蔡秀蘭，袁克凱，劉靜，鐘穎萍，張佳，范林嬌

（南華大學(xué)，湖南 衡陽(yáng) 421001）

1 前言

本項(xiàng)目所開發(fā)的智能家居服務(wù)系統(tǒng)，一方面，將技術(shù)融入生活，精準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，人性化的家電控制，幫助用戶實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境智能化；另一方面，積極響應(yīng)國(guó)家政策，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，著力于制造業(yè)的發(fā)展，運(yùn)用電子信息技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)為家居行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)新思路、新創(chuàng)意。基于STM32F103的智能家居控制系統(tǒng)，將單片機(jī)作為控制核心，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)建一套智能化、無(wú)線化的家居服務(wù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要有智能門鎖系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程攝像監(jiān)控系統(tǒng)、家電智能控制系統(tǒng)組成，并開發(fā)配套APP，實(shí)現(xiàn)智能控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該智能家居服務(wù)系統(tǒng)包括智能門鎖系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程攝像監(jiān)控系統(tǒng)、家電智能控制系統(tǒng)。門鎖系統(tǒng)使用指紋鎖進(jìn)行指紋讀取并匹配指紋，隨后判斷是否允許入門內(nèi)，舵機(jī)模擬門鎖開關(guān)。環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)使用DHT11模塊采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)；使用SGP30傳感器模塊檢測(cè)空氣中的CO2濃度及甲醛濃度，可以判斷室內(nèi)空氣環(huán)境是否存在安全隱患；使用粉塵濃度傳感器進(jìn)行粉塵濃度監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程攝像監(jiān)控系統(tǒng)將采用帶有WIFI模塊的esp32-cam模塊進(jìn)行拍照攝像。家電控制系統(tǒng)中，通過(guò)控制繼電器進(jìn)而控制各種家電。同時(shí)，本系統(tǒng)將開發(fā)配套實(shí)用的微信小程序，用戶可通過(guò)微信小程序?qū)崟r(shí)查看室內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，智能控制繼電器讓屋主能夠在外出的時(shí)候通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)控制家電的開啟與關(guān)閉。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

本系統(tǒng)中，單片機(jī)將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)esp8266模塊上傳到onenet云服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)控制esp32-cam模塊實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)拍照。用戶可以通過(guò)微信小程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)查看，并且實(shí)現(xiàn)控制命令下達(dá)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 智能門鎖的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在大多數(shù)家庭使用的都是傳統(tǒng)門鎖，需要隨身攜帶鑰匙,而本項(xiàng)目的智能門鎖提供給用戶指紋解鎖方式，讓用戶擺脫鑰匙的同時(shí)，更為安全可靠。

3.2 居家環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境的多項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)，能夠手機(jī)溫度、濕度、CO2濃度、TVOC濃度信息。其中，溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度讓用戶了解家庭環(huán)境參數(shù)信息，以便能夠做出及時(shí)通風(fēng)、開窗決策，提供精準(zhǔn)舒適服務(wù)。TVOC檢測(cè)幫助用戶了解煤氣是否泄漏，讓用戶當(dāng)有煤氣泄漏時(shí)能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，讓居家更安全。

3.3 智能控制

居家的智能控制以幫助減少能源浪費(fèi)。照明裝置、多種家用電器開關(guān)都能使用微信小程序進(jìn)行控制，打開和關(guān)閉用電器更加方便。同時(shí)，用戶不需要使用時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)閉，以減少能源使用。

3.4 無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的拍照查看

監(jiān)控系統(tǒng)能夠拍照查看家里環(huán)境，當(dāng)有陌生人闖入家內(nèi)能隨時(shí)監(jiān)測(cè)到，增加了居家環(huán)境安全性。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 STM32F103開發(fā)板

STM32F103芯片，其內(nèi)核是Cortex-M3，是由ST（意法半導(dǎo)體）公司推出的一種ARM芯片。該芯片具有價(jià)格低、外設(shè)多、實(shí)時(shí)性能優(yōu)異、低功耗控制以及低開發(fā)成本等優(yōu)點(diǎn)。本文使用單片機(jī)芯片的型號(hào)為STM32F103ZET6芯片，該芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH，多達(dá)8定時(shí)器，3個(gè)USART串口，功能強(qiáng)大，價(jià)格適中。在本系統(tǒng)中，STM32F103作為控制核心，借助各種傳感器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集，ADC采樣后將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流形式上傳到ONENET平臺(tái)。其中單片機(jī)的串口usart2與ESP8266模塊進(jìn)行串口通信，通過(guò)發(fā)送AT指令控制ESP8266模塊向ONENET云平臺(tái)接受及發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.2 ESP8266模塊

ESP8266是一款高性能常用的WIFI串口模塊，具有強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)通信功能，在物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目應(yīng)用廣泛?？蔁階T固件庫(kù)，用AT指令操作，簡(jiǎn)單方便。

4.3 傳感器

本項(xiàng)目主要使用的傳感器有溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器BH1750FVI、粉塵傳感器GP2Y1014AU、CO2濃度傳感器SGP30。DHT11溫濕度傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)溫度與濕度，用DHT11模塊去構(gòu)成溫濕度傳感器，將采集好的溫濕度信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化最終發(fā)送到用戶的APP上，使用戶能實(shí)時(shí)監(jiān)控家中溫濕度情況。光照傳感器，將光照模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路放大，再通過(guò)ADC采樣將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，光照越強(qiáng)，電壓越大，采樣后的數(shù)值越大。粉塵傳感器GP2Y1014AU主要是檢測(cè)非常細(xì)小的顆粒，粉塵濃度與采樣后的電壓值成正比。CO2濃度傳感器SGP30可以用于CO2濃度及甲醛的檢測(cè)。

