基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

周鈺博

（成都信息工程大學(xué) 四川省成都市 610000）

1 前言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和對人們在居家住房體驗(yàn)方面要求的提高，家庭智能化已經(jīng)成為了一個指向未來的道路牌。智能家居，又稱為數(shù)字家庭、家居自動化、電子商務(wù)、智能家居、網(wǎng)上電子家電、智能大樓等。該系統(tǒng)是利用控制芯片、傳感器、結(jié)構(gòu)化的布局和無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備和功能之間的互聯(lián)。住宅作為智能家居的一個工作平臺，在住宅之中智能家居集通訊、家電自動化、遠(yuǎn)程控制、居家辦公、娛樂休閑等功能于一體，系統(tǒng)體系、架構(gòu)、服務(wù)、治理為一體，具有安全、便捷、稱心、節(jié)能、娛樂、高能、環(huán)境友善的生活環(huán)境。因此基于STM32單片機(jī)設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)，通過手機(jī)APP可實(shí)時查看溫濕度，控制燈和窗簾的開關(guān)，對智能家居具有一定的探索意義。

2 基于STM32的系統(tǒng)總體方案設(shè)計

2.1 研究方法

采用STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合了溫濕度模塊，電機(jī)模塊，繼電器模塊，Wi-Fi模塊的系統(tǒng)，通過無線Wi-Fi與上位機(jī)APP進(jìn)行通訊，訪問ESP8266創(chuàng)建的TCP服務(wù)器，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。單片機(jī)經(jīng)過溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度采集，控制驅(qū)動芯片及繼電器進(jìn)行電機(jī)，照明控制；上位機(jī)通過無線Wi-Fi進(jìn)行數(shù)據(jù)查看以及開關(guān)指令發(fā)送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作以及非接觸控制，實(shí)現(xiàn)自動化。如圖1為系統(tǒng)框架圖。

2.2 智能家居方案選擇

（1）確定參數(shù)：本課題需要采集溫濕度、控制照明、控制電機(jī)運(yùn)行。

（2）確定硬件：本課題采用STM32F103C8T6單片機(jī)，溫度傳感器、濕度傳感器、Wi-Fi模塊、電機(jī)、LED燈等。

（3）根據(jù)參數(shù)及硬件需要和任務(wù)書進(jìn)行硬件電路設(shè)計，進(jìn)行全方面考慮，包括對技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的比較，確定最佳方案。方案設(shè)計完成后，進(jìn)行印刷電路板設(shè)計，再電印刷出來，手工焊接并進(jìn)行調(diào)試。

（4）下位機(jī)程序設(shè)計：按照本課題要求，設(shè)計下位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)通訊、采集、控制、執(zhí)行等功能。如圖2為下位機(jī)程序流程圖。

3 系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括許多部分，例如Wi-Fi通訊模塊、溫濕度傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)電路、MCU部分等。

（1）MCU部分：STM32是一個內(nèi)核大小為32位的集成電路，程序存儲容量為64KB，需要電壓2V～3.6V，工作溫度為-40°C～85°C。功能穩(wěn)定，能耗低，在系統(tǒng)控制中更高效。

（2）Wi-Fi通訊模塊：此部分使用ESP8266-01S作為信號收發(fā)單元，上電時，STM32會自動發(fā)送AT指令，設(shè)置好Wi-Fi名稱密碼，以及工作模式。

（3）溫濕度傳感器模塊：將DHT11用來作為測量溫度與空氣濕度的自動傳感器。DHT11傳感器測量濕度5-95%rh，溫度0～+50℃，其精度大約為±5%rh，溫度約為±2℃。為了保證運(yùn)行穩(wěn)定性，它需要使用特殊化的數(shù)字采集模塊自動采集及采用溫濕度自動傳感等先進(jìn)技術(shù)。該項(xiàng)系列產(chǎn)品在技術(shù)上分別具有了器件品質(zhì)優(yōu)良、反饋響應(yīng)速度快、抵抗電磁干擾能力強(qiáng)、性價比高等特征，所以他是最佳抉擇選項(xiàng)。

