IV第1章緒論課題背景與意義互聯(lián)網(wǎng)在近十年內(nèi)的發(fā)展速度有目共睹，而互聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)都衍生了新的產(chǎn)物并滲透全球市場。智能家居是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個典型產(chǎn)物，充分適應(yīng)時代的發(fā)展和人們的需求。目前市場上普遍流通的智能家居產(chǎn)品有感應(yīng)燈具照明系統(tǒng)、自動調(diào)溫系統(tǒng)、智能窗簾系統(tǒng)、家庭影院、防火防盜系統(tǒng)等，大多通過定時控制、紅外感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)手段進(jìn)行操控、聯(lián)網(wǎng)、上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能功能。[1]-[3]單片機(jī)微控器起源于上個世紀(jì)七十年代，功能結(jié)構(gòu)單一，控制器體積大，時至今日，單片機(jī)體積越來越來，功能也越發(fā)多樣性、智能化，被廣泛地應(yīng)用于家居系統(tǒng)各大領(lǐng)域。從宏觀來看，智能家居系統(tǒng)的發(fā)展取決于幾大影響因素，如政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會市場需求情況、技術(shù)發(fā)展進(jìn)程等因素。[4]-[5]歸根結(jié)底智能建筑控制、智能環(huán)境采集等方案都是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的硬件基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)，通過在硬件設(shè)備上搭建各種環(huán)境采集類別的傳感器裝置，可布置一組或多組傳感器裝置來實(shí)現(xiàn)更高精度的環(huán)境參數(shù)采集，隨著無線通信技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和水平的提升，傳感器都具備了無線的功能，更大的推動了智能家居環(huán)境采集的無線布置，大力度的減少此前繁雜的接線。隨著嵌入式平臺處理器的發(fā)展，在近年來的智能化系統(tǒng)中得到了更大的推廣，智慧家庭設(shè)備、智能機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)在屢見不鮮，物聯(lián)網(wǎng)的大力推行將處理器和無線通信緊密相連，在未來的AI更新型的高科技應(yīng)用會有更深入的提升。[6]-[8]國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀智能家居起源很早，自從第一棟代表著智能化建筑在1984年美國被建造出來，此后的幾十年間，針對智能家居改善方案的被不斷的提出和優(yōu)化，瑞典等歐洲發(fā)達(dá)國家由于民眾的高接受度，已經(jīng)逐步在新建的樓盤小區(qū)等建筑物上應(yīng)用起來，實(shí)現(xiàn)很多無人化的智能控制。日本作為亞太地區(qū)電子技術(shù)水平最發(fā)達(dá)的國家，同樣已大力度的推廣智能化設(shè)計(jì)，絕大多數(shù)辦公大樓早已實(shí)現(xiàn)智能燈控、門禁以及遠(yuǎn)程控制的場景，即便日本的高齡化嚴(yán)重，但由于各類智能便捷設(shè)備的存在，年紀(jì)大的工作人員也可減少辦公維護(hù)的精力支出。近年來，國內(nèi)大力開發(fā)房地產(chǎn)，房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目的研討會上也逐漸增加了很多智能公司的身影，例如華為、海爾、小米等國內(nèi)知名一線電子設(shè)備廠商。在政府辦公大樓、各地市的行政服務(wù)中心、大型商場超市都已出現(xiàn)各類智能化產(chǎn)品，極大程度的減少管理和維護(hù)者的精力。同樣在智慧小區(qū)內(nèi)，包含智能門禁、人臉識別驅(qū)動電梯等的應(yīng)用司空見慣，相信隨著研發(fā)水平的不斷提高，智能家居的應(yīng)用場景會越來越廣，并且優(yōu)化跨度也會愈發(fā)的大，未來會有更多此可無法想象的智慧家庭、智慧辦公的應(yīng)用方式出現(xiàn)，值得去思考和實(shí)現(xiàn)。[9]-[14]本文組織結(jié)構(gòu)第一章，緒論。通過網(wǎng)上、圖書館查找設(shè)計(jì)相關(guān)的文獻(xiàn)和資料，對本文研究的背景、意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及想要實(shí)現(xiàn)的功能等進(jìn)行詳細(xì)闡述。