基于ESP8266 的智能家居系統的設計與實現

摘要：針對當前智能家居領域存在的問題，該研究開發了基于ESP8266的智能家居系統，旨在降低用戶操作成本，提供更加個性化、智能化的家居服務。該系統利用AI大數據分析，實現設備的智能學習、預測和精準調度。設備通過向華為云物聯網平臺傳輸實時數據，實現遠程設備管理與控制，為用戶提供更加便捷的操作方式和智能家居體驗。

關鍵詞：ESP8266；智能家居；機器學習；物聯網云平臺；人機交互

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0111-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

在5G、大數據、人工智能及物聯網等前沿科技日益普及的背景下，智能家居產品正經歷著前所未有的發展新態勢。智能設備與系統的持續迭代升級，更加全面地適應用戶多元化的需求，為用戶營造一個更加萬物智聯的居家環境體驗。智能家居產業的快速發展主要得益于國家政策的支持和科技的進步。據統計預測，全球智能家居市場規模將于2025年前顯著擴張，預計市值將超過70億美元大關[1]。

依據大規模數據調研來源：《中國智能家居市場研究報告》，相較于獨身群體，家庭單位在智能家居及家電產品的購置上展現出更高的比例。其中，“子女未與長輩同住”的家庭用戶占比達46.6%，而“子女與長輩共居”的家庭則有超過30%的比例。本研究旨在探討如何滿足不同家庭結構用戶對智能家居的不同需求，為產業發展提供多元化參考。

1 智能家居發展現狀及面臨的問題

1.1 發展現狀

智能家居這一理念的萌芽可追溯至美國，而其在中國市場的真正興起則是在20世紀90年代末。1999 年，深圳市首屆廣交會迎來了攜帶智能家居產品的海外參展商，這一事件成為國外智能家居產品登陸中國市場的標志性節點，至今智能家居行業在中國的發展歷程已經超過了20年[2]。

智能家居領域自進入中國市場直至當前，歷經了啟蒙階段、奠基時期、踟躕階段、融合變遷期以及迅猛增長期等五個重要階段[3]。

1994—1999年：初步形成階段，整個行業還處于對概念的熟悉和產品認知的初級階段，涉足該領域的深圳企業屈指可數，主要是代理銷售業務和歐美企業的貼牌出口業務。

2000—2005年：初創期，深圳、上海、北京、天津、杭州等國內多個城市見證了超過50家智能家居研發、生產企業的相繼成立，智能家居市場體系日趨完備。

2006—2010年：徘徊不前階段，由于產品性能不穩定等技術難題，消費者投訴高發，制約了我國智能家居市場的銷售增速，甚至在若干區域呈現銷售額下滑趨勢[4]。眾多本土智能家居企業撤離市場，幸存企業面臨市場份額縮水，國外智能家居品牌趁機涌入國內市場。

2011—2020年：整合與演變階段，中國智能家居市場經歷強勢增長，行業逐步進入整合發展新時期，技術協議與標準開始趨向兼容與融合，培育出一批領頭羊企業[5]。

2020年至今：高速擴張階段，各主流廠商加速布局，智能家居成為資本市場熱門賽道[6]。

1.2 智能家居行業現存問題

智能家居行業現存問題主要有以下幾個方面：

1） 智能家居行業目前處于起步階段，其在實際應用過程中的市場范圍受到技術成熟度不足、價格偏高、安裝更新復雜、主要在一線城市接受程度較高等因素的制約。由于成本問題，智能家居系統對許多家庭用戶而言顯得負擔沉重，難以滿足大眾消費者對家居智能化的基本需求。

2） 智能家居行業目前的特點是碎片化現象顯著，智能單品并未實現真正意義上的智能化，更多是企業對產品形態與使用方式進行的表面性改造。大眾對智能家居產品的期待往往過于理想化，對智能家居產品期望過高。智能家居技術雖有潛力極大提升生活便捷性，但受限于當前科學技術發展的局限性，市面上的智能家居產品在實際部署和應用中時常展現出靈活性不足的問題。

3） 智能家居領域目前面臨的挑戰在于尚未建立健全的標準化體系，產品線不夠豐富，不同產品間缺乏有效的互連互通機制，未能構筑一個協同的生態系統。此外，系統的智能水平尚待提升，統一操作平臺的缺失導致了安全風險的潛存，難以全面適應社會生活及工作多樣化的需要[7]。盡管阿里巴巴、小米及華為等企業已各自構建起平臺與生態系統，但實現跨平臺設備的深度融合依舊是一大難題。品牌間的分散格局顯著削弱了用戶的整體體驗感受[7]。

