多功能智能家居系統設計與實現

關鍵詞：智能家居；物聯網； 界面設計；計算機視覺；語音控制；智能門禁分類號：TP391.41 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）13-0129-07

Abstract：Thisresearch focusesonbuildingacuting-edgeIoTsmart homeplatform，whichaimstodeeplymeettheurgent needsof modemfamiliesforinteligent livingsafetyandqualityof life.ThesystemusesSTM32H7andSTM32F4 highperformancemicrocontrolersasthecoreengines，integratingmultipletypesofsensorssuchastemperatureandhumiditylight sensitivity，smoke，raindropandinfrareddetectiontoachievecomprehensiveperceptionofthehomeenvironment.Thesystem deeplyintegratescuting-edgetechnologiessuchasinteligentvoice，FaceRecognition，emWininterfacedesign，andBluetooth APPcontrol.Focusonenergymanagement，andsmartenergy-saving modelsreduceoperatingcosts.Theinterfaceisuser-friendly and convenient tooperate，thus ensuring user dataand family safety，and leading a new experience in smart home.

Keywords：smarthome;InternetofThings;emWininterfacedesign;computervision;voicecontrol;inteligentaccesscotrol

邁入21世紀，信息技術的迅猛發展猶如一股不可阻擋的潮流，其中物聯網（IoT）技術作為新一代信息技術的杰出代表，正以前所未有的迅猛態勢，深刻地重塑著人類的生活方式。在這場技術革命的浪潮中，智能家居系統作為物聯網技術的璀璨明珠，已然成為現代家庭追尋高品質生活道路上不可或缺的伴侶[2-3]。

近年來，智能家居領域取得了令人矚自的顯著進步4，實現了從單一設備智能化向多設備互聯互通與場景自動化控制的華麗轉身，這一轉變不僅彰顯了智能家居技術蘊含的無限潛力，更預示了其廣闊無垠的應用前景]。

然而，隨著用戶需求的日益多元化與個性化，現有的智能家居系統也逐漸顯露出一些亟待解決的問題。諸如功能集成度不足、用戶體驗有待提升、安防智能化水平尚顯局限、娛樂與環境監測功能相對單一，以及遠程控制體驗不盡如人意等。這些問題，無疑成為了智能家居系統進一步發展與完善的重要挑戰，

鑒于此，本研究聚焦于構建一款集安防、娛樂、環境監測及遠程控制于一體的先進物聯網智能家居平臺[8-9]，旨在通過集成高性能微控制器、多類型傳感器、智能語音與人臉識別等前沿技術，實現家居設備的深度集成與智能化聯動，為用戶帶來前所未有的智能生活體驗，推動智能家居行業的綠色可持續發展。

1系統方案設計

1.1 機械設計

這款智能家居模型的雛形設計，巧妙融合了功能與美學，以6個精心規劃的房間為核心，展現了智能家居未來的無限潛力。如圖1所示，其布局從內至外，以機房為心臟地帶，作為智能家居設備與電器的總處理器，緊鄰其外，左側的是浴室，而最外側則設置了便捷的車庫空間；右側布局則以臥室為私密領地，與廚房相鄰。左右兩者之間寬敞的大廳作為連接樞紐，既分隔了不同的生活區域，又促進了空間的流暢互動。

整體模型采用 6 0 c m×8 0 c m 的精致長方體框架，內部通過巧妙設計的分隔板，不僅實現了空間的極致利用，還為各類智能家居設備如智能音箱、環境傳感器、安全監控攝像頭等提供了恰到好處的布局空間。每個隔間的大小與形狀均經過深思熟慮的精確計算，確保與各類設備的完美適配，彰顯出對未來智能家居生活的深刻洞察與細致關懷。

1.2主控芯片控制系統框架

本設計以高性能STM32H743IIT6微控制器為核心，如圖2所示，匠心打造了一款集先進性與實用性于一身的智能環境管理系統。該系統基于 GUI框架，構建了直觀易用的主界面，集成了報警控制、風扇調節、濕度監測、燈光控制、光照與溫度精準監控六大功能模塊，全面感知并精準調控室內環境，顯著提升用戶體驗[10-11]。

此外，更創新性地融入了智能門禁與人體紅外識別技術，增強空間安全與管理智能化。依托FreeRTOS實時操作系統，實現多任務高效并行處理，保障系統流暢運行，提升響應速度與整體性能，為構建智能、高效、可靠的智能環境管理系統奠定堅實基石。