（4）步進(jìn)電機(jī)模塊：此部分使用ULN2003驅(qū)動芯片以及28BYJ4步進(jìn)電機(jī)來控制開關(guān)窗。單片機(jī)發(fā)出控制信號控制四相步進(jìn)電機(jī)。

（5）開關(guān)燈電路部分：通過輸出低電平來使燈點(diǎn)亮，在接入繼電器的情況下，接在常閉端的燈就能控制220V電燈開關(guān)。

（6）輸入電路：使用TYPEC輸入，DP和DN連接到一起，根據(jù)QC協(xié)議，此時可以請求到5V3A，如果不接，將是5V1.5A，CC1和CC2使用4.7K到地，根據(jù)PD協(xié)議，作為sink，會請求到5V3A。

（7）降壓電路：使用AMS1117-3.3將5V降壓至3.3V，C2和C3是輸入電容，對于交流電壓整流輸入，它們的第一個作用是把單向脈動電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，在本圖中輸入已經(jīng)是+5V直流電源了，它們的作用就是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置，因此通常輸入電容的容量應(yīng)該大于輸出電容。

（8）復(fù)位電路：復(fù)位控制電路的主要工作基本原理主要是由于一個單片硅電機(jī)中的首個引腳在復(fù)位電路中所同時接收的最高電平電壓信號通常大于2us以上，如果我們需要對每個電容器阻值進(jìn)行一次復(fù)位，只要是需要注意電容器在復(fù)位電路中每次充放電的持續(xù)時間一般不應(yīng)超過大于2us，隨之復(fù)位電路過程中的每個電容器阻值就會發(fā)生較大改變。

圖1：系統(tǒng)框架圖

圖2：下位機(jī)程序流程圖

圖3：軟件界面

（9）晶振電路：石英串聯(lián)晶體電子諧振器串聯(lián)電路的特點(diǎn)電子信號串聯(lián)在各種電氣技術(shù)方面可以等效于整流電容器它是串聯(lián)一個整流電阻器和一個電容器通過雙端整流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并聯(lián)而后形成的整流電路。

3.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為兩大部分，即下位機(jī)程序設(shè)計和上位機(jī)程序設(shè)計。

3.2.1 下位機(jī)程序設(shè)計

本程序單片機(jī)部分，通過ESP8266透明傳輸，供電方式是采用3.3V的高電壓，帶有板載芯片，使用串口對單片機(jī)進(jìn)行燒寫程序和AT指令集調(diào)試的，芯片一旦燒寫了程序便不可使用AT指令集，需要重新刷回AT指令集固件才可以使用。因此，使用燒錄了AT固件的ESP8266來接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行開關(guān)燈、開關(guān)窗等操作，并且也通過ESP8266將單片機(jī)采集的溫濕度信息傳給上位機(jī)顯示。

（1）主函數(shù)：第一部分為系統(tǒng)初始化，在這部分程序中，將會初始化串口，燈光、電機(jī)、溫濕度傳感器以及ADC，為硬件工作做好準(zhǔn)備；

第二部分為控制指令讀取程序，通過讀取上位機(jī)發(fā)送的指令，從而判斷需要進(jìn)行什么操作，比如開關(guān)燈，開關(guān)窗等；

第三部分為電機(jī)控制程序，通過讀取上位機(jī)發(fā)送的指令，進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，從而模擬開關(guān)窗或開關(guān)燈的效果；

（2）通訊程序：此部分，通過對ESP8266上傳AT指令，將其配置模式，Wi-Fi密碼，服務(wù)器端口等，方便透傳。

3.2.2 上位機(jī)程序設(shè)計

易安卓E4A是一個適合Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)軟件，這個軟件主要應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)，是基于Google簡單的編程語言，E4A使用了類似于ease語言的基本編程方式和語法來進(jìn)行編寫Android應(yīng)用程序也變得很容易，E4A是用純中文編寫的，這使得編程比英語更容易更快。

