基于STM32的智能家居環(huán)境控制與物聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計

李金鳳,呂俊燕

(山東華宇工學(xué)院,山東 德州 253034)

0 引言

智能家居系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié),營造較為舒適的生活環(huán)境。X-10系統(tǒng)是最早流行于美國的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1],以其實用性、功能性、操作簡單性受到青睞。德國EIB(European Installation Bus)系統(tǒng)是一種高度智能化的電器安裝技術(shù),采用預(yù)埋總線和中央控制方式實現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能[2],為建筑物的能量管理與自動化控制提供有效的解決方案,但其設(shè)備要求復(fù)雜,造價成本較高,市場占有率不高。韓國三星公司將多種智能家居功能集成在機(jī)頂盒內(nèi)[3],為智能家居的發(fā)展開拓了新的方向。國外智能家居技術(shù)已較為成熟。而我國智能家居技術(shù)起步較晚,經(jīng)歷了較長的緩慢發(fā)展期[4]。20世紀(jì)90年代后期,我國實施了全國住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程,標(biāo)志著我國住宅小區(qū)智能化進(jìn)入了新階段[2],智能家居行業(yè)得到了更為規(guī)范的指導(dǎo),發(fā)展迅速。4G、5G的出現(xiàn)令網(wǎng)絡(luò)更加便捷,促進(jìn)了智能家居技術(shù)的發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起使各式各樣的家電設(shè)備實現(xiàn)了互聯(lián),形成了智能家居系統(tǒng)[5-7]。本研究基于STM32,設(shè)計了一套智能家居系統(tǒng),具有環(huán)境檢測、系統(tǒng)控制、智能物聯(lián)等功能,令空調(diào)、加濕器、窗戶、窗簾等設(shè)備能夠?qū)Νh(huán)境條件進(jìn)行自動分析,應(yīng)用微電子技術(shù)實時監(jiān)測并控制居住環(huán)境的溫濕度及空氣質(zhì)量,通過傳感器獲取室內(nèi)外信息,為家庭環(huán)境提供實時監(jiān)控、智能預(yù)警等服務(wù),實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的動態(tài)調(diào)控[8]。

1 技術(shù)路線

系統(tǒng)主要依靠控制裝置智能調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境,通過各類傳感器(溫度、濕度傳感器)檢測各項參數(shù),并將其傳遞給系統(tǒng)控制裝置的單片機(jī),由單片機(jī)進(jìn)行比較處理,得出結(jié)果。當(dāng)室內(nèi)空氣某一污染物指數(shù)超標(biāo)或溫濕度超出宜居范圍,系統(tǒng)將下達(dá)命令,通過開窗等方式進(jìn)行調(diào)控。其核心是通過控制多種家具設(shè)備來實現(xiàn)居室環(huán)境的改變。

傳感器負(fù)責(zé)檢測室內(nèi)外環(huán)境,將空氣濕度、溫度等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號傳遞給系統(tǒng)控制裝置。單片機(jī)負(fù)責(zé)對傳感器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、比較,根據(jù)編制的程序自動做出選擇或遵循操作者的自主選擇將命令下傳給控制器?？刂破鹘邮盏絾纹瑱C(jī)下達(dá)的命令后,通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(如窗戶的開關(guān)、窗簾的移動)或電源的開斷等來實現(xiàn)居室環(huán)境的改變。還可自主設(shè)定溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù),兼顧自動化與自主選擇。

系統(tǒng)由無線傳輸模塊、One NET云平臺、手機(jī)APP形成物聯(lián),采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至APP助手,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與預(yù)警。采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云平臺,可實現(xiàn)深度數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。根據(jù)使用者的不同自主設(shè)置各個環(huán)境因子參數(shù),通過手機(jī)端APP或系統(tǒng)按鍵來設(shè)置閾值,實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的多樣性。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的技術(shù)路線

2 使用模擬

如圖2、圖3、圖4所示,系統(tǒng)主要包括檢測機(jī)構(gòu)(100)、調(diào)控機(jī)構(gòu)(200)、晾曬機(jī)構(gòu)(300),均設(shè)置在房體(400)上[9],通過檢測機(jī)構(gòu)檢測房體外界環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境的溫度、濕度及光照強(qiáng)度等,通過調(diào)控機(jī)構(gòu)對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整,適宜居住,減少人為操作調(diào)節(jié),避免調(diào)節(jié)失誤造成的影響。

圖3 晾曬機(jī)構(gòu)(300)

圖4 檢測機(jī)構(gòu)(100)

2.1 實施形式

檢測機(jī)構(gòu)包括溫度傳感器(130)、濕度傳感器(140)、光度傳感器(150)及空氣質(zhì)量傳感器(160),通過螺栓固定安裝在房體外端與房體內(nèi)壁上,連接器(170)用于連接網(wǎng)絡(luò),獲取更新天氣信息[10]。所有傳感器均通過導(dǎo)線接入控制面板(210)。

