基于STM32單片機(jī)的智能家居設(shè)計(jì)

楊千慧，唐浩煜，鄒楓奕，殷繼啟，陳誠，胡安正，黃河

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)家居生活的要求越來越高，這為智能家居的發(fā)展帶來了機(jī)會(huì)。智能家居通過連接各種智能設(shè)備和傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和智能化管理，從而讓家居更加智能化、高效化和人性化。智能家居可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、語音控制、智能識(shí)別、智能推薦等功能，讓人們更加輕松地享受生活。此外，智能家居還可以提高家居的能源利用效率，減少能源浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。因此，智能家居已經(jīng)成為現(xiàn)代家居的重要組成部分，受到越來越多人的關(guān)注和追捧。

1 居室溫濕度監(jiān)管系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該智能家庭溫濕度監(jiān)管系統(tǒng)核心是基于STM32F103RCT6主控芯片和ESP8266-01S WiFi模塊，ESP8266-01S WiFi模塊與手機(jī)APP配網(wǎng)后，DHT11溫濕度模塊將實(shí)時(shí)檢測到的當(dāng)前環(huán)境溫濕度信息發(fā)送給STM32F103RCT6，同時(shí)通過OLED屏幕將當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度和用戶設(shè)定的溫濕度閾值信息顯示出來，手機(jī)APP也會(huì)同步更新這些信息，并且我們可以通過手機(jī)APP設(shè)定溫濕度閾值。主控通過串口發(fā)送信息給KIR-8模塊，通過紅外發(fā)射信號(hào)給家庭空調(diào)，加濕器也通過硬件電路接入本系統(tǒng)，可通過手機(jī)APP去控制加濕器的開關(guān)和狀態(tài)，在我們?cè)O(shè)定了家庭溫濕度閾值之后，單片機(jī)會(huì)在接收到各個(gè)模塊發(fā)來的信息之后，進(jìn)行處理然后調(diào)用家庭空調(diào)和加濕器來維持家庭溫濕度的穩(wěn)定性。

主要部分由各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)收集端、基于ESP8266-01S WiFi模塊的網(wǎng)絡(luò)端和主控STM32F103RCT6的控制端構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)端的主要作用是通過WiFi聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及接收手機(jī)APP端發(fā)送的數(shù)據(jù)給主控來完成各項(xiàng)控制，通過使用機(jī)智云的服務(wù)器平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入和數(shù)據(jù)監(jiān)視，服務(wù)器平臺(tái)上也可以查看各數(shù)據(jù)和儲(chǔ)存部分信息。控制端是STM32F103RCT6作為主控芯片，它擁有著3個(gè)12位的ADC，4個(gè)通用16位定時(shí)器和兩個(gè)PWM定時(shí)器，5個(gè)串口。能夠高效地接收數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

由于采用機(jī)智云平臺(tái)的服務(wù)器，所以在接收到信息之后，會(huì)通過WiFi先上傳云數(shù)據(jù)平臺(tái)，然后云數(shù)據(jù)平臺(tái)再將數(shù)據(jù)傳到手機(jī)APP，以此來實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，手機(jī)APP在發(fā)送信息時(shí)也是先將數(shù)據(jù)上傳云數(shù)據(jù)平臺(tái)，最后發(fā)送到主控芯片來處理數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)家庭溫濕度的監(jiān)管及家庭空調(diào)和加濕器的控制。

2 單元電路設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)控制單元

本單元主要由 STM32F103RC 單片機(jī)最小系統(tǒng)，OLED顯示模塊、通信模塊ESP8266-01S、DHT11溫濕度模塊、KIR-8紅外發(fā)射模塊組成。單片機(jī)的最小系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和下載電路組成。

2.1.1 單片機(jī)簡介

STM32F103RC是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，最高工作頻率可達(dá)72MHz。該單片機(jī)還配備了3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1μs，可支持多達(dá)21個(gè)輸入通道。此外，該單片機(jī)還擁有2個(gè)12位D/A轉(zhuǎn)換器、112個(gè)快速I/O口、11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口，其中包括2個(gè)I2C接口、SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。這些接口和口子的存在，使得單片機(jī)可以根據(jù)我們的需要，靈活地接入各種設(shè)備和模塊。單片機(jī)會(huì)根據(jù)各個(gè)模塊的需求，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)我們所需要的功能。

