基于STC单片机的“互联网+”智能家居系统

摘 要：为了给用户提供安装和操作简单、便捷的智能家居，设计了一种具有室内温湿度监控、智能开关控制、智能窗帘控制以及有害气体监控与报警功能的智能家居系统。该系统是以物联网的三层架构为基础而打造出来的，采用STC8A8K64S4A12开发板作为控制系统的主控设备以及ESP8266 WiFi模块作为通信设备，分别利用Keil uVision5和Arduino IDE 编程平台进行开发，最终实现点灯·blinker APP对智能家居系统的控制，以及相关数据在APP和OLED液晶显示屏上显示。经过一系列测试，智能家居系统运行稳定，能够满足用户的日常基本需求，具有一定实用价值。

关键词：物联网；智能家居；STC8A8K64S4A12；ESP8266；点灯·blinker；“互联网+”

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

在当今数字化时代，随着物联网技术的发展，智能家居系统已成为居民生活中不可或缺的一部分[1-2]。智能家居是利用自动化技术、综合布线技术、网络通信技术和音视频技术等在住宅上打造具有智能化、便捷性和安全性等特点的智能系统[3]。然而，目前智能家居系统仍然存在一系列问题，如稳定性、操作性、灵活性、用户体验等方面尚待研究和改进[4-5]。因此，本文旨在设计一种稳定运行、易于扩展、简单易行，并且能更高效地实现环境监测的智能家居系统。这将为人们提供更为智能化、舒适化的居住体验，促进智能家居技术的应用和发展，具有重要的意义和价值。

1 系统总体设计

在本系统设计中，以物联网的三层架构[6]为基础，即感知层、网络层和应用层。感知层由STC8A8K64S4A12开发板以及由各个传感器模块组成的智能开关控制电路、智能窗帘控制电路、烟雾浓度检测和报警电路、温湿度检测电路来实现；网络层由ESP8266 WiFi模块和点灯科技平台来实现；应用层由点灯·blinker APP[7]和网络应用服务来实现。

智能家居系统主要由基于STC8A8K64S4A12开发板设计的控制系统和基于ESP8266 WiFi模块设计的通信系统构成。控制系统以Keil uVision5作为编程平台，通信系统以 Arduino IDE作为编程平台，通过WiFi联网的方式实现手机终端与系统的连接，利用点灯科技平台作为媒介以实现通过点灯·blinker APP上的按钮向通信系统发送指令，通信系统收到指令并验证正确后将指令发送到控制系统，控制系统执行相应的指令；控制系统不断读取设备的状态和数据并经通信系统传送到点灯·blinker APP端，从而完成对住宅的智能控制。系统总体设计结构如图1所示。

2 系统硬件

2.1 硬件设计

硬件设计分为智能开关控制电路、智能窗帘控制电路、烟雾浓度检测和报警电路、温湿度检测电路四个功能模块，采用了1路继电器、有源蜂鸣器、步进电机、ULN2003驱动板、DHT11温湿度传感器模块、MQ-2烟雾气体传感器模块、光敏电阻传感器模块、LED灯、直流电机、OLED液晶显示屏模块。其中OLED液晶显示屏用于实时显示电路中的设备状态和数据。智能家居系统的功能结构如图2所示。

2.2 各个模块电路的设计

2.2.1 智能开关控制电路设计

智能开关控制电路模块分为5个开关，分别为卧室灯、客厅灯、可调节亮度灯、风扇开关、排气扇开关，即智能开关控制电路采用3只LED灯的亮灭分别来模拟卧室灯、客厅灯、可调节亮度灯的工作；用两个1路继电器分别控制两个电机的转动来模拟排气扇、电风扇的工作。卧室灯用高电平点亮、客厅灯用高电平点亮；可调节亮度灯用PWM波来控制，PWM波控制可以在控制亮灭的基础上根据PWM波的原理来调节亮度。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）[8]就是在一定的频率下，通过不同的占空比得到不同的输出模拟电压。当APP发送指令使连接继电器的引脚处于高电平状态时，继电器开始驱动排气扇或者电风扇工作。

通过点灯·blinker APP即可对这五个开关实现智能控制，并实时将这五个开关的状态显示在OLED液晶显示屏和反馈到APP界面上。智能开关控制电路的工作流程如图3所示。

2.2.2 智能窗帘控制电路设计

智能窗帘控制电路采用ULN2003驱动板、28BYJ-48 步进电机以及光敏电阻传感器设计而成。智能窗帘控制电路拥有手动和自动调节窗帘的状态、自动感光功能。该模块还可以检测光照的强度，并实时在点灯·blinker APP界面显示。当窗帘处于手动调节的状态时，用户可以自行根据实际需求选择打开或者关闭窗帘。当窗帘处于自动调节的状态时，可以自行根据实际情况设定光照强度，当光照强度大于预定值，窗帘会自动关闭；当光照强度小于预定值，窗帘会自动打开。智能窗帘控制电路的工作流程如图4所示。

