基于STM32的智能家居环境控制与物联系统的设计

李金凤,吕俊燕

(山东华宇工学院,山东 德州 253034)

0 引言

智能家居系统能够自适应调节,营造较为舒适的生活环境。X-10系统是最早流行于美国的智能家庭网络系统[1],以其实用性、功能性、操作简单性受到青睐。德国EIB(European Installation Bus)系统是一种高度智能化的电器安装技术,采用预埋总线和中央控制方式实现系统的控制功能[2],为建筑物的能量管理与自动化控制提供有效的解决方案,但其设备要求复杂,造价成本较高,市场占有率不高。韩国三星公司将多种智能家居功能集成在机顶盒内[3],为智能家居的发展开拓了新的方向。国外智能家居技术已较为成熟。而我国智能家居技术起步较晚,经历了较长的缓慢发展期[4]。20世纪90年代后期,我国实施了全国住宅小区智能化技术示范工程,标志着我国住宅小区智能化进入了新阶段[2],智能家居行业得到了更为规范的指导,发展迅速。4G、5G的出现令网络更加便捷,促进了智能家居技术的发展。

物联网技术的兴起使各式各样的家电设备实现了互联,形成了智能家居系统[5-7]。本研究基于STM32,设计了一套智能家居系统,具有环境检测、系统控制、智能物联等功能,令空调、加湿器、窗户、窗帘等设备能够对环境条件进行自动分析,应用微电子技术实时监测并控制居住环境的温湿度及空气质量,通过传感器获取室内外信息,为家庭环境提供实时监控、智能预警等服务,实现室内环境的动态调控[8]。

1 技术路线

系统主要依靠控制装置智能调节室内环境,通过各类传感器(温度、湿度传感器)检测各项参数,并将其传递给系统控制装置的单片机,由单片机进行比较处理,得出结果。当室内空气某一污染物指数超标或温湿度超出宜居范围,系统将下达命令,通过开窗等方式进行调控。其核心是通过控制多种家具设备来实现居室环境的改变。

传感器负责检测室内外环境,将空气湿度、温度等数据转化为数字化信号传递给系统控制装置。单片机负责对传感器提供的数据进行处理、比较,根据编制的程序自动做出选择或遵循操作者的自主选择将命令下传给控制器。控制器接收到单片机下达的命令后,通过舵机的转动(如窗户的开关、窗帘的移动)或电源的开断等来实现居室环境的改变。还可自主设定温湿度等环境数据,兼顾自动化与自主选择。

系统由无线传输模块、One NET云平台、手机APP形成物联,采集的环境数据上传至APP助手,可实现数据实时监测与预警。采集的环境数据上传至云平台,可实现深度数据统计与分析。根据使用者的不同自主设置各个环境因子参数,通过手机端APP或系统按键来设置阈值,实现系统调节的多样性。技术路线如图1所示。

图1 系统的技术路线

2 使用模拟

如图2、图3、图4所示,系统主要包括检测机构(100)、调控机构(200)、晾晒机构(300),均设置在房体(400)上[9],通过检测机构检测房体外界环境与内部环境的温度、湿度及光照强度等,通过调控机构对室内环境进行调整,适宜居住,减少人为操作调节,避免调节失误造成的影响。

图3 晾晒机构(300)

图4 检测机构(100)

2.1 实施形式

检测机构包括温度传感器(130)、湿度传感器(140)、光度传感器(150)及空气质量传感器(160),通过螺栓固定安装在房体外端与房体内壁上,连接器(170)用于连接网络,获取更新天气信息[10]。所有传感器均通过导线接入控制面板(210)。

调控机构包括控制面板(210)、窗户组件(220)、窗帘组件(230)、驱动组件(240)、加湿器(250)及空调(260)。其中窗户组件、窗帘组件、驱动组件、加湿器及空调均安装在房体上,窗户组件、窗帘组件、驱动组件设有多个,窗户组件包括窗架(221)、窗体(222),窗架通过卡接方式固定安装在房体上,窗体通过滑轮滑动在窗架上。窗帘组件包括滑动架(231)、滑杆(232)、窗帘(233)及收线器(234),滑杆通过螺栓固定安装在房体上,滑动架与窗帘滑动配合在滑杆上,收线器通过螺栓固定安装在滑杆的一端,收线器的收线一端与窗帘固定连接。驱动组件包括丝杆(241)、第一电机(242)、第二电机(243),第一电机通过螺栓固定安装在窗架上,丝杆一端与第一电机的输出轴传动连接,另一端与窗架螺纹连接,第二电机通过螺栓固定安装在滑杆上,第二电机的输出轴与收线器的线固定连接。

晾晒机构包括安装架(310)、移动架(320)、传送带(330)、压力传感器(340)及第三电机(350),安装架通过螺栓固定安装在房体上,传送带通过滚轮等传动配合在安装架上,移动架通过螺栓固定安装在安装架上,移动架与传送带传动连接,第三电机通过螺栓固定安装在安装架上,传送带与第三电机的输出端传动连接,压力传感器通过螺栓固定安装在安装架上,压力传感器及第三电机接入控制面板,以保证设备的正常运转。

2.2 实施流程及作用

日常生活中,可通过检测机构检测室内外的各种环境参数。通过各传感器模块获取空气质量、温度、湿度及光照强度等参数,通过控制面板将室内与室外环境参数进行比较,得出适合的数据结果,通过调控机构调整空调、加湿器、窗帘及窗户等设备,为人们提供适宜的居住条件,也可根据需要通过控制面板调节此系统。

当室内空气质量与空气流动性较差时,控制面板将调控第一电机运行,驱动窗户移动,自动开窗通风,更新室内空气;当空气环境到达良好时,控制面板控制关闭窗户。室外光照条件良好时,控制面板将对光度传感器接收的信号进行判断,对室内外的光照进行对比,控制第二电机运转,令窗帘移动,自动调节室内的光照强度。

通过设置检测机构及调控机构,对房体内的空气湿度、温度及光照强度等进行智能调整,通过检测室外与室内环境数据,在控制面板的调控下控制窗户与窗帘的开度大小,使室内达到适宜的环境状态,减少人为操作造成的调节失误。

当压力传感器检测到有压力时,控制面板判断移动架上有晾晒衣物,控制面板通过检测机构检测到室外环境光照条件良好时,可通过控制窗帘移动进行调节。当室外环境适宜晾晒时,控制面板通过调控使第三电机运行,驱动传送带转动,带动移动架移动到窗外,实现自动晾晒。光照条件较差时,移动架收回到窗内,降低衣物被淋湿的可能。

3 结束语

智能家居系统通过传感器自主读取室内外参数,动态调控室内环境,使其能够自动调节室内环境参数。门窗可根据系统调控自动多向开合,通风方式多样化,适用于多种情况。调控系统通过控制面板实现智能物联,获取各环境因子参数,读取当前的环境情况,为人们提供更加便利、简洁、智能、安全的居住环境。