基于STC單片機(jī)的“互聯(lián)網(wǎng)+”智能家居系統(tǒng)

摘 要：為了給用戶提供安裝和操作簡單、便捷的智能家居，設(shè)計(jì)了一種具有室內(nèi)溫濕度監(jiān)控、智能開關(guān)控制、智能窗簾控制以及有害氣體監(jiān)控與報(bào)警功能的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)為基礎(chǔ)而打造出來的，采用STC8A8K64S4A12開發(fā)板作為控制系統(tǒng)的主控設(shè)備以及ESP8266 WiFi模塊作為通信設(shè)備，分別利用Keil uVision5和Arduino IDE 編程平臺進(jìn)行開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燈·blinker APP對智能家居系統(tǒng)的控制，以及相關(guān)數(shù)據(jù)在APP和OLED液晶顯示屏上顯示。經(jīng)過一系列測試，智能家居系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足用戶的日?；拘枨?，具有一定實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；STC8A8K64S4A12；ESP8266；點(diǎn)燈·blinker；“互聯(lián)網(wǎng)+”

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)已成為居民生活中不可或缺的一部分[1-2]。智能家居是利用自動化技術(shù)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和音視頻技術(shù)等在住宅上打造具有智能化、便捷性和安全性等特點(diǎn)的智能系統(tǒng)[3]。然而，目前智能家居系統(tǒng)仍然存在一系列問題，如穩(wěn)定性、操作性、靈活性、用戶體驗(yàn)等方面尚待研究和改進(jìn)[4-5]。因此，本文旨在設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定運(yùn)行、易于擴(kuò)展、簡單易行，并且能更高效地實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的智能家居系統(tǒng)。這將為人們提供更為智能化、舒適化的居住體驗(yàn)，促進(jìn)智能家居技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，具有重要的意義和價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)[6]為基礎(chǔ)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由STC8A8K64S4A12開發(fā)板以及由各個(gè)傳感器模塊組成的智能開關(guān)控制電路、智能窗簾控制電路、煙霧濃度檢測和報(bào)警電路、溫濕度檢測電路來實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)層由ESP8266 WiFi模塊和點(diǎn)燈科技平臺來實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層由點(diǎn)燈·blinker APP[7]和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。

智能家居系統(tǒng)主要由基于STC8A8K64S4A12開發(fā)板設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和基于ESP8266 WiFi模塊設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)以Keil uVision5作為編程平臺，通信系統(tǒng)以 Arduino IDE作為編程平臺，通過WiFi聯(lián)網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端與系統(tǒng)的連接，利用點(diǎn)燈科技平臺作為媒介以實(shí)現(xiàn)通過點(diǎn)燈·blinker APP上的按鈕向通信系統(tǒng)發(fā)送指令，通信系統(tǒng)收到指令并驗(yàn)證正確后將指令發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的指令；控制系統(tǒng)不斷讀取設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)并經(jīng)通信系統(tǒng)傳送到點(diǎn)燈·blinker APP端，從而完成對住宅的智能控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為智能開關(guān)控制電路、智能窗簾控制電路、煙霧濃度檢測和報(bào)警電路、溫濕度檢測電路四個(gè)功能模塊，采用了1路繼電器、有源蜂鳴器、步進(jìn)電機(jī)、ULN2003驅(qū)動板、DHT11溫濕度傳感器模塊、MQ-2煙霧氣體傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、LED燈、直流電機(jī)、OLED液晶顯示屏模塊。其中OLED液晶顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示電路中的設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)。智能家居系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 智能開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)

