基于物聯網和云平臺的智能家居系統設計

劉婷

摘要：目前國內智能家居市場初具規模，但是大部分智能家居系統價格較高、標準不一，無法滿足消費者的需求。文章基于STM32F103嵌入式微控制器、家用電器控制模塊、WiFi控制模塊、各類傳感器模塊，設計了一款智能家居系統，實現了對智能家居環境內的溫濕度、光照強度、煙霧強度的自動化檢測與遠程控制。文章設計的智能家居系統具有成本低、操作簡單、感知能力強、數據處理能力強以及靈活性好的優點，具有一定的研究與應用價值。

關鍵詞：物聯網；STM32；智能家居

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

0 引言

“智能家居”首次寫入“十四五”規劃綱要，綱要明確未來五年重點要應用感應控制、語音控制、遠程控制等技術手段，發展智能家電、智能安防監控、智能音響、新型穿戴設備等^［1］。隨著經濟發展和生活方式的逐步轉變，智能家居的使用群體從年輕消費群體擴展到全年齡段的消費群體，人們對家居生活質量要求不斷提升，人們對智能家居的功能也提出更多元化的需求。目前市面大多數智能家居設備產品存在價格較高、標準不統一以及性能優劣不一的情況，無法滿足大部分消費者對于智能家居的需求。本文結合物聯網技術、嵌入式技術和云平臺技術設計了一款成本低、操作簡單、感知能力強、數據處理能力強、靈活性較好的智能家居系統。

1 智能家居系統總體設計

本系統總體架構如圖1所示，系統采用STM32F103嵌入式微控制器為主控機下位機，集成DHT11溫濕度檢測模塊、LM393光照檢測模塊、MQ-2煙霧檢測模塊、家用電器控制模塊、WiFi控制模塊，通過ESP8266 WiFi芯片連接局域網接入物聯網云平臺，通過服務器獲取STM32芯片上傳的環境參數信息，與手機內App作為的上位機完成信息通信與控制，實現對家居環境的信息采集、自動控制與遠程控制功能^［2］。

2 硬件設計

2.1 主控芯片設計

本系統主控芯片為STM32F103VET6，STM32 F103VET6微控制器采用ARM Cortex^TM-M3內核，具有72MHz的CPU速度，該芯片具有1MB Flash容量、多種控制外設、多種低功耗工作方式，基本符合智能家居系統的功能需求^［3］。該芯片具有低功耗、低電壓、實時性好、性價比高的優點，目前已廣泛應用于各類智能設備中。選用STM32F103VET6作為主控芯片能完成多個傳感器連接、無線數據傳輸、智能設備遠程控制等智能家居系統功能的實現。

2.2 溫濕度檢測模塊

本系統采用DHT11作為數字溫濕度傳感器，DHT11作為溫濕度檢測傳感器，應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，兼具耐用、壽命長、模塊簡單、應用廣泛等優點。DHT11溫濕度傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC（負溫度系數熱敏電阻）元件，連接一個高性能8位單片機，目前已廣泛應用于家居、醫療、工業等相關領域的溫濕度檢測控制^［4］。溫濕度模塊能夠實時檢測智能家居環境中的溫度、濕度數值，結合用戶個性設置或者軟件通用算法，實現自動調節空調系統、加濕器等功能。

2.3 煙霧檢測模塊

本系統采用MQ-2作為煙霧傳感器，MQ-2傳感器為多種氣體探測器，具有靈敏度高、穩定性強、耐用性強、抗干擾性強等優點。

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料為二氧化錫（SNO₂），二氧化錫的電導率與空氣中煙霧濃度值成正比，當煙霧濃度較低時，MQ-2電導率較低，當煙霧濃度變高時，MQ-2電導率逐步增加，導致輸出電阻變低^［5］。提前設置煙霧報警閾值，通過電路設計，檢測電壓值，進一步判斷空氣中煙霧濃度，一旦煙霧濃度超過閾值時，蜂鳴器將發出警報聲，同時將相關數據及信息通過云端發送至用戶手機App進行彈窗或電話提醒。

2.4 光照檢測模塊

本系統采用光敏電阻傳感器對室內光線情況進行檢測，光敏電阻傳感器選取LM393，主要由電極、樹脂膠、陶瓷基板、導線等組成。光敏電阻屬于光電效應傳感器的一種，主要工作原理是利用光敏電阻原材料半導體的光電效應。隨著光照強度增加，光敏電阻的亮電阻減小，亮電流增大，以此進行光照強度檢測。光敏電阻可以非常靈活地應用在智能家居、工業控制、路燈控制等方面。光照檢測模塊能夠實時檢測智能家居環境中的光照強度，結合用戶個性設置或者軟件通用算法，實現自動調節窗簾系統、燈光系統等功能。

2.5 家用電器控制模塊

本系統采用繼電器模塊控制家用電器。隨著科技發展，智能繼電器模塊的應用越來越廣泛，在智能家居系統中采用智能繼電器，通過弱電來控制強電，通過強電實現智能家居系統內各類電器（如電視、空調、洗衣機、燈具等）的控制。通過給STM32芯片連接兩個復合管驅動器ULN2803，可以實現驅動繼電器、電機的功能，從而完成對智能家居系統內各種家用電器的開啟與關停^［6］。

