基于STM32的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李旺昆　柯遠(yuǎn)征　王立仕

摘 要

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及，加上人們生活條件不斷改善，對(duì)生活追求越來(lái)越高，對(duì)家居智能化的需求也越來(lái)越大。本文是針對(duì)智能家居的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和研究的基礎(chǔ)上以基于STM32的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為設(shè)計(jì)方案，以成本低、控制簡(jiǎn)單，為用戶提供高效節(jié)能、舒適和便利的居住和工作環(huán)境為研究目的。

關(guān)鍵詞

智能家居;環(huán)境監(jiān)測(cè);云平臺(tái);STM32;WiFi

中圖分類(lèi)號(hào)： TU855;TP368.1;TN92 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.011

0 引言

21世紀(jì)是大數(shù)據(jù)和人工智能的時(shí)代，隨著通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅猛發(fā)展和人們生活水平日益提高，信息化社會(huì)在改變著人們生活習(xí)慣和工作方式的同時(shí)，也讓對(duì)傳統(tǒng)的住宅生活方式提出了挑戰(zhàn)，人們傾向的是一個(gè)舒適安全、美觀、便利的家居環(huán)境。

智能家居是現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在90年代末逐漸被國(guó)人認(rèn)知。智能家居主要是提供對(duì)家庭電器設(shè)備的智能化管控，由簡(jiǎn)單的UI界面，人性化的操作方式，簡(jiǎn)單易懂的維護(hù)手法，極大地方便了人們的生活方式，提供更高效、便捷、安全、環(huán)保的生活環(huán)境。所以說(shuō)智能家居系統(tǒng)的研究具有很大的意義。

1 智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)以主控模塊為核心，其他外設(shè)模塊電路組合來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它首先解決各模塊的功能問(wèn)題，然后綜合整合系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)軟件的調(diào)試來(lái)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作。本設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6作為主控芯片，外設(shè)模塊分別有串口WIFI通訊模塊、溫濕度模塊、光敏電阻模塊、煙霧模塊、蜂鳴器模塊、小風(fēng)扇和繼電器模塊。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是由這些模塊測(cè)量實(shí)現(xiàn)的，各模塊通過(guò)導(dǎo)線連接起來(lái)組成以主控模塊為核心的系統(tǒng)。主控模塊從其他模塊獲取信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再將指令信號(hào)傳達(dá)給其他模塊，這樣可以形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。我們就是利用這些模塊的功能實(shí)時(shí)地對(duì)家居環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和控制。

用戶可以通過(guò)手機(jī)app端實(shí)時(shí)查看家庭里的各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，也可以隨時(shí)通過(guò)app端改變外部條件的方法來(lái)調(diào)節(jié)家中的環(huán)境條件，如打開(kāi)家中的照明、風(fēng)扇、窗簾等電器，利用這些功能便可直接有效的為用戶提供舒適和便利的家居環(huán)境。

2 硬件模塊功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控模塊電路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的主控MCU由ST廠商推出的STM32系列開(kāi)發(fā)板，性?xún)r(jià)比高，最高工作頻率72MHZ，支持各種內(nèi)設(shè)接入，集成豐富的內(nèi)核和外設(shè)資源，簡(jiǎn)易方便地使用架構(gòu)以及低功耗低成本的特性，是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的不錯(cuò)選擇。而STM32 F103RCT6所具備的功能完全滿足本設(shè)計(jì)的需求，所以本設(shè)計(jì)的主控制模塊采用該芯片。

2.2 WiFi通訊模塊介紹

本次對(duì)于WiFi通訊模塊采用的是安信可科技開(kāi)發(fā)的型號(hào)為ESP8266-01的WiFi模塊。其核心處理器ESP8266具有超低功耗的串口透?jìng)魈攸c(diǎn)，價(jià)格低廉、工作能力強(qiáng)，本身就是個(gè)Coerex的ARM應(yīng)用處理器，是作為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中WiFi控制比較理想的選擇。ESP8266-01模塊的硬件接口較多，該模塊同時(shí)支持STA/AP/STA+AP三種工作模式和AT指令集，AP是作為一個(gè)熱點(diǎn)，可以使電腦搜索WiFi網(wǎng)絡(luò)時(shí)直接搜到;STA就是接入現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)中;AP+STA既是一個(gè)熱點(diǎn)，又可以連入WiFi網(wǎng)絡(luò)。而AT命令則是可以通過(guò)串口助手或者其他的網(wǎng)絡(luò)助手直接控制和設(shè)置芯片，操作使用十分簡(jiǎn)單。

