基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐遠(yuǎn)鵬

（蘇州大學(xué)電子信息工程系 江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，物聯(lián)網(wǎng)已成為連接萬(wàn)物的重要橋梁，其在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用前景。 智能控制作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域之一，以其能夠?yàn)槿藗兲峁└颖憬荨⑹孢m、安全的生活方式而備受關(guān)注［1］。通過(guò)將傳感器、控制器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和智能化管理，從而為用戶(hù)創(chuàng)造更加智能化的居住體驗(yàn)［2］。 本文旨在設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)，整合了各類(lèi)環(huán)境傳感器用于信息采集與監(jiān)測(cè)，對(duì)于家庭安全和居住環(huán)境的優(yōu)化具有重要意義。 通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙霧濃度，系統(tǒng)可以迅速響應(yīng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，保障家庭成員的安全。本文將在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，深入探討基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合具體的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的性能和可行性進(jìn)行全面的分析和評(píng)價(jià)，并期望為智能控制技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考和借鑒［3］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 作為主控單片機(jī)，整合各類(lèi)環(huán)境傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，系統(tǒng)整體框如圖1 所示。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)層面，以下是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的主要要點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

在硬件方面，系統(tǒng)總體電路連接如圖2 所示，包括STM 32 主控單片機(jī)、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器、液晶顯示器以及WiFi 模塊。 STM 32 主控單片機(jī)負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和控制指令的生成，傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取溫濕度、煙霧濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，液晶顯示器提供用戶(hù)環(huán)境數(shù)據(jù)的直觀展示，WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能。

圖2 系統(tǒng)整體電路原理圖

在軟件方面，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理模塊將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和校準(zhǔn)，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯判斷是否需要采取措施，用戶(hù)界面通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)展示環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)與系統(tǒng)之間的遠(yuǎn)程通信，用戶(hù)可以通過(guò)智能設(shè)備查看環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制［4］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM 32 單片機(jī)模塊

系統(tǒng)選用STM 32 單片機(jī)作為主控核心，具體型號(hào)可為STM 32F4 系列，該系列單片機(jī)融合高性能、低功耗和豐富的外設(shè)接口［5］。 STM 32 單片機(jī)在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理和控制邏輯實(shí)現(xiàn)方面起到了至關(guān)重要的作用。 其次，STM 32 單片機(jī)在與外部模塊的連接與控制方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。 通過(guò)與LCD1602 顯示模塊相連接，STM 32 單片機(jī)將處理后的環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息顯示在顯示屏上，為用戶(hù)提供信息展示。 與ESP8266 WiFi 模塊的連接使STM 32能夠?qū)崿F(xiàn)與移動(dòng)應(yīng)用的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能。STM 32 單片機(jī)在系統(tǒng)中的通信與控制模塊實(shí)現(xiàn)方面具有至關(guān)重要的地位［6］。

2.2 環(huán)境參數(shù)采集模塊

在本設(shè)計(jì)中，使用了多個(gè)環(huán)境參數(shù)采集模塊，包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器和光照強(qiáng)度傳感器。 選用了DHT11 溫濕度傳感器，這款傳感器能夠同時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度。 它通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸出測(cè)量結(jié)果，具有高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

系統(tǒng)中采用的DHT11 溫濕度傳感器是一種數(shù)字式環(huán)境傳感器，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度。 該傳感器基于集成式電容式濕度傳感技術(shù)，結(jié)合高精度數(shù)字溫度傳感器，能夠在單一封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫濕度的準(zhǔn)確測(cè)量。 DHT11傳感器通過(guò)單總線數(shù)字信號(hào)與STM32 單片機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［7］。 DHT11 傳感器在系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，為智能控制系統(tǒng)提供了溫濕度數(shù)據(jù)，為用戶(hù)創(chuàng)造了舒適和安全的居住環(huán)境。