第二章，總體方案設(shè)計(jì)。構(gòu)建本文所研究設(shè)計(jì)的整體框架，剖析本次課題的任務(wù)要求，圍繞總體目標(biāo)，細(xì)化各模塊目標(biāo)功能，在此基礎(chǔ)上，對主控制器模塊、傳感器模塊等進(jìn)行多方案優(yōu)劣對比與選擇，最終確定具可行性的方案。第三章，硬件電路設(shè)計(jì)。對本研究系統(tǒng)中所使用到的單片機(jī)模塊、傳感器模塊、無線模塊、繼電器模塊等的設(shè)計(jì)細(xì)化闡述和研究，既簡明又清晰地體現(xiàn)各模塊設(shè)計(jì)歷程和原理。第四章，軟件設(shè)計(jì)的邏輯實(shí)現(xiàn)。包括整個系統(tǒng)的主程序流程及各功能模塊的子程序組成，針對以上模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)闡明，設(shè)計(jì)主程序及各子功能模塊的邏輯程序設(shè)計(jì)流程圖。第五章，實(shí)物系統(tǒng)調(diào)試。通過軟件調(diào)試和硬件調(diào)試展現(xiàn)調(diào)試結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，分析并呈現(xiàn)實(shí)物調(diào)試過程。最后，總結(jié)。設(shè)計(jì)研究完成后的感悟體會，汲取經(jīng)驗(yàn)不足之處，改進(jìn)今后的方式方法，注重實(shí)際，注重成果。

第2章系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成及整體設(shè)計(jì)思路通過對市場上的主流產(chǎn)品的方案解析及對近些年高校大賽的獲獎設(shè)計(jì)進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)出當(dāng)前智能家居環(huán)境采集系統(tǒng)市面上占比最大的實(shí)現(xiàn)方案如下圖2.1所示，整體系統(tǒng)框架一般為本地控制端集端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，其中本地端由主控搭載傳感器及外圍功能電路構(gòu)成，遠(yuǎn)程監(jiān)控端則多樣化，例如PC端的上位機(jī)、移動端的上位機(jī)應(yīng)用以及最新技術(shù)云平臺。本次系統(tǒng)的整體框架如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框架示意圖主控制器的選型方案一：選用STC89C52型號的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)本次系統(tǒng)的主控制單元。51系列單片機(jī)給電子智能化產(chǎn)業(yè)開啟了新的篇章，應(yīng)用可拓展至家庭、辦公、工業(yè)等各類場景下，鑒于其優(yōu)良的可靠性和功能穩(wěn)定性一直深受用戶和電子從業(yè)者的追捧。STC89C52有40pin管腳，片內(nèi)有8K字節(jié)的Flash可用于功能編譯，受其結(jié)構(gòu)封裝等限制，C52單片機(jī)為8位處理器，在對處理要求不高的功能設(shè)計(jì)上仍是游刃有余，由于是首個進(jìn)入中國市場的單片機(jī)型號，因此在開發(fā)工具的便利度和問題經(jīng)驗(yàn)的全面性等上面會有很大的優(yōu)勢，對初學(xué)者來說非常適宜。方案二：選用ARM嵌入式32位微處理器的ESP32單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主控功能，由于總線位數(shù)上的優(yōu)勢，單個周期指令可以同時觸發(fā)32位數(shù)據(jù)操作，處理速度和效率上同比51等單片機(jī)大幅提高，ESP32的接口和片內(nèi)外設(shè)可支持豐富的功能，ESP32的芯片型號種類多，在管腳數(shù)碼、存儲容量等多個配置項(xiàng)上進(jìn)行區(qū)分，便于使用者選用適合的參數(shù)配置芯片，在以上芯片優(yōu)化的前提下其芯片的定價(jià)一直處于一個合理價(jià)位，強(qiáng)大的技術(shù)總結(jié)和分享文檔使得大批51單片機(jī)用戶轉(zhuǎn)投到32系列門下，ESP32單片機(jī)在近年來的智能化系統(tǒng)中得到了更大的推廣，智慧家庭設(shè)備、智能機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)在屢見不鮮，更凸顯了ESP32開發(fā)系統(tǒng)在各應(yīng)用場景下的超強(qiáng)兼容性和穩(wěn)定可靠。物聯(lián)網(wǎng)的大力推行將ESP32單片機(jī)和無線通信緊密相連，在未來的AI更新型的高科技應(yīng)用上有其一席之地。