韋栗，張啟龍，易攀

（六盤水師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，貴州六盤水，553000）

0 引言

隨著電子技術(shù)和電子產(chǎn)品在現(xiàn)實世界中的普及，家庭人工智能產(chǎn)品的提升才能滿足人們實際生活的應(yīng)用要求[1]。為實現(xiàn)家庭環(huán)境監(jiān)測、安全管理、家電監(jiān)測等功能，提高家庭生活質(zhì)量，文章設(shè)計了以STM32F1系列芯片作為主要控制單元?；赪iFi的智能家居致力于物聯(lián)網(wǎng)自動控制系統(tǒng)的研究。WiFi光節(jié)點的數(shù)目由AP Coordinator可以訪問的節(jié)點數(shù)目決定[2]。集成多種高性能傳感器，基于信息技術(shù)打造高品質(zhì)的家庭設(shè)施和環(huán)境管理系統(tǒng)，滿足家庭安全、便捷、舒適的需求[3]。

1 硬件設(shè)計

(1)硬件設(shè)計綜述。文章以STM32F1單片機(jī)為核心，由溫度和濕度傳感器、煙霧傳感器、電機(jī)模塊和WiFi模塊作為外圍設(shè)備構(gòu)成的控制系統(tǒng)設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示。

(2)微處理控制系統(tǒng)。以STM32F1系列單片機(jī)作為主控制模塊。其可以對傳感器采集到的信息進(jìn)行接收和處理。STM32F1系列單片機(jī)主控最小系統(tǒng)原理電路設(shè)計如圖2所示。

(3)溫度和濕度傳感器。所選的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的空氣濕度壓力與飽和濕壓之比為20%～90%，測量精度約為±4%，溫度測量范圍為0℃～50℃，測量精度為±1℃～±2℃[4]。以程序的形式標(biāo)定系數(shù)，DHT11與8位高性能微機(jī)耦合，具有高性能干擾、高性能、高精度、高傳輸距離、DHT11的工作原理可以由文獻(xiàn)[5]可知。溫度和濕度傳感器電路設(shè)計如圖3所示。

(4)煙霧傳感器。本次設(shè)計選擇的是MQ2煙霧傳感器，跟市場上各種類似的傳感器比較發(fā)現(xiàn)，使用煙霧傳感器主要是檢測家庭常見的一氧化碳等常見家用電器使用不當(dāng)時產(chǎn)生的可燃危險氣體。在文獻(xiàn)[6]中體現(xiàn)了MQ2煙霧傳感器的工作原理。MQ2煙霧傳感器電路原理如圖4所示。

(5)窗簾驅(qū)動電機(jī)模塊。采用的是L298P電機(jī)控制芯片[7]。L298可用于驅(qū)動直流電動機(jī)，部分高檔微機(jī)如AVR、PIC等均有PWM輸出端口[8]。該芯片的平均驅(qū)動電壓可達(dá)50V，可以滿足電動機(jī)的正常運(yùn)行條件。窗簾驅(qū)動電機(jī)控制電路如圖5所示。

(6)WiFi模塊。WiFi模塊ESP8266選擇串行同行協(xié)議與微控制器同行[9]。WiFi模塊是物聯(lián)網(wǎng)的一部分（物聯(lián)網(wǎng)）傳輸層。它通過WiFi將醫(yī)療器械、數(shù)據(jù)采集、手機(jī)等不同設(shè)備連接在一起，形成局域網(wǎng)?？梢栽诓煌h(huán)境和情況下與WiFi連接的無線通信，構(gòu)成蜂窩局域網(wǎng)[10]。其工作原理如圖6所示。

2 軟件設(shè)計

(1)軟件設(shè)計總述。系統(tǒng)軟件支持STM32F1系列微機(jī)最小系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，使用微機(jī)控制各模塊的平穩(wěn)有序工作。同時，控制系統(tǒng)監(jiān)測安卓客戶端是否發(fā)出命令，如果先執(zhí)行相關(guān)命令，程序?qū)⒕S持STM32F1系列單片機(jī)最小系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動，使用微處理器穩(wěn)定有序地控制模塊，初始化STM32F1系列的所有外部設(shè)備，并在訪問ESP8266WiFi模塊后確定是否訪問云服務(wù)，然后處理所需數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給服務(wù)器更新。同時，控制系統(tǒng)的客戶端決定是否發(fā)出命令，如果有執(zhí)行命令，則實行手動控制，如果沒有執(zhí)行命令，則實行自動控制。

