基于STM32F103單片機的智能家居控制系統(tǒng)設計

蔡秀蘭，袁克凱，劉靜，鐘穎萍，張佳，范林嬌

（南華大學，湖南 衡陽 421001）

1 前言

本項目所開發(fā)的智能家居服務系統(tǒng)，一方面，將技術融入生活，精準的環(huán)境監(jiān)測，人性化的家電控制，幫助用戶實現(xiàn)居家環(huán)境智能化；另一方面，積極響應國家政策，應用物聯(lián)網(wǎng)技術和人工智能技術，著力于制造業(yè)的發(fā)展，運用電子信息技術、控制技術、網(wǎng)絡通信技術等技術為家居行業(yè)發(fā)展貢獻新思路、新創(chuàng)意?；赟TM32F103的智能家居控制系統(tǒng)，將單片機作為控制核心，借助物聯(lián)網(wǎng)技術、自動控制技術構建一套智能化、無線化的家居服務系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要有智能門鎖系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠程攝像監(jiān)控系統(tǒng)、家電智能控制系統(tǒng)組成，并開發(fā)配套APP，實現(xiàn)智能控制。

2 系統(tǒng)總體設計

該智能家居服務系統(tǒng)包括智能門鎖系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、遠程攝像監(jiān)控系統(tǒng)、家電智能控制系統(tǒng)。門鎖系統(tǒng)使用指紋鎖進行指紋讀取并匹配指紋，隨后判斷是否允許入門內，舵機模擬門鎖開關。環(huán)境檢測系統(tǒng)使用DHT11模塊采集室內的溫濕度數(shù)據(jù)；使用SGP30傳感器模塊檢測空氣中的CO2濃度及甲醛濃度，可以判斷室內空氣環(huán)境是否存在安全隱患；使用粉塵濃度傳感器進行粉塵濃度監(jiān)測。遠程攝像監(jiān)控系統(tǒng)將采用帶有WIFI模塊的esp32-cam模塊進行拍照攝像。家電控制系統(tǒng)中，通過控制繼電器進而控制各種家電。同時，本系統(tǒng)將開發(fā)配套實用的微信小程序，用戶可通過微信小程序實時查看室內各項環(huán)境參數(shù)，智能控制繼電器讓屋主能夠在外出的時候通過物聯(lián)網(wǎng)來控制家電的開啟與關閉。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

本系統(tǒng)中，單片機將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過esp8266模塊上傳到onenet云服務平臺，通過控制esp32-cam模塊實現(xiàn)室內環(huán)境實時拍照。用戶可以通過微信小程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)查看，并且實現(xiàn)控制命令下達。

3 系統(tǒng)功能

3.1 智能門鎖的實現(xiàn)

現(xiàn)在大多數(shù)家庭使用的都是傳統(tǒng)門鎖，需要隨身攜帶鑰匙,而本項目的智能門鎖提供給用戶指紋解鎖方式，讓用戶擺脫鑰匙的同時，更為安全可靠。

3.2 居家環(huán)境的智能監(jiān)測

實現(xiàn)居家環(huán)境的多項參數(shù)檢測，能夠手機溫度、濕度、CO2濃度、TVOC濃度信息。其中，溫度、濕度、CO2濃度、光照強度讓用戶了解家庭環(huán)境參數(shù)信息，以便能夠做出及時通風、開窗決策，提供精準舒適服務。TVOC檢測幫助用戶了解煤氣是否泄漏，讓用戶當有煤氣泄漏時能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)，讓居家更安全。

3.3 智能控制

居家的智能控制以幫助減少能源浪費。照明裝置、多種家用電器開關都能使用微信小程序進行控制，打開和關閉用電器更加方便。同時，用戶不需要使用時能夠自動關閉，以減少能源使用。

3.4 無線監(jiān)控系統(tǒng)的拍照查看

監(jiān)控系統(tǒng)能夠拍照查看家里環(huán)境，當有陌生人闖入家內能隨時監(jiān)測到，增加了居家環(huán)境安全性。

4 系統(tǒng)硬件設計

4.1 STM32F103開發(fā)板

STM32F103芯片，其內核是Cortex-M3，是由ST（意法半導體）公司推出的一種ARM芯片。該芯片具有價格低、外設多、實時性能優(yōu)異、低功耗控制以及低開發(fā)成本等優(yōu)點。本文使用單片機芯片的型號為STM32F103ZET6芯片，該芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH，多達8定時器，3個USART串口，功能強大，價格適中。在本系統(tǒng)中，STM32F103作為控制核心，借助各種傳感器實現(xiàn)室內環(huán)境參數(shù)采集，ADC采樣后將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流形式上傳到ONENET平臺。其中單片機的串口usart2與ESP8266模塊進行串口通信，通過發(fā)送AT指令控制ESP8266模塊向ONENET云平臺接受及發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 ESP8266模塊

ESP8266是一款高性能常用的WIFI串口模塊，具有強大的物聯(lián)網(wǎng)通信功能，在物聯(lián)網(wǎng)項目應用廣泛?？蔁階T固件庫，用AT指令操作，簡單方便。