2 智能家居系統的整體設計方案

2.1 系統功能需求分析

隨著社會的進步和快速發展，智能家居在人們的家庭生活中占據了很大部分，智能單品也深受各個年齡段和各個階層的青睞。為了追求高品質、高質量的生活，人們對智能家居提出了更高的要求。現如今，智能家居的功能不僅僅是完成對家中電器的單一控制功能。時至今日，智能家居系統的功能已經遠遠超越了對家用電器的基本操控，其應用領域廣泛涉及了門禁安保、室內環境質量監測、火災預警等多元化場景[8]。為此，產品的設計不僅需要滿足用戶的多方面需求，同時要充分考慮開發所需的成本和代價，以及開發的時間，所以開發設計一款智能家居系統應從以下幾個層面考慮：

1） 單片機選型和開發環境的選擇。單片機的選擇主要考慮功耗和性能，另外須考慮能夠節約成本和縮短開發周期。

2） 物聯網平臺的選擇。選擇合適的平臺能夠減少工作強度，降低開發成本，使系統的數據信息清晰、簡潔地展現。同時確保設備與云平臺之間連接方式簡便。

3） 通信方式的選擇。選擇通信方式時最關注的問題是能夠保證系統功能的高效連接和數據的快速傳輸。

2.2 單片機的選擇

在市場上普遍發現的單片機類型涵蓋了51系列單片機、STM32、Arduino平臺以及ESP8266系列單片機等主流產品[9]。

專為移動設備和物聯網應用場景定制的ESP8266微控制器芯片，集單核CPU、Wi-Fi和藍牙功能于一身，特別適合物聯網領域的發展需求，如智能家庭、無線感應網絡等。該微控制器因高度集成的外設配置、廣泛的云平臺兼容性以及能顯著縮減開發周期的特點而廣受矚目，體現了行業前沿的低能耗技術優勢。鑒于其在物聯網智能家居設計中的卓越適用性，本研究系統選定ESP8266作為核心控制模塊。

ESPF單片機具有32位單核處理器，內置Wi-Fi，無須再外接無線通信傳感器，從而可以顯著減少開發成本并加快開發速度。其中，Wi-Fi的速度高達72.2 Mbps，工作頻率范圍在2.4 GHz。該芯片既可以基于內嵌的Tensilica? LX106處理器作為獨立的片上系統使用，也可以作為其他MCU主控方案的從設備，支持多種串行通信。ESP8266單片機具有較高的安全性，支持安全啟動、SPI Flash加密和OTA（Over-The- Air） 更新等功能，保障了設備安全性并提高了系統可信度。

2.3 物聯網云平臺架構的設計

近來突飛猛進的物聯網技術已將這一領域推向了普及階段。各行業紛紛采納物聯網技術，推動了智能城市建設、智慧交通系統以及智能農業等多個領域的發展與實踐。物聯網正深刻地影響著人們的生活方式與工作方式，對社會結構與經濟發展展現出重大的影響力。鑒于系統設計的具體需求，華為云平臺被確定為實施物聯網項目的理想平臺。

成立于2005年的華為云，致力于互聯網領域的發展，為客戶提供整合性的云端基礎設施解決方案。其核心競爭力體現在能夠依據客戶業務的實時動態，靈活地擴展基礎架構資源，貼合客戶隨需應變的資源利用需求[10]。華為云憑借其彈性的計算能力與按需付費模式，確保了服務的穩定性、安全性和可靠性，同時有效降低了運維成本。此外，華為云還搭載了多語言軟件開發工具包（SDK） ，旨在簡化編碼流程，幫助開發者快速部署和管理具有大規模、高擴展性的基礎架構資源。管理指令可以通過云端平臺的應用程序接口（API） ，借助華為云的物聯網平臺，向第三方應用程序和設備發送，實現設備管理和指令傳達的實時化等功能。華為云平臺系統架構概覽如圖1所示。

2.4 通信協議

本項研究采用MQTT協議作為物聯網應用場景中的實時數據傳輸協議，旨在解決窄帶寬及非穩定網絡條件下遠端傳感設備與控制終端間的通信難題。該協議遵循客戶端-服務器架構，具有簡明、開源及易于部署的特性，且內置了三種服務質量（QoS） 級別，以靈活適應多樣化的信息傳輸需求[9]。其特性概述如下：1） 輕量級：MQTT協議設計簡單，開銷小，適用于帶寬有限的網絡環境。2） 發布/訂閱模型：采用發布/訂閱的通信模式，客戶端可以訂閱主題而無須知道消息的發送者，使得系統更加松耦合。3） QoS（服務質量） 級別：MQTT提供三種QoS級別（0、1、2） ，允許用戶根據實際需求選擇消息傳遞的可靠性與性能。4） 小型數據包：支持小型有效負載，適合低功耗設備進行數據交換，減少數據傳輸量。5） 安全性：支持安全傳輸層（如TLS/SSL） 以及身份驗證機制，保障數據的安全傳輸。由于具備以上特性，MQTT協議成為目前在多個物聯網云平臺上支持范圍最廣的協議。MQTT協議的通信模型如圖2所示。

