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基于STM32、STM51、TI、ESP8266芯片物联网通用网关智能家居系统解决方案

2017-03-31
类别:智能家居
eye 1689
文章创建人 拍明

方案类型: 模块板卡

主控芯片:STM32、STM51、TI、ESP8266

方案详情:

智能家居方案涵盖触控开关,智能插座、窗帘控制、红外家电控制、智能门锁。安放联动报警产品等。采用物联网通用网关主机,标准串口通讯支持WIFI转蓝牙,WIFi转2.4G,WIFI转Zigbee等。

应用场合与方案优势:

家居。自主研发,支持定制开发。

方案图片:

物联网通用网关智能家居系统解决方案

智能家居系统

智能家居系统是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、医疗电子技术依照人体工程学原理,融合个性需求,将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起,通过网络化综合智能控制和管理,实现“以人为本”的全新家居生活体验。又称智能住宅,在国外常用Smart Home表示。与智能家居系统含义近似的有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Electronic Home、E-home)、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Home Net/Networks for Home)、网络家居(Network Home)、智能家庭/建筑(Intelligent Home/Building),在我国香港和台湾等地区,还有数码家庭、数码家居等称法。

我国将住宅小区智能化定义为:利用4C(即计算机、通讯与网络、自控、IC卡)技术,通过有效的传输网络,将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务与管理,提供安全舒适的家居环境。

智能家居系统作用

智能家居系统是人们的一种居住环境,其以住宅为平台安装有智能家居系统,实现家庭生活更加安全,节能,智能,便利和舒适。以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、 智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。

智能家居系统让您轻松享受生活。出门在外,您可以通过电话、电脑来远程遥控您的家居各智能系统,例如在回家的路上提前打开家中的空调和热水器;到家开门时,借助门磁或红外传感器,系统会自动打开过道灯,同时打开电子门锁,安防撤防,开启家中的照明灯具和窗帘迎接您的归来;回到家里,使用遥控器您可以方便地控制房间内各种电器设备,可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景,读书时营造书房舒适的安静;卧室里营造浪漫的灯光氛围……这一切,主人都可以安坐在沙发上从容操作,一个控制器可以遥控家里的一切,比如拉窗帘,给浴池放水并自动加热调节水温,调整窗帘、灯光、音响的状态;厨房配有可视电话,您可以一边做饭,一边接打电话或查看门口的来访者;在公司上班时,家里的情况还可以显示在办公室的电脑或手机上,随时查看;门口机具有拍照留影功能,家中无人时如果有来访者,系统会拍下照片供您回来查询。 

智能家居系统特性

随意照明

控制随意照明控制,按几下按钮就能调节所有房间的照明,各种梦幻灯光,可以随心创造!智能照明系统具有软启功能,能使灯光渐亮渐暗; 灯光调光可实现调亮调暗功能,让你和家人分享温馨与浪漫,同时具有节能和环保的效果;全开全关功能可轻松实现灯和电器的一键全关和一键全开功能,并具有亮度记忆功能。

简单安装

智能家居系统可以实现简单地进行安装,而不必破坏隔墙,不必购买新的电气设备,系统完全可与你家中现有的电气设备,如灯具、电话和家电等进行连接。各种电器及其它智能子系统既可在家操控,也能完全满足远程控制。

可扩展性

智能家居系统是可以扩展的系统,最初,你的智能家居系统可以只与照明设备或常用的电器设备连接,将来也可以与其他设备连接,以适应新的智能生活需要。

既便您的家居已装修也可轻松升级为智能家居。无线控制的智能家居系统可以不破坏原有装修,只要在一些插座等处安装相应的模块即可实现智能控制,更不会对原来房屋墙面造成破坏。

设计原则

智能家居又称智能住宅。通俗地说,它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。衡量一个住宅小区智能化系统的成功与否,并非仅仅取决于智能化系统的多少、系统的先进性或集成度,而是取决于系统的设计和配置是否经济合理并且系统能 否成功运行,系统的使用、管理和维护是否方便,系统或产品的技术是否成熟适用,换句话说,就是如何以最少的投入、最简便的实现途径来换取最大的功效,实现 便捷高质量的生活。

