基于物聯網的智能家居系統設計與實現

摘 要：物聯網作為一項新興技術深入人們的生活，智能家居作為物聯網技術中的一個大發展方向憑借智能、安全、高效等特點逐漸成為便利生活的一大支撐。本文基于物聯網系統的設計理念，以單片機為主要控制系統，設計了具有室內環境數據信息采集、數據回傳并分析、遠程操控、人機交互功能的智能家居系統模型。該智能家居系統模型成本低、安全性高、效率高，設計簡單且人性化。研究的智能家居系統模型可用于實際，模型的設計思路和方法能為同領域的學者提供參考。

關鍵詞：物聯網；智能家居；傳感器技術；STM32單片機；機智云平臺；無線通信

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

隨著網絡時代的快速發展，物聯網（Internet of Things， IoT）作為“信息化”時代的重要產物，變得更加安全高效和低功耗[1]。“智能家居”是物聯網產業的代表，它利用先進的技術，使生活變得更加便捷和智能化，智能家居系統賦予了原有家居不可能具備的能力，讓它們變得有“智慧”[2]。“智能家居”的設計理念是為家居生活“減負”。

基于安全、低功耗、低造價、操作簡單的理念，本文結合物聯網、云平臺、無線通信、傳感器等設計構建出簡單、安全、人性化的智能家居系統。該系統具有智能燈光照明、溫濕度檢測、空氣質量檢測、智能風扇、智能屋頂以及遠程手機APP控制等功能。

1 智能家居系統方案設計

1.1 系統方案設計

本次智能家居系統設計采用STM32系列單片機的最小系統板[3]，該系統包含ESP8266數據收發模塊、DHT11溫濕度傳感器、0.96寸OLED顯示屏模塊、光敏電阻、MQ-135空氣質量傳感器、USB風扇、步進電機模塊等。

設計的智能家居系統有兩種模式。

自動模式：使用DHT11溫濕度傳感器模塊采集室內環境的溫濕度，光敏電阻負責監測室外光照強度，利用MQ-135空氣質量傳感器監測室內空氣質量，并將這些數據在OLED顯示屏上顯示。LED燈和步進電機模擬的窗簾會根據光照強度來判斷是否打開或者關閉，實現了窗簾和燈光的自動控制。USB風扇根據室內溫度判斷是否開啟，溫度超過設置的閾值，USB風扇打開，反之則關閉。同時，所監測的數據會通過ESP8266數據收發模塊將環境數據發送至云平臺，云平臺將數據處理后發送至手機APP并在APP顯示數據。

手動模式：在手動模式下，可通過手機端移動應用程序在室內手動控制燈光、窗簾和風扇，同時在手機APP上也會顯示當前室內的環境參數。模式切換由單片機的按鍵執行[4]。

智能家居系統設計如圖1所示。

1.2 器件選擇

本智能家居控制系統的硬件設計需在安全可靠的前提下盡可能節約成本并縮短開發周期[5]。系統的硬件部分主要包括收發數據的ESP8266模塊、測量空氣質量的空氣質量傳感器模塊、OLED顯示屏、采用光敏電阻法測量光強的相關模塊、測量溫濕度的DHT11傳感器模塊。硬件選擇見表1所列。

（1）STM32F103C8T6主控芯片

研究選用的STM32F103C8T6是STM32系列的最小系統板，它是一個32位微型控制器，擁有高速內存，其I/O端口豐富，可與多個外設連接。提供的外設有[6]復位按鍵、Micro-USB接口、供仿真器連接的SWD接口、32.768 kHz的RTC晶振以及8 MHz高速外部晶振。除USB占用的GPIO口之外，剩余所有的GPIO接口全部引出，方便用戶擴展其他模塊。

