一種智能家居環(huán)境控制器的設(shè)計

蘇蓓蓓 闞永恒

摘要：本文介紹了一種智能家居環(huán)境控制器，該設(shè)計基于STM32F103C8T6，通過WIFI模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，通過公有云—機(jī)智云作為服務(wù)器，與手機(jī)連接。在手機(jī)APP的操控下，實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度、濕度及光照度的測量，同時遠(yuǎn)程控制家居中設(shè)備的開啟和關(guān)閉。樣機(jī)經(jīng)過長時間測定，運行穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能家居;機(jī)智云;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0136-02

隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，人們對傳統(tǒng)的家居環(huán)境也提出了新的要求，人們在信息化社會中需要的不僅僅是舒適的居家環(huán)境，更需要一個智能化、信息化的智能家居系統(tǒng)，智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向[1]。

然而，目前的智能家居系統(tǒng)配置較為復(fù)雜，添加設(shè)備繁瑣，普通用戶很難會使用。若能降低其操作難度，做到即插即用、提供在線升級的服務(wù)，新版本能夠完全兼容老版本，這樣極大地節(jié)約消費者的使用成本，使智能家居真正走進(jìn)人們的日常生活。

本項目設(shè)計了一款智能家居環(huán)境控制器。通過家居環(huán)境控制器可以實時掌握室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度及光照度，并可以通過手機(jī)平臺對溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，同時設(shè)計了遠(yuǎn)程開關(guān)，可以用手機(jī)遠(yuǎn)程控制家居中的有關(guān)設(shè)備。

1 設(shè)計思路

（1）家居環(huán)境控制器終端設(shè)計。系統(tǒng)采用32位的微處理器STM32C8T6作為主控制芯片，外圍電路包括電源電路、串口通信電路、繼電器電路、wifi通信電路等;程序開發(fā)基于MDK開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示及無線通信等功能。（2）機(jī)智云系統(tǒng)的搭建。采用機(jī)智云的遠(yuǎn)程服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)點的搭建，完成數(shù)據(jù)點固件的生成，虛擬服務(wù)器的搭建，實現(xiàn)局域網(wǎng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，同時支持虛擬調(diào)試。（3）安卓手機(jī)平臺搭建和應(yīng)用開發(fā)。安卓手機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)方案是根據(jù)實際的應(yīng)用需求，設(shè)計出相應(yīng)的用戶界面。

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)框圖

智能家居環(huán)境控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由電源模塊、STM32主控模塊、溫度檢測模塊、繼電器模塊和WIFI模塊幾個部分組成。電源模塊提供其他各模塊工作所需電源，STM32主控模塊采用STM32C8T6芯片，它像大腦一樣控制著外圍器件的運行，WIFI模塊負(fù)責(zé)接入互聯(lián)網(wǎng)，溫度、濕度、光照度檢測模塊負(fù)責(zé)采集溫度值，繼電器模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過繼電器的通斷實現(xiàn)被控模塊的工作。

2.2 電源模塊

為了保證產(chǎn)品工作穩(wěn)定，在設(shè)計電源電路的時候，采用單片機(jī)主控模塊和WIFI模塊分別供電的方式，通過5V開關(guān)電源從220V市電接入，經(jīng)過AMS1117穩(wěn)壓到3.3V，一路給單片機(jī)系統(tǒng)供電，一路給WIFI模塊供電。

2.3 STM32主控模塊

STM32F103C8T6系統(tǒng)電路如圖2所示。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V-3.6V，單片機(jī)外接8M晶振，在內(nèi)部經(jīng)過9倍倍頻，以72MHz的頻率工作[2]。WIFI模塊采用ESP8266芯片，如圖3所示。ESP8266尺寸為5×5mm，WIFE模塊需要外圍器件有10個電阻電容電感、1個無源晶振、1個flash。工作溫度范圍：-40～125℃。在本設(shè)計中，WIFI模塊通過與STM32單片機(jī)的PA2和PA3連接，保持通信。

