无线网关

基于ＳＴＭ３２智能家居系统的无线网关设计

基于ＳＴＭ３２智能家居系统的无线网关设计

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｇａｔｅｗａｙ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ｈ动漫污图 ｏｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２

鲁玉军 冯 燕 （浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州３１００１８）

摘要：设计了一款基于ＳＴＭ３２的智能家居无线网关。该无线网关的硬件平台以ＳＴＭ３２作为主控器，在通讯方式上，采

用了Ｗｉ—Ｆｉ和ＺｉｇＢｅｅ两种方式相结合，其中用ＺｉｇＢｅｅ协议组建家居内部网，并通过Ｗｉ—Ｆｉ模块联接到外部网络。无线网

关的软件平台采用￣Ｃ／ＯＳ—ｌｌ操作系统，运用单片机控制技术、无线通讯技术、液晶显示屏技术等，可以把手机、无线网关、

家居电器设备三者联接在一起，设计出一款功耗低、集中化程度高、实用性强的智能家居无线网关。

关键词：智能家居，ＳＴＭ３２，Ｗｉ—Ｆｉ，ＺｉｇＢｅｅ，￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅａｌｓ ｗｉｔｈ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ ｆｏｒ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２．Ｉｔ ａｄｏｐｔｓ ＳＴＭ３２ ａｓ ｔｈｅ

ｍａｓｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｅｓ ａ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＷｉＦｉ ａｎｄ ＺｉｇＢｅｅ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．ＺｉｇＢｅｅ ｈｅｌｐｓ ｔｏ ｂｕｉｌｄ

ｉｎｔｒａｎｅｔ ａｎｄ ＷｉＦｉ ｈｅｌｐｓ ｔｏ ｃｏｎｎｅｃｔ ｔｏ ｅｘｔｒａｎｅｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ ｕｓｅｓ ＵＣ／ＯＳ－Ｉｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ

ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｈｉｓ ｃｏｎｎｅｃｔｓ ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅｓ．ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ

ａｎｄ ｈｏｍｅ ａｐｐｌｉａｎｃｅ Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ．ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ．ｈｉｇｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ

ｓｔｒｏｎｇ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ ｈｏｍｅ，ＳＴＭ３２，Ｗｉ—Ｆｉ，ＺｉｇＢｅｅ，￣Ｃ／ＯＳ—ｌｌ

