基于Wi-Fi控制的智能家居监控系统软硬件设计

严美珍

摘  要：随着互联网、人工智能的发展，智能设备变得越来越普及且强大，智能家居控制设备是最常见的智能设备之一，对人们生活水平的改善产生重要的影响。该文基于Wi-Fi控制设计智能家居控制系统，提出一种基于STM32芯片的智能家居监控系统，该方法采用Wi-Fi和智能手机相连，并将数据传送给云平台，进而对数据进行智能处理。在具体设计中，该文首先对系统总体方案进行明确，其次根据总体方案设计芯片、各功能模块等硬件系统，随后设计所需系统平台，开发手机APP，利用Wi-Fi将数据传递到云服务器上，最后利用手机APP进行远程监控，从而实现温度湿度监控、灯光自动控制、火灾报警等功能，为用户提供个性化的居家服务。

关键词：Wi-Fi；智能家居；监控系统；云平台；STM32单片机

中图分类号：TP311.5      文献标志码：A          文章编号：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

隨着信息技术的发展，智能设备逐渐走入大众家庭，成为了人们日常生活中的必需品，然后部分智能设备由于存在技术壁垒，以至于造价昂贵。为了可以让更多的技术得以服务大众，本文将围绕基于Wi-Fi控制的智能家居控制系统展开软硬件设计，旨在为当前智能家居控制系统带来一定的参考。

1  系统方案设计

1.1  系统总体设计

本设计以单片机为中心，利用Wi-Fi技术，通过网络技术对远程数据进行监测。本系统由STM32单片机、显示模块、警报模块和各种传感器模块等构成，最终由 Wi-Fi通信模块来完成，总体的方案如图1所示。

1.2  主要功能设计

为了更加便利服务于人们的生活，本设计利用Wi-Fi模块为无线传输媒介、利用传感器技术收集信息，把数据传送到云端服务器，实时把数据展示给用户，从温湿度监控、火灾报警、灯光自动控制和远程监控等角度出发，对智能化家居控制系统进行了功能优化，具体如下。

1）温湿度监测功能。为了实现对室内环境的实时测量，必须建立温度湿度的监控系统，本次采用有机发光二极管屏幕，按需开关，保证室内的温、湿度能达到舒适的要求。

2）火灾报警功能。火灾报警系统在其中起到了十分关键的作用，本次设计火灾报警功能，规定设置阈值一旦大于阈值，将达到声光报警的效果。

3）灯光自动控制功能。自动灯光和自动窗帘的功能在原理上是一致的。以探测出的光照强度为基础完成相应的功能，灯光暗下来的时候就会自动亮，光线好的时候会自动熄灯，实现能源节约。

4）远程监控功能。本次主要利用Wi-Fi无线网络和蓝牙等无线通信技术，并对家庭中的各种情况进行了分析。该功能还利用了一种云计算技术，将家庭中采集到的信息上传到云端，让用户可以在任何时候登录对应的移动手机APP对其进行监测。

2  硬件设计

2.1  芯片设计

在单片机的设计中，芯片是最重要的部件。一块芯片相当于一台计算机，起到完成运算和处理任务的作用，是本设计系统的关键部分。本系统以STM32为核心，以Cortex-M3为核心，不仅功能强大，还具有操作简便、集成度高等优点，在处理运算方面明显优于C51系列单片机。芯片和原理图如图2所示。

2.2  光线检测模块设计

本系统采用光电检测器对房间内的光照强度进行检测，在房间内光照强度低于设定的条件下，将会产生高电平的光照强度，在外界光照强度超过一定的条件下，则会产生低电平，再与单芯片相连，对光源强度和亮度进行检测，从而对房间的光照强度、亮度进行检测。如图3所示。

2.3  温湿度检测模块设计

本次采用市面上的检测设备，以DHT11型为主，其用途是对空气中的温湿度进行测量，将其转化为电信号或其他需要的数据。产品质量好，抗干扰能力好。元件和示意图如图4所示。

2.4  声光报警模块设计

本机具有2个主要的声光警报，当警报被启动的时候，会产生一种声、光的作用。通过对烟气及空气品质探测模组所收集的资料，在烟气的浓度超出一定范围或侦测到有毒烟气时，可发出声音及光线警示。该线路如图5所示。

2.5  Wi-Fi通信模块设计

无线网络通信模块是整个系统的关键部件，其是实现远程控制所必需的部件，本系统选择ESP8266无线网络通信模块进行了详细的设计。该模块是一种高性能的无线网络接口，使用简单方便，适合于设计物联网相关的新技术。通信模组和电路如图6所示。

3  软件设计

3.1  設计所需平台

1）编程平台。本系统采用Keil Uvision5平台来完成程序编写。平台主要使用C语言作为设计语言，其可以实现编写、编译、调试等功能，同时还可以检查代码是否正确，并告知错误的原因，最后经过模拟调试，将代码下载到 MCU进行在线功能调试。