智能開關(guān)控制電路模塊分為5個(gè)開關(guān)，分別為臥室燈、客廳燈、可調(diào)節(jié)亮度燈、風(fēng)扇開關(guān)、排氣扇開關(guān)，即智能開關(guān)控制電路采用3只LED燈的亮滅分別來模擬臥室燈、客廳燈、可調(diào)節(jié)亮度燈的工作；用兩個(gè)1路繼電器分別控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動來模擬排氣扇、電風(fēng)扇的工作。臥室燈用高電平點(diǎn)亮、客廳燈用高電平點(diǎn)亮；可調(diào)節(jié)亮度燈用PWM波來控制，PWM波控制可以在控制亮滅的基礎(chǔ)上根據(jù)PWM波的原理來調(diào)節(jié)亮度。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）[8]就是在一定的頻率下，通過不同的占空比得到不同的輸出模擬電壓。當(dāng)APP發(fā)送指令使連接繼電器的引腳處于高電平狀態(tài)時(shí)，繼電器開始驅(qū)動排氣扇或者電風(fēng)扇工作。

通過點(diǎn)燈·blinker APP即可對這五個(gè)開關(guān)實(shí)現(xiàn)智能控制，并實(shí)時(shí)將這五個(gè)開關(guān)的狀態(tài)顯示在OLED液晶顯示屏和反饋到APP界面上。智能開關(guān)控制電路的工作流程如圖3所示。

2.2.2 智能窗簾控制電路設(shè)計(jì)

智能窗簾控制電路采用ULN2003驅(qū)動板、28BYJ-48 步進(jìn)電機(jī)以及光敏電阻傳感器設(shè)計(jì)而成。智能窗簾控制電路擁有手動和自動調(diào)節(jié)窗簾的狀態(tài)、自動感光功能。該模塊還可以檢測光照的強(qiáng)度，并實(shí)時(shí)在點(diǎn)燈·blinker APP界面顯示。當(dāng)窗簾處于手動調(diào)節(jié)的狀態(tài)時(shí)，用戶可以自行根據(jù)實(shí)際需求選擇打開或者關(guān)閉窗簾。當(dāng)窗簾處于自動調(diào)節(jié)的狀態(tài)時(shí)，可以自行根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定光照強(qiáng)度，當(dāng)光照強(qiáng)度大于預(yù)定值，窗簾會自動關(guān)閉；當(dāng)光照強(qiáng)度小于預(yù)定值，窗簾會自動打開。智能窗簾控制電路的工作流程如圖4所示。

2.2.3 WiFi模塊電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中采用的WiFi模塊使用樂鑫公司開發(fā)的高度集成ESP8266芯片，它具有體積小、丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重、價(jià)格超低等優(yōu)勢[9]。由于通信系統(tǒng)開發(fā)板ESP8266僅有一個(gè)串口，為了方便通信，采用軟件模擬的方式將ESP8266 WiFi模塊上的兩個(gè)IO口化為串口，與控制STC8A8K64S4A12開發(fā)板的兩個(gè)通信串口連接，兩者通過串口通信。為了使串口通信更加穩(wěn)定，將各自的VCC和GND連接起來，其通過WiFi接入局域網(wǎng)；當(dāng)軟硬件處于同一網(wǎng)絡(luò)下時(shí)，可以通過點(diǎn)燈·blinker APP查看控制系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制智能開關(guān)、智能窗簾、煙霧濃度報(bào)警和溫濕度顯示等功能。

2.2.4 煙霧濃度檢測和報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用MQ-2煙霧傳感器[10]采集住宅室內(nèi)的煙霧濃度值并將其實(shí)時(shí)在OLED液晶顯示屏和點(diǎn)燈·blinker APP界面顯示。用戶可以自行設(shè)定煙霧濃度值的大小，當(dāng)煙霧濃度值超過預(yù)定值時(shí)，有源蜂鳴器發(fā)出響聲作為報(bào)警信號來提醒用戶室內(nèi)煙霧濃度過大，需要及時(shí)做出反應(yīng)。煙霧濃度檢測和報(bào)警電路工作流程如圖5所示。

2.2.5 溫濕度檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用DHT11復(fù)合溫濕度傳感器[11]采集住宅室內(nèi)的溫濕度并將其實(shí)時(shí)在OLED液晶顯示屏和點(diǎn)燈·blinker APP界面顯示，以便用戶可以更清楚地了解室內(nèi)的環(huán)境并及時(shí)做出調(diào)整。溫濕度檢測電路工作流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)