为了实现上述目标,智能家居系统设计时要遵循以下原则:

实用性便利性

智能家居最基本的目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。对智能家居产品来说,最重要的是以实用为核心,摒弃掉那些华而不实,只能充作摆设的功能,产品以实用性、易用性和人性化为主。

我们认为在设计智能家居系统时,应根据用户对智能家居功能的需求,整合以下最实用最基本的家居控制功能:包括智能家电控制、智能灯光控制、电动窗帘控制、防盗报警、门禁对讲、煤气泄露等,同时还可以拓展诸如三表抄送、视频点播等服务增值功能。对很多个性化

智能家居的控制方式很丰富多样,比如:本地控制、遥控控制、集中控制、手机远程控制、感应控制、网络控制、定时控制等等,其本意是让人们摆脱繁琐的事 务,提高效率,如果操作过程和程序设置过于繁琐,容易让用户产生排斥心理。所以在对智能家居的设计时一定要充分考虑到用户体验,注重操作的便利化和直观 性,最好能采用图形图像化的控制界面,让操作所见即所得。

可靠性

整个建筑的各个智能化子系统应能二十四小时运转,系统的安全性、可靠性和容错能力必须予以高度重视。对各个子系统,以电源、系统备份等方面采取相应的容错措施,保证系统正常安全使用、质量、性能良好,具备应付各种复杂环境变化的能力。

标准性

智能家居系统方案的设计应依照国家和地区的有关标准进行,确保系统的扩充性和扩展性,在系统传输上采用标准的TCP/IP协议网络技术,保证不同产商 之间系统可以兼容与互联。系统的前端设备是多功能的、开放的、可以扩展的设备。如系统主机、终端与模块采用标准化接口设计,为家居智能系统外部厂商提供集 成的平台,而且其功能可以扩展,当需要增加功能时,不必再开挖管网,简单可靠、方便节约。设计选用的系统和产品能够使本系统与未来不断发展的第三方受控设 备进行互通互连。

方便性

布线安装是否简单直接关系到成本,可扩展性,可维护性的问题,一定要选择布线简单的系统,施工时可与小区宽带一起布线,简单、容易;设备方面容易学习掌握、操作和维护简便。

系统在工程安装调试中的方便设计也非常重要。

家庭智能化有一个显着的特点,就是安装、调试与维护的工作量非常大,需要大量的人力物力投入,成为制约行业发展的瓶颈。针对这个问题,系统在设计时, 就应考虑安装与维护的方便性,比如系统可以通过Internet远程调试与维护。通过网络,不仅使住户能够实现家庭智能化系统的控制功能,还允许工程人员 在远程检查系统的工作状况,对系统出现的故障进行诊断。这样,系统设置与版本更新可以在异地进行,从而大大方便了系统的应用与维护,提高了响应速度,降低 了维护成本。

数据安全性

在智能家居的逐步扩展中,会有越来越多的设备连入系统,不可避免的会产生更多的运行数据,如空调的温度和时钟数据,室内窗户的开关状态数据,煤气电表数据等。这些数据与个人家庭的隐私形成前所未有的关联程度,如果导致数据保护不慎,不但会导致个人习惯等极其隐私的数据泄漏,在关系家庭安全的数据,如窗户状态等数据泄漏会直接危害家庭安全。同时,智能家居系统并不是孤立于世界的,还要对进入系统的数据进行审查,防止恶意破坏家庭系统,甚至破坏联网的家电和设备。尤其在当今大数据时代,一定要防止家庭大数据的安全性。

stm32介绍

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核(ST's product portfolio contains a comprehensive range of microcontrollers, from robust, low-cost 8-bit MCUs up to 32-bit ARM-based Cortex®-M0 and M0+, Cortex®-M3, Cortex®-M4 Flash microcontrollers with a great choice of peripherals. ST has also extended this range to include an ultra-low-power MCU platform)[1]  。按内核架构分为不同产品:

