基于Wi-Fi控制的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

嚴(yán)美珍

摘? 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能的發(fā)展，智能設(shè)備變得越來越普及且強(qiáng)大，智能家居控制設(shè)備是最常見的智能設(shè)備之一，對人們生活水平的改善產(chǎn)生重要的影響。該文基于Wi-Fi控制設(shè)計智能家居控制系統(tǒng)，提出一種基于STM32芯片的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，該方法采用Wi-Fi和智能手機(jī)相連，并將數(shù)據(jù)傳送給云平臺，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理。在具體設(shè)計中，該文首先對系統(tǒng)總體方案進(jìn)行明確，其次根據(jù)總體方案設(shè)計芯片、各功能模塊等硬件系統(tǒng)，隨后設(shè)計所需系統(tǒng)平臺，開發(fā)手機(jī)APP，利用Wi-Fi將數(shù)據(jù)傳遞到云服務(wù)器上，最后利用手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)溫度濕度監(jiān)控、燈光自動控制、火災(zāi)報警等功能，為用戶提供個性化的居家服務(wù)。

關(guān)鍵詞：Wi-Fi；智能家居；監(jiān)控系統(tǒng)；云平臺；STM32單片機(jī)

中圖分類號：TP311.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0032-04

Abstract： With the development of Internet and artificial intelligence， intelligent devices are becoming more and more popular and powerful. Intelligent home control device is one of the most common intelligent devices， which has an important impact on the improvement of people's living standards. This paper designs a smart home control system based on Wi-Fi control， and proposes a smart home monitoring system based on STM32 chip. This method uses Wi-Fi to connect with a smart phone， and transmits the data to the cloud platform， and then carries on the intelligent processing to the data. In the specific design， this paper first defines the overall scheme of the system， and then designs the hardware system such as chips and functional modules according to the overall scheme， then designs the required system platform， develops the mobile phone APP， uses Wi-Fi to transfer the data to the cloud server， and finally uses the mobile phone APP for remote monitoring， so as to realize the functions of temperature and humidity monitoring， automatic lighting control， fire alarm， and other functions， so as to provide users with personalized services at home.

Keywords： Wi-Fi; smart home; monitoring system; cloud platform; STM32 single chip microcomputer

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能設(shè)備逐漸走入大眾家庭，成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵罚缓蟛糠种悄茉O(shè)備由于存在技術(shù)壁壘，以至于造價昂貴。為了可以讓更多的技術(shù)得以服務(wù)大眾，本文將圍繞基于Wi-Fi控制的智能家居控制系統(tǒng)展開軟硬件設(shè)計，旨在為當(dāng)前智能家居控制系統(tǒng)帶來一定的參考。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計以單片機(jī)為中心，利用Wi-Fi技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。本系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、顯示模塊、警報模塊和各種傳感器模塊等構(gòu)成，最終由 Wi-Fi通信模塊來完成，總體的方案如圖1所示。

1.2? 主要功能設(shè)計

為了更加便利服務(wù)于人們的生活，本設(shè)計利用Wi-Fi模塊為無線傳輸媒介、利用傳感器技術(shù)收集信息，把數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器，實(shí)時把數(shù)據(jù)展示給用戶，從溫濕度監(jiān)控、火災(zāi)報警、燈光自動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等角度出發(fā)，對智能化家居控制系統(tǒng)進(jìn)行了功能優(yōu)化，具體如下。

1）溫濕度監(jiān)測功能。為了實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時測量，必須建立溫度濕度的監(jiān)控系統(tǒng)，本次采用有機(jī)發(fā)光二極管屏幕，按需開關(guān)，保證室內(nèi)的溫、濕度能達(dá)到舒適的要求。

2）火災(zāi)報警功能?；馂?zāi)報警系統(tǒng)在其中起到了十分關(guān)鍵的作用，本次設(shè)計火災(zāi)報警功能，規(guī)定設(shè)置閾值一旦大于閾值，將達(dá)到聲光報警的效果。

3）燈光自動控制功能。自動燈光和自動窗簾的功能在原理上是一致的。以探測出的光照強(qiáng)度為基礎(chǔ)完成相應(yīng)的功能，燈光暗下來的時候就會自動亮，光線好的時候會自動熄燈，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。

4）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。本次主要利用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙等無線通信技術(shù)，并對家庭中的各種情況進(jìn)行了分析。該功能還利用了一種云計算技術(shù)，將家庭中采集到的信息上傳到云端，讓用戶可以在任何時候登錄對應(yīng)的移動手機(jī)APP對其進(jìn)行監(jiān)測。

