基于物联网的STM32 单片机智能家居系统设计

李晓红，付江豪

（太原工业学院 电子工程系，山西太原，030008）

0 引言

当步入20 世纪90 年代以后,数字化通讯科技得到了前所未有的蓬勃发展并很快渗入社会的各行各业，物联网环境,公众信息安全,智慧消防、产业监测等应用领域生产业务的迅速蓬勃发展[1]。智能家居作为一个新兴的概念逐渐被大众所接受，它可以使用户足不出户就能享受各种服务，并且还能够通过互联网与其他设备进行交互。智能家居系统[2]以住宅平台为基础,并采用嵌入式微电脑作为核心控制器,以实现无线通信、安全防范以及自动控制等的系统集成，用于实现对智能家居环境的各个子系统的远程安全监控,环境监测和控制，智能家居环境监测系统在我国发展迅速。因此本文对智能家居网络系统进行设计,利用各种具有网络通信能力的设备实现并通过STM32[3]获取交换信号,利用判断命令确定系统运行状况,进而达到对智能家居网络系统的监测,随后利用手机APP 或电脑来发出指令，并通过与人们生活密切相关的各种设备的紧密结合,可以实现对家居室内及室外区域的控制和监测。

1 系统硬件设计

本次系统硬件设计主要由STM32 单片机、烟雾传感器、温湿度传感器、红外传感器、光敏电阻等部件设计研制而成。软件部分主要是基于手机APP 平台实现对各个功能模块的控制与监测。通过上位机监控界面可实时观察各参数状态并根据设定完成相应操作。控制系统的结构设计如图1 所示。

图1 系统硬件结构设计

其中STM32 的微机最小系统集成电路涵盖了时钟电路、接口调试电路、复位集成电路和启动模块的选择集成电路等部分。最小系统原理图如图2 所示[4]。

图2 STM32F103C8T6 最小系统原理图

外围电路中采用OLED12864 液晶显示屏为主体显示屏,以完成人机交互功能。OLED 的基本原理是利用了发光二极管的特点，通过利用OLED 在不同时刻所产生光的色彩差别原理,来组成特色LED 显示屏画面，具有显示速度快，显示稳定性好及屏幕亮度和分辨率高的优势，且所呈现的信息也比较直接。OLED 液晶显示器有四种接口方式,都可以使用模块的BS1/BS2 设置。针对所设计系统实际应用场景，最终选用4 针I2C 连接式的OLED 显示屏,其名称和对应连接的方法如表1 所示，电路设计图如图3 所示。

表1 OLED与单片机连接

图3 OLED 液晶电路接口

温湿度传感模块主要利用DHT11传感器[5]来检测家居环境温湿度状态,所得到的温度湿度数据可以作为智能家电的控制系统(比如智能空调、加湿器)的判断基础。DHT11传感器也是最常用的温湿度检测传感器之一,其温度相对湿度测量范围为20%～95%RH，环境温度检测范围为0℃～+50℃。将DHT11传感器的DATA 输出端口与STM32 处理器的PB14端口连接，STM32单片机把收集到的数据进行转换,最后以数据的方式在OLED液晶屏幕上表示。DHT11 湿度传感器实物图及其接口电路线，分别如图4 和5 所示。

图4 DHT11 温湿度传感器实物图

图5 DHT11 接口电路

烟雾传感模块利用MQ-2 传感器[6]来检测室内烟雾浓度。本次设计利用STM32 单片机内集成的高速度ADC 完成烟气检测的数据采集，将MQ-2 传感器的AOUT 端口与STM32 单片机内的PA7 口相连接。MQ-2 传感器内部选用了更加敏感得高温传感器材料作为感应器的导热材质，当烟气感应器探头检测到烟气颗粒时,其表面的温度就会发生变化，从而能够引起电信号发生改变,这种变化虽然十分微弱,但通过对信号放大，就能够得到相当明显的电流变化,由此可以被在STM32 单片内集成的高速ADC 所采集到。再通过控制器内设定好的烟雾告警阈值,可以自动判断是否开启声光报警。MQ-2 烟雾传感器模块实物如图6 所示。

