基于树莓派+STM32+OneNET云平台打造智能家居系统（一）硬件设计篇

本次分享的是之前一个课程设计， 会分为几篇博文进行分享。智能家居是目前研究与发展的一大热点，本设计是结合STM32微处理器/树莓派(Raspberry Pi)3b+、温湿度传感器、继电器以及ESP8266和USB无线网卡等硬件设备，采用中移物联OneNET云平台提供云服务的智能家居系统。该系统由两部分组成，一是以STM32为中心控制器的温湿度监测与远程控制单元，二是以树莓派搭载Linux系统的实时视频监控单元，两个部分的有机结合构成了该智能家居系统。
1.系统硬件设计
1.1 STM32控制单元
1.1.1 STM32最小系统
STM32的最小系统最要是由STM32系列微处理器，时钟晶振电路，复位电路，电源稳压电路等组成。STM32最小系统所使用的是STM32F103RCT6芯片。

图1 最小系统原理图
时钟晶振电路就是产生像时钟一样准确运动的振荡电路。任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。

图2 稳压电路
该硬件开发平台所搭建的电源稳压电路所使用的IC是AMS1117-3.3V，AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器发表开关电源稳压器电池充电器活跃的小型计算机系统接口的电源管理的芯片。
1.1.2 ESP8266模块
ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。
该型模块的主要特性为：
 1）支持无线802.11 b/g/n 标准；
 2）支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式；
 3）内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP Client连接 ；
 4）支持丰富的Socket AT指令；
 5）支持UART/GPIO数据通信接口；
 6）支持Smart Link 智能联网功能；
 7）支持远程固件升级（OTA）；
 8）内置32位MCU，可兼作应用处理器；
 9）超低能耗，适合电池供电应用；
 10）3.3V 单电源供电。
表1 （摘录自安信可ESP8266 WiFi模块用户手册）

1.1.3 温湿度传感器
温湿度传感器所采用的是DHT11型数字温湿度传感器，该型传感器是是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

图3 DHT11 温湿度传感器
1.1.4 继电器
继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。本次设计所使用的继电器模块采用贴片光耦隔离，驱动能力强，性能稳定，常开接口限大负载为交流250V/10A、直流30V/10A，常用于家用电器控制装置的设计与开发，在本设计中该型继电器用于模拟实际的家用电器的开关控制装置。

图4 继电器
1.2 树莓派监控单元
1.2.1中心控制器
该监控单元的核心部件是树莓派3b+，该型硬件开发工具是由注册于英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发的，是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口（A型没有网口），可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。
选用树莓派3b+作为开发机，该型树莓派采用博通-BCM2837B0作为其SoC,CPU是基于ARM Cortex-A53（ARMv8）架构、主频为1.4GHz，具体参数如下表所示。
表3 树莓派3b+具体参数表

1.2.2 USB无线网卡
树莓派3b+其内置有有线网卡，但是将其作为监控摄像头所搭载的平台的话，使用网线进行数据的传输会使得该监控平台的使用不太便利，故采用外置USB无线网卡的方案。
USB无线网卡是以内置无线WIFI芯片的形式，并通过USB接口传输的网卡，连接设备的USB接口，安装完成驱动以后，相关设备的网卡列表中会出现新的无线网卡设备，进而借助USB无线网卡上网。

1.2.3 USB摄像头
USB摄像头是采用USB接口的摄像头，对于目前的大多数系统来说该类型的摄像头都是即插即用的，无需采集卡等额外的设备。同时该类型摄像头还是基于UVC协议的，UVC，全称为：USB video class 或USB video device class。是Microsoft与另外几家设备厂商联合推出的为USB视频捕获设备定义的协议标准，目前主流操作系统(如Windows XP SP2 and later, Linux 2.4.6 and later, MacOS 10.5 and later)都已提供UVC设备驱动，因此符合UVC规格的硬件设备在不需要安装任何的驱动程序下即可在主机中正常使用。使用UVC技术的包括摄像头、数码相机、类比影像转换器、电视棒及静态影像相机等设备。