基于STM32單片機(jī)智慧家居監(jiān)控系統(tǒng)

韋栗，張啟龍，易攀

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水，553000）

0 引言

隨著電子技術(shù)和電子產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)世界中的普及，家庭人工智能產(chǎn)品的提升才能滿足人們實(shí)際生活的應(yīng)用要求[1]。為實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全管理、家電監(jiān)測(cè)等功能，提高家庭生活質(zhì)量，文章設(shè)計(jì)了以STM32F1系列芯片作為主要控制單元?；赪iFi的智能家居致力于物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。WiFi光節(jié)點(diǎn)的數(shù)目由AP Coordinator可以訪問的節(jié)點(diǎn)數(shù)目決定[2]。集成多種高性能傳感器，基于信息技術(shù)打造高品質(zhì)的家庭設(shè)施和環(huán)境管理系統(tǒng)，滿足家庭安全、便捷、舒適的需求[3]。

1 硬件設(shè)計(jì)

(1)硬件設(shè)計(jì)綜述。文章以STM32F1單片機(jī)為核心，由溫度和濕度傳感器、煙霧傳感器、電機(jī)模塊和WiFi模塊作為外圍設(shè)備構(gòu)成的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

(2)微處理控制系統(tǒng)。以STM32F1系列單片機(jī)作為主控制模塊。其可以對(duì)傳感器采集到的信息進(jìn)行接收和處理。STM32F1系列單片機(jī)主控最小系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

(3)溫度和濕度傳感器。所選的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的空氣濕度壓力與飽和濕壓之比為20%～90%，測(cè)量精度約為±4%，溫度測(cè)量范圍為0℃～50℃，測(cè)量精度為±1℃～±2℃[4]。以程序的形式標(biāo)定系數(shù)，DHT11與8位高性能微機(jī)耦合，具有高性能干擾、高性能、高精度、高傳輸距離、DHT11的工作原理可以由文獻(xiàn)[5]可知。溫度和濕度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

(4)煙霧傳感器。本次設(shè)計(jì)選擇的是MQ2煙霧傳感器，跟市場(chǎng)上各種類似的傳感器比較發(fā)現(xiàn)，使用煙霧傳感器主要是檢測(cè)家庭常見的一氧化碳等常見家用電器使用不當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的可燃危險(xiǎn)氣體。在文獻(xiàn)[6]中體現(xiàn)了MQ2煙霧傳感器的工作原理。MQ2煙霧傳感器電路原理如圖4所示。

(5)窗簾驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。采用的是L298P電機(jī)控制芯片[7]。L298可用于驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，部分高檔微機(jī)如AVR、PIC等均有PWM輸出端口[8]。該芯片的平均驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)50V，可以滿足電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行條件。窗簾驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路如圖5所示。

(6)WiFi模塊。WiFi模塊ESP8266選擇串行同行協(xié)議與微控制器同行[9]。WiFi模塊是物聯(lián)網(wǎng)的一部分（物聯(lián)網(wǎng)）傳輸層。它通過WiFi將醫(yī)療器械、數(shù)據(jù)采集、手機(jī)等不同設(shè)備連接在一起，形成局域網(wǎng)?？梢栽诓煌h(huán)境和情況下與WiFi連接的無線通信，構(gòu)成蜂窩局域網(wǎng)[10]。其工作原理如圖6所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

(1)軟件設(shè)計(jì)總述。系統(tǒng)軟件支持STM32F1系列微機(jī)最小系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，使用微機(jī)控制各模塊的平穩(wěn)有序工作。同時(shí)，控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)安卓客戶端是否發(fā)出命令，如果先執(zhí)行相關(guān)命令，程序?qū)⒕S持STM32F1系列單片機(jī)最小系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動(dòng)，使用微處理器穩(wěn)定有序地控制模塊，初始化STM32F1系列的所有外部設(shè)備，并在訪問ESP8266WiFi模塊后確定是否訪問云服務(wù)，然后處理所需數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給服務(wù)器更新。同時(shí)，控制系統(tǒng)的客戶端決定是否發(fā)出命令，如果有執(zhí)行命令，則實(shí)行手動(dòng)控制，如果沒有執(zhí)行命令，則實(shí)行自動(dòng)控制。