傳感器模塊 1 emWin圖形界面 功能模任務處reeRTOS光照強度 手指點觸

光敏傳感器 報警控制界面 報警威懾

溫度傳感器 射頻識別模塊 體紅外信息 手機NFC模式 RGB屏主界面 足度控制界面 燈光控制界面 指點 手指點觸 濕度數值顯示 燈光控制

OpenMV模塊 車牌信息 STM3控制4 光照監測界面 光線監測 晝夜模式切換數據顯示溫度監測界面 溫度數值顯示1180舵機控制大門步進電機人體 智能門禁 控制車庫門y 紅外信息 車牌識別 步進電機 控制車庫門

1.3輔助芯片控制系統框架

輔以STM32F407ZGT6芯片作為輔助處理器，如圖3所示，主要負責執行具體的控制邏輯和數據處理任務，而整個系統的核心遠程控制功能則依賴于

CC2541藍牙模塊。TFT-LCD觸控屏和語音控制模塊SU-03T則作為次要的輔助控制方式，增加了系統的交互性和易用性。

H743主控發送命令功能模塊人臉信息識別成功開啟大門人體紅外信息180舵機傳感器模塊 MCU 點觸 制界面 手指點觸 開啟臥室門有害氣體濃度 開啟臥室風扇煙霧傳感器藍牙APP界面按鈕 手指點觸溫度信息 進入省電模式溫度傳感器 STM32F407 離家模式紅外傳感器 人體紅外信息 核心控制器 時間播報 手指點觸 實時播放時間

K210視覺模塊 人臉信息 音樂播放 手指點觸 播放列表音樂雨滴檢測 播報天氣情況雨滴傳感器 實時天氣播報 180舵機 控制房門

SU-03T語音控制 命令發送 居室、衛生間房門 煙霧報警自動開啟排風 人臉識別成功數據傳輸 命令發送 數據傳輸+→ 藍牙APP控制按鈕 OLED屏藍牙2塊 零發 藍牙APP終端顯示 藍牙 最據 歡主畫家

2 系統軟件設計

2.1智能門禁與安防系統

智能門禁系統[12-13]，作為現代科技賦能安全管理的典范，巧妙地融合了身份識別技術與門禁控制機制，為車輛與人員的出入構筑了一道既便捷又堅不可摧的安全防線。本文的創新設計，巧妙利用了手機上的NFC（近場通信）功能。實現了ID信息的一鍵錄入與高效管理，軟件界面所示如圖4所示。

具體而言，如圖5所示，通過簡單操作（手機軟件中錢包一卡包，選中添加門禁卡），同時將IC感應卡（內有32位的唯一序列號）靠近手機，即可將2個專屬ID無縫集成至RC522門禁模塊之中，讓用戶僅憑智能手機，即可輕松完成射頻識別過程，享受前所未有的進出自由與安全保障，盡顯未來生活的智慧與便捷。

此外，這一先進的安防模式還配備了人臉識別與車牌檢測技術，如圖6所示，即便在手機遺失或遺忘的情況下，用戶也能通過第二種驗證方式輕松進入家門，確保安全與便利并存。

應用實例1：當用戶步入大門人口時，其手機內置的獨特門禁解鎖ID號—即專屬的車庫ID與大門ID，便成為了驗證身份、授權通行的關鍵。一旦捕捉到手機門禁卡中的ID信息，便立即與系統內預存的ID號進行精密匹配與驗證。驗證成功的瞬間，門禁系統即刻發送信號至控制系統，智能觸發車庫門或大門的順暢開啟。而當用戶安全進入車庫或大廳后，紅外掃描設備會迅速察覺到用戶的通過，并自動觸發房門的關閉機制，確?？臻g的安全與私密。

同時，用戶還可通過人臉檢測與車牌識別，分別執行大門與車庫門的開啟，同時播報一“人臉識別成功，歡迎主人回家”之類的相關事宜。

2.2藍牙APP控制相關模塊設計

藍牙APP控制界面如圖7所示，用戶在使用藍牙APP之前需要先設置CC2541藍牙模塊的AT指令，本系統藍牙模塊的設置指令為：修改模塊廣播名“ Δ A T + NAMECC2541”。重新掃描設備之后，查找廣播名為“CC2541”，點擊添加，即可與模塊建立通信。此時，用戶就可以通過APP發送指令給CC2541。而具體指令的設置，藍牙APP基于開發板程序的編寫，只設置“按鈕按下時發送數據”；此外，由于想要在單片機程序里借用AT指令的接受處理程序，所以還采用了字符的輸入方式，設置結束符“0A”。此時，就可以借助主循環中的AT指令接受處理程序。