4.3 傳感器

本項目主要使用的傳感器有溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器BH1750FVI、粉塵傳感器GP2Y1014AU、CO2濃度傳感器SGP30。DHT11溫濕度傳感器能夠同時檢測溫度與濕度，用DHT11模塊去構成溫濕度傳感器，將采集好的溫濕度信號經過一系列轉化最終發(fā)送到用戶的APP上，使用戶能實時監(jiān)控家中溫濕度情況。光照傳感器，將光照模擬信號轉換成電壓信號，經過電路放大，再通過ADC采樣將電壓信號轉換成數(shù)字信號，光照越強，電壓越大，采樣后的數(shù)值越大。粉塵傳感器GP2Y1014AU主要是檢測非常細小的顆粒，粉塵濃度與采樣后的電壓值成正比。CO2濃度傳感器SGP30可以用于CO2濃度及甲醛的檢測。

4.4 門鎖模塊

指紋鎖采用AS608指紋模塊。因為該模塊內部的DSP單元集成指紋識別算法，提高了采集圖像和識別指紋特征的效率，處理一個指紋圖像只需要不到0.4s。采用指紋鎖進行指紋匹配后，智能開鎖，提高了智能門鎖的安全性。表1為硬件列表。

表1 硬件選擇

5 系統(tǒng)軟件設計

5.1 ONENET云平臺

ONENET云平臺提供了豐富的API，可以支持適配各種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，使用便捷，可滿足各種個性化方案設計。本項目采用ONENET平臺主要進行傳感器采集到數(shù)據(jù)的存儲，采用的是EDP協(xié)議下發(fā)命令。

5.2 巴法云平臺搭建

本項目應用巴法云平臺主要是用于項目中的拍照監(jiān)控功能，目前采取的是一定時間內拍張照片，存儲在云平臺，然后，微信小程序可以調取該時間段內的照片進行顯示。

5.3 微信小程序搭建

在本項目的微信小程序界面設計時，共設計了5個界面，分別是歡迎界面、登錄界面、狀態(tài)展示界面、個人信息管理界面。狀態(tài)顯示界面可以實現(xiàn)居家環(huán)境信息顯示以及家電狀態(tài)顯示與控制。

（1）家電狀態(tài)顯示與控制。微信小程序頁面的下方有家電控制狀態(tài)的控件，用戶能夠通過點擊控件來控制家電開關。

（2）居家環(huán)境信息顯示。微信小程序控制頁面上方顯示的是居家各種環(huán)境參數(shù)，主要是傳感器采集的溫度、濕度、C02濃度、甲醛濃度、光照強度等。傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞給onenet云平臺，微信小程序通過訂閱onenet云平臺數(shù)據(jù)，會收到實時的數(shù)據(jù)顯示。

6 部分代碼展示

6.1 硬件初始化

在main.c中進行各類硬件設備的初始化，包括串口初始化、繼電器初始化、光照傳感器初始化、二氧化碳傳感器初始化、DH11初始化、ADC轉換程序初始化。

6.2 數(shù)據(jù)流傳輸

先在onenet.h中定義一個結構體變量strcat，然后，將數(shù)據(jù)包程序放置在onenet.c中，數(shù)據(jù)調用上傳至云平臺。

6.3 ESP8266初始化

ESP8266程序編寫關乎WIFI通信中數(shù)據(jù)上傳指令下達，是環(huán)境參數(shù)采集的核心程序，將該程序放置于esp8266.c中。

6.4 刷指紋程序

有關指紋模塊的函數(shù)均放置在as608.c中，包括指紋錄制、刷指紋、生產特征、對比特征、清除指紋庫等多個函數(shù)。

7 智能家居系統(tǒng)實驗效果驗證

7.1 測試目標

智能家居服務系統(tǒng)能正常工作，傳感器信息能成果采集并且有效上傳；微信小程序能夠實時獲得數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)遠程控制家電開關狀態(tài)；指紋解鎖模塊成功解鎖。

7.2 測試結果

（1）ONENET采集數(shù)據(jù)（如圖2）。

圖2 電腦端ONENET采集數(shù)據(jù)圖

（2）微信小程序（如圖3、圖4）。

圖3 電腦端運行效果圖

圖4 手機端運行效果圖

（3）指紋鎖指（如圖5）。

圖5 指紋解鎖效果圖

7.3 結果分析

單片機成功實現(xiàn)溫度采集、指紋識別、空氣質量參數(shù)采集功能，并且通過esp8266模塊將數(shù)據(jù)上傳到ONENET平臺，微信小程序成的從ONENET獲得了各項數(shù)據(jù)。并且指紋鎖匹配開鎖功能成功實現(xiàn)，當采集指紋信息，與指紋庫指紋匹配成功后，單片機控制舵機轉動，成功解鎖。所以，本項目的智能家居控制系統(tǒng)的設計在功能實現(xiàn)上切實可行，微信小程序讓實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，讓家居智能化。

8 結語

本項目在傳統(tǒng)家居環(huán)境基礎上增加了物聯(lián)網(wǎng)模塊，使其具備更智能的功能，用戶在使用過程中會更加舒適、便捷、有趣?；赟TM32F103ZET6的智能家居控制系統(tǒng)構建了高效智能家居設施管理系統(tǒng)，并配套開發(fā)微信小程序讓室內環(huán)境參數(shù)直觀可靠，讓家居控制智能方便，為用戶打造了舒適便利的居家環(huán)境。