图6 MQ-2 烟雾传感器模块

图7 光敏电阻原理图

光敏传感模块主要通过光敏电阻来感知环境光的强弱。由于光敏电阻对于环境中光照强弱变化非常敏感，光敏电阻阻值的大小会随着光照强弱发生变化，从而能够输出不同大小的电信号。使用时首先利用在STM32 单片机控制器内集成的高速ADC 实现光敏电阻电压的数据采集,其次通过控制器内设定的光敏阈值,可以自动判断是否启灯亮、灯灭。光敏传感电路基本原理如7 所示。

防盗报警功能通过反射式红外传感器来实现，并利用蜂鸣器产生声音警报,而报警光由LED 指示灯产生。本次设计的WiFi 通信模块采用了ESP8266 模块[7]，该模块的最大工作电压范围为3～3.6V。其优势具备输入输出电量小、体重轻、可靠性高以及支持多种网络协议的特点，实物图如图8 所示。

图8 ESP8266 WiFi 通信模块

2 系统软件设计

软件设计是整个系统功能实现的不可分割的重要环节,同时也是各个功能模块得以顺利工作的重要基石。本系统设计工作主要由STM32 单片机系统软件程序设计、ESP8266WiFi 通讯模块及固件软件设计、机智云云平台产品设计与实现、手机APP 软件设计与实现等四部分构成。其中主控芯片设计采用的是STM32F103C8T6 芯片,主要完成以下四项功能:温度、湿度、烟雾等传感器信息的采集、通过OLED 液晶显示屏显示数据、蜂鸣器报警以及照明开关的控制。主程序的流程设为:

（1）硬件系统通电启动后,先对系统和各个传感器进行初始化,然后由STM32 嵌入式单片机利用红外感器模块判断是否有外人入侵,并通过这些信息来判度是否进行报警。

（2）由STM32 单片机读出温湿度传感器模组收集的环境温湿度数据信息,光敏传感器模块数据信息,读出空气质量感应器模组收集的空气质量情况,并将测量情况与控制系统设置的参数对比以确认系统是否运行了声光报警程序。

（3）由STM32 单片机将得到的相关数据经处理转换后,驱动OLED 液晶屏并在相应的区域处显示相应数值。WiFi 通讯模块手动将有关数据上传机智云云平台客户端,通过手机APP登陆机智云云平台服务器进行远程通讯,查看有关信息。

（4）手机APP 通过机智云云平台客户端给系统下达指令,然后系统不断反复搜索WiFi 模块,看有没有来自机智云端的新指令。在接受到新指令之后,STM32 就对整个系统的各功能模块都加以了控制。

（5）通过按键功能可以对OLED 显示屏上设定的烟雾、光照、温湿度、空气质量阈值进行修改。

主程序流程图如图9 所示。

图9 主程序流程图

进行了STM32单片机的应用程序实现、ESP8266 WiFi 通讯模块的软件设计和机智云云系统设计与实现,再后面要进行系统相关的APP 软件设计。首先将系统和手机APP 相连,然后再进入APP的操作界面,启动电源，若系统正处于自动模式中,则系统会将收集到的温湿度,以及烟气含量,空气质量以及光照强度这些数据通过WiFi 模块传送给手机APP。当空气温湿度示值的烟尘浓度和空气质量达到规定的阈值时就会实现自动报警,同时当光照强度低于设定阈值时,会进行自动开启室内灯光。

当通过按键将其自动模式改为手动模式时，可以通过手机APP对其室内灯光进行打开或者关闭，如图10和11所示。

图10 手机APP 监测

图11 手机APP 控制灯光

3 总结

本文通过对目前国内智能家居产业的发展现状以及存在的问题，从普通家庭的实际需要出发,设计和完成了一款采用STM32 单片机的多功能智能家庭家居控制器。通过温湿度传感器模块来检测室内的环境湿度状况,并搭配了OLED 液晶显示屏以及手机APP,实现了家居环境湿度检测功能。利用烟雾传感器模块收集的环境烟气含量情况,并结合蜂鸣器和LED 指向灯,实现了火灾事故声光报警控制功能。利用红外传感器模块来探测是否有人私自闯进来的情况，利用光敏传感模块探测周围光照信息，实现对照明的自动控制。最后采用WiFi 通信模块和机智云平台进行信息交换，完成了移动APP 的远程监视和控制服务。