基于傳感器技術的智能家居系統設計

郝君君，張蘇程

（江西現代職業技術學院，江西 南昌 330095）

1 系統概述

整套系統以STM32RCT6單片機為控制核心，融合多款傳感器，利用WiFi技術將傳感器數據實時上傳到云端，完成系統和云端的數據交互，系統總框圖如圖1所示。用戶可通過微信、手機APP以及電腦網頁等途徑登錄到云端，實時遠程監控系統外圍傳感器數據。當系統檢測到家居環境異常時，將通過云端發送報警郵件到用戶指定的郵箱，同時自動控制相應的電器以降低其危害。此外，系統帶有家電控制模塊，由繼電器和紅外遙控電路組成。繼電器用于控制家中小功率電器，紅外遙控則用于控制大功率空調[1]。

圖1 系統總體框圖

本系統通過傳感器模塊感知家居環境，控制模塊可自動控制常用電器，通信模塊能實現實時數據監控和報警等功能。

2 硬件設計

本套系統的硬件設計部分主要包括傳感器模塊、WiFi模塊、控制模塊和電源電路設計。

2.1 傳感器模塊

傳感器在系統中起著至關重要的作用。一切外部環境的感知都由傳感器檢測，根據設計需求應用了多款不同功能的傳感器。

2.1.1 煙霧、氣體傳感器

MQ傳感器系列中包括煙霧、液化氣、天然氣、煤氣、一氧化碳、酒精和空氣質量檢測等多款豐富的煙霧、氣體傳感器，并且都支持數字和模擬兩種輸出方式。當選擇數字輸出方式時，傳感器的閥值可由外部的硬件電位器調節[2]。MQ系列中不同型號傳感器的硬件接口完全一致。系統設計過程中，選用MQ-2煙霧氣敏傳感器。為了兼容多款煙霧、氣體傳感器，該模塊預留了多個數字輸出的傳感器接口，可以同時實現對多個空氣質量安全參數的檢測，使用過程中無需修改軟件。

空氣中存在被檢測的氣體時，MQ-2煙霧氣敏傳感器的電導率會增大[3]，通過轉換電路中的前置電路對傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波、電平調整等，將電導率的變化對應為氣體濃度的輸出信號[4]。如果需要對被檢測的氣體實施精確監控，則可選擇模擬信號輸出。它的模擬電壓輸出與被檢測的環境氣體濃度成一定比例，使用系統主控芯片STM32RCT6自帶ADC外設即可測量。該傳感器的靈敏度高、穩定性能好，可實現對家中火災煙霧和可燃氣體泄露的檢測。

2.1.2 光敏傳感器

光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的敏感元件，主要由光敏電阻器和LM393電壓比較器組成，工作原理基于內光電效應。該傳感器電壓比較閥值由電位器硬件調節，當外界環境光線發生變化時，光敏電阻器兩端電壓隨之變化，利用電壓比較器與閥值電壓相比即可使系統獲知當前環境的光線亮度。

2.1.3 其他傳感器溫濕度傳感器

傳感器模塊中除了上述傳感器外，還包括有溫濕度傳感器和人體紅外熱釋傳感器。

本套系統感知家居環境溫濕度參數采用的是DHT11溫濕度傳感器，是一款含校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，精度濕度±5%RH，溫度±2 ℃，量程濕度20%～90%RH，溫度0～50 ℃。利用單總線通信，僅需一根線即可與主控芯片通信，具有使用便捷、體積小和功耗小等特點[5]。

熱釋電傳感器用溫度變化特征探測人體紅外線的輻射。人體有恒定的體溫，一般在37 ℃，會發出波長10 μm左右的紅外線。被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10 μm左右的紅外線進行工作的。人體發射的10 μm左右的紅外線通過傳感器中的菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上[6]。紅外感應源在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后將檢測到人體的存在。

2.2 WiFi模塊

作為物聯網設備，系統通信的質量影響整個系統的穩定性。本系統通信模塊采用工業級WiFi模塊ESP8266。主控芯片通過串口與WiFi模塊通信，WiFi模塊通過TCP/IP協議連接到互聯網，由此將系統實時接入互聯網，實現智能家居遠程控制和環境數據監控的目的[7]。

2.3 控制模塊

對于控制部分，本系統不僅采用了常見的繼電器模塊控制小功率電器，還增加了紅外遙控電路用于控制大功率空調。繼電器是弱電控制強電常用的器件，在系統中用于主要的自動化設備控制，但對大功率的空調能力有限。因此，系統加入了紅外遙控模塊，通過主控芯片模擬紅外編碼，靈活地用于大功率空調的開關和調溫控制，具有功耗低、性能穩定等優點。

2.4 電源電路

本系統需使用3.3 V和5 V雙電源供電。電源模塊由5 V直流供電，可直接供給5 V模塊電路使用，再經3.3 V穩壓模塊產生3.3 V電壓，供給其他模塊使用。電源設計的原理如圖2所示。

圖2 電源設計電路圖

3 軟件設計

系統要實現家居環境參書的檢測，軟件設計部分需要對傳感器模塊、控制模塊和通信模塊進行編程。通過調用各個模塊的子函數實現對應傳感器的數據采集，然后根據采集的數據與對應閥值相比較判斷是否要控制相應電器設備以實現不同功能[8]。圖3為本系統軟件設計的流程圖。

圖3 系統軟件設計流程圖

4 結 論

傳感器在智能家居和物聯網領域發揮著重要作用[9]，使得普通的家居生活變得人性化。本系統將傳感器技術和智能家居系統設計結合，對今后智能傳感器在智能家居中的應用研究具有重要的實用意義[10]。