方案三：采用ZigBee無線通信技術(shù)的CC2530模塊作為系統(tǒng)的無線通信載體，ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一個開放的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。與低成本節(jié)點(diǎn)為所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供覆蓋的傳統(tǒng)星型、點(diǎn)對點(diǎn)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比較，ZigBee采用基于AODV的路由技術(shù)，使用動態(tài)、自主的路由協(xié)議，一般工作在2.4GHzISM頻段。ZigBee技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗的特點(diǎn)[5]，主要適用于自動控制以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，主要用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，目標(biāo)是滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)和控制，例如智能家居物聯(lián)網(wǎng)，在家庭/商業(yè)自動化領(lǐng)域、智慧能源、健康醫(yī)療及零售等領(lǐng)域同樣有的應(yīng)用前景通過對三組主控芯片的發(fā)展和優(yōu)缺點(diǎn)比對，結(jié)合本次設(shè)計(jì)需求和難度等級進(jìn)行方案篩選，首先考慮主控方案的成熟度和設(shè)計(jì)難度，是否有豐富的經(jīng)驗(yàn)案例和技術(shù)總結(jié)務(wù)必是前提條件，其次針對設(shè)計(jì)需求的外設(shè)種類和復(fù)雜程度選擇可支持快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行的處理器，偏向STM32處理器方案，但都需要增加節(jié)點(diǎn)無線通信模塊給系統(tǒng)帶來繁雜性，，Zigbee可以同時解決無線和數(shù)據(jù)處理的問題，性價(jià)比最高且不會對設(shè)計(jì)造成經(jīng)濟(jì)困擾。最終本次主控處理器的選擇為CC2530處理器。本章小結(jié)：選用經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性更強(qiáng)的方案，有助于設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)通過第二章節(jié)對方案總體規(guī)劃和選型分析后，本次設(shè)計(jì)以CC2530模塊為主要控制模塊，外部的輸入設(shè)備為采集光照強(qiáng)度的光敏電阻和DHT11溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧濃度使用MQ-2來完成，通過zigbee無線通信組網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信，協(xié)調(diào)器端搭建一個串口模塊上傳到上位機(jī)來完成人機(jī)交互，輔以蜂鳴器模塊進(jìn)行環(huán)境異常提示。系統(tǒng)各單元硬件設(shè)計(jì)CC2530協(xié)調(diào)器主控系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)選用CC2530型號芯片，是主流的Zigbee平臺的控制器，其芯片管腳為10pin，主控芯片的用途在于內(nèi)部燒錄程序的執(zhí)行，調(diào)用和驅(qū)動外圍功能模塊按照預(yù)設(shè)邏輯工作。CC2530單片機(jī)的工作電壓為3.3V，電壓可寬泛至2.0V，仍能完成工作開啟。單片機(jī)內(nèi)部集成了一組時鐘電路可實(shí)現(xiàn)RTC計(jì)時功能，但一般情況下仍可以設(shè)計(jì)一組外部時鐘電路來提高時鐘信號的精度。芯片內(nèi)部的閃存和SRAM容量都可支持大量程序燒寫，本次選用的CC2530的功耗僅為36mA，在同等配置下屬于最低等級，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖如圖3-1所示。圖3-1最小系統(tǒng)電路原理圖最小系統(tǒng)由一組按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化功能的復(fù)位電路及產(chǎn)生維持RTC時鐘的晶振電路構(gòu)成，晶振電路即利用了一個產(chǎn)生固定且穩(wěn)定頻率的石英振蕩器來實(shí)現(xiàn)，通過適配電容來使得晶體可正常起振并持續(xù)穩(wěn)定，本次設(shè)計(jì)選用的是32M晶體，匹配電容C1、C2通過計(jì)算后選用20pF。