調(diào)控機(jī)構(gòu)包括控制面板(210)、窗戶組件(220)、窗簾組件(230)、驅(qū)動組件(240)、加濕器(250)及空調(diào)(260)。其中窗戶組件、窗簾組件、驅(qū)動組件、加濕器及空調(diào)均安裝在房體上,窗戶組件、窗簾組件、驅(qū)動組件設(shè)有多個,窗戶組件包括窗架(221)、窗體(222),窗架通過卡接方式固定安裝在房體上,窗體通過滑輪滑動在窗架上。窗簾組件包括滑動架(231)、滑桿(232)、窗簾(233)及收線器(234),滑桿通過螺栓固定安裝在房體上,滑動架與窗簾滑動配合在滑桿上,收線器通過螺栓固定安裝在滑桿的一端,收線器的收線一端與窗簾固定連接。驅(qū)動組件包括絲桿(241)、第一電機(jī)(242)、第二電機(jī)(243),第一電機(jī)通過螺栓固定安裝在窗架上,絲桿一端與第一電機(jī)的輸出軸傳動連接,另一端與窗架螺紋連接,第二電機(jī)通過螺栓固定安裝在滑桿上,第二電機(jī)的輸出軸與收線器的線固定連接。

晾曬機(jī)構(gòu)包括安裝架(310)、移動架(320)、傳送帶(330)、壓力傳感器(340)及第三電機(jī)(350),安裝架通過螺栓固定安裝在房體上,傳送帶通過滾輪等傳動配合在安裝架上,移動架通過螺栓固定安裝在安裝架上,移動架與傳送帶傳動連接,第三電機(jī)通過螺栓固定安裝在安裝架上,傳送帶與第三電機(jī)的輸出端傳動連接,壓力傳感器通過螺栓固定安裝在安裝架上,壓力傳感器及第三電機(jī)接入控制面板,以保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

2.2 實施流程及作用

日常生活中,可通過檢測機(jī)構(gòu)檢測室內(nèi)外的各種環(huán)境參數(shù)。通過各傳感器模塊獲取空氣質(zhì)量、溫度、濕度及光照強(qiáng)度等參數(shù),通過控制面板將室內(nèi)與室外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比較,得出適合的數(shù)據(jù)結(jié)果,通過調(diào)控機(jī)構(gòu)調(diào)整空調(diào)、加濕器、窗簾及窗戶等設(shè)備,為人們提供適宜的居住條件,也可根據(jù)需要通過控制面板調(diào)節(jié)此系統(tǒng)。

當(dāng)室內(nèi)空氣質(zhì)量與空氣流動性較差時,控制面板將調(diào)控第一電機(jī)運行,驅(qū)動窗戶移動,自動開窗通風(fēng),更新室內(nèi)空氣;當(dāng)空氣環(huán)境到達(dá)良好時,控制面板控制關(guān)閉窗戶。室外光照條件良好時,控制面板將對光度傳感器接收的信號進(jìn)行判斷,對室內(nèi)外的光照進(jìn)行對比,控制第二電機(jī)運轉(zhuǎn),令窗簾移動,自動調(diào)節(jié)室內(nèi)的光照強(qiáng)度。

通過設(shè)置檢測機(jī)構(gòu)及調(diào)控機(jī)構(gòu),對房體內(nèi)的空氣濕度、溫度及光照強(qiáng)度等進(jìn)行智能調(diào)整,通過檢測室外與室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),在控制面板的調(diào)控下控制窗戶與窗簾的開度大小,使室內(nèi)達(dá)到適宜的環(huán)境狀態(tài),減少人為操作造成的調(diào)節(jié)失誤。

當(dāng)壓力傳感器檢測到有壓力時,控制面板判斷移動架上有晾曬衣物,控制面板通過檢測機(jī)構(gòu)檢測到室外環(huán)境光照條件良好時,可通過控制窗簾移動進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)室外環(huán)境適宜晾曬時,控制面板通過調(diào)控使第三電機(jī)運行,驅(qū)動傳送帶轉(zhuǎn)動,帶動移動架移動到窗外,實現(xiàn)自動晾曬。光照條件較差時,移動架收回到窗內(nèi),降低衣物被淋濕的可能。

3 結(jié)束語

智能家居系統(tǒng)通過傳感器自主讀取室內(nèi)外參數(shù),動態(tài)調(diào)控室內(nèi)環(huán)境,使其能夠自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。門窗可根據(jù)系統(tǒng)調(diào)控自動多向開合,通風(fēng)方式多樣化,適用于多種情況。調(diào)控系統(tǒng)通過控制面板實現(xiàn)智能物聯(lián),獲取各環(huán)境因子參數(shù),讀取當(dāng)前的環(huán)境情況,為人們提供更加便利、簡潔、智能、安全的居住環(huán)境。