本系統(tǒng)采用MQ－2 煙霧傳感器，它是一種半導(dǎo)體氣敏傳感器，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)空氣中的可燃?xì)怏w和煙霧，MQ－2 傳感器通過(guò)模擬信號(hào)輸出環(huán)境中的煙霧濃度。 該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由STM 32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)煙霧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 MQ－2 傳感器在系統(tǒng)中的應(yīng)用使智能控制系統(tǒng)具備了檢測(cè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的能力，能夠在煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)觸發(fā)警報(bào)。

綜上所述，本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的溫濕度傳感器、煙霧傳感器以及光照強(qiáng)度傳感器（光敏電阻）分別被用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度、煙霧濃度和光照強(qiáng)度。 它們與STM 32 單片機(jī)相連，通過(guò)數(shù)字或模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，為系統(tǒng)提供關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)了智能控制和用戶(hù)信息展示的功能。

2.3 輸出模塊

在本設(shè)計(jì)中使用LCD1602 顯示模塊，它是一個(gè)16×2字符液晶顯示屏，能夠顯示16 列2 行共32 個(gè)字符。LCD1602 模塊通過(guò)并行接口與STM 32 單片機(jī)相連，用于實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。 LCD1602 顯示模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)著用戶(hù)界面的重要角色［8］。 它可以用于顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度和光照強(qiáng)度等關(guān)鍵信息，使用戶(hù)能夠直觀地了解家居環(huán)境的狀況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能控制系統(tǒng)的有效交互和信息傳達(dá)。

在該系統(tǒng)中，蜂鳴器被應(yīng)用于警報(bào)功能，而排風(fēng)扇、窗戶(hù)和燈則作為輸出設(shè)備在智能控制中發(fā)揮作用。 蜂鳴器作為聲學(xué)警示裝置，可以在檢測(cè)到煙霧濃度超過(guò)安全閾值時(shí)觸發(fā)，通過(guò)發(fā)出高頻聲音來(lái)提醒用戶(hù)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。 排風(fēng)扇作為環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，在系統(tǒng)中具有重要地位。 當(dāng)煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)控制排風(fēng)扇啟動(dòng)，促使室內(nèi)的有害氣體迅速排除，從而降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。 窗戶(hù)也被納入智能控制中，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)閾值時(shí)，窗戶(hù)可以自動(dòng)開(kāi)啟，為室內(nèi)提供通風(fēng)途徑，進(jìn)一步增加室內(nèi)的安全性。 此外，智能系統(tǒng)中的燈具也具備智能控制功能，例如在檢測(cè)到光線不足時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)打開(kāi)燈光，提供照明。 這一功能有助于改善室內(nèi)環(huán)境，提升居住體驗(yàn)。

綜上所述，系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器的警報(bào)功能以及排風(fēng)扇、窗戶(hù)和燈的智能控制，有效地提升了家居環(huán)境的安全性和舒適性。 這些功能的應(yīng)用在實(shí)際場(chǎng)景中為用戶(hù)提供了更加智能化和便捷化的家居管理體驗(yàn)。

2.4 無(wú)線傳輸模塊

在本設(shè)計(jì)中，采用了ESP8266 WiFi 模塊，它是一款集成了WiFi 功能的低成本高性能芯片，具有強(qiáng)大的無(wú)線通信能力［9］。 ESP8266 通過(guò)串行通信接口與STM 32 單片機(jī)相連，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能。 ESP8266 WiFi 模塊在系統(tǒng)中具有連接家居控制系統(tǒng)與用戶(hù)的智能設(shè)備的關(guān)鍵作用。 通過(guò)連接家庭WiFi 網(wǎng)絡(luò)，ESP8266 能夠?qū)崿F(xiàn)與智能手機(jī)、電腦等設(shè)備之間的通信。 它可以接收來(lái)自用戶(hù)設(shè)備的遠(yuǎn)程指令，例如遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)也可以將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩?hù)設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)地了解和控制家居環(huán)境，提高了系統(tǒng)的可操作性和便捷性［10］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程