2）画图平台。本系统采用 Altium Designer作为主要的电路设计平台，通过设计、绘图、印刷电路板来编辑整个电路图。这就降低了设计的门槛，降低了开发的困难，如果能够对其进行娴熟的运用，就能够让电路设计的品质和效率得到极大的提升。

3.2  程序烧录

首先准备好下载器，本次选用的是STLINK下载器，计算机必须安装驱动程序，以确定下载程序编号，然后将下载器插针连接到下载界面上。至此准备工作完毕。

进入平台配置并设定相关芯片型号及下载器型号后按下载键即可下载。

3.3  云平台设计与连接

本控制系统通过ESP8266通信模块连接云平台，执行资料互动。用户需要使用 GAgent的固件才能与智慧云计算平台进行连接。到 SingleCloud官网上，将对应的软件固件进行下载。当软件安装好之后，只需将GPIO调到悬挂状态，或是与高电平连接，再将其加到电源上，就可以运行了，如图7所示。

3.4  产品创建与开发

本控制系统通过乐鑫ESP8266通信模块与机智云平台相连接，进行产品创建与开发，实现数据交互功能。

1）创建产品。在“个人项目”的页面，单击“新建”项目，然后进入“个性化”项目，可以对产品类型、名称、移动网络方案及通信方式等进行设置，在“存储”之后，就会跳出“产品”的“个人指南”，下面是关于设定的一些基础资料，如图8所示。

2）创建数据点。数据点在产品设计中起着关键作用，其主要用于描述产品的性能指标，按照所设计的产品功能要求，设定相应的数值。另外该系统还利用单片机的数据，实现了单片机的数据生成，为开发人员提供了依据。

3.5  手机APP开发

本系统以用户界面、设备配置、设备发现、控制和信息推送为主要内容，完成了APP系统的开发。在将源码下载完毕之后，只需要对UI及控制逻辑进行优化就可以了，按照建立好的数据点，最终在使用移动手机APP的时候，就可以进行对设备的遥控，从而达到自己的产品目的。

4  功能调试

4.1  温湿度检测功能

本次测试首先检测温湿度功能，在连通电力以后，先是对室内的温湿度进行了实验，OLED的温度为24 ℃，相对湿度50%，用口喷空气来对室内的温度和湿度进行了调节，而在温湿度传感器的反馈下，OLED的温度为27 ℃，相对湿度为90%。经过多次实验，所有的温度和湿度都恢复到了原来的水平。

4.2  火灾报警功能

MQ-2的烟气探测器具有0～5 000 ppm的探测能力，在进行实验的时候，首先将警报的阈值设置好，之后用打火机在烟气探测器的附近放出一些气体，以达到类似于着火状态的效果，如果探测器探测到烟气的含量超出了一定的临界点，就会产生声音和光线的警报，并且会将烟气的密度信息呈现出来，如果将这个信号移走，那么这个信号就会消失，而这个信号也会被还原成普通的数值，在进行了几次实验之后，信号都是正确的。在图9中显示了该测试函数。

4.3  灯光自动控制功能

本设计采用了新型光电探测装置，并采用步进马达驱动，完成了对帘子及灯具的自动调节。在试验中当夜幕降临时，人们会用一只手遮挡灯光探测感应器，此时灯会自动开启，并通过步进马达的正向转动来完成窗帘的闭合。当手松开时灯会自动熄灭，这时，步进电动机倒置，以开启窗帘，经过多次测试后，运转良好。在图10中显示了该测试函数。

4.4  远程检测和控制功能

将本系统与移动手机APP进行了联系，并进行了操作，可以看见相关的数据（如灯光、温度、湿度和气压等），与OLED显示器的数据进行了对比，结果是一致的。实验照明的控制，按下照明的按钮，灯就会打开，又进行了几次开、关的实验，都显示出了良好的效果，在图11中给出了该数据的展示函数。

5  结束语

本文结合用户的实际需要进行智能家居控制系统软硬件设计，利用各种类型的感应器，收集家庭中的温湿度、亮度等信息，并在OLED屏幕上显示出相应的数字，然后经过Wi-Fi模组传送到移动手机APP上，通过对本系统所涉及的各模块进行了性能试验，取得了良好试验结果，完成了温湿度监控、灯光自动化、火警报警及远程监控等多项性能指标，符合要求。通过本智能家居控制系统设计，用户可以通过手机远程控制家中的电器、温湿度、照明等，大大提高了生活的便利性。

参考文献：

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[4] 李廷阳，张媛，张启雄，等.基于手机APP和WIFI网络控制的智能家居管控系统[J].物理通报，2021，50（7）：160-161.