劉婷

摘要：目前國內(nèi)智能家居市場初具規(guī)模，但是大部分智能家居系統(tǒng)價(jià)格較高、標(biāo)準(zhǔn)不一，無法滿足消費(fèi)者的需求。文章基于STM32F103嵌入式微控制器、家用電器控制模塊、WiFi控制模塊、各類傳感器模塊，設(shè)計(jì)了一款智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對智能家居環(huán)境內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧強(qiáng)度的自動化檢測與遠(yuǎn)程控制。文章設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)具有成本低、操作簡單、感知能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)以及靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的研究與應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；STM32；智能家居

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

“智能家居”首次寫入“十四五”規(guī)劃綱要，綱要明確未來五年重點(diǎn)要應(yīng)用感應(yīng)控制、語音控制、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)手段，發(fā)展智能家電、智能安防監(jiān)控、智能音響、新型穿戴設(shè)備等^［1］。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活方式的逐步轉(zhuǎn)變，智能家居的使用群體從年輕消費(fèi)群體擴(kuò)展到全年齡段的消費(fèi)群體，人們對家居生活質(zhì)量要求不斷提升，人們對智能家居的功能也提出更多元化的需求。目前市面大多數(shù)智能家居設(shè)備產(chǎn)品存在價(jià)格較高、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一以及性能優(yōu)劣不一的情況，無法滿足大部分消費(fèi)者對于智能家居的需求。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和云平臺技術(shù)設(shè)計(jì)了一款成本低、操作簡單、感知能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、靈活性較好的智能家居系統(tǒng)。

1 智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STM32F103嵌入式微控制器為主控機(jī)下位機(jī)，集成DHT11溫濕度檢測模塊、LM393光照檢測模塊、MQ-2煙霧檢測模塊、家用電器控制模塊、WiFi控制模塊，通過ESP8266 WiFi芯片連接局域網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過服務(wù)器獲取STM32芯片上傳的環(huán)境參數(shù)信息，與手機(jī)內(nèi)App作為的上位機(jī)完成信息通信與控制，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的信息采集、自動控制與遠(yuǎn)程控制功能^［2］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控芯片為STM32F103VET6，STM32 F103VET6微控制器采用ARM Cortex^TM-M3內(nèi)核，具有72MHz的CPU速度，該芯片具有1MB Flash容量、多種控制外設(shè)、多種低功耗工作方式，基本符合智能家居系統(tǒng)的功能需求^［3］。該芯片具有低功耗、低電壓、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各類智能設(shè)備中。選用STM32F103VET6作為主控芯片能完成多個(gè)傳感器連接、無線數(shù)據(jù)傳輸、智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制等智能家居系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2 溫濕度檢測模塊

本系統(tǒng)采用DHT11作為數(shù)字溫濕度傳感器，DHT11作為溫濕度檢測傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，兼具耐用、壽命長、模塊簡單、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。DHT11溫濕度傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻）元件，連接一個(gè)高性能8位單片機(jī)，目前已廣泛應(yīng)用于家居、醫(yī)療、工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的溫濕度檢測控制^［4］。溫濕度模塊能夠?qū)崟r(shí)檢測智能家居環(huán)境中的溫度、濕度數(shù)值，結(jié)合用戶個(gè)性設(shè)置或者軟件通用算法，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)、加濕器等功能。

2.3 煙霧檢測模塊

本系統(tǒng)采用MQ-2作為煙霧傳感器，MQ-2傳感器為多種氣體探測器，具有靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐用性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料為二氧化錫（SNO₂），二氧化錫的電導(dǎo)率與空氣中煙霧濃度值成正比，當(dāng)煙霧濃度較低時(shí)，MQ-2電導(dǎo)率較低，當(dāng)煙霧濃度變高時(shí)，MQ-2電導(dǎo)率逐步增加，導(dǎo)致輸出電阻變低^［5］。提前設(shè)置煙霧報(bào)警閾值，通過電路設(shè)計(jì)，檢測電壓值，進(jìn)一步判斷空氣中煙霧濃度，一旦煙霧濃度超過閾值時(shí)，蜂鳴器將發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)及信息通過云端發(fā)送至用戶手機(jī)App進(jìn)行彈窗或電話提醒。

2.4 光照檢測模塊

本系統(tǒng)采用光敏電阻傳感器對室內(nèi)光線情況進(jìn)行檢測，光敏電阻傳感器選取LM393，主要由電極、樹脂膠、陶瓷基板、導(dǎo)線等組成。光敏電阻屬于光電效應(yīng)傳感器的一種，主要工作原理是利用光敏電阻原材料半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。隨著光照強(qiáng)度增加，光敏電阻的亮電阻減小，亮電流增大，以此進(jìn)行光照強(qiáng)度檢測。光敏電阻可以非常靈活地應(yīng)用在智能家居、工業(yè)控制、路燈控制等方面。光照檢測模塊能夠?qū)崟r(shí)檢測智能家居環(huán)境中的光照強(qiáng)度，結(jié)合用戶個(gè)性設(shè)置或者軟件通用算法，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)窗簾系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)等功能。

2.5 家用電器控制模塊

本系統(tǒng)采用繼電器模塊控制家用電器。隨著科技發(fā)展，智能繼電器模塊的應(yīng)用越來越廣泛，在智能家居系統(tǒng)中采用智能繼電器，通過弱電來控制強(qiáng)電，通過強(qiáng)電實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)內(nèi)各類電器（如電視、空調(diào)、洗衣機(jī)、燈具等）的控制。通過給STM32芯片連接兩個(gè)復(fù)合管驅(qū)動器ULN2803，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動繼電器、電機(jī)的功能，從而完成對智能家居系統(tǒng)內(nèi)各種家用電器的開啟與關(guān)停^［6］。

