基于STM32和OneNET的智能家居系統的設計

摘 要：該項目基于OneNET云平臺、STM32F103C8T6微控制器、ESP8266-01s WiFi模塊、DHT11溫濕度檢測模塊、繼電器、步進電機、MQ-9氣體傳感器等設計了智能家居安防系統，該系統是一套完備的能夠對天然氣泄漏、火災進行預警的智能安防系統，包括云平臺、客戶端、硬件層三大方面。該系統可實現安防系統內監測設備數據的實時傳輸，客戶可通過手機APP查看家庭中傳感器監測的各項數據，并且可以對接入該系統的相關設備進行控制，當監測到突發情況如天然氣泄漏、溫度過高、CO超標等突發情況時，系統自動開啟排風系統，發送報警短信等，及時完成相關處理，避免造成傷亡事故。

關鍵詞：STM32F103C8T6微控制器；WiFi；智能家居；OneNET云平臺；傳感器；數據采集；警報

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

隨著云計算、嵌入式技術、物聯網、云服務等通信技術的不斷發展，智能家居系統迎來了高速發展的機會。我們的日常生活逐漸智能化，居家安全已成為人們對智能家居系統的基本要求。為解決傳統智能家居系統在使用過程中的各種問題，如：智能化程度不高、不可自主控制、缺少人機交互功能、功能單一、數據不可見、不能實現遠程報警、不能自動處理危險情況和適應多場景環境等。為了滿足人們對智能家居系統的智能化新需要，設計了一套智能化家居安防系統解決方案。該方案以WiFi形式接入互聯網，在云平臺、云計算的支撐下可實現遠程檢測、自動報警，實現云控制、云維護。同時該系統在硬件層面配備了備用電池，突發停電時系統依舊可以正常工作。系統預留了多路接口，可擴展性強，在OneNET云平臺下可以實現客戶的定制化服務，開發周期短，系統升級與維護更容易。希望本項目能為中國智能家居系統的研究和發展提供借鑒和參考。

1 系統總體設計

本項目設計了一套以STM32、ESP8266、OneNET云平臺為核心的智能家居系統，系統由云平臺、客戶端、硬件層三部分構成。硬件層以STM32F103C8T6為核心處理器，包括DHT11溫濕度檢測模塊、繼電器、步進電機、MQ-9氣體傳感器等，可進行家居環境中溫度、濕度、光照強度等數據的采集以及對家中電器，如：冰箱、燈、排風扇進行控制。系統通過ESP8266-01s接入OneNET云平臺實現數據傳輸和命令的下發以及遠程數據檢測和遠程控制功能[1-3]。本套智能家居系統操作簡單、安全可靠，能有效實現家居智能化管理和自動安防報警，對家中火災、煤氣泄漏、空氣質量等相關數據進行實時監測，通過獲得不同數據進行融合處理分析，對異常情況進行判斷并發出警報。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

系統硬件仿真如圖2所示。其主要包括蜂鳴器報警模塊、DHT11溫濕度檢測模塊、光敏電阻光照檢測模塊、輔助電源模塊、微控制器系統、ESP8266WiFi模塊、繼電器驅動模塊等。傳感器檢測模塊用于檢測家庭的環境參數。溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-9、光敏電阻分別用于對家居環境的溫度、濕度、煙霧濃度和光照強度進行檢測。微控制器采用STM32F103C8T6作為主控芯片構成本系統的微型處理器[4-7]。

2.1 硬件介紹

2.1.1 基于STM32微處理器模塊的設計

一個良好的智能家居系統需要能夠時刻對室內環境進行檢測，及時采集、處理、傳輸數據，因此該系統采用STM32系列微處理器作為核心處理模塊。STM32微處理器基于ARM Cortex-M內核，集成了定時器、通信接口、DAC、ADC、CAN、內置FLASH等豐富的內部資源。本系統選用STM32F103C8T6作為主控芯片配置8 MHz石英晶振提供外部高速時鐘，32.678 kHz石英晶振電路為其提供RTC時鐘源，搭建高性能的智能家居安防系統，使其運行速率更快、數據處理更及時、更安全。微控制器的主要作用是接收傳感器檢測模塊采集的數據并處理，監測各項數據，執行相關控制命令。最小系統電路如圖3所示。

2.1.2 傳感器檢測模塊

本系統采用DHT11實現了對環境溫濕度的檢測。DHT11模塊有3個引腳，分別為VCC、GND、DATA，數據傳輸口采用單向數字傳輸。將DATA腳連接到微處理器的

I/O口—PA11腳，與其進行串行通信，為通信線路加上一個5 kΩ的上拉電阻，使其通信空閑時處于高電平狀態。微處理器發送一次開始信號后，DHT11溫濕度傳感器開始一次數據檢測，當處理器發送的讀取信號被接收后，DHT11發送響應信號并送出40 bit數據，觸發一次數據采集，處理器讀取溫度和濕度數據[8-10]。采用MQ-9氣體傳感器對空氣中一氧化碳、甲烷、液化氣等可燃性氣體進行檢測。MQ-9氣體傳感器使用電導率較低的二氧化錫。這種傳感器對液化氣、甲烷、氫氣、天然氣等可燃氣體的檢測靈敏度較高。電導率隨空氣中可燃氣體濃度的變化而變化，可燃氣體濃度增大電導率隨之增高。MQ-9有2個數據傳輸腳Aout、Dout，可將空氣中可燃氣體的濃度轉化為電壓模擬量的形式輸出。將Aout接入微處理器帶ADC的I/O口進行模數轉化，從而讀取數字信號。Dout為數字輸出端口，當檢測到超過響應閾值時輸出低電平，Dout接入微處理器的普通I/O端口。傳感器接口電路如圖4所示。