CC2541接收到指令后，將其傳遞給STM32F407ZGT6芯片。STM32F407ZGT6芯片解析指令并根據指令內容執行相應的操作，如天氣播報、音樂播放等。

應用實例2：如圖8所示，用戶體驗始于手機藍牙的輕松連接。首先，用戶需開啟手機藍牙功能，并與CC2541藍牙模塊進行配對。一旦匹配成功，用戶即可無縫進人APP的主界面，享受便捷的操作體驗

在APP主界面中，CC2541模塊扮演著指令發送者的角色，它將用戶的意愿以特定的字節形式發送給輔控芯片的串口UASRT3接收端。接收端一旦捕獲到這些信息，便會立即響應且執行相應的功能一一發送系統內置的指令來控制MY1690X芯片，讀取SD卡內存儲的信息（其中MP3文件必須以編號方式進行命名），并進行語音播報與音樂播放。

其中語音播放相關功能執行，調用了指令發送函數MY1690_CMD3，查看具體芯片數據手冊，見表1，其操作碼0x41后面接著2個曲目的數據碼，功能是播放曲目碼對應的曲目（曲目以4位數字開頭命名，如0001），范例為播放第一首歌曲音頻。

具體而言，若收到的指令為“實時天氣播報”，系統則會即時播報當前的天氣狀況；若為“音樂播放”，則會啟動音樂播放功能，為用戶帶來愉悅的聽覺享受。若未接收到任何指令，系統則會保持在當前操作界面，隨時待命，以備用戶下一步操作。

2.3 （204號 圖形界面設計

圖形界面是圍繞STM32H743IIT6微控制器核心構建的，采用 圖形庫進行開發。界面設計通過GUIBuilder軟件實現，提供了一個直觀且用戶友好的操作環境。主界面精心布局，包含6個功能子界面：報警控制系統、風扇管理、濕度監控、照明控制、光強度監測及溫度監測，如圖9所示。

通電后，用戶可以在家居主界面進行控制，如果用戶點擊觸摸屏上的一個功能就會進入相應的功能界面，如果沒有點擊屏幕則會繼續保持在主界面。

當相應子界面功能執行完畢后，如圖10所示，用戶再點擊首頁圖標即可返回主界面，沒有點擊首頁則會在功能執行完畢后回到子界面功能控制界面，實現主界面與各功能控制界面的無縫流暢循環聯動。

3系統硬件設計

本系統硬件設計旨在通過集成先進的藍牙通信、觸控交互、語音控制及多種傳感器技術，為用戶提供便捷、舒適的智能家居生活體驗。

如圖11所示，系統以STM32H743IIT6和STM32F407ZGT6微控制器為核心，結合多種外設模塊，實現了智能家居設備的互聯互通與智能控制。

3.1 RFID-RC522門禁系統電路設計

RC522是一款無源高度集成的非接觸式射頻識別（RFID）讀寫芯片，專為與各種高頻（HF）ISO/IEC14443A標準的智能卡及標簽進行高效、可靠的通信而設計。這款芯片廣泛應用于門禁系統、公交卡、銀行卡及任何需要身份識別或數據交換的短距離自動化控制領域。

如圖12所示，RC522模塊外部是模擬通信——調制和解調都是模擬的；其左側黑色部分是發射機構——線圈；中間部分ContactlessUART則起到與模擬部分進行數據通信的作用，然后通過FIFO進行緩存，最后通過SPI接口將數據傳輸給Host處理器。

如圖13所示，RC522模塊采用的非接觸式通信技術，其精髓在于利用射頻原理實現2個線圈間的無縫信息交互。右側（ContactlessCard）線圈不光起到通信感應電磁波的作用，還要為卡（其內部有一芯片，通過右側線圈）進行供電。為了更加靈活便捷，本設計巧妙地用手機NFC模式替代了傳統的IC卡，與RC522模塊進行高效通信。