易安卓E4A是能夠幫助擁有易語言基礎(chǔ)的用戶輕松進(jìn)行安卓APP編寫的編程軟件，該軟件提供了可視化開發(fā)環(huán)境與強(qiáng)大的智能語法提示功能，同時還支持邊寫邊看效果，讓編程能夠更加輕松、高效，能夠極大特色開發(fā)效率。因此，使用E4A能夠較容易的作出一款能夠?qū)崿F(xiàn)功能的安卓APP。如圖3。

（1）通電后，STM32會自動發(fā)送AT指令，設(shè)置好Wi-Fi名稱密碼，以及工作模式。此時用手機(jī)連接“Wi-Fi”。

（2）連接Wi-Fi后，通過點(diǎn)擊連接，訪問ESP8266創(chuàng)建的TCP服務(wù)器，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。點(diǎn)擊APP的按鈕，數(shù)據(jù)將被發(fā)送到下一臺機(jī)器，下一臺機(jī)器進(jìn)行相應(yīng)的動作。下位機(jī)還會上傳溫濕度數(shù)據(jù)，通過關(guān)鍵詞讀取，得到溫濕度數(shù)據(jù)，從而顯示。

（3）點(diǎn)擊APP的“開關(guān)燈”按鈕，LED燈亮或滅。

（4）點(diǎn)擊APP的“開關(guān)窗”按鈕，開關(guān)窗由控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開窗時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；關(guān)窗時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

4 智能家居面對的問題發(fā)展趨勢

過去幾年，智能家居行業(yè)存在“為科技而科技”的現(xiàn)象，一些花哨的產(chǎn)品不僅沒能俘獲市場，反而讓消費(fèi)者質(zhì)疑智能家居存在的意義。所以智能家居應(yīng)該不斷做減法，以最實(shí)用的功能體系為用戶打造高品質(zhì)的智慧生活，讓家居生活更加人性化和智能化。

當(dāng)前，以移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)應(yīng)用為主要領(lǐng)域代表的整個全球范圍新一輪安防信息安全科技技術(shù)改革如火如荼，智能化安防的新興產(chǎn)業(yè)和信息科技技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展將如何繼續(xù)推進(jìn)面臨史無前例的巨大性和歷史性發(fā)展契機(jī)，智能安防及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施將迎來爆發(fā)式增長。

智能家居的蓬勃發(fā)展和快速成長從現(xiàn)有國家相關(guān)政策的有力撐持和應(yīng)用范例指導(dǎo)，智能家居在不斷深化基礎(chǔ)建設(shè)和推進(jìn)現(xiàn)代化環(huán)境改善中已經(jīng)獲得了源源不斷的發(fā)展動力。此外還有智能物聯(lián)網(wǎng)等等科學(xué)技術(shù)的快速成長和興旺，也給家居產(chǎn)業(yè)指明了一條發(fā)展和變革之路。對于當(dāng)今我國的年輕創(chuàng)業(yè)者們而言，智能家居無疑被他們認(rèn)為已經(jīng)是一個充滿了無限夢想，并且充滿了無限發(fā)展機(jī)遇的巨大新興產(chǎn)業(yè)!

5 結(jié)論

隨著社會和科技的發(fā)展，家居智能化已成為大勢所趨，此次對智能家居控制系統(tǒng)的探索只是智能化潮流下的一朵小浪花，此次設(shè)計了上位機(jī)APP與下位機(jī)單片機(jī)無線連接，通過APP查看實(shí)時溫濕度，發(fā)送開關(guān)燈指令或開關(guān)窗指令。

此次設(shè)計的思路還可用于很多社會生活或生產(chǎn)環(huán)節(jié)，作為生產(chǎn)生活智能化的一環(huán)，很多環(huán)節(jié)都可以如此設(shè)置，實(shí)現(xiàn)智能化的全面覆蓋。