嚴(yán)煒權(quán) 朱俊豪

摘要：隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能家居行業(yè)也逐步發(fā)展。人們的生活行為方式越來越向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化逐步前進(jìn)，智能家居對于改善人們的生活水平起著至關(guān)重要。本文主要采用STM32微型單片機為處理中樞核心，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)、WiFi通信組網(wǎng)技術(shù)以及傳感器的應(yīng)用技術(shù)等來實現(xiàn)家居環(huán)境的智能聯(lián)網(wǎng)。分析并選取合適的平臺、傳感器和無線組網(wǎng)方式，設(shè)計了一款低成本、低功耗的智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能家居;STM32;傳感器;無線通信

1智能家居系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展情況

國外較我國很早便開始了相關(guān)的研究。以IBM、SUMSUNG等國際民企為代表的公司積極投入，為智能家居的理論和實際應(yīng)用做出來突出的貢獻(xiàn)。

由于我國智能家居行業(yè)起步較晚，相關(guān)控制系統(tǒng)等技術(shù)相對不夠完善。但隨著一些知名大企業(yè)如華為、騰訊、小米等的涉足，并投入大量的資金對智能家居的尖端技術(shù)進(jìn)行研究，推進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

2主要研究內(nèi)容與意義

當(dāng)今世界，隨著5G技術(shù)愈發(fā)成熟，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)得到飛速發(fā)展，國內(nèi)智能家居相關(guān)產(chǎn)業(yè)在宏觀經(jīng)濟環(huán)境的助推下獲得了更多的發(fā)展可能性。智能家居技術(shù)的發(fā)展可以促進(jìn)家庭從傳統(tǒng)到智能互聯(lián)網(wǎng)的過渡，可以方便地監(jiān)視和控制家居活動，為居住者提供更好的舒適度。通過引入自動化的設(shè)備控制和輔助服務(wù)，可以減少能耗，為人們提供更好的生活質(zhì)量。

本文設(shè)計一種低成本、易操作的智能家居控制系統(tǒng)總體框架，實現(xiàn)云服務(wù)平臺與智能硬件的高效結(jié)合。用戶可以隨時隨地了解室內(nèi)環(huán)境并實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，確保整個智能家居系統(tǒng)功能齊全、運行正常、性能可靠。以STM32單片機為微處理器，結(jié)合ZigBee、藍(lán)牙和WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一款低成本、易于操作的智能家居網(wǎng)關(guān)，方便用戶隨時隨地了解室內(nèi)環(huán)境，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

3智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

智能家居體系核心是STM32單片機中央控制器，通過安裝的各傳感器檢測居室內(nèi)的溫濕度、煙霧濃度等人體敏感的環(huán)境參數(shù)，并將檢測到的數(shù)據(jù)匯總采用通過無線WIFI以及ZigBee等通信模式實現(xiàn)，確保數(shù)據(jù)能真實、準(zhǔn)確、及時地傳遞到控制中心。通過數(shù)據(jù)分析處理，完成相關(guān)功能設(shè)置，以便可以安全、可靠地實現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)預(yù)警和報警、一鍵控制設(shè)備開關(guān)等技術(shù)功能，實現(xiàn)用戶與家居的智能互聯(lián)，總體框圖如圖1所示：

3.1傳感器模塊設(shè)計方案

傳感器即轉(zhuǎn)換被測量為可用電信號的裝置或者是器件，計算機處理的數(shù)據(jù)當(dāng)前基本上屬于數(shù)字信號，但是家居環(huán)境中，其參量多屬于模擬信號。應(yīng)將轉(zhuǎn)換模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用感器技術(shù)使得計算機可以深入處理信號。在系統(tǒng)中，應(yīng)該對于家居生活環(huán)境中參量實時掌握，以針對性策略加強控制，同時設(shè)置不同的傳感器，對于溫度、濕度、煤氣泄漏等家居環(huán)境信息進(jìn)行有效的采集，通過傳感器，把各種信息向著可用電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)而有效調(diào)控家居設(shè)備。

在智能家居當(dāng)中，包括了溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體檢測傳感器、紅外探測傳感器等，所以可以對家居環(huán)境各種參數(shù)做到立體化、全方位檢測。

