基于STM32的智能家居系統設計與實現

關鍵詞：STM32；智能家居；物聯網

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）26-0080-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

科技與經濟的快速發展推動了社會進步，也改變了人們的生活方式和習慣。隨著生活水平的提高，人們對家居環境的智能化需求不斷增長。住宅不再僅僅是提供居住功能的空間，而是人們追求更高舒適度和生活品質的場所。智能家居應運而生，旨在實現家電的智能管理，簡化操作，提高資源利用效率，并降低能源消耗。同時，智能家居系統能夠監控室內溫濕度、PM2.5等指標，實時監測空氣質量，并根據數據提供健康提示，以保障用戶的生活環境。

1 系統分析

1.1 需求分析

智慧家庭概念的普及預示著未來家庭生活將發生深刻的變革，它不僅能夠提高生活便利性，還開啟了新的智能化生活方式。人工智能技術的應用正在推動智能家居的智能化程度不斷提升。人工智能技術的融入使智能系統能夠實現更精準、高效的控制，系統可以收集和分析用戶在不同房間的停留時間和頻率等數據，以便更深入地了解用戶的行為習慣和需求，從而提供更加個性化的服務。

1.2 可行性分析

本項目選擇STM32F103VC8T6作為主控芯片，該芯片擁有100個管腳，最高72 MHz主頻，具有強大的處理能力和高效率[1]。項目的外圍設備都是市場上通用的型號，能夠順利在STM32平臺上運行。本系統將集成溫度測量、煙霧檢測、指紋識別和遙控器等技術，這些技術源自校園和企業的技術積累，并將應用于云端并傳輸至手機應用程序。

2 智能家居硬件設計

2.1 總體設計

本項目采用STM32實現溫度和水分數據的采集，并利用液晶屏顯示數據[2]。門控系統由指紋模塊管理，同時系統監測室內煙氣的濃度。手機應用程序可以根據溫度、濕度等信息遠程控制門窗、窗簾和LED燈光。智能家居系統框架圖如圖1所示。

2.2 模塊硬件設計

2.2.1 燈光模塊硬件設計

LED燈主要用作模擬燈光和提示燈，其對應的接口分別為PA1、PC1、PC2、PC4、PC5。LED燈可模擬家庭環境燈光，同時作為提示燈和警報燈。警報燈與環境模塊配合使用，提示燈與通信模塊配合使用。

2.2.2 環境模塊硬件設計

環境模塊包括溫度、濕度、煙霧、語音和液晶屏[2]。本系統選用DHT11（溫濕度傳感器）、MQ2-135（煙霧傳感器）和12864（液晶顯示模塊）。DHT11傳感器精確檢測室內溫濕度，通過STM32與ESP8266通信，用戶可以通過手機應用程序調整環境參數，以確保室內環境舒適度[3]。在智能家居中，精確的溫濕度控制至關重要，DHT11的數據監測和預防異常，實現智能舒適環境。STM32 通過PA4 單總線與DHT11 通訊，DHT11的DO端口同時負責數據發送和接收。

2.2.3 窗簾控制模塊硬件設計

窗簾控制由步進電機、JQ8900 語音播報、ESP8266 共同完成開啟和關閉窗簾操作，APP 通過ESP8226下發窗簾開啟程度百分比，控制窗簾狀態。

2.2.4 門控模塊硬件設計

門控模塊外部配置有步進電機、JQ8900語音播報、指紋模塊、ESP8266通信模塊和按鍵，其功能涵蓋指紋識別、按鍵操作、APP控制開關及JQ8900語音提示。指紋系統采用AS608光學指紋系統，內置內存，斷電不丟數據，可讀取300個指紋。步進馬達選擇5-4相，可調節轉動角度，扭矩大，保證窗戶平穩轉動[4]。驅動芯片選擇DRV8833，具有低功耗、短路和故障保護等性能，穩定性好，可穩定驅動步進馬達。

3 智能家居軟件設計

3.1 模塊軟件設計

3.1.1 燈光模塊軟件設計

顯示燈光模塊由語音、LED和通信模塊構成，用于理解燈光功能。LED操作被封裝為可調用的函數。通過LED與JQ8900模塊的配合，實現語音提示，同時支持功能調試。

3.1.2 環境模塊軟件設計

DHT11系統通過單總線控制，響應啟動信號進入休眠。主信號啟動后，開始發送信號，總線設為輸入等待DHT11響應。接收數據后，總線拉高結束信號。數據包含4個字節的整數和小數，但系統僅處理整數部分。

3.1.3 窗簾模塊外設軟件設計

窗簾模塊實現百分比開啟功能，設定步進電機總步數為定值，通過數學轉換分為100份。操作函數用全局變量存取當前窗簾開啟程度，判斷目標值選擇開或關操作。函數流程圖如圖2所示。

3.1.4 門控模塊軟件設計

該門控制系統可通過按鍵、指紋和APP控制開關，具備開門、關門、指紋識別、錄入指紋和按鍵初始化功能[5]。根據模塊功能描述進行應用編程。

打開功能：門已開時不操作，門關后執行打開。

閉合功能：門已合時不操作，門開后執行關門。

系統支持指紋開鎖，使用AS608指紋識別。檢測到指紋時，STM32指令AS608獲取指紋，并搜索指紋庫比對。比對成功則開門，失敗則退出。錄入指紋時，AS608向用戶發出兩次采集指令，判斷兩次指紋是否相同，若相同則保存至指紋庫。