當(dāng)系統(tǒng)正常供電后，晶振電路順利起振給單片機(jī)帶來時鐘信號，用于完成單片機(jī)控制指令工作的前提條件，這樣有助于延時程序和讀寫時序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能夠產(chǎn)生晶體及補(bǔ)償電容需要靠近單片機(jī)擺放，這樣有利于提高晶體的抗干擾能力，減少高速信號引入的干擾，同時有利于阻抗匹配設(shè)計(jì)，減少反射干擾，晶振電路如圖3-2所示。圖3-2晶振電路原理圖復(fù)位電路的作用是用于消除系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)程序跑飛或卡頓所產(chǎn)生的系統(tǒng)無法正常響應(yīng)的現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)功能異?；蛘叱绦蛩梨i時，無需拔掉電源，可以通過復(fù)位電路，將單片機(jī)的工作狀態(tài)恢復(fù)到初始狀態(tài)，避免電源端口的反復(fù)拔插，造成內(nèi)部存儲器件的損傷。整個電路所需器件較少，不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)，通常是在單片機(jī)的RST管腳上連出一個按鍵來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動控制，另外為了避免錯誤的復(fù)位指令被響應(yīng)，復(fù)位按鍵一般不會凸顯在設(shè)備外部，而是隱藏在機(jī)殼內(nèi)部需要觸筆等類型工作方可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)，復(fù)位控制電路原理圖如下圖3-3所示.圖3-3復(fù)位電路原理圖溫濕度傳感器模塊電路傳感器模塊從概念上來解析就是一款能夠采集外在感官參數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片組所能夠識別的信號的功能模塊。傳感器模塊的核心部件就是類似人體感官的熱敏、光敏、煙霧等環(huán)感器件，工作原理就是通過以上環(huán)感大類器件來完成外在環(huán)境的輸入端采集隨后通過AD數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過濾波放大電路將參數(shù)更加直觀的體現(xiàn)給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個環(huán)境圈的回環(huán)電路，前端的傳感器采集電信號，中間過程通過信號處理電路，后端的主控模塊完成接收和識別。DHT11所需的供電電壓跨度從3.3V到5.5V，工作時的電流很小，整體功耗低。該產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，在設(shè)計(jì)和布局上較為方便。在電路設(shè)計(jì)上通常在數(shù)據(jù)管腳上利用一個10KΩ上拉電阻R5將其輸出時鐘處于一個高電平狀態(tài)，檢測到濕度數(shù)據(jù)后DATA數(shù)據(jù)被拉低單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)接收，DHT11溫濕度傳感器的原理圖如3-4所示。圖3-4溫濕度傳感器模塊原理圖煙霧濃度傳感器模塊電路本設(shè)計(jì)中采用了MQ-2的煙霧傳感器，煙霧濃度傳感器的工作原理是由傳感器上的一個氣敏材料來進(jìn)行信號觸發(fā)和變化，處于傳感器表面的氣敏材料可由于吸收外界可燃?xì)怏w，使其表面的參數(shù)發(fā)生變化，以此來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中煙霧濃度數(shù)據(jù)的采集，但由于傳感器變化的電信號體量較小，即便是輸入到單片機(jī)內(nèi)仍無法有效識別，因此MQ-2電流的內(nèi)部通常會設(shè)置一組放大電路，常用的是LM393芯片將輸入信號放大數(shù)倍后再通過AD0接口輸入到單片機(jī)管腳，從而實(shí)現(xiàn)將煙霧濃度數(shù)據(jù)從小體量的微弱信號變更為可識別的電平信號。整個煙霧濃度傳感器模塊原理圖如3-5所示。圖3-5煙霧濃度模塊原理圖光敏電阻電路由于本次系統(tǒng)需要完成光照采集，光敏二極管的特征是：對光線十分敏感。其阻值隨著光度的減弱而增大。由于太陽光的強(qiáng)度越弱,其電阻阻值就會變得越大,所以其光照的強(qiáng)度和電阻成反比。光敏二極管組成:主要由活性金屬中的硫化物、硒化物和其他金屬的活性硅化物等多種半導(dǎo)體元件材料所組成制造?