3.2溫濕度檢測模塊

溫濕度模塊是對家居運作狀態(tài)進(jìn)行評價的關(guān)鍵指標(biāo)，顯示家居系統(tǒng)內(nèi)的實際溫度、濕度進(jìn)行，同時，傳感器節(jié)點連接燈光的開關(guān)狀態(tài)控制體系，在感知控制層內(nèi)進(jìn)行開、關(guān)燈光。加入層中有智能網(wǎng)關(guān)，互相地通信于燈光傳感器節(jié)點，傳輸服務(wù)器指令。即用戶可以進(jìn)行溫濕度名稱、初始的數(shù)值合理設(shè)置，隨時修改相應(yīng)數(shù)值，及時了解溫濕度運作狀態(tài)。

3.3光學(xué)檢測模塊

光學(xué)感知模塊主要針對可見光與紅外線，主要分為人體紅外線感知以及室內(nèi)環(huán)境的光照度實時傳感。通過合理地布置安裝傳感器，能實時檢測環(huán)境的光照強度以及室內(nèi)人員進(jìn)出情況，且通過傳感得到的信息實時分析并提供互動服務(wù)。

3.4氣體檢測模塊

一般來說，如若發(fā)生火災(zāi)，就會有煙霧產(chǎn)生，或者家里的燃?xì)庑孤┊a(chǎn)生易燃易爆的氣體。因此氣體探測模塊的既能檢測到煙霧又能檢測到可燃?xì)怏w的傳感器，這樣就能有效的預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

3.5繼電器控制系統(tǒng)

繼電器是一種電控制器件，與開關(guān)功能類似，它是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。智能家居系統(tǒng)中采用繼電器來實現(xiàn)控制功能。繼電控制系統(tǒng)不需要向上發(fā)送信息，只需要接收來自單片機的指令。繼電控制系統(tǒng)接收兩類信息，一個是由單片機發(fā)出的指令，用于自動控制場合;一類是用戶通過終端向單片機發(fā)出的指令，用于對各種硬件的遠(yuǎn)程實時控制。

3.6信號的采集與轉(zhuǎn)換

智能家居系統(tǒng)涉及種類繁多的傳感器，當(dāng)這些傳感器在輸出數(shù)據(jù)過程中，在 STM32 的 A/D 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行了信號采集。芯片在做A/D功能時，根據(jù)那傳感器輸出得到的模擬信號，會經(jīng)過4個步驟將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，分別是：采樣、保持、量化與編碼。

3.7系統(tǒng)整合與數(shù)據(jù)交互

智能家居系統(tǒng)總節(jié)點的數(shù)據(jù)處理以及傳輸節(jié)點是系統(tǒng)的處理中樞。該節(jié)點主要由STM32單片機、ZigBee通信模塊和WiFi無線通信模塊構(gòu)成。對家居室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測過程中，在室內(nèi)分區(qū)域，合理布置各類傳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，空氣溫度、濕度、煙霧含量等信息被采集，被采集的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。多個傳感器組成的感知網(wǎng)絡(luò)，信息提供給STM32單片機來處理，并且通過WiFi無線通信模塊發(fā)送至總服務(wù)器，再經(jīng)由移動信號發(fā)送至用戶的手機端，由此可以與云平臺、遠(yuǎn)程服務(wù)器等實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

總結(jié)與展望

本系統(tǒng)選擇STM32微型單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，ZigBee無線數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)與WiFi無線通信技術(shù)共同組網(wǎng)的家庭網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方式，以及一系列的配件構(gòu)成。

隨著5G時代的加速到來，“連接”的趨勢方興未艾，智能家居處在一個蓬勃發(fā)展階段。設(shè)置智能家居系統(tǒng)，運用智能感知技術(shù)將物品按照一定的協(xié)議連接起來，實現(xiàn)智能控制和管理。能夠促進(jìn)家庭管理智能性、自動性，對家庭中很多設(shè)施運作狀態(tài)展開全面的管控，是社會進(jìn)步的重要體現(xiàn)。

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[3]智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 張程 電子科技大學(xué) 2020-09-01 碩士