基于Wi-Fi控制的智能家居監控系統軟硬件設計

嚴美珍

摘? 要：隨著互聯網、人工智能的發展，智能設備變得越來越普及且強大，智能家居控制設備是最常見的智能設備之一，對人們生活水平的改善產生重要的影響。該文基于Wi-Fi控制設計智能家居控制系統，提出一種基于STM32芯片的智能家居監控系統，該方法采用Wi-Fi和智能手機相連，并將數據傳送給云平臺，進而對數據進行智能處理。在具體設計中，該文首先對系統總體方案進行明確，其次根據總體方案設計芯片、各功能模塊等硬件系統，隨后設計所需系統平臺，開發手機APP，利用Wi-Fi將數據傳遞到云服務器上，最后利用手機APP進行遠程監控，從而實現溫度濕度監控、燈光自動控制、火災報警等功能，為用戶提供個性化的居家服務。

關鍵詞：Wi-Fi；智能家居；監控系統；云平臺；STM32單片機

中圖分類號：TP311.5? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0032-04

Abstract： With the development of Internet and artificial intelligence， intelligent devices are becoming more and more popular and powerful. Intelligent home control device is one of the most common intelligent devices， which has an important impact on the improvement of people's living standards. This paper designs a smart home control system based on Wi-Fi control， and proposes a smart home monitoring system based on STM32 chip. This method uses Wi-Fi to connect with a smart phone， and transmits the data to the cloud platform， and then carries on the intelligent processing to the data. In the specific design， this paper first defines the overall scheme of the system， and then designs the hardware system such as chips and functional modules according to the overall scheme， then designs the required system platform， develops the mobile phone APP， uses Wi-Fi to transfer the data to the cloud server， and finally uses the mobile phone APP for remote monitoring， so as to realize the functions of temperature and humidity monitoring， automatic lighting control， fire alarm， and other functions， so as to provide users with personalized services at home.

Keywords： Wi-Fi; smart home; monitoring system; cloud platform; STM32 single chip microcomputer

隨著信息技術的發展，智能設備逐漸走入大眾家庭，成為了人們日常生活中的必需品，然后部分智能設備由于存在技術壁壘，以至于造價昂貴。為了可以讓更多的技術得以服務大眾，本文將圍繞基于Wi-Fi控制的智能家居控制系統展開軟硬件設計，旨在為當前智能家居控制系統帶來一定的參考。

1? 系統方案設計

1.1? 系統總體設計

本設計以單片機為中心，利用Wi-Fi技術，通過網絡技術對遠程數據進行監測。本系統由STM32單片機、顯示模塊、警報模塊和各種傳感器模塊等構成，最終由 Wi-Fi通信模塊來完成，總體的方案如圖1所示。

1.2? 主要功能設計

為了更加便利服務于人們的生活，本設計利用Wi-Fi模塊為無線傳輸媒介、利用傳感器技術收集信息，把數據傳送到云端服務器，實時把數據展示給用戶，從溫濕度監控、火災報警、燈光自動控制和遠程監控等角度出發，對智能化家居控制系統進行了功能優化，具體如下。

1）溫濕度監測功能。為了實現對室內環境的實時測量，必須建立溫度濕度的監控系統，本次采用有機發光二極管屏幕，按需開關，保證室內的溫、濕度能達到舒適的要求。

2）火災報警功能。火災報警系統在其中起到了十分關鍵的作用，本次設計火災報警功能，規定設置閾值一旦大于閾值，將達到聲光報警的效果。

3）燈光自動控制功能。自動燈光和自動窗簾的功能在原理上是一致的。以探測出的光照強度為基礎完成相應的功能，燈光暗下來的時候就會自動亮，光線好的時候會自動熄燈，實現能源節約。

4）遠程監控功能。本次主要利用Wi-Fi無線網絡和藍牙等無線通信技術，并對家庭中的各種情況進行了分析。該功能還利用了一種云計算技術，將家庭中采集到的信息上傳到云端，讓用戶可以在任何時候登錄對應的移動手機APP對其進行監測。

2? 硬件設計

2.1? 芯片設計

在單片機的設計中，芯片是最重要的部件。一塊芯片相當于一臺計算機，起到完成運算和處理任務的作用，是本設計系統的關鍵部分。本系統以STM32為核心，以Cortex-M3為核心，不僅功能強大，還具有操作簡便、集成度高等優點，在處理運算方面明顯優于C51系列單片機。芯片和原理圖如圖2所示。

2.2? 光線檢測模塊設計

本系統采用光電檢測器對房間內的光照強度進行檢測，在房間內光照強度低于設定的條件下，將會產生高電平的光照強度，在外界光照強度超過一定的條件下，則會產生低電平，再與單芯片相連，對光源強度和亮度進行檢測，從而對房間的光照強度、亮度進行檢測。如圖3所示。

2.3? 溫濕度檢測模塊設計

本次采用市面上的檢測設備，以DHT11型為主，其用途是對空氣中的溫濕度進行測量，將其轉化為電信號或其他需要的數據。產品質量好，抗干擾能力好。元件和示意圖如圖4所示。

2.4? 聲光報警模塊設計

本機具有2個主要的聲光警報，當警報被啟動的時候，會產生一種聲、光的作用。通過對煙氣及空氣品質探測模組所收集的資料，在煙氣的濃度超出一定范圍或偵測到有毒煙氣時，可發出聲音及光線警示。該線路如圖5所示。