；旧暇褪遣捎昧艘后w涂敷、噴涂、燒結(jié)等加工技術(shù)。該方法在光敏絕緣體的外殼體和襯底上分別加入制作很薄光敏負(fù)極電阻體和羊毛梳狀狀的歐姆光敏電極,然后在其連接處拉出一根光敏引線,封裝連接到一個開口帶有圓形透光鏡的圓形密封殼體內(nèi),以免因?yàn)橥饨鐥l件受潮而嚴(yán)重腐蝕影響其工作靈敏度。光敏材料電阻的基本工作電路原理:光敏材料電阻的主要基本工作電路原理之一就是基于內(nèi)光電極式效應(yīng),即在一種半導(dǎo)體電路中的光敏管道材料兩端分別安裝一條內(nèi)光電極式的牽引線,將其封閉安裝到一個通常帶有透明窗口的光敏管道外殼里就成了可以直接構(gòu)成一種光敏材料電阻。為了有效提高靈敏性,兩者的電極往往都需要組合做成一個梳形，光敏電路圖如圖3-6所示。圖3-6光敏電阻模塊原理圖電源模塊電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)電源電路如圖3-7所示?，F(xiàn)階段供電方式和接口均往標(biāo)準(zhǔn)化方向在發(fā)展，本次系統(tǒng)選用5V電源，但由于系統(tǒng)中存在DHT11溫濕度傳感器等功能模塊的需要3.3V電壓，因此電源DC-DC電路是無法避免的，DC芯片選用了AMS1117-3.3型號，該型號的工作原理圖與一般的線性穩(wěn)壓器相同，利用的是反饋調(diào)節(jié)機(jī)制維持3.3V輸出電壓的穩(wěn)定，即便輸入電壓是4.4V，電源模塊電路仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓3.3V輸出，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。圖3-7電源模塊電路圖電源DC轉(zhuǎn)換電路的AMS1117的輸入為VCC5，C4電容的存在是為了對輸入電壓進(jìn)行濾波，輸出電壓端由C3實(shí)現(xiàn)高頻和低頻濾波的作用，實(shí)現(xiàn)3.3V的穩(wěn)定輸出。蜂鳴器模塊電路設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行程序過程會出現(xiàn)超出正常工作狀態(tài)的情況存在，若無一個有效的提示效果無法讓用戶知悉，會使得系統(tǒng)的智能化程度無法體現(xiàn)，在此選用了蜂鳴器這種簡單的報(bào)警模式來進(jìn)行提示。單片機(jī)的IO管腳的電流驅(qū)動受限，如直接用于驅(qū)動蜂鳴器則無法有效驅(qū)動，通常的做法都是利用一個三極管來加大電流數(shù)據(jù)，同時也可作為開關(guān)作用實(shí)現(xiàn)在需要驅(qū)動的時候開啟三極管，無需操作的時候三極管斷開。由單片機(jī)輸出管腳的高低電平來進(jìn)行切換工作模式，報(bào)警的聲音模式有多樣化，短鳴、長鳴或者周期短鳴等多組方式，但是蜂鳴器的頻率時固定的，此功能時通過PWM的輸出波形來進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的報(bào)警模式切換。蜂鳴器的電路圖如圖3-8所示，主控器的P11口用于控制蜂鳴器，5V供電正常狀態(tài)下，當(dāng)濕度數(shù)據(jù)觸發(fā)閾值，P11端口的電平信號被拉低，因此Q4三極管導(dǎo)通，蜂鳴器開啟鳴叫工作狀態(tài)，若將P11拉高，則Q4三極管關(guān)斷，蜂鳴器處于待機(jī)靜音狀態(tài)。圖3-8蜂鳴器模塊的接口電路圖本章小結(jié)：先在理論上確認(rèn)硬件的可行性，再進(jìn)行實(shí)操，結(jié)果證明是可行的。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境介紹能軟件設(shè)計(jì)，需要一個合適便捷的工具來進(jìn)行代碼編譯和運(yùn)行調(diào)試等設(shè)計(jì)步驟，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主程序和各子功能調(diào)用程序的模塊劃分和編寫，匯編語言是最早產(chǎn)生的一種軟件編程語言，隨著時代的發(fā)展和技術(shù)的改良，C語言出現(xiàn)完全替代掉繁瑣的匯編語言，現(xiàn)主流設(shè)計(jì)均采用C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對C語言的編譯工具也根據(jù)不同平臺開發(fā)了例如keiluvison、IDE、MDK等代碼工具，甚至樹莓派的py語言也是在C語言的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。本次系統(tǒng)開發(fā)的編程平臺選擇了擁有廣泛群眾基礎(chǔ)的IAR，軟件的界面和操作便利性得到了很大的提升和改進(jìn)。