基于智能家居的家庭環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊飛宇 吳菲 唐修權(quán)

摘? 要：隨著科技的發(fā)展，智能家居逐漸進(jìn)入大眾的視野，它能有效提高人們的生活質(zhì)量。根據(jù)目前的市場(chǎng)狀況，設(shè)計(jì)一套基于STM32的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)，結(jié)合溫濕度采集、光照檢測(cè)、人體感應(yīng)等功能，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境和控制室內(nèi)設(shè)備的目標(biāo)，此外，該系統(tǒng)還設(shè)有自動(dòng)控制模式和安防預(yù)警模式。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)準(zhǔn)確度較高，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)和安防預(yù)警，在室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)和家庭安防領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；光照檢測(cè)；安防預(yù)警；智能家居

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0189-04

Abstract： With the development of technology， smart home has gradually entered the public's vision， which can effectively improve people's quality of life. According to the current market situation， a set of smart home system based on STM32 is designed. The system uses Bluetooth wireless communication technology， combined with temperature and humidity collection， light detection， human body sensing and other functions， to achieve the goal of remote monitoring of indoor environment and control of indoor equipment by mobile phones. In addition， the system also has automatic control mode and security warning mode. The test results show that the system has high accuracy and stable operation， and can meet the real-time detection and security warning of the home environment. It has certain application and promotion value in the field of indoor environment detection and home security.

Keywords： STM32 Single-Chip Microcomputer; light detection; security warning; smart home

0? 引? 言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，讓各式各樣的家電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了連接，形成智能家居系統(tǒng)，人們開(kāi)始對(duì)家庭環(huán)境的智能化、個(gè)性化和安全性有了要求，基于此智能家居開(kāi)始提供對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能預(yù)警等智能服務(wù)[1-3]。本文以家庭環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制為課題，研究設(shè)計(jì)一套智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠提供對(duì)家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)和智能預(yù)警功能，旨在科學(xué)改善室內(nèi)環(huán)境，滿(mǎn)足人們對(duì)居住環(huán)境舒適度和智能化的需求[4]。本文針對(duì)智能家居的環(huán)境監(jiān)測(cè)與智能控制加入藍(lán)牙控制模塊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP終端與藍(lán)牙模塊的通信，進(jìn)而達(dá)到對(duì)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的直觀監(jiān)測(cè)與控制。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以ST公司的STM32F103C8T6微控制為核心，采用光強(qiáng)、溫濕度和人體紅外檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)信息采集，采用TI公司的CC2640藍(lán)牙通信芯片與用戶(hù)手機(jī)進(jìn)行信息交互，用戶(hù)手機(jī)端采用APP通過(guò)藍(lán)牙接收信息，并對(duì)家居系統(tǒng)進(jìn)行控制[5]。本系統(tǒng)大致分為四個(gè)部分：傳感器數(shù)據(jù)采集、MCU數(shù)據(jù)處理、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸和手機(jī)APP客戶(hù)端，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集工作由各個(gè)傳感器完成，主要采集溫濕度、光照強(qiáng)度、有無(wú)人經(jīng)過(guò)等信息；數(shù)據(jù)處理即是由STM32F103C8T6對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做好發(fā)送和顯示的準(zhǔn)備[6]；藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸即是使用串口將MCU處理的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)APP端，手機(jī)APP端也可通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送設(shè)計(jì)好的指令字符串，控制整個(gè)系統(tǒng)的相應(yīng)動(dòng)作；手機(jī)APP客戶(hù)端主要是便于人機(jī)交互，保證系統(tǒng)操作的便捷。

除此以外，系統(tǒng)還加入了鍵盤(pán)和0.96寸OLED屏顯示，使之可在沒(méi)有手機(jī)的情況依然可以使用，拓寬了系統(tǒng)的適用范圍。本系統(tǒng)成本低廉，性能穩(wěn)定，能夠很好地完成室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制功能。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括三個(gè)部分：第一部分是室內(nèi)環(huán)境信號(hào)采集，包括由DHT11采集溫濕度，由HC-SR501感應(yīng)是否有人經(jīng)過(guò)，由BH1750監(jiān)測(cè)光強(qiáng)信息；第二部分是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理和控制，包括用設(shè)定程序控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)以模擬窗簾的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，或用鍵盤(pán)或手機(jī)APP發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制；第三部分是藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，采用CC2640芯片的DX-BT20藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與手機(jī)APP的數(shù)據(jù)互傳。