2.3 光敏傳感器模塊設(shè)計(jì)

光敏電阻又稱(chēng)為光導(dǎo)管，一般用于光的測(cè)量、控制和光電轉(zhuǎn)換，根據(jù)本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求采集光線強(qiáng)度，選擇光敏電阻已滿足設(shè)計(jì)要求。選用的光敏傳感器模塊是四個(gè)引腳，其中DO端為數(shù)字量輸出接口，主要輸出高低電平。AO端為模擬量輸出接口，通過(guò)直接與單片機(jī)相連接，利用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照亮度的采集。光敏電阻上還有一個(gè)LED信號(hào)指示燈，當(dāng)檢測(cè)到周?chē)泄庹諘r(shí)，便會(huì)自動(dòng)亮起;當(dāng)周?chē)鸁o(wú)光照時(shí)，則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2.4 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)課題的需求分析，旨在采集家庭環(huán)境中的溫濕度的數(shù)值用以調(diào)整用戶居家舒適度。采用DHT11溫濕度一體檢測(cè)傳感器，是單總線協(xié)議通訊方式，控制電路簡(jiǎn)單，占用接口少，價(jià)格便宜。

2.5 煙霧傳感器模塊介紹

煙霧傳感器模塊可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的檢測(cè)煙霧濃度的效果，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)值顯示，當(dāng)遇室內(nèi)煙霧濃度過(guò)高且達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警裝置，提醒用戶。針對(duì)煙霧的采集和監(jiān)測(cè)本次選擇了MQ-2煙霧傳感器模塊，該模塊的主要芯片為ZYMQ-2氣體傳感器，具有探測(cè)范圍廣泛、反應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。本次所使用的接口是AO口，將AO端口和MCU端引腳線連接，通過(guò)編程對(duì)該引腳進(jìn)行初始化和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出。

2.6 蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)

蜂鳴器本次模塊選用的是有源蜂鳴器，通過(guò)信號(hào)輸入端I/O口和單片機(jī)相連接，本設(shè)計(jì)只針對(duì)煙霧濃度的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了報(bào)警裝置模塊，當(dāng)煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到的煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器便會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲音用來(lái)提示用戶。項(xiàng)目選用的是三線制的有源蜂鳴器，分別為VCC電源正極、GND電源負(fù)極和I/O信號(hào)接口。利用I/O口和單片機(jī)相連接，通過(guò)對(duì)對(duì)應(yīng)I/O的操控并給出“0”和“1”，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的報(bào)警控制。

2.7 繼電器模塊介紹

繼電器模塊有三個(gè)端口，分別為常開(kāi)端、常閉端和公共端。本次選用的1路5V的繼電器模塊，繼電器模塊上一般都是6個(gè)引腳，一端為VCC電源正極、GND電源負(fù)極，IN信號(hào)輸入端，另一端為NC常閉端、COM公共端和NO常開(kāi)端。其中，在沒(méi)有任何操作的情況下，NC端和COM端相當(dāng)于已經(jīng)接通。我們接到NO接口，然后通過(guò)信號(hào)輸入引腳IN來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，達(dá)到控制的作用。

2.8 風(fēng)扇模塊介紹

風(fēng)扇模塊采用的5V靜音冷卻風(fēng)扇，轉(zhuǎn)速支持PWM調(diào)節(jié)，帶有電源指示燈，驅(qū)動(dòng)板上提供有3mm固定安裝螺絲孔。具有安全、便捷、低功耗以及噪音低的特點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)所。風(fēng)扇接口由3線組成，紅色正極黑色負(fù)極，將風(fēng)扇模塊連接MCU主控芯片，可以直接通過(guò)低電平或者通過(guò)對(duì)PWM的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇模塊的控制，以此來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的環(huán)境溫濕度，達(dá)到用戶舒適滿意的環(huán)境狀態(tài)。

3 軟件移動(dòng)端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 keil編程語(yǔ)言介紹

系統(tǒng)各硬件模塊設(shè)計(jì)完成之后，系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)還需要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32作為主控芯片，C語(yǔ)言編寫(xiě)，課題軟件編程基于keil5來(lái)完成，版本使用μVision5 IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是針對(duì)ARM Cortex-M內(nèi)核微控制器最佳的一款集成開(kāi)發(fā)工具。

