基于物联网的智能家居系统设计

李志瑞 段元梅

摘要：随着智能家居系统的普及，人们对智能家居的接受程度越来越高。文章结合物联网和单片机技术，设计了一款基于STM32的智能家居系统。该智能家居系统由单片机模块、温湿度检测模块、烟雾检测模块、按键模块、无线模块、显示模块和报警模块构成。其中，温湿度检测模块采用DHT11温湿度传感器，负责对家庭内部的温湿度指标进行监控，烟雾检测模块采用MQ-2对烟雾浓度进行检测，并将检测到的所有数据上传给STM32单片机。单片机模块接收到传感器采集的温湿度和烟雾数据后，通过显示模块将采集到的数据实时展示给用户，并采用ZigBee无线通信技术把数据上报给上位机，上位机根据数据阈值实现报警功能。最后经过实验，文章设计的智能家居控制装置可以准确实现各项环境数据指标的检测与无线传输的功能。

关键词：物联网；智能家居；传感器；单片机；ZigBee

中图分类号：TP311  文献标志码：A

0 引言

智能家居系统已经成为人们生活中不可缺少的一类电子设备，尤其是在一些高档小区、公寓中，经常可以看到智能家居的身影。智能家居由于可以通过对外界环境的采集来给用户提供服务，因此在某些应用场景中，深受用户的喜爱［1］。智能家居的设计，能更大限度地满足用户对特殊环境和特殊空间的需求，具有安全性、便利性、舒适性以及艺术性，越来越受年轻人的青睐。

智能家居一般专注于某种应用场景，来解决用户特定的生活问题［2］。这种使用方式虽然比较简单，但用户在使用过程中，有时需要使用不同的智能家居设备，才能解决自己遇到的问题。这导致用户家庭内部的智能设备非常多，虽然有些功能并不是他们需要的，但用户却需要为此支付一定的额外费用［3］。同时，这类智能家居设备可能由于厂商制造的不同，导致数据通信协议不同，使得智能家居设备的功能无法集中，给用户造成了选择性的难题［4］。因此，文章基于物联网技术将温湿度检测、烟雾检测、显示和报警等集成在具有统一数据通信协议的系统中，从而解决上述问题。

1 分析与设计

1.1 需求分析与总体框图

通过前期调研，笔者对智能家居系统的功能需求进行分析，主要从以下几个方面进行考虑。第一，以51单片机为控制核心，利用温湿度传感器和烟雾传感器完成对室内环境数据的采集和处理。第二，采用LCD1602液晶实时显示温湿度、烟雾浓度等数据。第三，用户能够通过按键设置温湿度上下限报警阈值和烟雾报警阈值。第四，当室内温湿度不在设定范围内、烟雾浓度超限时，蜂鸣器和LED灯提供声光报警。本文设计的智能家居系统如图1所示。

1.2 智能家居的相关技术分析

1.2.1 ZigBee技術

在本文设计的智能家居实际应用场景中，采用基于ZigBee标准的ZHA、ZLL和透传标准协议，实现不同设备间的互联互通，超高效率地扩大了产品的兼容性。在无线通信网络中，笔者将无线设备节点作为中继路由的节点，因此网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或多个对等节点进行直接通信。采用这种结构的最好处在于，即使中间有任意节点出现故障，数据也都可以自动选择另一条路由链路来进行通信传输，极大地保证了数据安全有效的传输。与传统的有线式网络相比，无线ZigBee网络通信节省了节点之间的布线要求，当需要添加任意新的设备时，只需简单地接上电源即可。当添加或移动设备时，网络会自动发生拓扑变化，并且自动调整通信路由，以获取最佳有效的传输路径，让用户使用更加简单、方便。

1.2.2 人工智能技术

本文设计的智能家居离不开人工智能技术的支持，两者密不可分但是却不尽相同。智能家居的诞生就是为了让人类能够在家庭住宅中生活得更舒适便捷。而人工智能则是更多应用到各个领域中，与不同行业发生巧妙的化学反应。本文将人工智能与智能家居进行结合，主要体现在控制、反馈和融合3个阶段。第一阶段是控制。该系统可控制智能家居的远程开关，包括温湿度浓雾的检测开关、显示开关和报警开关等。第二阶段是反馈。本文设计的智能家居能记录用户的相关温湿度习惯等数据，通过人工智能反馈给用户。第三阶段是融合。当用户和智能家居交互时，用户通过按键输入信息，人工智能会辨别用户的当前需求，自动回复信息。另外，智能家居还能够根据某些特殊情况或一些特殊节日，自动调整室内的温度和湿度阈值。

1.2.3 5G技术

智能家居通过物联网、人工智能、5G等智慧科技，构建互联互通的家庭物联网。本文将5G技术和智能家居系统结合在一起，主要体现在以下两方面：一方面，5G技术有效地提升该系统的传输速度。目前，绝大多数的智能家居设备都在低功率下运行，并通过不同的方式相互交换信息，增加了设备传输间的延时问题，这直接影响了整个智能家居生活的体验。5G的超高速传输的出现将有助于信息的检测和管理。另一方面，5G技术促进了该系统标准的统一。对于通信质量和速度要求都较高的智能家居行业来说，目前，各个厂家都专注于自己的产品，没有一个统一的行业标准。这种相对封闭的环境并不利于智能家居的发展，而通过5G网络有助于解决这一问题。