3.2 系統功能設計

智能家居系統按需調用功能，CPU無須持續檢測操作請求。本系統采用中斷機制實現燈光、環境、門控和窗簾模塊的操作。

3.2.1 燈光模塊系統功能設計

智能家居邏輯體系中描述燈光是通過App端控制。此過程需要用到ESP8266下發云端的數據，通過switch進行分支選擇，實現對應功能。

3.2.2 環境模塊系統功能設計

定時器斷續和外接斷續用于環境模塊的系統功能。MQ2煙霧傳感器檢測有毒氣體超標時，觸發外部中斷0，實現警報燈啟動、信息上報機智云和語音報警。

當觸發煙霧警報時，警報燈開啟并等待工作人員處理，當問題處理完后需要關閉警報燈，并上報問題已解決。溫濕度測量間隔執行，數據通過計時器每小時上傳至機智云，優化功耗和硬件效率。DHT11、語音、液晶和計時器協同，失敗超200次則停止。信息更新實時，通過App和液晶顯示。

3.2.3 門控模塊系統功能設計

在該系統中，用戶可利用指紋、按鍵或App三種方式中斷實現開/關門。系統采用指紋識別模塊，具備指紋錄入、刪除和識別功能。設計中，利用外部中斷6處理指紋鑒別。指紋檢測到時，觸發外部中斷6，進行指紋匹配。匹配成功則開門，否則發出聲音提示。外部中斷6實現指紋開門功能。

3.2.4 窗簾模塊系統功能設計

窗簾模塊的控制方式和燈光模塊的控制相似，同樣是利用串口中斷2接收事件類型，通過switch函數實現開/關窗簾操作。窗簾操作函數的應用圖如圖3所示。

4 系統的軟件設計

4.1 系統軟件的設計思路

軟件設計分為五個部分：語音識別、藍牙通信、環境監測、顯示及家電控制[6]。運行流程包括初始化設備模塊接口、串口、藍牙、ADC、PWM通道及OLED液晶，通過傳感器實時采集溫濕度、煙塵濃度及探測人體紅外線。

4.2 語音識別程序設計

語音識別模組程序設計主要流程包括系統初始化、載入識別關鍵字清單及使用者語音輸入比對輸出。本文還提出基于數字信號處理技術的語音指令設計方法。語音識別程序設計流程圖如圖4所示。

4.3 藍牙模塊程序設計

該設計包括系統初始化、藍牙與串口初始化以及訊號傳送判斷過程。移動端App定義控制命令，通過藍牙模塊實現數據傳輸[5]。藍牙接收手機控制信號，通過串口發至主控單片機。單片機處理控制指令，若匹配則觸發家庭功能控制。Bluetooth模塊與單片機經串口2傳輸數據。

4.4 環境監測程序設計

4.4.1 DHT11溫濕度檢測

溫濕度探測程序的設計流程如下：首先對模塊進行初始化，在開始之后，會自動采集溫度和濕度，并將采集到的數據存儲起來，然后由 OLED 屏幕進行調用，最后在 OLED屏幕上顯示出溫度和濕度的數據。

4.4.2 MQ135空氣質量檢測

在空氣質量檢測程序設計中，首先執行硬件的初始化程序，之后對 ADC通道進行數據采集，將采集到的模擬量數據經過處理、ADC轉換后，最后轉化為數字量數據，從而在 OLED屏幕上實時顯示出來。在采集到的數據數值達到或超過設定的危險閾值時，系統會發出蜂鳴聲，發出警報。

4.4.3 HC-SR501人體紅外檢測

人體紅外線感應探測主要是在安全模式下進行。

4.5 界面顯示程序設計

接口的顯示有兩種方式。傳統方式展示家庭裝置運行狀況及環境參數，操作中可實時更新界面。安全模式則適用于無人時，通過人體紅外線感應器偵測入侵并發出警報[7]。正常工作狀態下，煙氣感應器檢測有毒氣體超標也會報警。兩種顯示方式可通過按鈕切換。

5 系統測試

5.1 燈光模塊測試

燈光模塊測試主要關注燈光是否能按照系統指令正確開關。測試時，用單片機GPIO口控制燈光，通過串口中斷接收指令[3]。如燈光模塊響應異?；蛩俣嚷?，須進一步排查和調試。步驟如下：1） 確保燈光模塊與單片機連接正確，電路接通。2） 系統發送開啟指令，觀察燈光是否亮起。3） 系統發送關閉指令，觀察燈光是否熄滅。4） 重復開啟和關閉指令，驗證穩定性和可靠性。

5.2 環境模塊測試

MQ2煙霧傳感器測試：用香煙測試MQ2煙霧傳感器的煙霧濃度靈敏度，當遇到濃煙時觸發警報，此時語音播報警報信息，開啟警報燈，并將警報信息上傳機智云，App端會彈出警報信息。同時，對定時器計數初值進行修正，每10分鐘中斷一次，觀測LCD與APP內部的煙霧濃度。

5.3 門控模塊測試

用戶可通過App錄入多個指紋并選擇指紋ID。AS608芯片可存儲300個指紋，滿足日常需求[1]。操作有聲音反饋。錄入指紋后，用戶可通過App、按鍵或指紋控制門的狀態，其他操作不影響門運動。門的動作期間，其他操作不會干擾當前動作，符合系統設計原則。指紋識別測試圖如圖5所示。

5.4 窗簾模塊測試

首先測試窗簾全部收起時的計數值，值為1024，然后App端通過百分比控制窗簾的狀態，每一次操作完成后，語音會提示操作完成。

6 結束語

綜上所述，本文通過STM32+機智云可以進行遠程控制，通過煙霧傳感器可以對家中的空氣進行監控，通過指紋和 App可以對門和窗簾進行智能化的控制。此外，還可以通過語音播報來對用戶進行提示。