2.6 WiFi控制模塊

本系統(tǒng)采用市場主流WiFi芯片ESP8266作為WiFi控制模塊，完成智能家居系統(tǒng)內(nèi)傳感器、家居設(shè)備數(shù)據(jù)的無線傳輸。ESP8266芯片由安可信（Ai-Thinker）公司生產(chǎn)，集成32位處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口等模塊，具有性能穩(wěn)定、成本低、功耗低、模塊集成度高等優(yōu)點(diǎn)^［7］。ESP8266 WiFi模塊目前被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，豐富的案例庫能為智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供較高價(jià)值參考。WiFi控制模塊能夠通過串口USART接收STM32內(nèi)部數(shù)據(jù)，發(fā)送至云平臺。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用KeiluVision5編程軟件，該軟件能較好地支持Cortex-M、Cortex-R4等系列器件，具有豐富的庫函數(shù)，功能強(qiáng)大，界面友好，操作性強(qiáng)，是一款實(shí)用性高、性能強(qiáng)大的主流單片機(jī)編程軟件。

目前，本系統(tǒng)主要采集家居環(huán)境中溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧強(qiáng)度，根據(jù)采集信息結(jié)果及判斷機(jī)制，實(shí)現(xiàn)自動啟停家居系統(tǒng)電器，并將信息同步上傳至云端，手機(jī)通過云端下載信息，并同步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測、遠(yuǎn)程控制的功能^［8］。軟件控制流程如圖2所示。

圖2 軟件控制流程

3.2 智能家居系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

智能家居系統(tǒng)軟硬件環(huán)境搭設(shè)完成，通過溫濕度檢測模塊DHT11采集空氣中溫濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫濕度數(shù)值不在設(shè)定的舒適溫度范圍區(qū)內(nèi)，驅(qū)動繼電器模塊控制對應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)、加濕器，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)溫濕度的功能。通過光照檢測模塊LM393采集室內(nèi)光照強(qiáng)度，當(dāng)光照強(qiáng)度不在設(shè)定的區(qū)間，可以啟停燈光系統(tǒng)及電動窗簾等^［9］。通過煙霧檢測模塊MQ-2檢測空氣中的煙霧濃度，一旦超出警戒值，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。STM32作為主控制器，接收智能家居系統(tǒng)內(nèi)各傳感器、家居設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)處理，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)、加濕器、燈光系統(tǒng)、電動窗簾、電視機(jī)等設(shè)備的自動控制，打造舒適、智能的家居環(huán)境，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息通過ESP8266 WiFi模塊上傳至云平臺，云平臺完成數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)智能分析，根據(jù)用戶功能設(shè)置，及時(shí)給手機(jī)App推送緊急提醒通知。

用戶可以通過上位機(jī)發(fā)送相關(guān)控制指令對家居系統(tǒng)所連接的電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。例如，遠(yuǎn)程控制家中空調(diào)啟停、電飯鍋?zhàn)詣又箫埖?。對智能家居系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)傳感器所采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步提升智能家居系統(tǒng)智能化能力。例如，通過每日對智能家居設(shè)備的使用情況分析，設(shè)置個(gè)性化使用模式，工作模式、周末模式等；通過每月對智能家居設(shè)備耗電量進(jìn)行分析，有針對性提出節(jié)能措施，更換老舊設(shè)備、設(shè)置空調(diào)定時(shí)啟停等。

技術(shù)作為智能家居發(fā)展的核心動力，隨著5G、AR、人工智能、區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互能力將得到進(jìn)一步的提升。展望未來，今后的智能家居系統(tǒng)的服務(wù)能力提升會逐步經(jīng)歷以下4個(gè)階段：個(gè)性化識別控制能力提升、用戶自動獲取外部服務(wù)能力提升、數(shù)據(jù)分析預(yù)測能力提升以及數(shù)據(jù)控制引導(dǎo)能力提升。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的智能家居系統(tǒng)，通過對智能家居環(huán)境內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧強(qiáng)度的自動化檢測，實(shí)現(xiàn)對家居系統(tǒng)設(shè)備的智能化控制。本系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，結(jié)合實(shí)際情況，接入人體紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對小孩的行動監(jiān)測，避免小孩靠近陽臺等危險(xiǎn)地方；接入智能穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)對獨(dú)居老人健康狀況的智能監(jiān)測；也可以按需接入其他的各類傳感器，通過不斷完善與優(yōu)化智能家居系統(tǒng)相關(guān)功能，為用戶提供智能化“管家式”服務(wù)。本系統(tǒng)對于響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，鼓勵(lì)人們享受科技成果，提升人們生活便捷性，推動科技發(fā)展與進(jìn)步具有一定的價(jià)值。

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（編輯 李春燕）

Design of smart home system based on Internet of Things and cloud platform

Liu Ting

（School of Software， Hunan College of Information， Changsha 410200， China）

Abstract： At present， the domestic smart home market has begun to take shape， but most smart home systems have high prices and different standards， which cannot meet the needs of consumers. Based on STM32F103 embedded microcontroller， household appliance control module， WiFi control module， and various sensor modules， this paper designs a smart home system to realize automatic monitoring and remote control of temperature and humidity， light intensity， and smoke intensity in the smart home environment. The smart home system designed in this paper has the advantages of low cost， simple operation， strong perception， strong data processing ability and good flexibility， and has certain research and application value.Key words： Internet of Things; STM32; smart home system