国外的智能家居技术起步较早，目前发展得已经相对成熟，

很多标准已经制定得比较完善，比如家庭网络标准目前在国际

上占主导地位的分别是ＨＡＶｉ、ＨｏｍｅＰｌｕｇ、ＰＬＣ、ＤＬＮＡ Ｅ”等，很

多智能家居技术都在欧美日韩得到广泛应用。虽然智能家居在

国内起步较晚，但发展却是极为迅速，近年来，我国正通过科研

院所、企业和产业基地等多方力量共同促进智能家居行业标准

的统一。在智能家居真正走进中国的短短四年时间里，相关产业

的生产商已经由最初的几家增加到现在的上百家。不过由于智

能家居在我国是一个新生产业，目前仍处于市场导入期与成长

期的临界点 ］，虽然短时间内出现叫好不叫卖的现象，但就长远

来看，国内的智能家居市场潜力巨大，以后必将成为一大热门产

业。

基于此，本文提出了一种基于ＳＴＭ３２的嵌入式智能家居无

线网关控制系统。

１ 无线网关的整体设计方案

１．１智能家居的整体设计

整个智能家居系统主要分为手机、无线模块（ＺｉｇＢｅｅ和

Ｗｉ—Ｆｉ）、控制器和家电四个部分。把四个部分合理地结合在一起

就可以实现用手机远程控制家电的目的。

通过手机控制家电主要分为４个步骤：

１）在手机上安装相应的Ａｐｐ软件，该Ａｐｐ软件的控制按

键一经触发，对应的编码指令便会通过网络发送到无线控制网

关的Ｗｉ—Ｆｉ模块；

２）Ｗｉ－Ｆｉ模块通过ＵＳＡＲＴ串口把数据发送到无线控制网

关的主控芯片中，主控芯片接收到编码指令以后会立即在内部

对编码指令进行相应的协议转换和数据处理，处理完的数据会

通过ＵＳＡＲＴ串ＩＺＩ传送到ＺｉｇＢｅｅ协调器中；

３）ＺｉｇＢｅｅ协调器接收到主控芯片处理后的数据，会把数据

按照相应的标准协议对数据进行一定的处理，最后把处理后的

数据发送到相应家电设备的ＺｉｇＢｅｅ终端节点，相应终端节点

接到指令后便通过家电控制设备对家电进行操作；

４）与此同时，主控芯片也会定烁字组词 时通过ＺｉｇＢｅｅ模块查询所

有联网家电的状态，如果哪一个家电状态发生了变化被主控芯

片检测到，主控芯片便会经过数据处理和协议转换把家电变化

的状态传送到手机的家电控制软件。

整个家庭电器通过无线模块和手机连接在了一起，同时在

无线网关的管理和检测下，对其可以进行集中化、智能化、远程

化的管理，最终实现智能化的家居生活。

１．２无线网关的整体设计

无线网关为整个智能家居的关键部分，对整个智能家居控制

系统起到了沟通媒介和智能管理的作用。该网关以主控芯片

ＳＴＭ３２为核心控制，主要分为主控器模块（包括主控芯片

ＳＴＭ３２、ＳＲＡＭ、Ｆｌａｓｈ、ＧＰ１０等）、液晶、电源和无线模块（ＺｉｇＢｅｅ

模块和Ｗｉ—Ｆｉ模块）四部分，如图１所示。ＺｉｇＢｅｅ模块和Ｗｉ—Ｆｉ

模块分别连接家具电器和手机，同时通过串口连接到主控芯片；

主控芯片起桥梁和管控的作用，它会对接收到的信息进行传递和

处理；液晶主要是显示出当前家居电器的状态，起辅助作用。

图１ 无线网关的整体架构图

２无线网关的硬件设计

无线网关的硬件部分主要包括主控芯片ＳＴＭ３２、无线模

块、液晶等部分，本节将对这些硬件的设计进行详细介绍。

网关的主控芯片采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６单片机，该控制器

是ＳＴ（意法半导体）公司开发的一款基于Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核的

ＡＲＭ处理器。

２．１无线模块

考虑到实用性、方便性和安全性，无线模块分别在家居内部

《工业控制计算机》２Ｏ１７年第３０卷第８期 ５１

和家居外部采用了两种不同的通信方式 ］。常用的集中通信方

式如表１所示，由于家居内部之间的传输数据具有数据量小、传

输距离比较近、要求节点多、安全系数高等特点，所以智能家居

内部通讯采用了ＺｉｇＢｅｅ［４ 。在家居内部和外部之间的通讯上，

Ｗｉ－Ｆｉ具有普遍性、便捷性、联网性、快速传输性等优势，所以家