4.4 門鎖模塊

指紋鎖采用AS608指紋模塊。因?yàn)樵撃K內(nèi)部的DSP單元集成指紋識(shí)別算法，提高了采集圖像和識(shí)別指紋特征的效率，處理一個(gè)指紋圖像只需要不到0.4s。采用指紋鎖進(jìn)行指紋匹配后，智能開鎖，提高了智能門鎖的安全性。表1為硬件列表。

表1 硬件選擇

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 ONENET云平臺(tái)

ONENET云平臺(tái)提供了豐富的API，可以支持適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，使用便捷，可滿足各種個(gè)性化方案設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用ONENET平臺(tái)主要進(jìn)行傳感器采集到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，采用的是EDP協(xié)議下發(fā)命令。

5.2 巴法云平臺(tái)搭建

本項(xiàng)目應(yīng)用巴法云平臺(tái)主要是用于項(xiàng)目中的拍照監(jiān)控功能，目前采取的是一定時(shí)間內(nèi)拍張照片，存儲(chǔ)在云平臺(tái)，然后，微信小程序可以調(diào)取該時(shí)間段內(nèi)的照片進(jìn)行顯示。

5.3 微信小程序搭建

在本項(xiàng)目的微信小程序界面設(shè)計(jì)時(shí)，共設(shè)計(jì)了5個(gè)界面，分別是歡迎界面、登錄界面、狀態(tài)展示界面、個(gè)人信息管理界面。狀態(tài)顯示界面可以實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境信息顯示以及家電狀態(tài)顯示與控制。

（1）家電狀態(tài)顯示與控制。微信小程序頁(yè)面的下方有家電控制狀態(tài)的控件，用戶能夠通過(guò)點(diǎn)擊控件來(lái)控制家電開關(guān)。

（2）居家環(huán)境信息顯示。微信小程序控制頁(yè)面上方顯示的是居家各種環(huán)境參數(shù)，主要是傳感器采集的溫度、濕度、C02濃度、甲醛濃度、光照強(qiáng)度等。傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞給onenet云平臺(tái)，微信小程序通過(guò)訂閱onenet云平臺(tái)數(shù)據(jù)，會(huì)收到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示。

6 部分代碼展示

6.1 硬件初始化

在main.c中進(jìn)行各類硬件設(shè)備的初始化，包括串口初始化、繼電器初始化、光照傳感器初始化、二氧化碳傳感器初始化、DH11初始化、ADC轉(zhuǎn)換程序初始化。

6.2 數(shù)據(jù)流傳輸

先在onenet.h中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量strcat，然后，將數(shù)據(jù)包程序放置在onenet.c中，數(shù)據(jù)調(diào)用上傳至云平臺(tái)。

6.3 ESP8266初始化

ESP8266程序編寫關(guān)乎WIFI通信中數(shù)據(jù)上傳指令下達(dá)，是環(huán)境參數(shù)采集的核心程序，將該程序放置于esp8266.c中。

6.4 刷指紋程序

有關(guān)指紋模塊的函數(shù)均放置在as608.c中，包括指紋錄制、刷指紋、生產(chǎn)特征、對(duì)比特征、清除指紋庫(kù)等多個(gè)函數(shù)。

7 智能家居系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果驗(yàn)證

7.1 測(cè)試目標(biāo)

智能家居服務(wù)系統(tǒng)能正常工作，傳感器信息能成果采集并且有效上傳；微信小程序能夠?qū)崟r(shí)獲得數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家電開關(guān)狀態(tài)；指紋解鎖模塊成功解鎖。

7.2 測(cè)試結(jié)果

（1）ONENET采集數(shù)據(jù)（如圖2）。

圖2 電腦端ONENET采集數(shù)據(jù)圖

（2）微信小程序（如圖3、圖4）。

圖3 電腦端運(yùn)行效果圖

圖4 手機(jī)端運(yùn)行效果圖

（3）指紋鎖指（如圖5）。

圖5 指紋解鎖效果圖

7.3 結(jié)果分析

單片機(jī)成功實(shí)現(xiàn)溫度采集、指紋識(shí)別、空氣質(zhì)量參數(shù)采集功能，并且通過(guò)esp8266模塊將數(shù)據(jù)上傳到ONENET平臺(tái)，微信小程序成的從ONENET獲得了各項(xiàng)數(shù)據(jù)。并且指紋鎖匹配開鎖功能成功實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采集指紋信息，與指紋庫(kù)指紋匹配成功后，單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，成功解鎖。所以，本項(xiàng)目的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在功能實(shí)現(xiàn)上切實(shí)可行，微信小程序讓實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能，讓家居智能化。

8 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目在傳統(tǒng)家居環(huán)境基礎(chǔ)上增加了物聯(lián)網(wǎng)模塊，使其具備更智能的功能，用戶在使用過(guò)程中會(huì)更加舒適、便捷、有趣?；赟TM32F103ZET6的智能家居控制系統(tǒng)構(gòu)建了高效智能家居設(shè)施管理系統(tǒng)，并配套開發(fā)微信小程序讓室內(nèi)環(huán)境參數(shù)直觀可靠，讓家居控制智能方便，為用戶打造了舒適便利的居家環(huán)境。