基于传感器技术的智能家居系统设计

郝君君，张苏程

（江西现代职业技术学院，江西 南昌 330095）

1 系统概述

整套系统以STM32RCT6单片机为控制核心，融合多款传感器，利用WiFi技术将传感器数据实时上传到云端，完成系统和云端的数据交互，系统总框图如图1所示。用户可通过微信、手机APP以及电脑网页等途径登录到云端，实时远程监控系统外围传感器数据。当系统检测到家居环境异常时，将通过云端发送报警邮件到用户指定的邮箱，同时自动控制相应的电器以降低其危害。此外，系统带有家电控制模块，由继电器和红外遥控电路组成。继电器用于控制家中小功率电器，红外遥控则用于控制大功率空调[1]。

图1 系统总体框图

本系统通过传感器模块感知家居环境，控制模块可自动控制常用电器，通信模块能实现实时数据监控和报警等功能。

2 硬件设计

本套系统的硬件设计部分主要包括传感器模块、WiFi模块、控制模块和电源电路设计。

2.1 传感器模块

传感器在系统中起着至关重要的作用。一切外部环境的感知都由传感器检测，根据设计需求应用了多款不同功能的传感器。

2.1.1 烟雾、气体传感器

MQ传感器系列中包括烟雾、液化气、天然气、煤气、一氧化碳、酒精和空气质量检测等多款丰富的烟雾、气体传感器，并且都支持数字和模拟两种输出方式。当选择数字输出方式时，传感器的阀值可由外部的硬件电位器调节[2]。MQ系列中不同型号传感器的硬件接口完全一致。系统设计过程中，选用MQ-2烟雾气敏传感器。为了兼容多款烟雾、气体传感器，该模块预留了多个数字输出的传感器接口，可以同时实现对多个空气质量安全参数的检测，使用过程中无需修改软件。

空气中存在被检测的气体时，MQ-2烟雾气敏传感器的电导率会增大[3]，通过转换电路中的前置电路对传感器输出的微弱信号进行放大、滤波、电平调整等，将电导率的变化对应为气体浓度的输出信号[4]。如果需要对被检测的气体实施精确监控，则可选择模拟信号输出。它的模拟电压输出与被检测的环境气体浓度成一定比例，使用系统主控芯片STM32RCT6自带ADC外设即可测量。该传感器的灵敏度高、稳定性能好，可实现对家中火灾烟雾和可燃气体泄露的检测。

2.1.2 光敏传感器

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的敏感元件，主要由光敏电阻器和LM393电压比较器组成，工作原理基于内光电效应。该传感器电压比较阀值由电位器硬件调节，当外界环境光线发生变化时，光敏电阻器两端电压随之变化，利用电压比较器与阀值电压相比即可使系统获知当前环境的光线亮度。

2.1.3 其他传感器温湿度传感器

传感器模块中除了上述传感器外，还包括有温湿度传感器和人体红外热释传感器。

本套系统感知家居环境温湿度参数采用的是DHT11温湿度传感器，是一款含校准数字信号输出的温湿度复合传感器，精度湿度±5%RH，温度±2 ℃，量程湿度20%～90%RH，温度0～50 ℃。利用单总线通信，仅需一根线即可与主控芯片通信，具有使用便捷、体积小和功耗小等特点[5]。

热释电传感器用温度变化特征探测人体红外线的辐射。人体有恒定的体温，一般在37 ℃，会发出波长10 μm左右的红外线。被动式红外探头就是靠探测人体发射的10 μm左右的红外线进行工作的。人体发射的10 μm左右的红外线通过传感器中的菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上[6]。红外感应源在接收到人体红外辐射温度发生变化时会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后将检测到人体的存在。

2.2 WiFi模块

作为物联网设备，系统通信的质量影响整个系统的稳定性。本系统通信模块采用工业级WiFi模块ESP8266。主控芯片通过串口与WiFi模块通信，WiFi模块通过TCP/IP协议连接到互联网，由此将系统实时接入互联网，实现智能家居远程控制和环境数据监控的目的[7]。

2.3 控制模块

对于控制部分，本系统不仅采用了常见的继电器模块控制小功率电器，还增加了红外遥控电路用于控制大功率空调。继电器是弱电控制强电常用的器件，在系统中用于主要的自动化设备控制，但对大功率的空调能力有限。因此，系统加入了红外遥控模块，通过主控芯片模拟红外编码，灵活地用于大功率空调的开关和调温控制，具有功耗低、性能稳定等优点。

2.4 电源电路

本系统需使用3.3 V和5 V双电源供电。电源模块由5 V直流供电，可直接供给5 V模块电路使用，再经3.3 V稳压模块产生3.3 V电压，供给其他模块使用。电源设计的原理如图2所示。

图2 电源设计电路图

3 软件设计

系统要实现家居环境参书的检测，软件设计部分需要对传感器模块、控制模块和通信模块进行编程。通过调用各个模块的子函数实现对应传感器的数据采集，然后根据采集的数据与对应阀值相比较判断是否要控制相应电器设备以实现不同功能[8]。图3为本系统软件设计的流程图。

图3 系统软件设计流程图

4 结 论

传感器在智能家居和物联网领域发挥着重要作用[9]，使得普通的家居生活变得人性化。本系统将传感器技术和智能家居系统设计结合，对今后智能传感器在智能家居中的应用研究具有重要的实用意义[10]。