3 系統的軟件設計

3.1 系統開發環境介紹

系統后臺開發采用SpringBoot框架為基礎，此框架賦予了開發過程高效性和便捷性的特點，確保了優良的運行環境。在實際開發環節中，選用JDK1.8作為支撐工具，有力保障了系統的穩定運行與廣泛兼容。該策略大大簡化了部署維護流程，開發團隊可以快速部署到指定服務器，只須要將工程項目封裝成可執行的JAR格式文件，就可以實現整體開發工作效率的同步提升。

3.2 系統核心功能的實現

本系統核心功能的實現如下。

3.2.1 光控自動窗簾功能的實現

3.2.1.1 光控自動窗簾功能描述

該系統整合了光敏傳感器與舵機技術，以實現光觸發的窗簾自動化控制。感光元件負責監測環境光照強度的變化，判斷窗簾的光照條件是否符合合適的開合狀態。當光照水平適于開啟時，系統指令舵機執行窗簾開啟動作；相反，若光照條件不適合開啟，則執行關閉指令。該系統具備自主感應光照強弱的能力，能夠依據光線的實時變化，智能化地調整窗簾的開啟或閉合狀態，實現了光照環境的自動適應。

3.2.1.2 流程圖設計

光控自動窗簾功能設計流程圖如圖3所示。

3.2.1.3 光控自動窗簾實現的程序代碼

光控自動窗簾實現的部分程序代碼如下所示。

3.2.2 智能雨控窗戶功能的實現

3.2.2.1 智能雨控窗戶功能描述

雨滴傳感器通過其暴露于電路板上的平行導線與水滴或液體接觸來測定雨量大小，并據此產生相應的電壓信號輸出。系統接通后，指示燈立即亮起。當感應板檢測不到雨滴時，電路輸出高電平信號；而當感應板上有少量雨水滴落時，則轉換為低電平輸出。此機制進一步聯動至舵機，實現對窗戶開合狀態的自動控制。需要注意的是，當感應板上的水滴被擦拭干凈后，電路狀態將恢復至初始的高電平輸出。

3.2.2.2 流程圖設計

智能雨控窗戶功能設計流程圖如圖4所示。

3.2.2.3 智能雨控窗戶部分功能實現的程序代碼

4 結束語

本研究項目基于ESP8266芯片設計智能家居系統。該系統便于用戶實現家庭設備的遠程監控與操控，能夠有效記錄與保存智能家居系統設備數據，支持系統指令下發與實時狀態監測，顯著提升了系統的實用性和用戶體驗。

后期將致力于智能家居系統的擴展性、數據安全性以及智能化水平方面的深入研究和開發。通過引入更先進的算法和技術，進一步提升系統的數據處理能力和自動化程度，以滿足用戶對智能家居系統更高層次的需求。同時，也將積極探索與其他智能家居平臺的兼容性，推動智能家居生態系統的建設與發展。

參考文獻：

[1] 高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢[J].低壓電器，2005（4）：18-21.

[2] 管嘉誠，李曉烽，黃志芳，等.基于ESP8266與機智云的物聯網智能家居[J].物聯網技術，2023，13（3）：140-142.

[3] 張程.智能家居控制系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2020.

[4] 王愛利.基于ESP32的智能家居系統的設計與實現[D].沈陽：沈陽師范大學，2023.

[5] 管嘉誠，李曉烽，黃志芳，等.基于ESP8266與機智云的物聯網智能家居[J].物聯網技術，2023，13（3）：140-142.

[6] 張程.智能家居控制系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2020.

[7] 我國智能家居行業現狀及趨勢已進入爆發期市場或將出現“黑馬”企業[EB/OL].（2020-10-15）[2023-12-20].https：//www.iot101.com/mobile/news/5542.html.

[8] 王志玉.基于微信控制的智能家居系統[D].哈爾濱：黑龍江大學，2019.

[9] 包淳溢.基于WiFi和藍牙5.0的智能家居控制系統研究與設計[D].杭州：浙江工業大學，2020.

[10] 王輝剛.基于嵌入式的智能家居系統的設計與實現[D].武漢：武漢輕工大學，2019.

【通聯編輯：謝媛媛】

基金項目：湛江科技學院2023 年省級大學生創新創業訓練計劃項目：智慧e 家（項目編號：S202312622004）