基于STM32的智能家居環境監控系統的設計與實現

李旺昆　柯遠征　王立仕

摘 要

隨著社會經濟高速發展和互聯網技術普及，加上人們生活條件不斷改善，對生活追求越來越高，對家居智能化的需求也越來越大。本文是針對智能家居的研究現狀、發展趨勢和研究的基礎上以基于STM32的智能家居環境監控系統為設計方案，以成本低、控制簡單，為用戶提供高效節能、舒適和便利的居住和工作環境為研究目的。

關鍵詞

智能家居;環境監測;云平臺;STM32;WiFi

中圖分類號： TU855;TP368.1;TN92 ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.011

0 引言

21世紀是大數據和人工智能的時代，隨著通信、網絡等技術的迅猛發展和人們生活水平日益提高，信息化社會在改變著人們生活習慣和工作方式的同時，也讓對傳統的住宅生活方式提出了挑戰，人們傾向的是一個舒適安全、美觀、便利的家居環境。

智能家居是現代電子技術、自動化技術以及通信網絡技術相結合的產物，在90年代末逐漸被國人認知。智能家居主要是提供對家庭電器設備的智能化管控，由簡單的UI界面，人性化的操作方式，簡單易懂的維護手法，極大地方便了人們的生活方式，提供更高效、便捷、安全、環保的生活環境。所以說智能家居系統的研究具有很大的意義。

1 智能家居系統方案設計

智能家庭環境監測系統是一個以主控模塊為核心，其他外設模塊電路組合來完成系統的設計，它首先解決各模塊的功能問題，然后綜合整合系統整體結構，最后通過軟件的調試來完成系統的設計和制作。本設計以STM32F103RCT6作為主控芯片，外設模塊分別有串口WIFI通訊模塊、溫濕度模塊、光敏電阻模塊、煙霧模塊、蜂鳴器模塊、小風扇和繼電器模塊。整個系統設計需要的基礎數據是由這些模塊測量實現的，各模塊通過導線連接起來組成以主控模塊為核心的系統。主控模塊從其他模塊獲取信號，經過處理后再將指令信號傳達給其他模塊，這樣可以形成一個閉環控制系統。我們就是利用這些模塊的功能實時地對家居環境情況進行監測、調節和控制。

用戶可以通過手機app端實時查看家庭里的各項數據監測指標，也可以隨時通過app端改變外部條件的方法來調節家中的環境條件，如打開家中的照明、風扇、窗簾等電器，利用這些功能便可直接有效的為用戶提供舒適和便利的家居環境。

2 硬件模塊功能設計

2.1 系統主控模塊電路

本系統設計選用的主控MCU由ST廠商推出的STM32系列開發板，性價比高，最高工作頻率72MHZ，支持各種內設接入，集成豐富的內核和外設資源，簡易方便地使用架構以及低功耗低成本的特性，是嵌入式系統開發的不錯選擇。而STM32 F103RCT6所具備的功能完全滿足本設計的需求，所以本設計的主控制模塊采用該芯片。

2.2 WiFi通訊模塊介紹

本次對于WiFi通訊模塊采用的是安信可科技開發的型號為ESP8266-01的WiFi模塊。其核心處理器ESP8266具有超低功耗的串口透傳特點，價格低廉、工作能力強，本身就是個Coerex的ARM應用處理器，是作為移動設備和物聯網應用中WiFi控制比較理想的選擇。ESP8266-01模塊的硬件接口較多，該模塊同時支持STA/AP/STA+AP三種工作模式和AT指令集，AP是作為一個熱點，可以使電腦搜索WiFi網絡時直接搜到;STA就是接入現有的WiFi網絡中;AP+STA既是一個熱點，又可以連入WiFi網絡。而AT命令則是可以通過串口助手或者其他的網絡助手直接控制和設置芯片，操作使用十分簡單。

2.3 光敏傳感器模塊設計

光敏電阻又稱為光導管，一般用于光的測量、控制和光電轉換，根據本次系統設計的需求采集光線強度，選擇光敏電阻已滿足設計要求。選用的光敏傳感器模塊是四個引腳，其中DO端為數字量輸出接口，主要輸出高低電平。AO端為模擬量輸出接口，通過直接與單片機相連接，利用ADC模數轉換來實現對環境光照亮度的采集。光敏電阻上還有一個LED信號指示燈，當檢測到周圍有光照時，便會自動亮起;當周圍無光照時，則會自動關閉。

2.4 溫濕度傳感器模塊設計

根據課題的需求分析，旨在采集家庭環境中的溫濕度的數值用以調整用戶居家舒適度。采用DHT11溫濕度一體檢測傳感器，是單總線協議通訊方式，控制電路簡單，占用接口少，價格便宜。

2.5 煙霧傳感器模塊介紹

煙霧傳感器模塊可以實現實時的檢測煙霧濃度的效果，通過A/D轉換將模擬量轉換為數值顯示，當遇室內煙霧濃度過高且達到設定值時，自動觸發報警裝置，提醒用戶。針對煙霧的采集和監測本次選擇了MQ-2煙霧傳感器模塊，該模塊的主要芯片為ZYMQ-2氣體傳感器，具有探測范圍廣泛、反應速度快、使用壽命長等特點。本次所使用的接口是AO口，將AO端口和MCU端引腳線連接，通過編程對該引腳進行初始化和A/D轉換器進行輸出。

