智能家居无线通信系统的设计

摘要

　　随着物联网技术的发展以及智能电子产品的普及，越来越多的家庭开始关注智能家居，国内的家电企业与互联网企业投入巨大精力进行智能家居系统与产品的研发，使得智能家居开始普及。与此同时，作为一种流行的通信技术，无线通信技术正在被越来越广泛地应用于智能家居系统中，各类性能优越的无线通信协议也在市场竞争中崭露头角，形成派系之争。

　　本论文以华南理工大学计算机学院嵌入式实验室与某企业的合作项目为背景，研究一种用于智能家居中的无线通信系统，利用 Wi-Fi、433M 射频通信、303M 红外转发等无线通信技术，通过个人电脑、平板、手机等终端对家电设备进行无线控制与监控，该系统具有开发同期短、成本易于控制、对各类家电的兼容性强的特点。系统设计的主要工作内容如下：

　　（1）介绍国内外智能家居的发展状况，对比国内外智能家居发展的特点，再结合现有的无线通信技术，提出研究与设计本无线通信系统的目的与意义，以及系统设计的创新点。

　　（2）针对用户对智能家居实现控制、娱乐、安防、监控等功能的需求，结合目前市场上主流通信产品的特点，提出一种基于串口通信的模块化设计方法，并使用高性能的微处理器完成系统与各模块的通信调度，这种系统设计方法，在解决用户需求的前提下，可降低研发成本，缩短研发周期，兼顾企业利润。

　　（3）从元器件的选型到电路的布局布线，再到无线通信协议的设计与单片机的编程，详细阐述无线通信系统硬件与软件部分的设计与实现。

　　（4）依据用户的实际应用场景，搭建复杂电磁环境下的测试环境，对系统的功能与性能进行测试，最终根据测试结果来阐述系统的综合特性。

　　本文为面向智能家居的无线通信系统的研究与设计，提供了有益的借鉴。

　　关键字：智能家居，无线通信系统，STM32，Wi-Fi

Abstract

　　With the development of networking technology and intelligent electronic products, more and more families began to pay attention to the Smart Home, China's household electrical appliance enterprises and Internet companies put a great effort to the research and development of products and systems of Smart Home, so that the Smart Home began to spread. Meanwhile, as a popular communication technology, wireless communication is used  more and more in Smart Home system, some kind of wireless communication protocol with  superior performance cut a figure in the market competition, and form factions.

　　In this paper, on the background of cooperation project of embedded Laboratory of computer science South China University of Technology and company, on a wireless communication system for Smart Home in using Wi-Fi, 433M RF communication, 303M transmitting infrared wireless communication technology, using personal computer, tablet,mobile phone and other wireless terminal to control and monitor the household appliances. The system has the advantages of short development period, easy cost control and strong compatibility to most of household appliances. The main contents of system design are as follows:

　　(1)Introduces the development of Smart Home in China and abroad, and compares the difference of it between China and abroad, and then puts forward the purpose and significance of this wireless communication system, giving the innovation of the system design.

　　(2) Aims at the users’ requirement in Smart Home of Controlling, entertainment, security and protection, monitoring, etc, combined with the present product of communication in the main current market, puts forward a design method based on serial port communication of module, using high performance MCU to do the communication scheduling of the modules. This method of system design can reduce the cost of research and development, shorten developing periods and give consideration to corporate profits under the premise of meeting the needs of users.

　　(3) From model selection of components and parts to locating and wiring of circuit, and to the design of wireless communication system protocol and coding of MCU, elaborating the design and implementation of wireless communication system in hardware and software components.

　　(4) According to users’ application scenarios in life, sets up the testing environment in complex electromagnetic environment, tests the function and performance of system, and gives the overall characteristic of system according to the test result in the end. This paper provides new ideas and methods reference for the research and design of wireless communication system in Smart Home.

　　Key words: Smart Home, Wireless Communication System, STM32, Wi-Fi

　　本文所提出的基于 STM32 单片机的无线通信系统，使用了一种快捷的、低成本的、兼容性强的无线组网方式，它能够高效解决智能家居系统中家用电器因种类繁多而兼容性差、控制方式多样难以规范、通信方式复杂低效而实时性不强的问题，实现智能家居的实时控制与高效管理。

　　由于家居环境下存在墙壁等障碍物阻挡，给无线信号传输带来困难，因此采用“有线穿墙、无线覆盖”的模式，利用以太网或低压电力线载波通信技术实现各无线物联网集中器之间的互联; 各房间微无线网络则通过频率规划以及无线发射功率控制，实现无相互干扰、绿色低能耗、高速和低速共存、感知和应用共用的家居微无线网络，支持各种传感器网络和应用终端的无缝接入[4]。作为智能控制的一种重要手段，短距离无线通信技术被广泛应用于智能家居系统当中。在家居中，无线通信受到众多因素的影响，包括建筑物的格局、电磁辐射源、金属屏蔽等等，不同的用电设备其控制方式也存在巨大差异，因而并不存在万能的无线通信方案，无线通信方案需要根据实际的应用灵活变化。