在兼容性方面也很強(qiáng)大，可包容51全系列的單片機(jī)控制器產(chǎn)品、功耗極低的MSP430系列產(chǎn)品以及嵌入式平臺的STM32系列單片機(jī)處理器，軟件首先要建立一個工程文件，隨后分支建立第二級、第三級等子功能模塊調(diào)用函數(shù)的.C文件和.H文件，在主程序中實(shí)現(xiàn)庫函數(shù)和功能模塊函數(shù)之間的循環(huán)調(diào)用。模塊化的編譯方式在查找問題時也顯得輕松，將范圍縮小至一個函數(shù)中，待每個函數(shù)都可執(zhí)行下去且無出現(xiàn)任何bug和錯誤信息，則表明程序函數(shù)的編譯完成，可生成HEX文件下載至控制器內(nèi)，完成系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合。軟件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)主程序流程為系統(tǒng)上電后首先完成系統(tǒng)參數(shù)各配置項(xiàng)的初始化，系統(tǒng)開啟后完成系統(tǒng)配置初始化，清楚標(biāo)志位和顯示緩存區(qū)，系統(tǒng)調(diào)用傳感器采集程序，完成實(shí)時的環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和識別，完成當(dāng)前智能家居環(huán)境參數(shù)信息的讀取，隨后為了將數(shù)據(jù)直觀顯示出來，需調(diào)用無線zigbee通信程序完成節(jié)點(diǎn)端和協(xié)調(diào)器端的互聯(lián)，并利用VB上位機(jī)完成無線網(wǎng)絡(luò)交互后即可實(shí)現(xiàn)將讀取到的當(dāng)前智能家居傳感器信息在上位機(jī)上顯示，實(shí)現(xiàn)智能采集環(huán)境參數(shù)的功能。下一步就是主控模塊要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的各參數(shù)安全區(qū)間范圍值進(jìn)行比較，當(dāng)處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用傳感器函數(shù)采集程序并不對后續(xù)的驅(qū)動電路進(jìn)行控制，若超出標(biāo)準(zhǔn)范圍以外則需要控制驅(qū)動對應(yīng)的報(bào)警程序，系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序控制流程圖各部分功能軟件設(shè)計(jì)傳感器采集程序設(shè)計(jì)本次智能家居系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作便是對環(huán)境中的參數(shù)進(jìn)行采集，首先完成各傳感器的管腳連接定義，通過不同的管腳名稱可以分辨出不同的傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)初始化時，傳感器配置內(nèi)的數(shù)據(jù)緩存均被消除，當(dāng)傳感器IO輸入電平為高時，傳感器不進(jìn)行采集操作，當(dāng)返回一個低電平信號后，傳感器對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。完成一組數(shù)據(jù)的接收和寫入后，傳感器采集程序返回，等待下一次調(diào)用。該軟件數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2傳感器采集程序設(shè)計(jì)流程圖主要代碼如下：voidCOM(void) //溫濕寫入{uchari;for(i=0;i<8;i++){ucharFLAG=2;while((!wenshi)&&ucharFLAG++);Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();uchartemp=0;if(wenshi)uchartemp=1;ucharFLAG=2;while((wenshi)&&ucharFLAG++);if(ucharFLAG==1)break;ucharcomdata<<=1;ucharcomdata|=uchartemp;}}智能報(bào)警程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)最重要的便是實(shí)現(xiàn)對異常家居環(huán)境的智能報(bào)警控制驅(qū)動，系統(tǒng)首先識別當(dāng)前的各傳感器的預(yù)警閾值。