2.1.3 通信模塊設計

本系統通過WiFi連接OneNET云平臺進行交互，通過對ESP8266-01s模組進行ESP-AT指令固件的燒錄，配置其與云平臺連接。該模組功能強大，價格低廉，外型小巧，使用方便，可以為外部主機MCU提供WiFi連接功能，也可以作為獨立WiFi MCU運行，通過基于RTOS的SDK開發帶WiFi連接功能的產品。系統可以輕松實現云連接、低功耗運行。在本系統中通過該模組與微處理器進行串口通信，與OneNET云平臺進行WiFi通信，從而實現云平臺和微處理器之間的通信。WiFi接口電路原理如圖5所示。

2.1.4 串口屏設計

微處理器模塊通過與電阻式觸摸串口屏進行串口通信來完成數據的顯示和控制命令的執行。通過串口屏我們可以對接入系統的各類設備進行控制，如電機、燈、排風扇、冰箱等。該LCD顯示模塊采用電阻式觸摸屏，通過按壓產生屏幕偏置電壓，同時讀取觸摸點的電壓實現人機交互。通過USART HMI的上位機軟件可配置與系統配套的控制界面。串口屏控制界面如圖6所示。

3 系統軟件設計

客戶端APP通過OneNET云平臺的圖形化編程完成對Web端和APP端的設置。OneNET云平臺是中國移動推出的物聯網開放平臺，可實現傳感器和智能硬件的快速接入。OneNET云平臺具備快速接入設備、數據流輸出穩定、可圖形化編程、一鍵式應用場景生成、價格低廉、開發簡單等特點。OneNET平臺的接入方式較為簡便，可通過HTTP協議進行設備接入，后臺數據簡潔，擁有遠程升級、數據可視化、設備定位、消息隊列等功能，極大地方便了開發者的二次開發。在本系統中可通過云平臺查詢接入設備的運行狀態，完成各時間段上傳的數據流的管理，方便遠程維護與管理，對用戶而言，人機界面更加簡單，易操作，提高了用戶體驗。軟件流程如圖7所示。

4 系統測試

完成各節點之間底層硬件控制器程序的編寫，對系統上電，通過串口配置ESP8266連接OneNET云平臺，通過HTTP通信協議接入后，觀察OneNET云平臺上設計好的APP與Web中配置的數據輸出位置，當發現數據更新后，登錄OneNET云平臺開發者中心，在設備列表中查看相關設備，若顯示為在線狀態，說明成功連接OneNET云平臺。通過OneNET云平臺可以生成Web網頁和手機APP并將其下載到手機或收藏相關網頁鏈接，通過對鏈接的訪問或登錄APP可實時查詢智能家居系統的環境參數（溫度、濕度、煙霧濃度、光照強度），通過相應控制界面可以遠程控制繼電器模塊來間接控制智能家居系統接入家電（電燈、窗簾、風扇、空調等）的開啟與關閉。測試結果表明，檢測數據正常、檢測處理相關功能完備、云平臺軟件顯示流暢、整體能耗低、控制命令響應速度快、系統運行穩定，可滿足智能家居相關要求。手機APP界面和Web網頁界面分別如圖8和圖9所示。

5 監控與操作平臺設計

（1）自動監測家庭中的溫度、濕度以及CO、甲烷等可燃氣體指標，并將數據上傳至云端。

（2）通過手機APP和Web網頁可觀察家庭各項環境指標和接入該系統設備的工作狀態。

（3）通過手機APP和Web網頁控制接入該系統的家電（如排風扇、燈、冰箱等）的工作狀態。

（4）當家中傳感器監測到可燃氣體泄漏、溫濕度異常等情況時，自動發出警報并開啟風扇。

（5）通過液晶屏觀測傳感器各項數據，控制本系統內常用家電的開啟和關閉。

設備配置與管理界面如圖10所示。

6 結 語

本文設計了一種基于STM32F103C8T6微控制器、ESP8266-01s WiFi模塊與OneNET云平臺的智能家居控制系統。該系統基于STM32F103C8T6芯片，從系統層面加強了整體運算能力、數據處理能力以及拓展能力。該芯片配備的內部資源豐富，有多路I/O口，能工作在低功耗模式，大大降低了系統整體能耗。ESP8266WiFi模塊將智能家居控制系統的底層硬件接入OneNET云平臺，本系統可通過用戶終端實現對智能家居溫濕度參數、煙霧濃度、光照強度等環境參數的實時查詢，并且還能遠程控制常用家電的開啟和關閉。本系統在設計時預留了USB轉串口的數據傳輸接口，通過數據線的連接可實現遠程系統升級和維護。該系統配備了USB充電接口和充電器，還裝配了CR1202電池，可有效防止突然斷電導致系統停止工作等情況出現，確保系統穩定性。通過測試發現，本系統具有功能設計簡便、遠程維護方便、系統穩定性強、易于使用、能耗低、實用性強、成本低廉、開發周期短等優勢，希望能為智能家居系統的發展提供一種新的思路與方法。

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