2.1? 藍(lán)牙模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用DX-BT20芯片作為藍(lán)牙通信模塊，采用TI公司的CC2640芯片，支持高速傳輸，功耗較低。CC2640是一款面向Bluetooth Smart應(yīng)用的無(wú)線MCU，此器件屬于CC26xx系列經(jīng)濟(jì)高效、超低功耗2.4 GHz RF器件。該系列器件為改善系統(tǒng)性能和降低功耗，藍(lán)牙協(xié)議棧部分采用一個(gè)單獨(dú)的ARM Cortex-M0獨(dú)立運(yùn)行，它的工作頻率是48 MHz，與主處理器相同[7]。

2.2? 室內(nèi)環(huán)境采集硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器模塊獲取室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)[8]，這款產(chǎn)品技術(shù)成熟，已經(jīng)在很多測(cè)量場(chǎng)景中進(jìn)行了應(yīng)用，能保證長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性和可靠性。溫度測(cè)量范圍是0～50 ℃，誤差為±2 ℃；濕度測(cè)量范圍是20～90 %RH，誤差為±5 %RH；該模塊與STM32單片機(jī)之間的通信方式為單總線數(shù)據(jù)格式的同步通信。

本系統(tǒng)的光照強(qiáng)度傳感器模塊選用BH1750光傳感器。該傳感器是一種采用雙線IIC接口的數(shù)字光亮度集成電路傳感器，可以檢測(cè)較寬范圍的光強(qiáng)度變化。在本次設(shè)計(jì)中，用它來(lái)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境的光照強(qiáng)度，單片機(jī)可根據(jù)它測(cè)量的環(huán)境光強(qiáng)度值來(lái)自動(dòng)控制窗戶(hù)的打開(kāi)與關(guān)閉。該數(shù)字光強(qiáng)檢測(cè)傳感器的工作電壓為3～5 V，光照度可測(cè)的數(shù)據(jù)范圍是0～65 535 Lux，可直接通過(guò)內(nèi)置的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字輸出，進(jìn)行精度達(dá)1 Lux的高精度測(cè)量。光照傳感器模塊BH1750在工作時(shí)檢測(cè)周?chē)饩€變化，其SDA、SCL引腳接在STM32F103C8T6單片機(jī)的PB6、PB7接口。在系統(tǒng)上電進(jìn)入工作狀態(tài)后，單片機(jī)將通過(guò)IIC協(xié)議讀取光照光感器內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，每500毫秒循環(huán)讀取一次。BH1750模塊通過(guò)兩個(gè)IIC接口與單片機(jī)相連進(jìn)行通信。

本系統(tǒng)采用HC-SR501作為人體紅外感應(yīng)模塊，它具有工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)置的是RD-624紅外傳感探頭，并配合菲涅爾透鏡，使反應(yīng)更加靈敏，適用各類(lèi)自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備。

本系統(tǒng)采用DS1302作為時(shí)鐘模塊。它是由DALLAS公司研發(fā)的涓流充電時(shí)鐘芯片，能夠?qū)崟r(shí)提供秒、分、日、月和年的信息。其通信方式為同步時(shí)鐘的SPI通信，傳輸數(shù)據(jù)快，響應(yīng)度高，該模塊還使用了一個(gè)紐扣式電池，保證系統(tǒng)掉電后時(shí)間不會(huì)停止。

2.3? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

考慮到住戶(hù)窗簾導(dǎo)軌長(zhǎng)短不同的情況，為了能夠很好地模擬窗簾的打開(kāi)和關(guān)閉，這就要求電機(jī)不僅能正反轉(zhuǎn)，指定角度也需要很精確，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度的導(dǎo)軌，于是本設(shè)計(jì)中采用型號(hào)為28BYJ-48的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行模擬。該步進(jìn)電機(jī)用5～12 V電壓供電，選用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片是一款高壓、大電流輸出轉(zhuǎn)換器。該驅(qū)動(dòng)模塊可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向轉(zhuǎn)、反向轉(zhuǎn)和停止三個(gè)工作狀態(tài)，能夠很好地模擬窗簾的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)。

3? 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分包括STM32主控程序的設(shè)計(jì)、藍(lán)牙通信的設(shè)計(jì)以及手機(jī)APP程序的設(shè)計(jì)。其中，STM32的主控程序中主要包括傳感器數(shù)據(jù)的采集和步進(jìn)電機(jī)的控制，手機(jī)APP部分主要包括藍(lán)牙數(shù)據(jù)收發(fā)程序的編寫(xiě)和界面設(shè)計(jì)[9，10]。