2.4 傳感模塊

溫度檢測傳感器模塊采用DS18B20芯片，濕度檢測芯片采用DHT11芯片，光照度檢測芯片采用BH1750。STM32單片機(jī)將采集到的串行的9～12位數(shù)字量經(jīng)過換算得到溫度值、濕度值及光照度值，然后定時發(fā)送給WIFI模塊，然后通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)發(fā)到到服務(wù)器，服務(wù)器按照協(xié)議將溫度、濕度、光照度信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶的APP，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測功能。

后期，根據(jù)需要還可以擴(kuò)展其他檢測模塊，如煙霧檢測模塊、紫外線檢測模塊等。

2.5 繼電器模塊

本設(shè)計共包含三個繼電器模塊，用于控制被控設(shè)備的通斷。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。本項目中主程序在運行后首先完成系統(tǒng)初始化，然后調(diào)用相關(guān)的子程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、無線通信及繼電器處理等功能。其中ESP8266模塊實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和繼電器開關(guān)量數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器，同時接受手機(jī)APP的控制指令進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)的控制，圖5所示為手機(jī)APP測試界面。

4 機(jī)智云服務(wù)器及手機(jī)系統(tǒng)的搭建

用戶在開發(fā)者中心進(jìn)行數(shù)據(jù)點的搭建，將自己所需的數(shù)據(jù)點創(chuàng)建起來通過服務(wù)器生成自己的特點的固件，每一個固件含有一個唯一的密鑰，防止別人連接自己的設(shè)備進(jìn)行誤操作，同時也保護(hù)自己的信息安全。第一次進(jìn)行數(shù)據(jù)連接時，需要在一個局域網(wǎng)的下進(jìn)行數(shù)據(jù)的匹配，保證手機(jī)也是連接到局域網(wǎng)下面，這樣，使用機(jī)智云APP就可以實現(xiàn)連接了。手機(jī)app信息實時回傳到后臺，后臺返回控制信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制和局域網(wǎng)控制。該設(shè)計使用獨特的配網(wǎng)方式，使用一鍵式配網(wǎng)功能，簡化了大量的繁瑣的步驟實現(xiàn)快速配網(wǎng)快速使用，一般的設(shè)備在斷網(wǎng)之后就無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，有的設(shè)備只能實現(xiàn)局域網(wǎng)控制，而這款設(shè)計的采用的是分布式配網(wǎng)方式，及時在主網(wǎng)沒有信號使也可以實現(xiàn)自動搜索默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)。同時支持兩個備用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，防止主網(wǎng)斷電之后設(shè)備遠(yuǎn)程控制無效，一般的智能家居設(shè)備都會出現(xiàn)因為使用壽命或者突發(fā)情況導(dǎo)致設(shè)備死機(jī)，該設(shè)計擁有獨特的看門狗設(shè)計防止設(shè)備死機(jī)WIFI模塊的固件擁有獨特的喂狗指令，一旦WIFI模塊和單片機(jī)出現(xiàn)信息交換失敗，WIFI模塊的指令配合硬件實現(xiàn)0.5s重啟，從而有效的避免了因為設(shè)備死機(jī)導(dǎo)致的其他的問題。

5 結(jié)語

本設(shè)計完成的智能家居環(huán)境控制器，使用戶實時掌握室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度及光照度，并可以通過手機(jī)平臺對溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，同時設(shè)計了遠(yuǎn)程開關(guān)，可以用手機(jī)遠(yuǎn)程控制家居中的有關(guān)設(shè)備。樣機(jī)經(jīng)過長時間工業(yè)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 范興隆.ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（09）：52-56.

[2] 張洋，劉軍.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

Abstract：This paper introduces a kind of smart home environment controller， which is based on STM32F103C8T6， access the Internet through the WIFI module， and connect with the mobile phone through the public cloud - smart cloud as the server. Under the control of mobile APP， the remote measurement of temperature， humidity and illumination is realized.， and the opening and closing of devices at home is controlled remotely. After long time measurement， the prototype runs stably and reliably， and has a good application prospect.

Key words：smart home; smart cloud; remote control