2.2.3 WiFi模块电路设计

本次设计中采用的WiFi模块使用乐鑫公司开发的高度集成ESP8266芯片，它具有体积小、丢包现象不严重、价格超低等优势[9]。由于通信系统开发板ESP8266仅有一个串口，为了方便通信，采用软件模拟的方式将ESP8266 WiFi模块上的两个IO口化为串口，与控制STC8A8K64S4A12开发板的两个通信串口连接，两者通过串口通信。为了使串口通信更加稳定，将各自的VCC和GND连接起来，其通过WiFi接入局域网；当软硬件处于同一网络下时，可以通过点灯·blinker APP查看控制系统中设备的数据，实现控制智能开关、智能窗帘、烟雾浓度报警和温湿度显示等功能。

2.2.4 烟雾浓度检测和报警电路设计

本设计采用MQ-2烟雾传感器[10]采集住宅室内的烟雾浓度值并将其实时在OLED液晶显示屏和点灯·blinker APP界面显示。用户可以自行设定烟雾浓度值的大小，当烟雾浓度值超过预定值时，有源蜂鸣器发出响声作为报警信号来提醒用户室内烟雾浓度过大，需要及时做出反应。烟雾浓度检测和报警电路工作流程如图5所示。

2.2.5 温湿度检测电路设计

本设计采用DHT11复合温湿度传感器[11]采集住宅室内的温湿度并将其实时在OLED液晶显示屏和点灯·blinker APP界面显示，以便用户可以更清楚地了解室内的环境并及时做出调整。温湿度检测电路工作流程如图6所示。

3 系统软件

3.1 系统软件开发

智能家居系统需要开发相对应的软件APP作为通信系统的控制中心。本系统采用点灯科技提供的点灯·blinker APP进行软件开发，其功能十分强大。点灯·blinker APP软件能运行在安卓系统和iOS系统上，接入简单且快速，其提供的模块不仅可以让开发者快速完成APP界面的布局，而且还支持目前主流的硬件开发和多种通信技术，支持蓝牙接入、WiFi联网接入和网络接入方式。本次设计采用WiFi联网接入的方式完成开发与通信。

3.2 APP界面设计

APP界面的设计使用Layout编辑器，在界面编辑模式下通过对点灯·blinker APP 软件提供的模块进行编辑就可以完成设计，点击模块图标就可以设置该模块的显示风格或者参数，支持文字、按键、调试、滑块、颜色、图表、视频和图片等多种界面布局方式，并且可以更改界面背景图片，设置模块的键值。本次设计采用了按键、数据、滑块和调试这四个模块，按键用到了7个，除了窗帘的上下调节按键外其他按键支持状态反馈，背景色为白色代表按钮处于关状态，背景色为黄色代表开关处于开状态；数据用了4个，分别用于显示湿度、温度、光照强度和烟雾浓度；滑块用到了1个，用来改变可调节灯的亮度，并且支持状态反馈。为了方便用户查看系统状态，还用到了1个调试组件，可以清楚地看到数据的变化。图7为APP的最终界面设计。

4 系统测试

首先连接好智能家居系统各个硬件模块（如图8所示），然后将在Keil uVision5编程平台编写好的代码通过STC-ISP烧录到STC8A8K64S4A12开发板，并将在Arduino IDE编程平台编写好的代码上传到ESP8266 WiFi模块。接着通过WiFi联网的方式来完成点灯·blinker APP和智能家居系统连接；待系统运行稳定后，通过APP对智能开关、智能窗帘、烟雾浓度检测与报警、温湿度检测、OLED液晶显示等功能进行测试。

通过APP界面上的按钮控制客厅灯、卧室灯、排气扇、电风扇、窗帘的开或者关以及根据预先设定好的光照强度值完成窗帘开或关；通过滑动APP界面上的滑动条控制可调节灯的亮度。经测试，各个功能模块均能正常运行，APP和OLED液晶显示屏显示设备的开关状态以及温湿度、烟雾浓度、可调节灯的亮度（如图9、图10所示）。

5 结 语

本设计是基于物联网的三层架构进行开发，并由STC8A8K64S4A12开发板设计的控制系统和ESP8266 WiFi模块设计的通信系统结合而成的智能家居系统。STC8A8K64S4A12开发板和ESP8266 WiFi模块具有价格低、通用性强、性能稳定等特点，可以降低设计成本和开发周期。经测试，智能家居系统能够实现对住宅的智能开关电路控制、智能窗帘控制电路控制、烟雾浓度检测与报警电路控制、温湿度检测电路控制，其具有性能稳定、可靠性高等特点，可以满足用户的正常生活需求。

参考文献

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[11]周宝玲，黄军豪，柳贵东.基于单片机的智能家居系统设计[J].信息与电脑（理论版），2021，33（14）：145-147.

作者简介：吴源颖（2002—），男，本科，研究方向为物联网。