智能家居系統(tǒng)需要開發(fā)相對應(yīng)的軟件APP作為通信系統(tǒng)的控制中心。本系統(tǒng)采用點(diǎn)燈科技提供的點(diǎn)燈·blinker APP進(jìn)行軟件開發(fā)，其功能十分強(qiáng)大。點(diǎn)燈·blinker APP軟件能運(yùn)行在安卓系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)上，接入簡單且快速，其提供的模塊不僅可以讓開發(fā)者快速完成APP界面的布局，而且還支持目前主流的硬件開發(fā)和多種通信技術(shù)，支持藍(lán)牙接入、WiFi聯(lián)網(wǎng)接入和網(wǎng)絡(luò)接入方式。本次設(shè)計(jì)采用WiFi聯(lián)網(wǎng)接入的方式完成開發(fā)與通信。

3.2 APP界面設(shè)計(jì)

APP界面的設(shè)計(jì)使用Layout編輯器，在界面編輯模式下通過對點(diǎn)燈·blinker APP 軟件提供的模塊進(jìn)行編輯就可以完成設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊模塊圖標(biāo)就可以設(shè)置該模塊的顯示風(fēng)格或者參數(shù)，支持文字、按鍵、調(diào)試、滑塊、顏色、圖表、視頻和圖片等多種界面布局方式，并且可以更改界面背景圖片，設(shè)置模塊的鍵值。本次設(shè)計(jì)采用了按鍵、數(shù)據(jù)、滑塊和調(diào)試這四個(gè)模塊，按鍵用到了7個(gè)，除了窗簾的上下調(diào)節(jié)按鍵外其他按鍵支持狀態(tài)反饋，背景色為白色代表按鈕處于關(guān)狀態(tài)，背景色為黃色代表開關(guān)處于開狀態(tài)；數(shù)據(jù)用了4個(gè)，分別用于顯示濕度、溫度、光照強(qiáng)度和煙霧濃度；滑塊用到了1個(gè)，用來改變可調(diào)節(jié)燈的亮度，并且支持狀態(tài)反饋。為了方便用戶查看系統(tǒng)狀態(tài)，還用到了1個(gè)調(diào)試組件，可以清楚地看到數(shù)據(jù)的變化。圖7為APP的最終界面設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)測試

首先連接好智能家居系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊（如圖8所示），然后將在Keil uVision5編程平臺編寫好的代碼通過STC-ISP燒錄到STC8A8K64S4A12開發(fā)板，并將在Arduino IDE編程平臺編寫好的代碼上傳到ESP8266 WiFi模塊。接著通過WiFi聯(lián)網(wǎng)的方式來完成點(diǎn)燈·blinker APP和智能家居系統(tǒng)連接；待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過APP對智能開關(guān)、智能窗簾、煙霧濃度檢測與報(bào)警、溫濕度檢測、OLED液晶顯示等功能進(jìn)行測試。

通過APP界面上的按鈕控制客廳燈、臥室燈、排氣扇、電風(fēng)扇、窗簾的開或者關(guān)以及根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的光照強(qiáng)度值完成窗簾開或關(guān)；通過滑動APP界面上的滑動條控制可調(diào)節(jié)燈的亮度。經(jīng)測試，各個(gè)功能模塊均能正常運(yùn)行，APP和OLED液晶顯示屏顯示設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)以及溫濕度、煙霧濃度、可調(diào)節(jié)燈的亮度（如圖9、圖10所示）。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)是基于物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，并由STC8A8K64S4A12開發(fā)板設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)和ESP8266 WiFi模塊設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)結(jié)合而成的智能家居系統(tǒng)。STC8A8K64S4A12開發(fā)板和ESP8266 WiFi模塊具有價(jià)格低、通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以降低設(shè)計(jì)成本和開發(fā)周期。經(jīng)測試，智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對住宅的智能開關(guān)電路控制、智能窗簾控制電路控制、煙霧濃度檢測與報(bào)警電路控制、溫濕度檢測電路控制，其具有性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)，可以滿足用戶的正常生活需求。

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作者簡介：吳源穎（2002—），男，本科，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。