　　因此，如何设计无线通信系统成为智能家居系统的重中之重，是决定智能家居系统可靠性和用户体验的重要因素。

　　本论文主要工作是设计一款基于 STM32 单片机的智能家居无线通信系统，利用Wi-Fi、433M 射频通信、303M 红外转发等无线通信技术，通过个人电脑、平板、手机等终端对家电设备进行无线控制与监控。智能家居无线通信系统的设计涉及处理单元、通信频率、通信协议等要素的选择，在实际应用中要考虑到控制中心的可靠性、稳定性与可扩展性，无线通信节点的整机功耗、射频功率、通信的传输速率、成本等等，是一个综合性很强的研究领域。

　　本文接下来的部分将以下面的结构组织：

　　第 2 章对无线通信系统在智能家居领域的需求进行分析，根据需求提出系统设计的方法与框架，研究系统实现的关键技术。

　　第 3 章阐述无线通信系统硬件部分的设计与实现。着重介绍原理图的设计与 PCB的布局布线。

　　第 4 章阐述无线通信系统软件部分的设计与实现。着重介绍无线通信协议的实现。

　　第 5 章基于第 3、4 章的设计，详细介绍无线通信系统的调试过程、测试方法以及测试结果。

　　最后，对本文的工作内容进行总结，提出本文的不足之处，并对下一步工作进行展望。

　　智能家居无线通信系统测试：

串口调试软件界面图

不同类型的天线与不同发射功率的模块的对比图

两个版本电路板的晶体的布局与布线对比图

STC 单片机整体功能图

STM32 单片机程序数据流动图

目录

　　摘要
　　Abstract
　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题来源
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　1.3 论文的创新点与解决的问题
　　　　1.4 研究内容及主要工作
　　　　1.5 论文组织结构
　　　　1.6 本章小结
　　第二章 系统框架及关键技术研究
　　　　2.1 系统需求分析
　　　　　　2.1.1 智能家居系统的用户需求分析
　　　　　　2.1.2 智能家居系统与无线通信系统的关系
　　　　　　2.1.3 无线通信系统与家用电器的关系
　　　　2.2 系统框架分析
　　　　　　2.2.1 系统的主要框架
　　　　　　2.2.2 系统的性能分析
　　　　2.3 系统技术研究
　　　　　　2.3.1 通信方式的选择
　　　　　　2.3.2 多频段的电磁兼容性设计
　　　　　　2.3.3 通信协议的选择
　　　　　　2.3.4 核心处理器的选择
　　　　2.4 本章小结
　　第三章 系统的硬件设计与实现
　　　　3.1 功能模块选型
　　　　　　3.1.1 功能模块的类型
　　　　　　3.1.2 功能模块的性能要求
　　　　3.2 原理图设计
　　　　　　3.2.1 电源部分
　　　　　　3.2.2 STM32 单片机部分
　　　　　　3.2.3 STC 单片机部分
　　　　　　3.2.4 Wi-Fi 透传模块部分
　　　　3.3 PCB 设计
　　　　　　3.3.1 板材与层数的选择
　　　　　　3.3.2 布局设计
　　　　　　3.3.3 布线设计
　　　　　　3.3.4 电路板焊接
　　　　　　3.3.5 电路调试
　　　　3.4 实物图
　　　　　　3.4.1 中心控制板
　　　　　　3.4.2 无线通信节点
　　　　　　3.4.3 控制终端
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 系统的软件设计与实现
　　　　4.1 基于 STC 单片机的通信协议的设计
　　　　　　4.1.1 STC+CC1101 无线模块的通信协议设计
　　　　　　4.1.2 STC+A7102 无线模块的通信协议设计
　　　　　　4.1.3 STC+303M 无线模块的通信协议设计
　　　　4.2 基于 STM32 单片机控制代码的设计
　　　　　　4.2.1 串口通信调度的代码设计
　　　　　　4.2.2 用户交互控制的代码设计
　　　　4.3 开发平台
　　　　　　4.3.1 Keil C51 集成开发环境
　　　　　　4.3.2 Keil μVision4 与 Keil μVision5
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 系统调试与测试
　　　　5.1 系统的调试
　　　　　　5.1.1 功能调试
　　　　　　5.1.2 性能调试
　　　　　　5.1.3 综合调试
　　　　5.2 系统的测试
　　　　　　5.2.1 测试目的
　　　　　　5.2.2 测试环境
　　　　　　5.2.3 测试内容与分析
　　　　　　5.2.4 测试结果
　　　　5.3 本章小结
　　结论与进一步研究
　　参考文献
　　致谢

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