3.1? 主控程序設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崟r(shí)處理和傳輸各個(gè)傳感器采集的信息，本次設(shè)計(jì)的程序?qū)?duì)DHT11溫濕度傳感器模塊、BH1750光照傳感模塊以及人體紅外傳感模塊等不斷進(jìn)行循環(huán)掃描，及時(shí)更新和處理數(shù)據(jù)。主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，之后再運(yùn)行其他功能模塊，并在不同模式下采取不同的程序邏輯。主程序流程圖如圖2所示。

3.2? 人體紅外檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

人體紅外檢測(cè)可分為兩種模式：正常模式和安防模式。正常模式下，當(dāng)檢測(cè)到有人移動(dòng)時(shí)，只記錄這次檢測(cè)到人移動(dòng)的時(shí)間，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP。而在安防模式下，除了將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶(hù)，還將在APP中提醒有人闖入，蜂鳴器也會(huì)隨之觸發(fā)，以警告闖入者。人體紅外檢測(cè)程序流程圖如圖3所示。

3.3? 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

藍(lán)牙傳輸協(xié)議在安卓手機(jī)系統(tǒng)上一直以來(lái)都得到了很好的支持。Android上的藍(lán)牙應(yīng)用開(kāi)發(fā)主要是使用安卓系統(tǒng)中提供的藍(lán)牙通信相關(guān)的類(lèi)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)首先對(duì)管腳進(jìn)行配置，然后對(duì)串口的波特率進(jìn)行設(shè)置，最后配置串口中斷模式。完成串口初始化后，上位機(jī)開(kāi)啟藍(lán)牙，找到需要通信的藍(lán)牙設(shè)備，然后創(chuàng)建藍(lán)牙接字和IO流，最后通過(guò)IO流與單片機(jī)進(jìn)行通信。

3.4? 手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP程序主要由藍(lán)牙數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、顯示視窗等部分組成。首先，手機(jī)需要搜索藍(lán)牙設(shè)備，程序預(yù)先將UUID寫(xiě)入，為連接做好準(zhǔn)備。連接成功后，需要在APP程序中將藍(lán)牙工作模式設(shè)置為串口通信模式，這樣才能與連接到單片機(jī)串口上的藍(lán)牙模塊通信，接收到的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)處理函數(shù)，否則會(huì)因?yàn)檫M(jìn)制問(wèn)題而產(chǎn)生亂碼。數(shù)據(jù)接收成功后，將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)手機(jī)APP上的顯示視窗完成顯示。發(fā)送數(shù)據(jù)前，也需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并且為了使用戶(hù)收到的數(shù)據(jù)沒(méi)有多余的內(nèi)容，需要提前將所發(fā)送數(shù)據(jù)包中不必要的內(nèi)容刪除，讓用戶(hù)收到最有用的數(shù)據(jù)。手機(jī)APP與藍(lán)牙通信部分流程圖如圖4所示。

手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)上的藍(lán)牙模塊能夠正常通信后，就能進(jìn)行手機(jī)APP在用戶(hù)層的開(kāi)發(fā)。在手機(jī)APP界面上將設(shè)定好的各個(gè)指令字符以按鈕、開(kāi)關(guān)等形式展示，按下對(duì)應(yīng)的按鈕其實(shí)就是發(fā)送相應(yīng)的指令，避免了手動(dòng)輸入指令及發(fā)送的麻煩，更是方便了用戶(hù)的使用。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

在設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性等進(jìn)行一個(gè)全面的測(cè)試，以確定本系統(tǒng)是否達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，并驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)該系統(tǒng)的測(cè)試主要分為硬件測(cè)試和軟件測(cè)試兩個(gè)部分：硬件測(cè)試包括各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)試和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試；軟件測(cè)試主要是對(duì)手機(jī)APP的功能測(cè)試，測(cè)試APP里的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，以及單片機(jī)能否對(duì)手機(jī)APP的功能按鈕做出相應(yīng)的反應(yīng)。