其中STM32F系列有:

STM32F103“增强型”系列

STM32F101“基本型”系列

STM32F105、STM32F107“互联型”系列

增强型系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能最高的产品;基本型时钟频率为36MHz,以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能,是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存,不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时,从闪存执行代码,STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5mA/MHz。

在STM32F105和STM32F107互连型系列微控制器之前,意法半导体已经推出STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列;新系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。内存包括64KB到256KB闪存和 20KB到64KB嵌入式SRAM。新系列采用LQFP64、LQFP100和LFBGA100三种封装,不同的封装保持引脚排列一致性,结合STM32平台的设计理念,开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量,以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求。

截至2010年7月1日,市面流通的型号有:

基本型:STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8、STM32F101RB、STM32F101VB

增强型:STM32F103C8、STM32F103R8、STM32F103V8、STM32F103RB、STM32F103VB、 STM32F103VE、STM32F103ZE

STM32型号的说明:以STM32F103RBT6这个型号的芯片为例,该型号的组成为7个部分,其命名规则如下:

1 STM32 STM32代表ARM Cortex-M内核的32位微控制器。

2 F F代表芯片子系列。

3 103 103代表增强型系列。

4 R R这一项代表引脚数,其中T代表36脚,C代表48脚,R代表64脚,V代表100脚,Z代表144脚,I代表176脚。

5 B B这一项代表内嵌Flash容量,其中6代表32K字节Flash,8代表64K字节Flash,B代表128K字节Flash,C代表256K字节Flash,D代表384K字节Flash,E代表512K字节Flash,G代表1M字节Flash。

6 T T这一项代表封装,其中H代表BGA封装,T代表LQFP封装,U代表VFQFPN封装。

7 6 6这一项代表工作温度范围,其中6代表-40——85℃,7代表-40——105℃。

stm32架构优势

除新增的功能强化型外设接口外,STM32互连系列还提供与其它STM32微控制器相同的标准接口,这种外设共用性提升了整个产品家族的应用灵活性,使开发人员可以在多个设计中重复使用同一个软件。新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s 模数转换器 (交错模式下2-Msample/s)、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。新产品外设共有12条DMA通道,还有一个CRC计算单元,像其它STM32微控制器一样,支持96位唯一标识码。

新系列微控制器还沿续了STM32产品家族的低电压和节能两大优点。2.0V到3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术,如锂电池和镍氢电池,封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。以72MHz频率从闪存执行代码,仅消耗 27mA电流。低功耗模式共有四种,可将电流消耗降至两微安。从低功耗模式快速启动也同样节省电能;启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号,将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。 

stm32低功耗性能

意法半导体的EnergyLite™超低功耗技术平台是STM32L取得业内领先的能效性能的关键。这个技术平台也被广泛用于意法半导体的8位微控制器STM8L系列产品。EnergyLite™超低功耗技术平台基于意法半导体独有的130nm制造工艺,为实现超低的泄漏电流特性,意法半导体对该平台进行了深度优化。在工作和睡眠模式下,EnergyLite™超低功耗技术平台可以最大限度提升能效。此外,该平台的内嵌闪存采用意法半导体独有的低功耗闪存技术。这个平台还集成了直接访存(DMA)支持功能,在应用系统运行过程中关闭闪存和CPU,外设仍然保持工作状态,从而可为开发人员节省大量的时间。

除最为突出的与制程有关的节能特色外,STM32L系列还提供更多其它的功能,开发人员能够优化应用设计的功耗特性。通过六个超低功耗模式,STM32L系列产品能够在任何设定时间以最低的功耗完成任务。这些可用模式包括:(在1.8V/25°C环境的初步数据)