單片機(jī)會驅(qū)動在工作模式下循環(huán)解析采集到的傳感器數(shù)據(jù)后，并判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)，若低于預(yù)設(shè)的閾值，則無需處理，反之若發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的數(shù)據(jù)高于閾值，則需要驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警，智能報(bào)警控制程序流程圖如下圖4-3所示。圖4-3智能報(bào)警程序流程圖主要代碼如下：if((chumi>shumi)&&(beepflag==0))//實(shí)時濕度值與設(shè)定上限比較，beepflag=0表述上一時刻的濕度狀態(tài)為正常 {//當(dāng)實(shí)時濕度小于設(shè)定上限 RELAY=0;//打開除濕器 BEEP=0;//蜂鳴器告警 } if(chumi<=shumi-2) { RELAY=1;//關(guān)閉除濕器 BEEP=1;//關(guān)閉蜂鳴器告警 beepflag=0;//濕度恢復(fù)正常，告狀狀態(tài)置0 }ZigBee無線通訊程序設(shè)計(jì)(1)Zigbee協(xié)議棧如圖4-4所示：Zigbee協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了PHY(物理層)和MAC(介質(zhì)訪問層)技術(shù)規(guī)范。圖4-4ZigBee協(xié)議棧(2)ZigBee星型組網(wǎng)設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，ZigBee組網(wǎng)方式為星型組網(wǎng)方式，這種結(jié)構(gòu)是以中心節(jié)點(diǎn)作為核心，其他節(jié)點(diǎn)都連接至中心節(jié)點(diǎn)上，這種結(jié)構(gòu)的延遲小、結(jié)構(gòu)簡單便于管理。如圖4-5所示圖4-5ZigBee星型組網(wǎng)(3)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)ZigBee模塊其作用主要分為三種，分別是協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)、終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)這三種。路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集信息，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)整合至終端節(jié)點(diǎn)。(4)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)當(dāng)節(jié)點(diǎn)開機(jī)上電后，開始相關(guān)硬件初始化，創(chuàng)建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)并允許設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入到該網(wǎng)絡(luò)中來。其工作流程如圖4-6。圖4-.6協(xié)調(diào)器程序流程圖上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)上位機(jī)與終端的連接是采用zigbee無線通信方式，單片機(jī)將采集的氣象站環(huán)境參數(shù)傳輸至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。同時單片機(jī)接收上位機(jī)輸入的傳感器閾值調(diào)節(jié)控制信號，實(shí)現(xiàn)雙向通信功能。初始化完成后程序進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，中斷函數(shù)內(nèi)，zigbee無線通信傳輸采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)端通過zigbee模塊完成接收數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。流程圖如圖4-7所示：圖4-7zigbee無線通信程序設(shè)計(jì)流程圖本章小結(jié)：考慮到實(shí)際使用的情況，可以多加幾個終端節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)上都含有相同的模塊，達(dá)到多點(diǎn)測量的效果，更切合實(shí)際，測量也更準(zhǔn)確。