2.6 WiFi控制模塊

本系統采用市場主流WiFi芯片ESP8266作為WiFi控制模塊，完成智能家居系統內傳感器、家居設備數據的無線傳輸。ESP8266芯片由安可信（Ai-Thinker）公司生產，集成32位處理器、標準數字外設接口等模塊，具有性能穩定、成本低、功耗低、模塊集成度高等優點^［7］。ESP8266 WiFi模塊目前被廣泛應用于物聯網行業，豐富的案例庫能為智能家居系統設計提供較高價值參考。WiFi控制模塊能夠通過串口USART接收STM32內部數據，發送至云平臺。

3 軟件設計

3.1 系統軟件總體設計

本系統主要采用KeiluVision5編程軟件，該軟件能較好地支持Cortex-M、Cortex-R4等系列器件，具有豐富的庫函數，功能強大，界面友好，操作性強，是一款實用性高、性能強大的主流單片機編程軟件。

目前，本系統主要采集家居環境中溫濕度、光照強度、煙霧強度，根據采集信息結果及判斷機制，實現自動啟停家居系統電器，并將信息同步上傳至云端，手機通過云端下載信息，并同步實現遠程檢測、遠程控制的功能^［8］。軟件控制流程如圖2所示。

圖2 軟件控制流程

3.2 智能家居系統功能實現

智能家居系統軟硬件環境搭設完成，通過溫濕度檢測模塊DHT11采集空氣中溫濕度數據，當溫濕度數值不在設定的舒適溫度范圍區內，驅動繼電器模塊控制對應的空調系統、加濕器，實現自動調節溫濕度的功能。通過光照檢測模塊LM393采集室內光照強度，當光照強度不在設定的區間，可以啟停燈光系統及電動窗簾等^［9］。通過煙霧檢測模塊MQ-2檢測空氣中的煙霧濃度，一旦超出警戒值，蜂鳴器發出警報聲。STM32作為主控制器，接收智能家居系統內各傳感器、家居設備采集的數據，對數據進行參數處理，實現對空調、加濕器、燈光系統、電動窗簾、電視機等設備的自動控制，打造舒適、智能的家居環境，同時將數據信息通過ESP8266 WiFi模塊上傳至云平臺，云平臺完成數據存儲與數據智能分析，根據用戶功能設置，及時給手機App推送緊急提醒通知。

用戶可以通過上位機發送相關控制指令對家居系統所連接的電器進行遠程控制。例如，遠程控制家中空調啟停、電飯鍋自動煮飯等。對智能家居系統內各個傳感器所采集的所有數據進行分析與統計，進一步提升智能家居系統智能化能力。例如，通過每日對智能家居設備的使用情況分析，設置個性化使用模式，工作模式、周末模式等；通過每月對智能家居設備耗電量進行分析，有針對性提出節能措施，更換老舊設備、設置空調定時啟停等。

技術作為智能家居發展的核心動力，隨著5G、AR、人工智能、區塊鏈、邊緣計算等技術的發展，智能家居系統的數據采集、數據處理、人機交互能力將得到進一步的提升。展望未來，今后的智能家居系統的服務能力提升會逐步經歷以下4個階段：個性化識別控制能力提升、用戶自動獲取外部服務能力提升、數據分析預測能力提升以及數據控制引導能力提升。

4 結語

本文設計了一種基于物聯網和云平臺的智能家居系統，通過對智能家居環境內的溫濕度、光照強度、煙霧強度的自動化檢測，實現對家居系統設備的智能化控制。本系統具有較好的擴展性，結合實際情況，接入人體紅外傳感器實現對小孩的行動監測，避免小孩靠近陽臺等危險地方；接入智能穿戴設備實現對獨居老人健康狀況的智能監測；也可以按需接入其他的各類傳感器，通過不斷完善與優化智能家居系統相關功能，為用戶提供智能化“管家式”服務。本系統對于響應國家節能減排政策，鼓勵人們享受科技成果，提升人們生活便捷性，推動科技發展與進步具有一定的價值。

參考文獻

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［8］李素.基于STM32的智能家居系統［J］.電子制作，2022（9）：31-33.

［9］李文杰，脫慧.基于STM32的教室智能照明系統設計［J］.中國設備工程，2022（13）：118-120.

（編輯 李春燕）

Design of smart home system based on Internet of Things and cloud platform

Liu Ting

（School of Software， Hunan College of Information， Changsha 410200， China）

Abstract： At present， the domestic smart home market has begun to take shape， but most smart home systems have high prices and different standards， which cannot meet the needs of consumers. Based on STM32F103 embedded microcontroller， household appliance control module， WiFi control module， and various sensor modules， this paper designs a smart home system to realize automatic monitoring and remote control of temperature and humidity， light intensity， and smoke intensity in the smart home environment. The smart home system designed in this paper has the advantages of low cost， simple operation， strong perception， strong data processing ability and good flexibility， and has certain research and application value.Key words： Internet of Things; STM32; smart home system