基于物聯網的智能家居系統設計

李志瑞 段元梅

摘要：隨著智能家居系統的普及，人們對智能家居的接受程度越來越高。文章結合物聯網和單片機技術，設計了一款基于STM32的智能家居系統。該智能家居系統由單片機模塊、溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、按鍵模塊、無線模塊、顯示模塊和報警模塊構成。其中，溫濕度檢測模塊采用DHT11溫濕度傳感器，負責對家庭內部的溫濕度指標進行監控，煙霧檢測模塊采用MQ-2對煙霧濃度進行檢測，并將檢測到的所有數據上傳給STM32單片機。單片機模塊接收到傳感器采集的溫濕度和煙霧數據后，通過顯示模塊將采集到的數據實時展示給用戶，并采用ZigBee無線通信技術把數據上報給上位機，上位機根據數據閾值實現報警功能。最后經過實驗，文章設計的智能家居控制裝置可以準確實現各項環境數據指標的檢測與無線傳輸的功能。

關鍵詞：物聯網；智能家居；傳感器；單片機；ZigBee

中圖分類號：TP311? 文獻標志碼：A

0 引言

智能家居系統已經成為人們生活中不可缺少的一類電子設備，尤其是在一些高檔小區、公寓中，經常可以看到智能家居的身影。智能家居由于可以通過對外界環境的采集來給用戶提供服務，因此在某些應用場景中，深受用戶的喜愛［1］。智能家居的設計，能更大限度地滿足用戶對特殊環境和特殊空間的需求，具有安全性、便利性、舒適性以及藝術性，越來越受年輕人的青睞。

智能家居一般專注于某種應用場景，來解決用戶特定的生活問題［2］。這種使用方式雖然比較簡單，但用戶在使用過程中，有時需要使用不同的智能家居設備，才能解決自己遇到的問題。這導致用戶家庭內部的智能設備非常多，雖然有些功能并不是他們需要的，但用戶卻需要為此支付一定的額外費用［3］。同時，這類智能家居設備可能由于廠商制造的不同，導致數據通信協議不同，使得智能家居設備的功能無法集中，給用戶造成了選擇性的難題［4］。因此，文章基于物聯網技術將溫濕度檢測、煙霧檢測、顯示和報警等集成在具有統一數據通信協議的系統中，從而解決上述問題。

1 分析與設計

1.1 需求分析與總體框圖

通過前期調研，筆者對智能家居系統的功能需求進行分析，主要從以下幾個方面進行考慮。第一，以51單片機為控制核心，利用溫濕度傳感器和煙霧傳感器完成對室內環境數據的采集和處理。第二，采用LCD1602液晶實時顯示溫濕度、煙霧濃度等數據。第三，用戶能夠通過按鍵設置溫濕度上下限報警閾值和煙霧報警閾值。第四，當室內溫濕度不在設定范圍內、煙霧濃度超限時，蜂鳴器和LED燈提供聲光報警。本文設計的智能家居系統如圖1所示。

1.2 智能家居的相關技術分析

1.2.1 ZigBee技術

在本文設計的智能家居實際應用場景中，采用基于ZigBee標準的ZHA、ZLL和透傳標準協議，實現不同設備間的互聯互通，超高效率地擴大了產品的兼容性。在無線通信網絡中，筆者將無線設備節點作為中繼路由的節點，因此網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或多個對等節點進行直接通信。采用這種結構的最好處在于，即使中間有任意節點出現故障，數據也都可以自動選擇另一條路由鏈路來進行通信傳輸，極大地保證了數據安全有效的傳輸。與傳統的有線式網絡相比，無線ZigBee網絡通信節省了節點之間的布線要求，當需要添加任意新的設備時，只需簡單地接上電源即可。當添加或移動設備時，網絡會自動發生拓撲變化，并且自動調整通信路由，以獲取最佳有效的傳輸路徑，讓用戶使用更加簡單、方便。