居内部与外部的通讯采用了Ｗｉ—Ｆｉ。

表１ 几种通讯方式的比较

种类 Ｚｉ ∞ 蓝牙 Ｗｉ－Ｆｉ 移动通信 传统数传电台

单点覆盖距离 ５０－２００ｍ ５０ 可达数公 可达六公里

网络扩展性 自动扩展 无 无 现有扣｜络疆盖 无

电池寿命 数年 数天 数小时 数天 数小时一数天

复杂性 简单 复杂 非常复杂 复杂 复杂

传输速率 ２５０ＫＢＤ￥ ｌＭＢｐｓ １－１ｌＭＢｐｓ ３８４ＫＢｐｓ 一般１９２ＫｐＢｓ

频人工服务 段 ２ ４ＧＨｚ ２ ４Ｇ№ Ｏ ８－ｌＧＨｚ ４００ｈⅡ１ｚ－２４Ｇ№

网络节点 ６５５３６ ５０ 无

联嘲所需时间 仪３０毫秒 长达１Ｏ秒 ３秒 数秒

终端没鲁费用 低 低 高 较高 高

有无网络使用费 无 无 有 有

安全性 ｌ２８Ｂ｜ｌＡＥＳ ６４Ｂｉｔ，１２８Ｂｉｔ ＳＳＩＤ

集成度和可靠性 高 高 一般 一般 低

使用成本 低 低 尚 高 高

安装使用难易 非常简单 一般 难 一般 雕

ＺｉｇＢｅｅ模块采用了一款主芯片为ＣＣ２５３０￣ 的ＺｉｇＢｅｅ设

备。ＣＣ２５３０可以用很低的成本组建了强大的网络节点。它结合

了业界标准的增强型８０５１ ＣＰＵ，系统内可编程闪存８ ＫＢ

ＲＡＭ，领先的ＲＦ收发器的优良性能和许多其它强大的功能。它

有ＣＣ２５３０Ｆ３２／６４／１２８／２５６四种不同的闪存版本，分别具有不

同大小的闪存。由于ＣＣ２５３０具有不同的运行模式，所以在一个

要求很低功耗的系统里它尤其适合。而不同模式之间转换只需

很短的时间，这又进一步降低了能耗。本文采用了闪存为２５６ｋ

的ＺｉｇＢｅｅ设备。

Ｗｉ—Ｆｌ模块选择了ＡＴＫ—ＥＳＰ８２６６ ＷＩ—Ｆｉ模块。ＡＴＫ—

ＥＳＰ８２６６ Ｗｉ—Ｆｉ模块是一款高性能的ＵＡＲＴ—Ｗｉ—Ｆｉ模块，该模

块采用串口与ＭＣＵ通信，内置ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，能够实现串口与

Ｗｉ—Ｆｉ之间的转换，所以只要把串口简单的进行配置一下，就可以

通过该无线模块传输数据［６］。而且该模块支持Ｌ、厂ｒ＿ｒＬ串口，兼容

３．３Ｖ和５Ｖ的单片机系统。可以很方便地与各种产品进行连接。

２．２液晶模块

虽然目前智能家居的发展逐渐往移动化方向发展，不过由

于智能家居的独特性，一个除手机之外的备选设备控制界面必

不可少，液晶就可以发挥这个备选功能。本文无线网关的液晶选

择了ＴＦ．ｒ—ＬＣＤ液晶（薄膜晶体管液晶显示器）。由于ＴＦ．ｒ—ＬＣＤ

不是简单的矩阵，而是在液晶显示屏的每一个象素上都设置有

一个中国大厨 薄膜晶体管，这样可以克服非选通时的串扰，从而使液晶屏

的静态特性与扫描线数没有必要的联系，使图像的质量得到很

大的提高。同时ＴＦ．ｒ—ＬＣＤ具有多种不同屏幕大小和分辨率可

以选择，出于成本和实用的考虑，本文选择２．８寸的ＴＦＴ—ＬＣＤ，

该液晶支持６５Ｋ色显示，接口为１６位的８０并口，自带触摸屏，

显示分辨率为３２０ｘ２４０ｃ 。

２．３无线网关的软件设计

ＳＴＭ３２虽然具有非常强大的功能，不过由于硬件资源的原

因，它更适合于微型嵌入式操作系统［８］。事实上，随着ＳＴＭ３２处

理器的广泛应用，很多嵌入式操作系统都已经开发了基于该芯

片的系统分支，比如Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ，ＲＴ—Ｔｈｒｅａｄ等，相关的移植工

作只需要修改就可以适应硬件［９］。

ｉ￣Ｃ／ＯＳ—Ｉｌ由Ｍｉｃｒｉｕｍ公司提供，是一个可固化的、可裁剪

的、可移植、占先式多任务实时内核，它适用于多种微控制器、数

字处理芯片和微处理器［１ 。同时，该系统源代码整洁、一致、开

放，注释详尽，适合系统开发等优势。该操作系统被广泛应用于

微控制器数字信号处理器、和微处理器。它具有占用空间小、执

ｌ接受Ｚｉｇｂｅ 块发送的数据

Ｊ向ｗｉＦ－模块发送数据ｔ４－

ｌ接受ｗｌＦ 块发送的数据

《李

—＜ｆｎ］Ｚｉｇｂｅｅ｝奠块发送数据］