2? 硬件設(shè)計

2.1? 芯片設(shè)計

在單片機(jī)的設(shè)計中，芯片是最重要的部件。一塊芯片相當(dāng)于一臺計算機(jī)，起到完成運(yùn)算和處理任務(wù)的作用，是本設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)以STM32為核心，以Cortex-M3為核心，不僅功能強(qiáng)大，還具有操作簡便、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，在處理運(yùn)算方面明顯優(yōu)于C51系列單片機(jī)。芯片和原理圖如圖2所示。

2.2? 光線檢測模塊設(shè)計

本系統(tǒng)采用光電檢測器對房間內(nèi)的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，在房間內(nèi)光照強(qiáng)度低于設(shè)定的條件下，將會產(chǎn)生高電平的光照強(qiáng)度，在外界光照強(qiáng)度超過一定的條件下，則會產(chǎn)生低電平，再與單芯片相連，對光源強(qiáng)度和亮度進(jìn)行檢測，從而對房間的光照強(qiáng)度、亮度進(jìn)行檢測。如圖3所示。

2.3? 溫濕度檢測模塊設(shè)計

本次采用市面上的檢測設(shè)備，以DHT11型為主，其用途是對空氣中的溫濕度進(jìn)行測量，將其轉(zhuǎn)化為電信號或其他需要的數(shù)據(jù)。產(chǎn)品質(zhì)量好，抗干擾能力好。元件和示意圖如圖4所示。

2.4? 聲光報警模塊設(shè)計

本機(jī)具有2個主要的聲光警報，當(dāng)警報被啟動的時候，會產(chǎn)生一種聲、光的作用。通過對煙氣及空氣品質(zhì)探測模組所收集的資料，在煙氣的濃度超出一定范圍或偵測到有毒煙氣時，可發(fā)出聲音及光線警示。該線路如圖5所示。

2.5? Wi-Fi通信模塊設(shè)計

無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制所必需的部件，本系統(tǒng)選擇ESP8266無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。該模塊是一種高性能的無線網(wǎng)絡(luò)接口，使用簡單方便，適合于設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的新技術(shù)。通信模組和電路如圖6所示。

3? 軟件設(shè)計

3.1? 設(shè)計所需平臺

1）編程平臺。本系統(tǒng)采用Keil Uvision5平臺來完成程序編寫。平臺主要使用C語言作為設(shè)計語言，其可以實(shí)現(xiàn)編寫、編譯、調(diào)試等功能，同時還可以檢查代碼是否正確，并告知錯誤的原因，最后經(jīng)過模擬調(diào)試，將代碼下載到 MCU進(jìn)行在線功能調(diào)試。

2）畫圖平臺。本系統(tǒng)采用 Altium Designer作為主要的電路設(shè)計平臺，通過設(shè)計、繪圖、印刷電路板來編輯整個電路圖。這就降低了設(shè)計的門檻，降低了開發(fā)的困難，如果能夠?qū)ζ溥M(jìn)行嫻熟的運(yùn)用，就能夠讓電路設(shè)計的品質(zhì)和效率得到極大的提升。

3.2? 程序燒錄

首先準(zhǔn)備好下載器，本次選用的是STLINK下載器，計算機(jī)必須安裝驅(qū)動程序，以確定下載程序編號，然后將下載器插針連接到下載界面上。至此準(zhǔn)備工作完畢。

進(jìn)入平臺配置并設(shè)定相關(guān)芯片型號及下載器型號后按下載鍵即可下載。

3.3? 云平臺設(shè)計與連接

本控制系統(tǒng)通過ESP8266通信模塊連接云平臺，執(zhí)行資料互動。用戶需要使用 GAgent的固件才能與智慧云計算平臺進(jìn)行連接。到 SingleCloud官網(wǎng)上，將對應(yīng)的軟件固件進(jìn)行下載。當(dāng)軟件安裝好之后，只需將GPIO調(diào)到懸掛狀態(tài)，或是與高電平連接，再將其加到電源上，就可以運(yùn)行了，如圖7所示。

3.4? 產(chǎn)品創(chuàng)建與開發(fā)

本控制系統(tǒng)通過樂鑫ESP8266通信模塊與機(jī)智云平臺相連接，進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)建與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能。