3.2 機(jī)智云端app設(shè)計(jì)

機(jī)智云平臺(tái)是致力于物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件云服務(wù)的開(kāi)放式平臺(tái)，平臺(tái)上各項(xiàng)說(shuō)明都非常的詳細(xì)，更加方便初學(xué)者對(duì)于云平臺(tái)的學(xué)習(xí)和使用，簡(jiǎn)單易學(xué)，方便易懂。本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于機(jī)智云平臺(tái)上的MCU開(kāi)發(fā)方式，通過(guò)WiFi連接，將手機(jī)端和MCU端進(jìn)行連接通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)外設(shè)傳感器的數(shù)據(jù)接收和操控。

3.3 app設(shè)計(jì)流程

基于機(jī)智云平臺(tái)使用移植機(jī)智云GAgent的WiFi模組建立橋梁，使設(shè)備的數(shù)據(jù)與機(jī)智云交換，設(shè)計(jì)步驟為：

（1）注冊(cè)機(jī)智云開(kāi)發(fā)者賬號(hào)，進(jìn)入開(kāi)發(fā)者中心，選擇對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目創(chuàng)建新產(chǎn)品;

（2）填寫(xiě)設(shè)備產(chǎn)品的基本信息，選擇WiFi/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案創(chuàng)建項(xiàng)目;

（3）根據(jù)項(xiàng)目的需求創(chuàng)建需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)，用于描述產(chǎn)品的功能和參數(shù)，本項(xiàng)目添加了5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別為：溫度值、濕度值、煙霧值、光強(qiáng)值和繼電器開(kāi)關(guān);

（4）通過(guò)機(jī)智云自動(dòng)生成MCU SDK代碼，代碼實(shí)現(xiàn)了機(jī)智云通信協(xié)議的解析與封包、傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換邏輯，并封裝成了簡(jiǎn)單的API;

（5）將自動(dòng)生成的MCU SDK代碼移植到工程中，并進(jìn)行相應(yīng)的修改和完善;

（6）下載ESP8266對(duì)應(yīng)的固件，將WiFi模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口工具連接電腦，通過(guò)燒寫(xiě)軟件將下載好的固件庫(kù)燒寫(xiě)進(jìn)WiFi模塊;

（7）最后將WiFi模塊連接主控板，將手機(jī)和WiFi模塊置于同一局域網(wǎng)或WiFi中，實(shí)現(xiàn)一鍵配網(wǎng)，便基本可以實(shí)現(xiàn)app端和硬件端的連接和操控。

4 軟硬件綜合調(diào)試

將各模塊連接到核心板上，首先進(jìn)行軟硬件調(diào)試，無(wú)問(wèn)題后再綜合調(diào)試。

（1）檢查硬件各個(gè)模塊外部有無(wú)損壞，無(wú)損壞下一步;

（2）將編寫(xiě)好的程序燒入硬件模塊中，并通過(guò)串口調(diào)式助手檢查各模塊是否能正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有無(wú)變化，是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能并能完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。各模塊程序檢測(cè)完畢之后，登錄機(jī)智云官網(wǎng)，設(shè)計(jì)并移植機(jī)智云工程，完成代碼的移植工作，下載APP端，檢測(cè)是否可以完美運(yùn)行;

（3）檢查是否有I/O口沖突使用，是否造成相互干擾，確認(rèn)各模塊程序能夠綜合運(yùn)行之后連通機(jī)智云，并通過(guò)手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)的傳輸和操控。檢測(cè)無(wú)問(wèn)題之后，自己選擇一個(gè)相對(duì)應(yīng)的測(cè)試環(huán)境，應(yīng)用本系統(tǒng)來(lái)檢驗(yàn)測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和5G時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)綜合自動(dòng)化的水平不斷提高，人們更加渴望科學(xué)技術(shù)改善生活，科技的發(fā)展使得傳統(tǒng)的有線控制網(wǎng)絡(luò)不再滿足需求，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)愈發(fā)得到人們的青睞。本文便是以WiFi無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了無(wú)線家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)總體方案的設(shè)計(jì)，對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了智能家居的遠(yuǎn)程控制操作，營(yíng)造了生活便捷、舒適的生活環(huán)境，具有廣闊的發(fā)展前景。

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