圈２无线网关软件总体流程圈 图３ Ｗｉ—Ｆｉ无线网络协议层的架构图

ｚｉｇＢｃｅ联盟 —、 Ｉ

ｚｉｇＢｅｅ无线网络

图４ ＺｉｇＢｅｅ无线网络协议层的架构图

行效率高、可扩展性强和实时性

能优良等特点，最小内核可编译

至２ ＫＢ。Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ｌｌ的这些特点

非常适合移植到ｓＴＭ３２芯片

上。所以，我们将采用Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ

作为无线网关的操作系统。在网

关程序设计方面，主要分为两个

部分，分别为Ｗｉ—Ｆｉ模块部分和

ＺｉｇＢｅｅ模块部分。图３为无线

网关软件总体流程图。

Ｗｉ—Ｆｉ部分采用的ＡＴＫ—

ＥＳＰ８２６６内置了ＴＣＰ／ＩＰ协议，

ＴＣＰ／ＩＰ协议主要包括应用层、

传输层、网络层、数据链路层，如

图４，每一层都有对应的协议。由

于内置了ＴＣＰ／ＩＰ协议，所以利

用应用层调取函数就可以实现

通讯。具体的程序主要分为两个

模块，分别是驱动模块和ＳＴＡ模

块。其中驱动模块驱动主要是驱

动ＡＴＫ—ＥＳＰ８２刮痧有什么好处 ６６模块通信的底

层接口函数（ＡＴ指令的发送与接

收，模块状态检测等），以及相关

（下转第９９页）

开始

各子模块初始化

用 步／异步串行接收广＼Ｎ

送器是否接受完数据／

通用同步／异步串行接收／发送

器接受处理过的数据

Ｙ

通过紫蜂协调器32位操作系统 发送到终端

终端控制家电并反馈信息

图５ ＺｉｇＢｅｅ模块程序流程图

义 蚁 键

《工业控制计算机））２Ｏｌ７年第３０卷第８期

４）测试结果。通过频率响应函数计算后得到的工件的频率

响应函数：如图５、图６、图７分别为一个支架的幅值图、相位图

和相干性系数图。

ｒ１１ 一一 ｆ’ ●

●

●ｍ■

～

图７相干性系数

ｉ ～ｉｉ —鞲 １龋 一 一 ‘ Ｒ ０

ｌ

“

．，Ｐ

：镕 ｇ 螬

≮ ４

图８检测系统识别结果

通过图５和图６的对比显然可以看出，每当频率响应函数

的幅值ｍ现峰值时都伴有一个相位的变化。检测系统识别结果

如图８所示。

经过算法识别后，得到测试支架的各阶模念参数

４结束语

通过峰值提取法和相位转换相结合的方法进行周有频率的

识别，最后通过模态试验对该系统进行验证，试验表ＨＪｊ该算法能

有效地提取到工件的模态参数。本系统适用范围广、操作简单、

能自动对敲击质量进行判断，防止因为激励不止确而导致的模

态参数拾取错误，适合工厂大规模使用。

参考文献

［１］朱峰客车噪声振动分析与控制研究［Ｄ］合肥：合肥小Ｉ 大学，２０１４

［２］王乐，杨智春，谭光辉，等基于固有频率向毓的结构损伤检测方法

［Ｊ］应用力学学报，２００８，２５（４）：７０９—７１３

［３］褚志刚，周亚男，蒋忠翰，等制动啦固有频率在线检测系统的设计

［Ｊ］．机械科学与技术，２０１２，３１（５）：７２３—７２５

［４］刘军，高建立，穆桂脂，等改进锤击法试验模忿分析技术的研究［Ｊ］

振动与冲，４１－，２００９，２８（３）：１７４—１７７

［５］李乐，刘文峰声音识别结构模态方法的研究ｌＪ］科学技术 ｊ］：程，

２０１０．１０（２２）：５４４１—５４４４

［６］曹树谦，张文德，萧龙翔振动结构模态分析［Ｍ］天津：天津大学Ｈ｛版

社，２０１４

［７］杜奕．ＭＳＹ７１１５平面磨床的实验模态分析及动特性修改［Ｄ］昆明：

昆明理工大学，２００２

［８］吴玉厚，田峰，邵萌，等基于ＬａｂＶｌＥＷ的模态参数识别模块的研究

［Ｊ］．控制丁程，２０１３，２０（１）：６９—７１

［收稿日期：２０１７ ３ ３０】

．

己．Ｓ吐－． Ｌ． ． ． ．Ｓ也．Ｓ ．址．址． ‘Ｌ舢．址 ．Ｓ屯— Ｊ－—Ｓ —Ｓ —Ｓ —Ｓ屯—址—Ｓ屯．Ｓ —Ｓ —Ｓ —Ｓ止—Ｓ止—Ｓ吐－—址— —址址—址—址—址—Ｓ —址— —址．ｓ —Ｓ止—址—址—址—址