(2)溫濕度傳感器軟件設(shè)計(jì)。工作時(shí)低電平有效，它可以自動(dòng)測(cè)量空氣中的溫度和濕度，且靈敏度和精確度較高，是檢測(cè)空氣中溫濕度的最佳選擇。先對(duì)溫濕度傳感器外設(shè)進(jìn)行初始化，再讀取溫度和濕度的值，顯示溫度和濕度，然后確定溫度和濕度是否超過規(guī)定的閾值。如果出現(xiàn)采集的值超出閾值的情況，則會(huì)發(fā)生報(bào)警；若采集的值沒有超出設(shè)定閾值的情況，則溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集仍在繼續(xù)。測(cè)溫濕度流程圖如圖7所示。

(3)煙霧傳感器軟件設(shè)計(jì)。由文獻(xiàn)[11]可知選擇ADC1的通道10不間斷地對(duì)傳感器的電壓讀取10次，然后取平均值。MQ2煙霧傳感器軟件流程如圖8所示。

(4)窗簾電氣驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]體現(xiàn)了電路設(shè)計(jì)單片機(jī)的產(chǎn)生要與L298P相序一致，電壓以L298P為基礎(chǔ)的兼有式電機(jī)。電機(jī)控制流程如圖9所示。

(5)WiFi模塊軟件設(shè)計(jì)。ESP8266芯片上的無線連接被設(shè)計(jì)成AP+站或混合通信模式的WiFi通信模塊。它可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為一個(gè)子機(jī)在其他主機(jī)上運(yùn)行[13]。它的功能是將串行端口轉(zhuǎn)換為無線WiFi信號(hào)，由無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)。ESP8266芯片的連接采用軟路由加客戶端雙模串口WiFi模塊，也稱為混合模式通信處理模式。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)主要包括以下5個(gè)模塊：微處理器模塊、溫度和濕度模塊、電機(jī)模塊、WiFi模塊及顯示模塊。設(shè)計(jì)以STM32F1系列單片機(jī)為核心，通過傳感器和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，通過顯示器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，用戶可通過手機(jī)軟件查詢。該系統(tǒng)主要應(yīng)用傳感器模塊、控制器和處理器模塊、顯示設(shè)置、串口WiFi模塊來控制系統(tǒng)核心是STM32F1系列微機(jī)，通過傳感器采集環(huán)境變量，傳輸?shù)絊TM32F1系列微機(jī)處理和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，需要的數(shù)據(jù)參數(shù)顯示模塊數(shù)據(jù)顯示，用戶直接觀察模塊向客戶端接收數(shù)據(jù)，并在模塊打開時(shí)將數(shù)據(jù)更新到手機(jī)。接通電源后，每個(gè)模塊都會(huì)初始化，通過傳感器模塊獲取相關(guān)信息，同時(shí)顯示在LCD屏幕上。當(dāng)溫濕度傳感器模塊檢測(cè)到的數(shù)據(jù)異常時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始工作，實(shí)現(xiàn)窗簾自動(dòng)升降工作；當(dāng)煙霧傳感器模塊檢測(cè)到的數(shù)據(jù)高于所設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)風(fēng)扇開始自動(dòng)工作，將室內(nèi)的煙霧驅(qū)散，直到煙霧傳感器檢測(cè)到空氣中的數(shù)據(jù)低于預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器和風(fēng)扇停止工作。同時(shí)將所有參數(shù)通過WiFi與手機(jī)終端連接，將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP顯示，手機(jī)APP也可單獨(dú)控制LED、風(fēng)扇、步進(jìn)電機(jī)。此外，手機(jī)終端亦可選擇硬件自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制。上述工作命令的實(shí)際效果如圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合STM32F1系列單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)，利用溫度和濕度傳感器、煙霧傳感器、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)及WiFi模塊協(xié)同工作，構(gòu)成了一個(gè)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的簡(jiǎn)易智慧家居系統(tǒng)。結(jié)合單片機(jī)從而測(cè)出不同的溫度和濕度、煙霧濃度及其他危險(xiǎn)氣體，采集的數(shù)據(jù)信號(hào)通過顯示屏LCD顯示，同時(shí)系統(tǒng)連接手機(jī)APP終端，在手機(jī)上也可以實(shí)時(shí)了解到室內(nèi)情況，以便用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境的了解和控制。初步檢測(cè)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)目的和要求。文章設(shè)計(jì)成本適中，可直接用于智慧家居和推廣。