當讀寫器向手機發送出固定頻率的電磁波時，這些無形的能量波不僅激活了手機NFC功能，更在瞬間激發了NFC模式下相應IC卡的ID信息，使其得以準確、迅速地發射出去。

3.2藍牙通信控制相關模塊電路設計

如圖14所示，系統選用JDY-08藍牙芯片作為IoT的核心部件，該芯片支持藍牙4.0BLE標準，具有超低功耗、高速傳輸和穩定連接等特點。

通過精心的電路設計與優化，本模塊實現了數據傳輸的高效與穩定，顯著提升了通信效率與數據可靠性。尤其是該模塊巧妙地集成了USART（P03-TXD，P02-RXD）接口，極大地簡化了與各類微控制器和移動設備的連接流程，確保了數據在多個平臺間的無縫傳輸。

藍牙控制——語音模塊電路分析：當CC2541藍牙芯片接收到指令后，將其傳遞給STM32F407處理器。STM32F407ZGT6芯片解析指令并根據指令內容執行相應的操作，如天氣播報、音樂播放等。

此類操作，如圖15所示，第2腳連接外部LED燈，芯片工作時，LED燈會點亮。第6—8腳通過“音頻接口跳線\"連接到TF卡座的SDIO接口。此時，即可通過支持FAT16或FAT32文件系統的MY1690X語音播放芯片，使用單片機UART串口給MY1690X芯片發送命令，控制SD卡或TF卡進行數據的讀寫操作。而芯片音瀕輸出接口的第1、16腳，通過C59電容和R52電阻，連接到LM4871功放芯片進行放大音頻，最后從第5、8腳的耳機接控輸出MP3音頻信號。

3.3RGB屏觸摸控制系統電路設計

如圖16所示，以STM32H743IIT6為基礎的RGB屏幕創新設計中，觸控功能躍居核心，旨在重塑用戶的操作體驗邊界。GT917S觸摸IC的精湛融人，不僅確保了屏幕觸摸操作的精準無誤與即時響應，更讓每一次輕觸都轉化為流暢的人機對話。

與此同時，""圖形庫以其卓越的支持與精心編排，與GT917S觸摸IC的精準觸控能力形成了完美的互補。兩者相輔相成，不僅強化了觸控操作的精準度與即時性，更在視覺層面為用戶帶來了前所未有的豐富體驗，共同鑄就了這款高性能、高色彩精度的RGB觸控屏設計的輝煌成就，展現了科技與藝術的完美融合。

3.4SU-03T語音控制模塊電路設計

如圖17所示，硬件設計中，SU-03T芯片通過精密的引腳布局與外圍電路相連，確保信號的穩定傳輸與處理。特別地，UARTO的BO、B1引腳被設計為調試器的語音固件燒錄口，便于開發過程中的固件更新與調試。而UART1的B6、B7引腳則用于串口燒錄，燒錄完成后，B2、B3引腳則用于與MCU進行通信，實現模塊的控制與數據交互。

此外，電路設計還包括了必要的濾波電路、保護電路及電源管理模塊，以確保SU-03T模塊在復雜環境下穩定運行。

4軟件仿真與功能驗證

4.1 軟件仿真

基于CodeBlocks的 圖形界面仿真設計是嵌入式系統開發中實現人機交互的重要環節。通過選擇開源、跨平臺的CodeBlocks作為仿真調試環境，并配置emWin庫和GUIBuilder工具，系統快速搭建了圖形界面框架，如圖18所示。

團隊利用了GUIBuilder的豐富控件庫和拖拽屬性設置，設計了簡潔直觀的界面，并生成了相應的C代碼語言，成功地集成到了CodeBlocks項目中。這一步驟不僅驗證了GUI設計與后端邏輯的兼容性，也為后續的開發調試奠定了堅實的基礎。

4.2 功能驗證

4.2.1 用戶界面（GUI）功能驗證

在CodeBlocksIDE中，利用 模擬器對設計的用戶界面進行了全面的功能驗證。逐一測試了每個控件的功能，包括按鈕響應、文本框輸入等，確保所有控件在各種操作條件下均能正常工作，界面布局合理，用戶交互流暢，無卡頓或錯誤現象，驗證了用戶界面的高效能和良好適應性。

完成這些測試后，我們將整個界面系統無縫移植到了STM32H7的工程文件中，如圖19所示，這種開發方式不僅提高了效率、降低了成本，還縮短了產品上市時間，提升了市場競爭力。