2.1.2 單片機(jī)使用

本設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6單片機(jī)為核心。該系統(tǒng)主要利用單片機(jī)接收DHT11傳感器發(fā)來的溫濕度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳到云端，以便用戶可以通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看室內(nèi)溫濕度情況。同時(shí)，單片機(jī)還能夠接收來自用戶手機(jī)APP發(fā)送的信息，并及時(shí)做出響應(yīng)，以控制家庭空調(diào)和加濕器等其他模塊的工作。此外，單片機(jī)還可以通過I2C通信將溫濕度信息傳輸?shù)絆LED顯示屏上。

在智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度方面，單片機(jī)會(huì)根據(jù)DHT11傳感器實(shí)時(shí)檢測到的室內(nèi)溫濕度狀況和用戶手機(jī)APP設(shè)定的溫濕度閾值進(jìn)行判斷，然后調(diào)用家庭空調(diào)和加濕器等模塊，使得室內(nèi)溫濕度維持在用戶設(shè)定的范圍內(nèi)，從而確保一個(gè)舒適的家庭環(huán)境。

■2.2 電源系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用LM2596穩(wěn)壓芯片，以穩(wěn)定輸出電壓為3.3V和5V，為ESP8266-01S WiFi模塊、單片機(jī)及其各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的電源。LM2596具有出色的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)性能，功耗低，效率高，外圍電路簡單。此外，LM2596還集成了頻率補(bǔ)償器和固定頻率發(fā)生器，可選擇小尺寸的濾波器組件，輸出電壓穩(wěn)定，避免電壓跳變。此外，它還具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能，更加安全可靠。LM2596降壓至5V電路圖如圖2所示。

■2.3 通信模塊

2.3.1 通信模塊簡介

ESP8266-01S是一款低成本、高性能的WiFi模塊，它基于ESP8266芯片，具有小巧、易于使用、低功耗等特點(diǎn)。該模塊可以通過串口與MCU進(jìn)行通信，也可以作為獨(dú)立的WiFi模塊使用。ESP8266-01S模塊廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

2.3.2 通信模塊使用

使用ESP8266-01S WiFi模塊時(shí)，首先要對(duì)程序進(jìn)行初始化，開啟WiFi、選擇通信方式之后建立UDP協(xié)議進(jìn)行通信，利用局域網(wǎng)作為媒介使模塊與手機(jī)端進(jìn)行連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸。在編寫程序時(shí)，首先進(jìn)行串口初始化，設(shè)置波特率，通過WiFi名稱和密碼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)置好通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。ESP8266電路如圖3所示。

圖3 ESP8266電路圖

■2.4 DHT11溫濕度模塊

2.4.1 DHT11溫濕度模塊簡介

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種常用的數(shù)字式溫濕度傳感器，可以測量環(huán)境的溫度和濕度。它采用單線數(shù)字信號(hào)輸出，具有精度高、響應(yīng)速度快、體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。它使用了數(shù)字模塊的采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，以此使得該產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性得到了大幅的提升。DHT11內(nèi)部由一個(gè)測溫一個(gè)感濕元器件連接一個(gè)8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的采集，4針單排引腳的封裝使得其連接方便，超小的實(shí)物體積和極低的功率損耗。DHT11電路如圖4所示。

圖4 DHT11電路圖

2.4.2 DHT11溫濕度模塊使用

DHT11的工作原理是通過測量傳感器內(nèi)部的熱敏電阻和濕敏電阻的電阻值來計(jì)算環(huán)境的溫度和濕度。DHT11通信過程如圖5所示。單片機(jī)會(huì)定時(shí)不斷地給DHT11發(fā)送開始信號(hào)，DHT11實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 DHT11通訊過程