（上接第５１页）

函数输入输出显示（１Ｐ输入、模式选择、模块状态信息显示等）等；

ＳＴＡ模块实现了对模块串口ＳＴＡ模式各个子模式的测试（ＴＣＰ

服务器、ＴＣＰ客户端、ＵＤＰ），在此模牛肉怎么炒 式下有３种子模式（ＴＣＰ服

务器、ＴＣＰ客户端和ＵＤＰ）。该模式下模块需连接到消防安全板报 指定Ｗｉ—Ｆｉ

热点 这两个模块的结合将实现手机和网关的无线连接。

ＺｉｇＢｅｅ部分的ＺｉｇＢｅｅ协议也主要分为ＰＨＹ、ＭＡＣ、

ＮＷＫ、ＡＰＳ、ＡＰＬ五层，如图５，通过协议栈调取函数实现功能。

具体程呼也主要分为两个模块，一个是驱动模块，另一个是组网

模块、驱动模块和Ｗｉ—Ｆｉ驱动模块有相似性，主要是驱动底层接

ｒ＝】函数 组网模块主要是完成ＺｉｇＢｅｅ协调器与终端节点之

间的组州具体如图６所示。

无线 关样机如图６所示。

图６样机图

３结束语

本文提出了一个基于ＳＴＭ３２单片机智能家居无线网关的

设计和实现方案，实现了家居的智能化，使整个家居电器和家居

主人连接在了一起，让家居主人时时能够了解家居电器状态，并

可以随时控制家居电器，让智能家居更加方便实用。

参考文献

［１］柳宏智能家居标准化发展现状研究［Ｃｊ∥成都：市场践行标准化一

第十一届中国标准化论坛，２０１４：４５５－４５９

［２］刑帆智能家居：大变局中的稳步前进［Ｊｊ中尉信息化，２０１６，１３（９）：

５８－５９

［３］胥嘉佳，许呜基于网关的ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ 通设计［Ｊ］电子科技，

２０１４，２７（６）：２２—２５

［４］袁霞ＳＴＭ３２和ＣＣ２５２０的智能家居系统网关设计［Ｊ 片机与嵌

入式系统应用，２０１３，１６（５）：７０－７３

［５］张庆辉基于ＣＣ２５３０和嵌入式Ｗｅｂ服务器的智能灌溉系统［Ｊｊ巾

国农机化学报，２０１６，３７（７）：１６１—１６５

『６］王健大数据背景下的智能形容风景 化农业设施系统殴计【Ｊ］中刚农机化学

报，２０１６，３７（１１）：１８Ｏ一１８４

［７］金强宁基于Ｍｉｎｉ—ＬＶＤＳ技术的ＴＦ－ｒ—ＬＣＤ彩色液品 乐骄的驱动

研究及应用［Ｊ］．光学技术，２００９，２９（３）：１９６—２００

［８］谭涛，徐晓辉，黄晓，等基于ＡＲＭ—Ｌｉｎｕｘ的嵌入式智能家膀控，ｔｉ４系

统的设计［Ｊ］电子设计工程，２０１１，１９（３）：１白吉馍卤肉的做法 ６０—１６２

［９］徐小玲，刘美基于ＳＴＭ３２的无线智能家膳终端没计［Ｊ］电子设计

ｊ：程，２０１６，２４（３）：１７６—１８０

［１Ｏ］胡平平Ｉ￣Ｃ／ＧＵＩ实现ＯＬＥＤ 示的移植与优化研究［Ｊ］计‘算机应

用与软件，２０１６，３３（１０）：２５６—２５９

ｆ收稿日期：２０１７ ３ ６］

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