4.2.2 MY1690X語音播放功能驗證

通過單片機UART串口向MY1690X語音播放芯片發送控制命令，測試了其對FAT32文件系統的支持情況。驗證了芯片能夠正確讀取SD卡（TF卡小于32GB）中的音頻文件，并通過LM4871功放芯片放大后，從耳機接口輸出清晰的MP3音頻信號（采樣率小于48K，比特率小于320KBPS），確保播放流暢無雜音，驗證了語音播放功能的完整性和音質表現。

4.2.3 NFC與RC522模塊通信功能驗證

在手機NFC模式與RC522模塊的功能驗證中，重點考察了讀寫器的精密復位應答程序及其內置的防沖撞機制。該程序作為通信鏈路建立后的初次校驗，對確保后續數據傳輸的準確無誤至關重要。同時，防沖撞機制在多設備環境中展現出卓越的性能，能夠準確識別目標卡片，有效避免信息沖突和傳輸錯誤，顯著提升了射頻通信的穩定性和效率。

4.2.4AT指令接受處理功能驗證

在單片機程序中借用了AT指令的接受處理程序，采用了字符輸入方式，并設置了結束符“0A”。通過主循環中的AT指令接受處理程序，測試了其對不同AT指令的響應和處理能力。驗證了程序能夠正確解析并執行AT指令，返回正確的響應結果，無漏解或誤解現象，確保了AT指令接受處理功能的準確性和可靠性。

5 結束語

在此次智能家居的設計中，團隊成功集成了物聯網、語音控制、計算機視覺 ， e mW i n 圖形界面設計等技術，實現了一套功能齊全的系統，滿足了用戶對智能生活的基本需求。然而，面對市場同質化的競爭，本文認識到創新的重要性。未來，團隊將致力于引入AI深度學習算法和物聯網邊緣計算等前沿技術，以提升系統的智能化水平和響應速度[14-15]。同時，優化系統性能、提升用戶體驗設計也是團隊工作的重點，以確保數據的可靠性和操作的便捷性。團隊的最終自標是通過不斷的技術創新和功能優化，將作品打造成為市場上性能卓越、體驗非凡的智能家居解決方案，從而在競爭中脫穎而出。

參考文獻：

[1]ABDULMALEKS，NASIR A，JABBAR WA，et al.IoT-Based Healthcare -Monitoring System towardsImprovingQuality of Life：A Review[J].Healthcare （Basel，Switzerland），2022，10（10）.

[2]何遙.智能家居IoT生態呼之欲出[J].中國公共安全，2019（7）：138-42.

[3]陶悅.AI+IoT技術賦能智能家居進入行業黃金期[J].中國建設信息化，2020（20）：48-9.

[4]MORI H，KUNDALIYAJ，NAIK K，et al. IoT technolo-gies in smart environment： security issues and future en-hancements [J.Environmental science and pollution researchinternational，2022，29（32）：47969-47987.

[5]呂之賀.基于人工智能的智能家居系統設計[J].信息與電腦（理論版），2024，36（7）：19-21.

[6]宋瑞博，張妍，連夢慧.基于物聯網的智能家居系統設計[J].現代工業經濟和信息化，2023，13（10）：99-101，106.

[7]程望斌，李璇，鐘健榮，等.智能家居遠程監控系統設計與實現[J].湖南理工學院學報（自然科學版），2024，37（2）：31-35.

[8]雷楚洋.基于C語言的智能家居環境總控系統[J].電腦編程技巧與維護，2023（10）：113-115.

[9]鄒海珍.基于IoT的家居照明系統智能控制策略研究[J].日用電器，2024（7）：55-59.

[10]新唐科技攜手SEGGER提供專用 嵌入式GUI軟件[J].單片機與嵌入式系統應用，2018，18（9）：96.

[11]許廣杰，鄭澤彬.基于STM32F4的智能家居系統[J].中國新通信，2020，22（4）：48-49.

[12]佚名.智能手機化身門禁卡開啟大門[J].中國公共安全（綜合版），2012（8）：62-63.

[13]左楷，唐耀平.疫情防控背景下基于人臉識別及測溫技術的智能門禁應用[J].現代計算機，2024，30（8）：89-94.

[14]孟琥.基于人工智能視覺技術的智能家居系統設計研究[J]電子制作，2021（2）：25-26.

[15]蘇恩輝.基于人工智能技術的室內設計裝飾創新研究[J].居舍，2024（25）：19-21.