1.2.2 人工智能技術

本文設計的智能家居離不開人工智能技術的支持，兩者密不可分但是卻不盡相同。智能家居的誕生就是為了讓人類能夠在家庭住宅中生活得更舒適便捷。而人工智能則是更多應用到各個領域中，與不同行業發生巧妙的化學反應。本文將人工智能與智能家居進行結合，主要體現在控制、反饋和融合3個階段。第一階段是控制。該系統可控制智能家居的遠程開關，包括溫濕度濃霧的檢測開關、顯示開關和報警開關等。第二階段是反饋。本文設計的智能家居能記錄用戶的相關溫濕度習慣等數據，通過人工智能反饋給用戶。第三階段是融合。當用戶和智能家居交互時，用戶通過按鍵輸入信息，人工智能會辨別用戶的當前需求，自動回復信息。另外，智能家居還能夠根據某些特殊情況或一些特殊節日，自動調整室內的溫度和濕度閾值。

1.2.3 5G技術

智能家居通過物聯網、人工智能、5G等智慧科技，構建互聯互通的家庭物聯網。本文將5G技術和智能家居系統結合在一起，主要體現在以下兩方面：一方面，5G技術有效地提升該系統的傳輸速度。目前，絕大多數的智能家居設備都在低功率下運行，并通過不同的方式相互交換信息，增加了設備傳輸間的延時問題，這直接影響了整個智能家居生活的體驗。5G的超高速傳輸的出現將有助于信息的檢測和管理。另一方面，5G技術促進了該系統標準的統一。對于通信質量和速度要求都較高的智能家居行業來說，目前，各個廠家都專注于自己的產品，沒有一個統一的行業標準。這種相對封閉的環境并不利于智能家居的發展，而通過5G網絡有助于解決這一問題。

2 智能家居系統的實現

本文設計的室內智能家居系統，主要實現對溫濕度和煙霧的檢測和報警。它主要基于MQ-2和DHT11傳感器進行實時監測和顯示，并提供預警值設定和聲光報警功能。該系統主要包含AT89C52單片機最小系統、MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器、LCD1602顯示、按鍵和聲光報警。其中，AT89C52單片機作為整個系統的控制核心，用于接收、處理由傳感器采集的信息，并將處理后的信息發送到LCD進行實時顯示。當室內溫濕度、可燃氣或煙霧濃度超出用戶設定的閾值時，相關LED指示燈點亮，蜂鳴器發聲。

本文設計通過Proteus進行仿真實現。具體步驟闡述如下：

第一，打開名為室內溫濕度煙感監測仿真文件，雙擊單片機，在彈出的對話窗口中進行點擊相應圖標，即可加載位于C程序文件夾內的Monitor.hex文件，運行仿真。仿真結果顯示，LCD第1行顯示Monitor System（監控系統），第2行顯示當前室內溫度為27 ℃，濕度為55%RH，煙霧濃度為14%。LCD顯示結果與傳感器上的數值一致，表示數據采樣正確。

第二，通過DHT11傳感器上的3個紅色小箭頭來模擬室內溫濕度的改變。系統中前兩個紅色小箭頭用于數值的增減，后一個小箭頭用于溫度和濕度的切換。由于Proteus仿真沒有MQ-2煙霧傳感器元件，而MQ-2傳感器的原理是把煙霧濃度直接轉化為電阻的變化，所以可以用滑動變阻進行替代。通過點擊滑動變阻器RV2上下紅色箭頭，模擬室內煙霧濃度的改變。

第三，調整室內溫度為31℃，濕度為48%RH，煙霧濃度為7%。仿真結果如下：室內溫度溫度31℃，濕度48%RH，煙霧濃度7%，顯示結果一致。

第四，通過調整鍵、加鍵和減鍵設置溫濕度上下限報警閾值和煙霧報警閾值。點擊調整鍵，系統進入溫濕度上下限、煙霧報警閾值設置界面。其中，T代表溫度，H代表濕度，S代表煙霧濃度。系統默認的溫度范圍為：20～35℃，濕度范圍為：40%～85%RH，煙霧報警閾值為：15%。當進入溫濕度、煙霧報警閾值設置界面時，溫度下限值光標閃爍，此時，可通過加/減鍵對其數值進行調整，調整完成后，繼續點擊調整鍵，溫度上限值光標閃爍，這時可對上限值進行調整。