（2）ESP8266數據收發模塊

WiFi模塊支持各類通信協議，其具有外觀較小、容易布置、價格低廉、通信鏈路穩定、支持透傳等特點，且內置

3.3 V電源供電[7]。

（3）OLED顯示模塊

顯示模塊選用0.96英寸OLED屏，這款OLED屏幕亮度較好，且不反光，可以在燈光下顯示，兼容四線SPI和I2C兩種通信方式。

（4）光照強度傳感器模塊

光敏電阻是最常見的傳感器之一，它有多種類型，對無線電信號特性要求不高。光敏電阻在使用過程中主要憑借暗電阻和亮電阻的差值工作，差值越大越靈敏。

（5）空氣質量傳感器模塊

MQ-135傳感器是比較常見的傳感器，它可以檢測空氣中的氣體質量，當周圍環境的空氣中存在有害氣體時，傳感器電導率增大。它可以探測多種氣體，成本較低，適用范圍廣。

（6）溫濕度傳感器模塊

研究使用的溫濕度傳感器是一個將溫度模塊和濕度模塊混合的數字傳感器[8]，內部擁有電阻式感濕元件和測量溫度的元件，信號傳輸距離較遠，模塊有4個引腳且接口簡單，控制指令也相對簡單。

（7）繼電器模塊

繼電器是在自動控制系統中比較常用的硬件，可以保護電路，避免硬件損壞。

（8）步進電機模塊

步進電機是日常生活中應用比較廣泛的硬件，步進電機可分為一相、二相和多相，刺激方式可分為單相刺激方式和兩相刺激方式。如果步進電機接收到驅動信號，可通過控制脈沖的數量來精確控制步進電機的角度偏移，通過控制脈沖的速率來控制電機的轉速和加速度[9]。本系統采用五線制四相步進電機，電壓為3.3 V，而步進電機需要的電壓較大，不能直接控制，一般采用ULN2003達林頓陣列供電，通過對ABCD四相連續通電來控制器件的旋轉。

1.3 智能家居云平臺服務器

利用WiFi模塊建立單片機與云平臺的通信，首先進行WiFi模塊固件的燒錄[10]。WiFi模塊燒錄固件可以使用USB轉TLL接口燒錄，燒錄完成后可通信。研究使用的通信硬件是ESP8266模塊，下載對應的固件即可正常工作。云端數據采用機智云平臺進行數據點的創建，需根據需求規定數據格式，具體數據見表2所列。

2 系統測試

在完成智能家居系統的設計后，需測試各模塊的運行情況，檢查預期功能是否實現，系統是否穩定。

2.1 硬件系統測試

在程序開始時設置的初始模式為自動模式，此時，各傳感器模塊開始工作，收集環境數據并通過串口傳輸至單片機，單片機處理后將數據顯示在OLED屏幕。溫濕度、光照強度數據顯示正常，如圖2所示。

測試按鍵，修改環境閾值，如圖3所示。

2.2 APP控制測試

在APP界面中點擊Light按鈕，將其設置為開啟狀態，系統板上的LED燈亮起，說明聯網配置測試成功。防止環境測量數據有波動造成信息傳輸過快導致通信擁堵，設置數據3 s更新一次。經過測試，證明數據可正常傳輸至手機APP界面，如圖4所示。模型成品如圖5所示。

3 結 語

本文基于物聯網系統的設計理念，綜合利用硬件控制和軟件操作，設計了智能家居系統模型。該模型擁有家居環境數據采集、回傳分析、遠程操控和人機交互等功能。系統模型的開發成本低且安全高效，具有良好的可擴展性。研究的智能家居系統模型可應用于實際生活，同時，該設計思路可為同領域研究人員提供有益的參考。

參考文獻

[1] LEE S H，LEE H Y. Smart IoT home data analysis and device control algorithm using deep learning [J]. KIPS transactions on computer and communication systems，2018，7（4）.

[2]和鑫，田路，羅毅，等.基于物聯網技術的智能家居系統模型設計[J].物聯網技術，2019，9（9）：63-67.

[3]李博，尹禮鵬.基于STM32的智能家居的電路與設計[J].電子設計工程，2020，28（7）：177-180.

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[7] ELDIB M，PHILIPS W，AGHAJAN H. Discovering human activities from binary data in smart homes [J]. Sensors（Basel，Switzerland），2020，20（9）.

[8]薛鴻檳，吳娟，王思謙.人工智能、物聯網背景下智能家居系統的思考[J].網絡安全技術與應用，2019，13（12）：154-155.

[9]田啟松，江祖旺，葉鵬.基于STM32的物聯網智能家居環境監控系統[J].科技創新與應用，2019，9（35）：29-30.

[10] SHEN J，WANG C，LI T，et al. Secure data uploading scheme for a smart home system [J]. Information sciences，2018，453：186-197.