轉(zhuǎn)換。4.5.1ESP-8266工作模式ESP-8266是少數(shù)支持串行端口到STA，串行端口到AP和STA+AP的無線模塊之一。ESP-8266STA/AP/STA+AP三種工作模式:（1）STA模式在這種模式下，Esp-8266模塊可以通過路由器直接接入互聯(lián)網(wǎng)，最終與手機建立聯(lián)系，實現(xiàn)遠程控制，示意圖如圖4.8所示。圖4.8STA(Station)模式（2）AP模式在這種模式下，Esp-8266模塊直接與手機作為熱點進行通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)控制，示意圖如圖4.9所示。圖4.9AP(SoftAP)模式（3）STA+AP模式在這種模式下，可以實現(xiàn)兩種模式之間的無縫切換，操作方便，示意圖如圖4.10所示。圖4.10STA+AP(SoftAP+station)模式4.5.2ESP-8266AT指令ESP-8266有許多AT指令。在AT模式中，主控制器可以通過串行端口發(fā)送AT指令。ESP-8266工作流程圖如圖4.11所示。圖4.11驅(qū)動流程圖從開機到最終成功發(fā)送數(shù)據(jù)，有以下四部分程序：（1）初始化主要驅(qū)動Esp-8266模塊底層通信，包括at指令的發(fā)送與接收、模塊狀態(tài)檢查、輸入輸出顯示等。包括以下功能:atk_8266_send_cmd()//向ESP-8266模塊發(fā)送AT指令;atk_8266_quit_trans()//退出透明模式;atk_8266_consta_check()//獲取ESP-8266模塊的連接狀態(tài);atk_8266_get_wanip()//在STA或AP模式下獲取IP地址和MAC地址;atk_8266_get_ip()//在STA+AP模式下獲取IP地址和MAC地址;最后，有一個Esp-8266模塊測試主功能函數(shù)atk_8266_test，它先檢查Esp-8266模塊是否有正常的檢測模塊，然后初始化為AP模式，然后進入模式選擇界面，最后按鍵進入相應的子功能進行測試。（2）AP+STA模式測試只有一個函數(shù)atk_8266_apsta_test測試模塊串行端口AP+STA模式的每個子模式。首先，配置STA模式，然后配置AP模式。配置完成后，LCD接口需要輸入遠程IP地址，輸入正確的IP地址，開始數(shù)據(jù)發(fā)送和接收測試。如果沒有收到數(shù)據(jù)，程序每10秒檢查一次，看是否還有連接，并在液晶顯示器上顯示連接狀態(tài)，跑馬燈將每0.4秒閃爍一次，用于提示程序正在運行。（3）STA和AP模式下，測試TCP/UDP連接STA模式下的程序類似于atk_8266_apsta_test函數(shù)，僅僅只是缺少AP模式的主要配置代碼。（4）串口連接無線模塊與主控制器通過上述串口1連接。通過以上四個步驟，Esp-8266完成了組網(wǎng)過程。通過串口與主控制器連接，使主控制器通過Esp-8266與外界通信，實現(xiàn)真正的遠程控制。5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試硬件部分開發(fā)實物圖如圖5.1所示，硬件部分通過J-LINK連接電腦端，將軟件燒錄進核心芯片中。圖5.1硬件開發(fā)實物圖5.2遠程端調(diào)試首先將手持設備連接硬件核心板的Wi-Fi，然后打開手持端APP，在APP上單擊“添加設備”，輸入產(chǎn)品名稱，選擇相應的設備訪問方案，完成“新產(chǎn)品”的創(chuàng)建如圖5.2所示。一個產(chǎn)品需要定義產(chǎn)品數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點是由給定產(chǎn)品中不同類型的數(shù)據(jù)表示的功能抽象。比如最簡單的設備“開關”有以下功能：開、關，抽象成一個布爾數(shù)據(jù)點，0表示關，1表示開，產(chǎn)品核心的第一步是數(shù)據(jù)點。明確產(chǎn)品的特性和功能是非常重要的。在平臺上逐一創(chuàng)建相應的數(shù)據(jù)點，描述其特性，然后根據(jù)生成的數(shù)據(jù)點自動生成所安裝的開發(fā)MCU協(xié)議，并根據(jù)協(xié)議完成智能設備的自動連接。圖5.2添加設備連接上設備后進行相關功能的調(diào)試，如圖5.3所示，測試相關RGB全彩燈功能、溫濕度功能、和電機功能。圖5.3功能測試可以驗證出RGB三色燈可以正常工作，室內(nèi)的溫濕度可以正常顯示，電機可以正常工作。6結論整個畢設過程中還分為選題，設計，實行等相關步驟。首先，在選題前，我查詢了學院書館的大量相關資料，分析了實施的可行性，最后確定了智能家居的選題。后，我開始設計可行的解決方案。在該方案的基礎上，運用了單片機基本原理，Keil軟件的編譯及其在線編譯仿真功能等本科專業(yè)常識，保證了設計的最終實現(xiàn)。在設備選型方便的一起，也本著節(jié)約資源，簡