(2)溫濕度傳感器軟件設(shè)計。工作時低電平有效，它可以自動測量空氣中的溫度和濕度，且靈敏度和精確度較高，是檢測空氣中溫濕度的最佳選擇。先對溫濕度傳感器外設(shè)進(jìn)行初始化，再讀取溫度和濕度的值，顯示溫度和濕度，然后確定溫度和濕度是否超過規(guī)定的閾值。如果出現(xiàn)采集的值超出閾值的情況，則會發(fā)生報警；若采集的值沒有超出設(shè)定閾值的情況，則溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集仍在繼續(xù)。測溫濕度流程圖如圖7所示。

(3)煙霧傳感器軟件設(shè)計。由文獻(xiàn)[11]可知選擇ADC1的通道10不間斷地對傳感器的電壓讀取10次，然后取平均值。MQ2煙霧傳感器軟件流程如圖8所示。

(4)窗簾電氣驅(qū)動軟件設(shè)計。文獻(xiàn)[12]體現(xiàn)了電路設(shè)計單片機(jī)的產(chǎn)生要與L298P相序一致，電壓以L298P為基礎(chǔ)的兼有式電機(jī)。電機(jī)控制流程如圖9所示。

(5)WiFi模塊軟件設(shè)計。ESP8266芯片上的無線連接被設(shè)計成AP+站或混合通信模式的WiFi通信模塊。它可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為一個子機(jī)在其他主機(jī)上運(yùn)行[13]。它的功能是將串行端口轉(zhuǎn)換為無線WiFi信號，由無線路由器轉(zhuǎn)發(fā)。ESP8266芯片的連接采用軟路由加客戶端雙模串口WiFi模塊，也稱為混合模式通信處理模式。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

該設(shè)計主要包括以下5個模塊：微處理器模塊、溫度和濕度模塊、電機(jī)模塊、WiFi模塊及顯示模塊。設(shè)計以STM32F1系列單片機(jī)為核心，通過傳感器和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，通過顯示器對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，用戶可通過手機(jī)軟件查詢。該系統(tǒng)主要應(yīng)用傳感器模塊、控制器和處理器模塊、顯示設(shè)置、串口WiFi模塊來控制系統(tǒng)核心是STM32F1系列微機(jī)，通過傳感器采集環(huán)境變量，傳輸?shù)絊TM32F1系列微機(jī)處理和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，需要的數(shù)據(jù)參數(shù)顯示模塊數(shù)據(jù)顯示，用戶直接觀察模塊向客戶端接收數(shù)據(jù)，并在模塊打開時將數(shù)據(jù)更新到手機(jī)。接通電源后，每個模塊都會初始化，通過傳感器模塊獲取相關(guān)信息，同時顯示在LCD屏幕上。當(dāng)溫濕度傳感器模塊檢測到的數(shù)據(jù)異常時，步進(jìn)電機(jī)開始工作，實現(xiàn)窗簾自動升降工作；當(dāng)煙霧傳感器模塊檢測到的數(shù)據(jù)高于所設(shè)定閾值時，蜂鳴器報警，同時風(fēng)扇開始自動工作，將室內(nèi)的煙霧驅(qū)散，直到煙霧傳感器檢測到空氣中的數(shù)據(jù)低于預(yù)設(shè)值時，蜂鳴器和風(fēng)扇停止工作。同時將所有參數(shù)通過WiFi與手機(jī)終端連接，將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP顯示，手機(jī)APP也可單獨(dú)控制LED、風(fēng)扇、步進(jìn)電機(jī)。此外，手機(jī)終端亦可選擇硬件自動控制或者手動控制。上述工作命令的實際效果如圖10所示。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合STM32F1系列單片機(jī)的相關(guān)知識，利用溫度和濕度傳感器、煙霧傳感器、顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)及WiFi模塊協(xié)同工作，構(gòu)成了一個家居環(huán)境監(jiān)測功能的簡易智慧家居系統(tǒng)。結(jié)合單片機(jī)從而測出不同的溫度和濕度、煙霧濃度及其他危險氣體，采集的數(shù)據(jù)信號通過顯示屏LCD顯示，同時系統(tǒng)連接手機(jī)APP終端，在手機(jī)上也可以實時了解到室內(nèi)情況，以便用戶對室內(nèi)環(huán)境的了解和控制。初步檢測結(jié)果表明，該設(shè)計完全滿足設(shè)計目的和要求。文章設(shè)計成本適中，可直接用于智慧家居和推廣。