第五，全部參數都設置好后，再次點擊調整鍵，即可退出設置界面，回到系統顯示界面。例如，本文設置溫度范圍為28～36 ℃，濕度范圍為40%～65%RH，煙霧報警閾值為5%。

第六，當系統檢測到室內溫濕度不在設定的上下限范圍內或煙霧濃度大于報警閾值時，蜂鳴器鳴叫，對應LED燈點亮。當室內環境恢復正常后，報警解除。返回顯示界面后，系統監測到當前室內煙霧濃度為7%，大于設定的5%，此時煙感報警燈點亮，蜂鳴器發聲，提醒用戶注意。

在本文設計的智能家居中，不同設備之間的通信，都需要設計通信協議。為了保證設備與設備之間數據的穩定傳輸，筆者將通信協議進行了統一。通信協議的設計僅在網絡層次之上。在復雜的邏輯編寫過程中，協議只是提供一種機制，邏輯需要在這種機制上提供一種更高層次上的通信方式。因此，筆者將各設備的DMA 傳輸方式由單片機直接控制傳輸，中斷處理方式采用保留現場和恢復現場的方式。該系統通過硬件為 RAM 與 I/O 設備開辟一條直接傳送數據的通路，使單片機采用集中緩沖處理方式，從而統一數據通信協議。

3 結語

本文設計實現了室內家居中溫濕度和煙霧的智能監測和報警系統。該系統集成了多個應用環境下的設備，并實現了統一的數據通信協議，采用DHT11溫濕度傳感器，且單片機可根據其特定時序讀取數據，顯示到液晶屏上，但不能在手機App端實現監控。后期可通過串口將數據發送到藍牙模塊，并將手機連接藍牙模塊，編寫安卓程序接收數據并顯示數據，從而實現手機App端的顯示和控制功能。

參考文獻

［1］蔣志偉，王偉，劉姍，等.基于ARM的智能家居系統的設計與實現［J］.現代電子技術，2023（4）：177-181.

［2］文丹.基于Android的智能家居交互系統設計與開發［J］.電子制作，2023（1）：62-66.

［3］何鑫宇.基于ARM的智能家居監控系統的設計與實現［D］.南京：南京郵電大學，2022.

［4］朱小利.智能家居室內溫濕度遠程監測系統——云平臺的應用設計［J］.湖北工業職業技術學院學報，2022（5）：63-68.

（編輯 姚 鑫）

Design of intelligent home system based on Internet of Things

Li? Zhirui， Duan? Yuanmei

（School of Information Engineering， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： With the popularization of smart home system， peoples acceptance of smart home is getting higher and higher. In this paper， a smart home system based on STM32 is designed by combining the technology of Internet of Things and single chip microcomputer. The smart home system is composed of single chip microcomputer module， temperature and humidity detection module， smoke detection module， button module， wireless module， display module and alarm module. The temperature and humidity detection module uses DHT11 temperature and humidity sensor to monitor the temperature and humidity indicators inside the home. The smoke detection module uses MQ-2 to detect the smoke concentration， and transmits all the detected data to the STM32 MCU. After the MCU module receives the temperature， humidity and smoke data collected by the sensor， it displays the collected data to the user in real time through the display module， and reports the data to the upper computer using ZigBee wireless communication technology， and the upper computer realizes the alarm function according to the data threshold. Finally， through experiments， the smart home control device designed in this paper can accurately realize the detection of various environmental data indicators and wireless transmission functions.

Key words： internet of things; smart home; sensor; single chip microcomputer; ZigBee