1）創(chuàng)建產(chǎn)品。在“個人項目”的頁面，單擊“新建”項目，然后進(jìn)入“個性化”項目，可以對產(chǎn)品類型、名稱、移動網(wǎng)絡(luò)方案及通信方式等進(jìn)行設(shè)置，在“存儲”之后，就會跳出“產(chǎn)品”的“個人指南”，下面是關(guān)于設(shè)定的一些基礎(chǔ)資料，如圖8所示。

2）創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)在產(chǎn)品設(shè)計中起著關(guān)鍵作用，其主要用于描述產(chǎn)品的性能指標(biāo)，按照所設(shè)計的產(chǎn)品功能要求，設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值。另外該系統(tǒng)還利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的數(shù)據(jù)生成，為開發(fā)人員提供了依據(jù)。

3.5? 手機(jī)APP開發(fā)

本系統(tǒng)以用戶界面、設(shè)備配置、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、控制和信息推送為主要內(nèi)容，完成了APP系統(tǒng)的開發(fā)。在將源碼下載完畢之后，只需要對UI及控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化就可以了，按照建立好的數(shù)據(jù)點(diǎn)，最終在使用移動手機(jī)APP的時候，就可以進(jìn)行對設(shè)備的遙控，從而達(dá)到自己的產(chǎn)品目的。

4? 功能調(diào)試

4.1? 溫濕度檢測功能

本次測試首先檢測溫濕度功能，在連通電力以后，先是對室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，OLED的溫度為24 ℃，相對濕度50%，用口噴空氣來對室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行了調(diào)節(jié)，而在溫濕度傳感器的反饋下，OLED的溫度為27 ℃，相對濕度為90%。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，所有的溫度和濕度都恢復(fù)到了原來的水平。

4.2? 火災(zāi)報警功能

MQ-2的煙氣探測器具有0～5 000 ppm的探測能力，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時候，首先將警報的閾值設(shè)置好，之后用打火機(jī)在煙氣探測器的附近放出一些氣體，以達(dá)到類似于著火狀態(tài)的效果，如果探測器探測到煙氣的含量超出了一定的臨界點(diǎn)，就會產(chǎn)生聲音和光線的警報，并且會將煙氣的密度信息呈現(xiàn)出來，如果將這個信號移走，那么這個信號就會消失，而這個信號也會被還原成普通的數(shù)值，在進(jìn)行了幾次實(shí)驗(yàn)之后，信號都是正確的。在圖9中顯示了該測試函數(shù)。

4.3? 燈光自動控制功能

本設(shè)計采用了新型光電探測裝置，并采用步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動，完成了對簾子及燈具的自動調(diào)節(jié)。在試驗(yàn)中當(dāng)夜幕降臨時，人們會用一只手遮擋燈光探測感應(yīng)器，此時燈會自動開啟，并通過步進(jìn)馬達(dá)的正向轉(zhuǎn)動來完成窗簾的閉合。當(dāng)手松開時燈會自動熄滅，這時，步進(jìn)電動機(jī)倒置，以開啟窗簾，經(jīng)過多次測試后，運(yùn)轉(zhuǎn)良好。在圖10中顯示了該測試函數(shù)。

4.4? 遠(yuǎn)程檢測和控制功能

將本系統(tǒng)與移動手機(jī)APP進(jìn)行了聯(lián)系，并進(jìn)行了操作，可以看見相關(guān)的數(shù)據(jù)（如燈光、溫度、濕度和氣壓等），與OLED顯示器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果是一致的。實(shí)驗(yàn)照明的控制，按下照明的按鈕，燈就會打開，又進(jìn)行了幾次開、關(guān)的實(shí)驗(yàn)，都顯示出了良好的效果，在圖11中給出了該數(shù)據(jù)的展示函數(shù)。

5? 結(jié)束語

本文結(jié)合用戶的實(shí)際需要進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，利用各種類型的感應(yīng)器，收集家庭中的溫濕度、亮度等信息，并在OLED屏幕上顯示出相應(yīng)的數(shù)字，然后經(jīng)過Wi-Fi模組傳送到移動手機(jī)APP上，通過對本系統(tǒng)所涉及的各模塊進(jìn)行了性能試驗(yàn)，取得了良好試驗(yàn)結(jié)果，完成了溫濕度監(jiān)控、燈光自動化、火警報警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等多項性能指標(biāo)，符合要求。通過本智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計，用戶可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制家中的電器、溫濕度、照明等，大大提高了生活的便利性。

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