2.6 蜂鳴器模塊設計

蜂鳴器本次模塊選用的是有源蜂鳴器，通過信號輸入端I/O口和單片機相連接，本設計只針對煙霧濃度的監測實現了報警裝置模塊，當煙霧傳感器監測到的煙霧濃度超過設定值時，蜂鳴器便會自動發出聲音用來提示用戶。項目選用的是三線制的有源蜂鳴器，分別為VCC電源正極、GND電源負極和I/O信號接口。利用I/O口和單片機相連接，通過對對應I/O的操控并給出“0”和“1”，來實現對蜂鳴器的報警控制。

2.7 繼電器模塊介紹

繼電器模塊有三個端口，分別為常開端、常閉端和公共端。本次選用的1路5V的繼電器模塊，繼電器模塊上一般都是6個引腳，一端為VCC電源正極、GND電源負極，IN信號輸入端，另一端為NC常閉端、COM公共端和NO常開端。其中，在沒有任何操作的情況下，NC端和COM端相當于已經接通。我們接到NO接口，然后通過信號輸入引腳IN來控制繼電器的開關，達到控制的作用。

2.8 風扇模塊介紹

風扇模塊采用的5V靜音冷卻風扇，轉速支持PWM調節，帶有電源指示燈，驅動板上提供有3mm固定安裝螺絲孔。具有安全、便捷、低功耗以及噪音低的特點，適用于不同場所。風扇接口由3線組成，紅色正極黑色負極，將風扇模塊連接MCU主控芯片，可以直接通過低電平或者通過對PWM的調節來實現對風扇模塊的控制，以此來調節室內的環境溫濕度，達到用戶舒適滿意的環境狀態。

3 軟件移動端設計與實現

3.1 keil編程語言介紹

系統各硬件模塊設計完成之后，系統的主要功能實現還需要通過軟件實現遠程控制。本次系統設計采用STM32作為主控芯片，C語言編寫，課題軟件編程基于keil5來完成，版本使用μVision5 IDE集成開發環境，是針對ARM Cortex-M內核微控制器最佳的一款集成開發工具。

3.2 機智云端app設計

機智云平臺是致力于物聯網、智能硬件云服務的開放式平臺，平臺上各項說明都非常的詳細，更加方便初學者對于云平臺的學習和使用，簡單易學，方便易懂。本次系統的設計是基于機智云平臺上的MCU開發方式，通過WiFi連接，將手機端和MCU端進行連接通信，實現手機端對外設傳感器的數據接收和操控。

3.3 app設計流程

基于機智云平臺使用移植機智云GAgent的WiFi模組建立橋梁，使設備的數據與機智云交換，設計步驟為：

（1）注冊機智云開發者賬號，進入開發者中心，選擇對應的項目創建新產品;

（2）填寫設備產品的基本信息，選擇WiFi/移動網絡方案創建項目;

（3）根據項目的需求創建需要的數據點，用于描述產品的功能和參數，本項目添加了5個數據點，分別為：溫度值、濕度值、煙霧值、光強值和繼電器開關;

（4）通過機智云自動生成MCU SDK代碼，代碼實現了機智云通信協議的解析與封包、傳感器數據與通信數據的轉換邏輯，并封裝成了簡單的API;

（5）將自動生成的MCU SDK代碼移植到工程中，并進行相應的修改和完善;

（6）下載ESP8266對應的固件，將WiFi模塊通過USB轉串口工具連接電腦，通過燒寫軟件將下載好的固件庫燒寫進WiFi模塊;

（7）最后將WiFi模塊連接主控板，將手機和WiFi模塊置于同一局域網或WiFi中，實現一鍵配網，便基本可以實現app端和硬件端的連接和操控。

4 軟硬件綜合調試

將各模塊連接到核心板上，首先進行軟硬件調試，無問題后再綜合調試。

（1）檢查硬件各個模塊外部有無損壞，無損壞下一步;

（2）將編寫好的程序燒入硬件模塊中，并通過串口調式助手檢查各模塊是否能正常運行，監測數據有無變化，是否能夠實現預期的功能并能完成監測任務。各模塊程序檢測完畢之后，登錄機智云官網，設計并移植機智云工程，完成代碼的移植工作，下載APP端，檢測是否可以完美運行;

（3）檢查是否有I/O口沖突使用，是否造成相互干擾，確認各模塊程序能夠綜合運行之后連通機智云，并通過手機端實現對各模塊監測到的數據的傳輸和操控。檢測無問題之后，自己選擇一個相對應的測試環境，應用本系統來檢驗測試。

5 結束語

隨著計算機技術的發展和5G時代的到來，工業綜合自動化的水平不斷提高，人們更加渴望科學技術改善生活，科技的發展使得傳統的有線控制網絡不再滿足需求，無線網絡傳輸技術愈發得到人們的青睞。本文便是以WiFi無線通信技術為基礎，設計了無線家居環境監測系統，并通過對總體方案的設計，對硬件和軟件的設計，基本實現了智能家居的遠程控制操作，營造了生活便捷、舒適的生活環境，具有廣闊的發展前景。

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