系統(tǒng)整體軟件流程包括以下主要步驟：首先，ST M32主控單片機(jī)初始化各個(gè)傳感器和外部設(shè)備，設(shè)置通信接口。 隨后，進(jìn)入主循環(huán)，不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 溫濕度傳感器、煙霧傳感器和光照強(qiáng)度傳感器通過(guò)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議與STM 32 通信，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和校準(zhǔn)。 然后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)判斷是否需要采取措施，如檢測(cè)煙霧濃度是否超過(guò)閾值。 對(duì)于LCD1602 顯示模塊，系統(tǒng)將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息顯示在屏幕上，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)信息展示。 與此同時(shí)，ESP8266 WiFi 模塊建立與家庭WiFi 網(wǎng)絡(luò)的連接，與用戶(hù)設(shè)備通信，接收遠(yuǎn)程指令或傳輸環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。 通過(guò)不斷的數(shù)據(jù)采集、處理和通信，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，為用戶(hù)提供智能化的家居體驗(yàn)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

3.2 可視化用戶(hù)應(yīng)用界面設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了QT 平臺(tái)進(jìn)行安卓移動(dòng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。 QT 作為一個(gè)跨平臺(tái)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的工具和程序庫(kù)，可以方便地創(chuàng)建功能強(qiáng)大的移動(dòng)應(yīng)用。 開(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括界面設(shè)計(jì)、邏輯編程、系統(tǒng)通信等環(huán)節(jié)。 首先，通過(guò)QT 的界面設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)了用戶(hù)友好的移動(dòng)應(yīng)用界面，包括顯示家居環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息的界面以及控制家居設(shè)備的界面。 接著，在邏輯編程中，使用QT 提供的C＋＋編程能力，編寫(xiě)了與用戶(hù)交互、界面顯示和控制邏輯等核心功能的代碼。 在通信方面，應(yīng)用通過(guò)WiFi 連接與ESP8266 模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。 通過(guò)傳輸控制協(xié)議／網(wǎng)際協(xié)議，應(yīng)用能夠與智能系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。 應(yīng)用還能夠處理異常情況，如網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題或超時(shí)，以保障用戶(hù)體驗(yàn)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程是確保設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能和性能的關(guān)鍵步驟，在測(cè)試過(guò)程中，研究人員模擬了不同的環(huán)境參數(shù)和控制指令，驗(yàn)證了溫濕度傳感器、煙霧傳感器和光敏電阻的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，檢查了LCD1602 顯示模塊的信息展示功能，確保ESP8266 WiFi 模塊能夠穩(wěn)定地與移動(dòng)應(yīng)用通信。 首先，確保移動(dòng)應(yīng)用與家庭WiFi 網(wǎng)絡(luò)成功連接。 然后，通過(guò)應(yīng)用程序發(fā)送連接請(qǐng)求，驗(yàn)證ESP8266 WiFi 模塊是否能夠建立與系統(tǒng)的穩(wěn)定連接。 結(jié)果顯示，應(yīng)用程序能夠成功連接到系統(tǒng)，建立了可靠的通信連接。 在連接建立后，應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求以獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，包括溫濕度、煙霧濃度和光照強(qiáng)度。 測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用程序能夠準(zhǔn)確地從系統(tǒng)中獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并在移動(dòng)應(yīng)用上顯示。 通過(guò)應(yīng)用程序發(fā)送控制指令，如調(diào)節(jié)溫度、開(kāi)啟照明等，驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠按照指令進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。 通過(guò)以上測(cè)試過(guò)程，確認(rèn)移動(dòng)應(yīng)用能夠準(zhǔn)確地與系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，并實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取和遠(yuǎn)程控制功能，這些測(cè)試結(jié)果證明了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 它能夠?yàn)橛脩?hù)提供智能化、便捷化的家居控制體驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)并遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備，有效提高了家庭安全性、舒適性。 然而，也需注意系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及用戶(hù)隱私和數(shù)據(jù)安全等問(wèn)題，為今后的智能技術(shù)發(fā)展提供參考和借鑒。