4.1? 硬件系統(tǒng)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果

4.1.1? 溫濕度傳感器測(cè)試

DHT11溫濕度傳感器測(cè)試可以通過(guò)該系統(tǒng)測(cè)得值與專(zhuān)業(yè)儀器測(cè)得值相對(duì)比的方式實(shí)現(xiàn)，測(cè)試方法是在同一時(shí)間、同一地點(diǎn)，記錄該系統(tǒng)測(cè)試的溫濕度值和市面上測(cè)試儀器測(cè)得的溫濕度值，將數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比得到的表格如表1和表2所示。

由以上兩個(gè)表得出的數(shù)據(jù)可知，沒(méi)有出現(xiàn)不合理的誤差，數(shù)據(jù)都接近于實(shí)際值，表明測(cè)量溫濕度的模塊工作正常且穩(wěn)定。

4.1.2? 光強(qiáng)傳感器測(cè)試

將光強(qiáng)傳感器BH1750置于不同的光照環(huán)境下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，光強(qiáng)傳感器顯示的數(shù)值變化靈敏，在室內(nèi)角落的光強(qiáng)數(shù)值在10～20之間變化，在室內(nèi)燈光下的光強(qiáng)數(shù)值在40～50之間變化，白天面朝窗戶(hù)時(shí)光強(qiáng)數(shù)值在100以上，表明該模塊正常工作，部分測(cè)試結(jié)果如表3所示。

該模塊除了監(jiān)測(cè)光強(qiáng)的功能外，還要結(jié)合步進(jìn)電機(jī)，讓它根據(jù)光照值大小實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的自動(dòng)控制功能。在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)按鍵或手機(jī)發(fā)送指令控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如表4所示為自動(dòng)模式下根據(jù)設(shè)定的光強(qiáng)閾值改變電機(jī)正反轉(zhuǎn)的結(jié)果。由以上結(jié)果可知兩者工作配合正常。

4.2? 軟件系統(tǒng)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果

手機(jī)APP主界面包括環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)窗口、人體紅外傳感器觸發(fā)記錄窗口、設(shè)備控制按鈕和模式選擇開(kāi)關(guān)四大部分，該APP通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙連接單片機(jī)上的藍(lán)牙模塊與單片機(jī)進(jìn)行通信，其主界面如圖5所示。

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示窗口主要用于顯示當(dāng)前時(shí)間的環(huán)境數(shù)據(jù)，該部分下方設(shè)有一個(gè)下拉列表，用戶(hù)可根據(jù)需要選擇數(shù)據(jù)更新頻率。APP相關(guān)截圖如圖6所示。

設(shè)備控制按鈕部分和模式選擇開(kāi)關(guān)部分的原理基本相同，即每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)提前設(shè)定好功能的字符，按下按鈕后，手機(jī)APP通過(guò)藍(lán)牙將指定字符發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)完成對(duì)應(yīng)的指令，經(jīng)過(guò)測(cè)試，每個(gè)按鈕都能正常工作，該部分界面如圖7所示。

該部分可用于無(wú)線操控各個(gè)設(shè)備，藍(lán)牙連接好后，按下不同按鈕后單片機(jī)會(huì)正確執(zhí)行對(duì)應(yīng)命令，說(shuō)明該部分功能正常。在模式選擇開(kāi)關(guān)部分，若打開(kāi)自動(dòng)控制，單片機(jī)就會(huì)比較當(dāng)前光強(qiáng)與設(shè)定閾值來(lái)自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；若打開(kāi)安全預(yù)警模式，人體紅外檢測(cè)模塊一旦被觸發(fā)，除顯示和記錄觸發(fā)時(shí)間外，同時(shí)蜂鳴器也會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，警示闖入者。

5? 結(jié)? 論

根據(jù)目前智能家居系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況和市場(chǎng)的客觀需求，結(jié)合STM32單片機(jī)技術(shù)、藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)和移動(dòng)客戶(hù)端技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種能在手機(jī)APP上通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制家居以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的小型智能家居系統(tǒng)。本文詳細(xì)闡述了通過(guò)STM32微處理器將環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功能整合在一個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和方法，可充分利用該微處理的資源，成本較為低廉。經(jīng)過(guò)測(cè)試得知，本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，很好地實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)測(cè)量和控制功能，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)便捷、安全、高效智能生活的需求。

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作者簡(jiǎn)介：楊飛宇（1997—），男，漢族，河南周口人，碩士研究生在讀，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與智能儀器；吳菲（1995—），男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，主要研究方向：計(jì)算機(jī)軟件；唐修權(quán)（1997—），男，漢族，重慶人，碩士研究生在讀，主要研究方向：計(jì)算機(jī)軟件。