2 智能家居系统的实现

本文设计的室内智能家居系统，主要实现对温湿度和烟雾的检测和报警。它主要基于MQ-2和DHT11传感器进行实时监测和显示，并提供预警值设定和声光报警功能。该系统主要包含AT89C52单片机最小系统、MQ-2烟雾传感器、DHT11温湿度传感器、LCD1602显示、按键和声光报警。其中，AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，用于接收、处理由传感器采集的信息，并将处理后的信息发送到LCD进行实时显示。当室内温湿度、可燃气或烟雾浓度超出用户设定的阈值时，相关LED指示灯点亮，蜂鸣器发声。

本文设计通过Proteus进行仿真实现。具体步骤阐述如下：

第一，打开名为室内温湿度烟感监测仿真文件，双击单片机，在弹出的对话窗口中进行点击相应图标，即可加载位于C程序文件夹内的Monitor.hex文件，运行仿真。仿真结果显示，LCD第1行显示Monitor System（监控系统），第2行显示当前室内温度为27 ℃，湿度为55%RH，烟雾浓度为14%。LCD显示结果与传感器上的数值一致，表示数据采样正确。

第二，通过DHT11传感器上的3个红色小箭头来模拟室内温湿度的改变。系统中前两个红色小箭头用于数值的增减，后一个小箭头用于温度和湿度的切换。由于Proteus仿真没有MQ-2烟雾传感器元件，而MQ-2传感器的原理是把烟雾浓度直接转化为电阻的变化，所以可以用滑动变阻进行替代。通过点击滑动变阻器RV2上下红色箭头，模拟室内烟雾浓度的改变。

第三，调整室内温度为31℃，湿度为48%RH，烟雾浓度为7%。仿真结果如下：室内温度温度31℃，湿度48%RH，烟雾浓度7%，显示结果一致。

第四，通过调整键、加键和减键设置温湿度上下限报警阈值和烟雾报警阈值。点击调整键，系统进入温湿度上下限、烟雾报警阈值设置界面。其中，T代表温度，H代表湿度，S代表烟雾浓度。系统默认的温度范围为：20～35℃，湿度范围为：40%～85%RH，烟雾报警阈值为：15%。当进入温湿度、烟雾报警阈值设置界面时，温度下限值光标闪烁，此时，可通过加/减键对其数值进行调整，调整完成后，继续点击调整键，温度上限值光标闪烁，这时可对上限值进行调整。

第五，全部参数都设置好后，再次点击调整键，即可退出设置界面，回到系统显示界面。例如，本文设置温度范围为28～36 ℃，湿度范围为40%～65%RH，烟雾报警阈值为5%。

第六，当系统检测到室内温湿度不在设定的上下限范围内或烟雾浓度大于报警阈值时，蜂鸣器鸣叫，对应LED灯点亮。当室内环境恢复正常后，报警解除。返回显示界面后，系统监测到当前室内烟雾浓度为7%，大于设定的5%，此时烟感报警灯点亮，蜂鸣器发声，提醒用户注意。

在本文设计的智能家居中，不同设备之间的通信，都需要设计通信协议。为了保证设备与设备之间数据的稳定传输，笔者将通信协议进行了统一。通信协议的设计仅在网络层次之上。在复杂的逻辑编写过程中，协议只是提供一种机制，逻辑需要在这种机制上提供一种更高层次上的通信方式。因此，笔者将各设备的DMA 传输方式由单片机直接控制传输，中断处理方式采用保留现场和恢复现场的方式。该系统通过硬件为 RAM 与 I/O 设备开辟一条直接传送数据的通路，使单片机采用集中缓冲处理方式，从而统一数据通信协议。

3 结语

本文设计实现了室内家居中温湿度和烟雾的智能监测和报警系统。该系统集成了多个应用环境下的设备，并实现了统一的数据通信协议，采用DHT11温湿度传感器，且单片机可根据其特定时序读取数据，显示到液晶屏上，但不能在手机App端实现监控。后期可通过串口将数据发送到蓝牙模块，并将手机连接蓝牙模块，编写安卓程序接收数据并显示数据，从而实现手机App端的显示和控制功能。

参考文献

［1］蒋志伟，王伟，刘姗，等.基于ARM的智能家居系统的设计与实现［J］.现代电子技术，2023（4）：177-181.

［2］文丹.基于Android的智能家居交互系统设计与开发［J］.电子制作，2023（1）：62-66.

［3］何鑫宇.基于ARM的智能家居監控系统的设计与实现［D］.南京：南京邮电大学，2022.

［4］朱小利.智能家居室内温湿度远程监测系统——云平台的应用设计［J］.湖北工业职业技术学院学报，2022（5）：63-68.

（编辑 姚 鑫）

Design of intelligent home system based on Internet of Things

Li  Zhirui， Duan  Yuanmei

（School of Information Engineering， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： With the popularization of smart home system， peoples acceptance of smart home is getting higher and higher. In this paper， a smart home system based on STM32 is designed by combining the technology of Internet of Things and single chip microcomputer. The smart home system is composed of single chip microcomputer module， temperature and humidity detection module， smoke detection module， button module， wireless module， display module and alarm module. The temperature and humidity detection module uses DHT11 temperature and humidity sensor to monitor the temperature and humidity indicators inside the home. The smoke detection module uses MQ-2 to detect the smoke concentration， and transmits all the detected data to the STM32 MCU. After the MCU module receives the temperature， humidity and smoke data collected by the sensor， it displays the collected data to the user in real time through the display module， and reports the data to the upper computer using ZigBee wireless communication technology， and the upper computer realizes the alarm function according to the data threshold. Finally， through experiments， the smart home control device designed in this paper can accurately realize the detection of various environmental data indicators and wireless transmission functions.

Key words： internet of things; smart home; sensor; single chip microcomputer; ZigBee