第5章系統(tǒng)測試在以上軟硬件的設(shè)計(jì)完成后，需要安排實(shí)際的電路設(shè)備的功能調(diào)試，根據(jù)硬件原理圖所導(dǎo)出的電子物料清單進(jìn)行逐一購買，購物的物料需查看各規(guī)格書中對管腳定義的說明后方可進(jìn)行下一步的焊接操作，避免管腳弄錯導(dǎo)致的器件損毀更有甚至?xí)a(chǎn)生更多不良的后果。軟件的程序編譯需理清楚每一層的邏輯單元，在keil軟件上完成邏輯編譯和調(diào)試，運(yùn)行無出現(xiàn)任何錯誤時才可安排下載至單片機(jī)，可先使用仿真軟件對設(shè)計(jì)進(jìn)行初步驗(yàn)證，避免到真正器件電路上才發(fā)現(xiàn)異常，有可能使得造成經(jīng)濟(jì)損失，影響設(shè)計(jì)過程的自信心，因此系統(tǒng)調(diào)試是必不可少的步驟，此舉可在設(shè)計(jì)過程中對實(shí)物的功能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)物測試原理圖與PCB圖的繪制采用AltiumDesigner軟件進(jìn)行繪制，硬件選用了PCB板，區(qū)分出各器件的正負(fù)極后按照PCB封裝焊接到位，不可出現(xiàn)虛焊、包焊等不良的現(xiàn)象。由于功能模塊均使用的是現(xiàn)成品如STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、土壤濕度傳感器識別模塊以及無線ZigBee通信模塊等，因此就必須通過杜邦線來連接外圍的功能模塊?？衫貌煌伾亩虐罹€來將對應(yīng)管腳的兩端連接起來，這樣可便于區(qū)分和檢查是否由連接錯誤的情況。此時要注意管腳連接的杜邦線不允許過長，也不允許重復(fù)交叉多圈，輕則可能會產(chǎn)生信號串?dāng)_。整機(jī)實(shí)物的連接圖如圖5-1所示。圖5-1整機(jī)實(shí)物的連接圖本設(shè)計(jì)的硬件調(diào)試方案為功能模塊化測試方式，首先斷開外部的所有功能模塊，確保單片機(jī)最小系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行無異?？ㄋ阑驍嚯姴涣迹S后逐個添加獨(dú)立的子功能模塊進(jìn)行性能測試，是否按照預(yù)期的功能實(shí)現(xiàn)，由于變更的內(nèi)容僅為新增的獨(dú)立功能子模塊，因此這樣有利于排查當(dāng)前的故障原因，更容易理順問題的分析思路而不會被其他模塊干擾造成困惑，所有的功能模塊均添加并調(diào)試成功后，可以以整機(jī)完整功能進(jìn)行可靠性測試。軟件調(diào)試由于系統(tǒng)在數(shù)據(jù)顯示部分采用本PC端上位機(jī)顯示的方式，顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為系統(tǒng)當(dāng)前的溫度、濕度、光照及煙霧濃度信息，整體來看內(nèi)容相對簡單且清晰，因此本部分的關(guān)鍵功能調(diào)試主要就是本地控制端與上位機(jī)的準(zhǔn)確性比對，和輸入指令后控制端是否按照正確的控制指令完成繼電器的工作狀態(tài)驅(qū)動，針對本地端和移動端數(shù)據(jù)的同步準(zhǔn)確性確認(rèn)，同時也對系統(tǒng)的軟件工程化開發(fā)進(jìn)行可靠性測試。上位機(jī)的顯示界面如圖5-2所示。圖5-2上位機(jī)界面圖測試結(jié)果綜上實(shí)物軟硬件的功能調(diào)試方案，本次測試結(jié)果全部符合設(shè)計(jì)需求，可滿足設(shè)計(jì)之初的功能預(yù)期，實(shí)現(xiàn)房屋環(huán)境參數(shù)采集和智能報(bào)警提示的驅(qū)動來保持整個房屋環(huán)境處于一個適宜的條件。最終的測試用例與測試結(jié)果如表5-1所示：表5-1測試用例與測試結(jié)果測試功能預(yù)期結(jié)果實(shí)際結(jié)果測試結(jié)論溫度實(shí)時采集能準(zhǔn)確實(shí)時采集當(dāng)前環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)期一致成功濕度實(shí)時采集能準(zhǔn)確實(shí)時采集當(dāng)前環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)與預(yù)期一致成功煙霧濃度實(shí)時采集能準(zhǔn)確實(shí)時采集到當(dāng)前環(huán)境的煙霧濃度與預(yù)期一致成功光照實(shí)時采集能準(zhǔn)確實(shí)時采集當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)與預(yù)期一致成功無線傳輸Zigbee能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器相連與預(yù)期一致成功上位機(jī)顯示上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控與預(yù)期一致成功第6章結(jié)論為了解決傳統(tǒng)家居環(huán)境需要人工