■2.5 KIR-8紅外發(fā)射模塊

2.5.1 KIR-8紅外發(fā)射模塊簡介

KIR-8紅外發(fā)射模塊是一種高性能的紅外發(fā)射器件，主要用于紅外遙控器、紅外傳感器、紅外通信等領(lǐng)域。該模塊采用高品質(zhì)的紅外發(fā)射管，具有高亮度、高可靠性、低功耗等特點(diǎn)。同時(shí)，該模塊還具有較高的發(fā)射距離和較寬的發(fā)射角度，能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求。KIR-8電路圖如圖6所示。

圖6 KIR—8電路圖

2.5.2 KIR-8紅外發(fā)射模塊使用

KIR-8紅外發(fā)射模塊具備學(xué)習(xí)狀態(tài)，其可通過串口接收指令并輸出解碼后的數(shù)據(jù)。我們可選取讀取空調(diào)遙控按鍵每個(gè)鍵位的碼值，當(dāng)單片機(jī)接收到指令時(shí)，可讓KIR-8模塊發(fā)送之前讀取的碼值，以實(shí)現(xiàn)模擬遙控的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的軟件部分主要是需要接收DHT11發(fā)來的溫濕度數(shù)據(jù)情況，并將這些數(shù)據(jù)上傳云端，在用戶手機(jī)APP上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)在接收來自用戶手機(jī)APP發(fā)送的信息之后，能及時(shí)地做出響應(yīng)，發(fā)送信號(hào)控制其他模塊工作從而控制家庭空調(diào)和加濕器，單片機(jī)也會(huì)將溫濕度信息通過I2C通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆LED顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

■3.1 ESP8266 WiFi通信與機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

ESP8266-01S WiFi 芯片作為設(shè)備配網(wǎng)的通訊芯片，機(jī)智云平臺(tái)作為通信的云服務(wù)平臺(tái)。機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái)通過WiFi與手機(jī)APP聯(lián)網(wǎng)，利用SDK軟件開發(fā)工具包，GAgent是機(jī)智云提供的一款兼容國內(nèi)主流Wi-Fi模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊的模組系統(tǒng)，利用此與MCU通信來實(shí)現(xiàn)家庭空調(diào)和加濕器的遠(yuǎn)程控制。

云服務(wù)平臺(tái)產(chǎn)品開發(fā)的第一步是設(shè)置數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以定義為某個(gè)產(chǎn)品的功能。第二步則是通過機(jī)智云平臺(tái)提供的Gagent固件對(duì)ESP8266-01S WiFi模塊進(jìn)行固件燒錄，最后利用平臺(tái)生成的MCU串口通信代碼編寫遠(yuǎn)程控制服務(wù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭溫濕度的遠(yuǎn)程智能監(jiān)管及其智能調(diào)控。機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái)MCU之間通信流程如圖8所示。

圖8 機(jī)智云云服務(wù)平臺(tái)與MCU之間通信

■3.2 用戶APP

用戶APP基于IOS系統(tǒng)和Java語言進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，手機(jī)APP端使用的數(shù)據(jù)解析器與云服務(wù)器端使用的是相同的。用戶的手機(jī)APP具有實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫濕度以及家庭空調(diào)、加濕器狀態(tài)的功能，在連接好云服務(wù)系統(tǒng)后，我們可以通過手機(jī)APP對(duì)家庭空調(diào)、加濕器進(jìn)行控制也可以設(shè)置溫濕度閾值實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，他會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)系統(tǒng)中心，有云服務(wù)系統(tǒng)中心將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到硬件電路板端的主控端，實(shí)現(xiàn)控制的功能，同時(shí)當(dāng)前溫濕度的狀態(tài)信息也會(huì)顯示在手機(jī)APP上。手機(jī)APP軟件操控界面如圖9所示。

圖9 應(yīng)用軟件界面

圖10 系統(tǒng)智能管控工作狀態(tài)

4 結(jié)束語

本文旨在介紹一種針對(duì)現(xiàn)代家庭舒適性和便利性問題的系統(tǒng)。在當(dāng)今高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)信息化時(shí)代，智能家居已成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能化的一個(gè)重要體現(xiàn)。該系統(tǒng)為人們提供了高效、便利和有趣的生活體驗(yàn)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為人們的生活提供服務(wù)已成為主流趨勢(shì)，未來智能化家庭的設(shè)計(jì)和應(yīng)用將越來越受到人們的關(guān)注和重視。