2.5? Wi-Fi通信模塊設計

無線網絡通信模塊是整個系統的關鍵部件，其是實現遠程控制所必需的部件，本系統選擇ESP8266無線網絡通信模塊進行了詳細的設計。該模塊是一種高性能的無線網絡接口，使用簡單方便，適合于設計物聯網相關的新技術。通信模組和電路如圖6所示。

3? 軟件設計

3.1? 設計所需平臺

1）編程平臺。本系統采用Keil Uvision5平臺來完成程序編寫。平臺主要使用C語言作為設計語言，其可以實現編寫、編譯、調試等功能，同時還可以檢查代碼是否正確，并告知錯誤的原因，最后經過模擬調試，將代碼下載到 MCU進行在線功能調試。

2）畫圖平臺。本系統采用 Altium Designer作為主要的電路設計平臺，通過設計、繪圖、印刷電路板來編輯整個電路圖。這就降低了設計的門檻，降低了開發的困難，如果能夠對其進行嫻熟的運用，就能夠讓電路設計的品質和效率得到極大的提升。

3.2? 程序燒錄

首先準備好下載器，本次選用的是STLINK下載器，計算機必須安裝驅動程序，以確定下載程序編號，然后將下載器插針連接到下載界面上。至此準備工作完畢。

進入平臺配置并設定相關芯片型號及下載器型號后按下載鍵即可下載。

3.3? 云平臺設計與連接

本控制系統通過ESP8266通信模塊連接云平臺，執行資料互動。用戶需要使用 GAgent的固件才能與智慧云計算平臺進行連接。到 SingleCloud官網上，將對應的軟件固件進行下載。當軟件安裝好之后，只需將GPIO調到懸掛狀態，或是與高電平連接，再將其加到電源上，就可以運行了，如圖7所示。

3.4? 產品創建與開發

本控制系統通過樂鑫ESP8266通信模塊與機智云平臺相連接，進行產品創建與開發，實現數據交互功能。

1）創建產品。在“個人項目”的頁面，單擊“新建”項目，然后進入“個性化”項目，可以對產品類型、名稱、移動網絡方案及通信方式等進行設置，在“存儲”之后，就會跳出“產品”的“個人指南”，下面是關于設定的一些基礎資料，如圖8所示。

2）創建數據點。數據點在產品設計中起著關鍵作用，其主要用于描述產品的性能指標，按照所設計的產品功能要求，設定相應的數值。另外該系統還利用單片機的數據，實現了單片機的數據生成，為開發人員提供了依據。

3.5? 手機APP開發

本系統以用戶界面、設備配置、設備發現、控制和信息推送為主要內容，完成了APP系統的開發。在將源碼下載完畢之后，只需要對UI及控制邏輯進行優化就可以了，按照建立好的數據點，最終在使用移動手機APP的時候，就可以進行對設備的遙控，從而達到自己的產品目的。

4? 功能調試

4.1? 溫濕度檢測功能

本次測試首先檢測溫濕度功能，在連通電力以后，先是對室內的溫濕度進行了實驗，OLED的溫度為24 ℃，相對濕度50%，用口噴空氣來對室內的溫度和濕度進行了調節，而在溫濕度傳感器的反饋下，OLED的溫度為27 ℃，相對濕度為90%。經過多次實驗，所有的溫度和濕度都恢復到了原來的水平。

4.2? 火災報警功能

MQ-2的煙氣探測器具有0～5 000 ppm的探測能力，在進行實驗的時候，首先將警報的閾值設置好，之后用打火機在煙氣探測器的附近放出一些氣體，以達到類似于著火狀態的效果，如果探測器探測到煙氣的含量超出了一定的臨界點，就會產生聲音和光線的警報，并且會將煙氣的密度信息呈現出來，如果將這個信號移走，那么這個信號就會消失，而這個信號也會被還原成普通的數值，在進行了幾次實驗之后，信號都是正確的。在圖9中顯示了該測試函數。

4.3? 燈光自動控制功能

本設計采用了新型光電探測裝置，并采用步進馬達驅動，完成了對簾子及燈具的自動調節。在試驗中當夜幕降臨時，人們會用一只手遮擋燈光探測感應器，此時燈會自動開啟，并通過步進馬達的正向轉動來完成窗簾的閉合。當手松開時燈會自動熄滅，這時，步進電動機倒置，以開啟窗簾，經過多次測試后，運轉良好。在圖10中顯示了該測試函數。

4.4? 遠程檢測和控制功能

將本系統與移動手機APP進行了聯系，并進行了操作，可以看見相關的數據（如燈光、溫度、濕度和氣壓等），與OLED顯示器的數據進行了對比，結果是一致的。實驗照明的控制，按下照明的按鈕，燈就會打開，又進行了幾次開、關的實驗，都顯示出了良好的效果，在圖11中給出了該數據的展示函數。

5? 結束語

本文結合用戶的實際需要進行智能家居控制系統軟硬件設計，利用各種類型的感應器，收集家庭中的溫濕度、亮度等信息，并在OLED屏幕上顯示出相應的數字，然后經過Wi-Fi模組傳送到移動手機APP上，通過對本系統所涉及的各模塊進行了性能試驗，取得了良好試驗結果，完成了溫濕度監控、燈光自動化、火警報警及遠程監控等多項性能指標，符合要求。通過本智能家居控制系統設計，用戶可以通過手機遠程控制家中的電器、溫濕度、照明等，大大提高了生活的便利性。

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