· 10.4μA低功耗运行模式,32kHz运行频率

· 6.1 μA低功耗睡眠模式,一个计时器工作

· 1.3 μA 停机模式:实时时钟(RTC)运行,保存上下文,保留RAM内容

· 0.5 μA 停机模式:无实时时钟运行,保存上下文,保留RAM内容

· 1.0μA待机模式:实时时钟运行,保存后备寄存器

· 270nA待机模式:无实时时钟运行,保存后备寄存器

STM32L系列新增低功耗运行和低功耗睡眠两个低功耗模式,通过利用超低功耗的稳压器和振荡器,微控制器可大幅度降低在低频下的工作功耗。稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。STM32L还提供动态电压升降功能,这是一项成功应用多年的节能技术,可进一步降低芯片在中低频下运行时的内部工作电压。在正常运行模式下,闪存的电流消耗最低230μA/MHz,STM32L的功耗/性能比最低185μA/DMIPS。

此外,STM32L电路的设计目的是以低电压实现高性能,有效延长电池供电设备的充电间隔。片上模拟功能的最低工作电源电压为1.8V。数字功能的最低工作电源电压为1.65V,在电池电压降低时,可以延长电池供电设备的工作时间。

ESP8266介绍

ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案,能够搭载软件应用,或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi网络功能。

ESP8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时,能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能,并减少内存需求。另外一种情况是,无线上网接入承担Wi-Fi适配器的任务时,可以将其添加到任何基于微控制器的设计中,连接简单易行,只需通过SPI/SDIO接口或中央处理器AHB桥接即可。ESP8266强大的片上处理和存储能力,使其可通过GPIO集成传感器及其他应用的特定设备,实现了最低前期的开发和运⾏行中最少地占用系统资源。ESP8266高度片内集成,包括天线开关balun、电源管理转换器,因此仅需极少的外部电路,且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。装有ESP8266的系统表现出来的领先特征有:节能VoIP在睡眠/唤醒模式之间的快速切换、配合低功率操作的自适应无线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和无线电系统共存特性为消除蜂窝/蓝牙/DDR/LVDS/LCD干扰。

ESP8266特征

802.11 b/g/n

Wi-Fi Direct(P2P)soft-AP

▪内置TCP/IP协议栈

▪内置TR开关、balunLNA、功率放⼤大器和匹配网络

▪内置PLL、稳压器和电源管理组件

802.11b模式下+19.5dBm的输出功率

▪支持天线分集

▪断电泄露电流小于10uA

▪内置低功率32CPU:可以兼作应⽤用处理器

SDIO 2.0SPIUART

STBC1x1 MIMO2x1 MIMO

A-MPDUA-MSDU的聚合和0.4μs的保护间隔

2ms之内唤醒、连接并传递数据包

▪待机状态消耗功率小于1.0mW(DTIM3



ESP8266应用图表




ESP8266应用图表.png


超低能耗技术ESP8266专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用设计,并与其他几项专利技术一起使机器实现最低能耗。这种节能的构造以三种模式运⾏行:激活模式、睡眠模式和深度模睡眠式。

ESP8266使用高端电源管理技术和逻辑系统调低非必需功能的功率,调控睡眠模式与工作模式之间的转换,在睡眠模式下,其消耗的电流小于12uA,处于连接状态时,其消耗的功率少于1.0mW(DTIM=3)0.5mW(DTIM=10)。睡眠模式下,只有校准的实时时钟和watchdog处于工作状态。可以通过编程使实时时钟在特定的时间内唤醒ESP8266。通过编程,ESP8266会在检测到某种特定情况发生的时候自动唤醒。ESP8266在最短时间内自动唤醒,这一特征可以应用到移动设备的SOC上,这样SOC在开启Wi-Fi之前均处于低功耗待机状态。为满足移动设备和可穿戴性电子产品的功率需求,ESP8266在近距离时可以通过软件编程减少PA的输出功率来降低整体功耗,以适应不同的应用方案。

ESP8266最大集成度

ESP8266集成了板子上最关键的部件,其中包括电源管理组件、TR开关、RF balun、峰值为+25dBm的大功率PA,因此,ESP8266既保证了BOM的成本最低,又便于被嵌入任何系统。ESP8266仅有的外部BOM电阻器电容器和晶振。





责任编辑:Davia

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