摘 要：為了給用戶提供安裝和操作簡單、便捷的智能家居，設計了一種具有室內(nèi)溫濕度監(jiān)控、智能開關控制、智能窗簾控制以及有害氣體監(jiān)控與報警功能的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)的三層架構為基礎而打造出來的，采用STC8A8K64S4A12開發(fā)板作為控制系統(tǒng)的主控設備以及ESP8266 WiFi模塊作為通信設備，分別利用Keil uVision5和Arduino IDE 編程平臺進行開發(fā)，最終實現(xiàn)點燈·blinker APP對智能家居系統(tǒng)的控制，以及相關數(shù)據(jù)在APP和OLED液晶顯示屏上顯示。經(jīng)過一系列測試，智能家居系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足用戶的日?；拘枨螅哂幸欢▽嵱脙r值。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；STC8A8K64S4A12；ESP8266；點燈·blinker；“互聯(lián)網(wǎng)+”

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-0-03

0 引 言

在當今數(shù)字化時代，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)已成為居民生活中不可或缺的一部分[1-2]。智能家居是利用自動化技術、綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術和音視頻技術等在住宅上打造具有智能化、便捷性和安全性等特點的智能系統(tǒng)[3]。然而，目前智能家居系統(tǒng)仍然存在一系列問題，如穩(wěn)定性、操作性、靈活性、用戶體驗等方面尚待研究和改進[4-5]。因此，本文旨在設計一種穩(wěn)定運行、易于擴展、簡單易行，并且能更高效地實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的智能家居系統(tǒng)。這將為人們提供更為智能化、舒適化的居住體驗，促進智能家居技術的應用和發(fā)展，具有重要的意義和價值。

1 系統(tǒng)總體設計

在本系統(tǒng)設計中，以物聯(lián)網(wǎng)的三層架構[6]為基礎，即感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層由STC8A8K64S4A12開發(fā)板以及由各個傳感器模塊組成的智能開關控制電路、智能窗簾控制電路、煙霧濃度檢測和報警電路、溫濕度檢測電路來實現(xiàn)；網(wǎng)絡層由ESP8266 WiFi模塊和點燈科技平臺來實現(xiàn)；應用層由點燈·blinker APP[7]和網(wǎng)絡應用服務來實現(xiàn)。

智能家居系統(tǒng)主要由基于STC8A8K64S4A12開發(fā)板設計的控制系統(tǒng)和基于ESP8266 WiFi模塊設計的通信系統(tǒng)構成?？刂葡到y(tǒng)以Keil uVision5作為編程平臺，通信系統(tǒng)以 Arduino IDE作為編程平臺，通過WiFi聯(lián)網(wǎng)的方式實現(xiàn)手機終端與系統(tǒng)的連接，利用點燈科技平臺作為媒介以實現(xiàn)通過點燈·blinker APP上的按鈕向通信系統(tǒng)發(fā)送指令，通信系統(tǒng)收到指令并驗證正確后將指令發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的指令；控制系統(tǒng)不斷讀取設備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)并經(jīng)通信系統(tǒng)傳送到點燈·blinker APP端，從而完成對住宅的智能控制。系統(tǒng)總體設計結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件設計

硬件設計分為智能開關控制電路、智能窗簾控制電路、煙霧濃度檢測和報警電路、溫濕度檢測電路四個功能模塊，采用了1路繼電器、有源蜂鳴器、步進電機、ULN2003驅(qū)動板、DHT11溫濕度傳感器模塊、MQ-2煙霧氣體傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、LED燈、直流電機、OLED液晶顯示屏模塊。其中OLED液晶顯示屏用于實時顯示電路中的設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)。智能家居系統(tǒng)的功能結構如圖2所示。

2.2 各個模塊電路的設計

2.2.1 智能開關控制電路設計

智能開關控制電路模塊分為5個開關，分別為臥室燈、客廳燈、可調(diào)節(jié)亮度燈、風扇開關、排氣扇開關，即智能開關控制電路采用3只LED燈的亮滅分別來模擬臥室燈、客廳燈、可調(diào)節(jié)亮度燈的工作；用兩個1路繼電器分別控制兩個電機的轉(zhuǎn)動來模擬排氣扇、電風扇的工作。臥室燈用高電平點亮、客廳燈用高電平點亮；可調(diào)節(jié)亮度燈用PWM波來控制，PWM波控制可以在控制亮滅的基礎上根據(jù)PWM波的原理來調(diào)節(jié)亮度。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）[8]就是在一定的頻率下，通過不同的占空比得到不同的輸出模擬電壓。當APP發(fā)送指令使連接繼電器的引腳處于高電平狀態(tài)時，繼電器開始驅(qū)動排氣扇或者電風扇工作。

通過點燈·blinker APP即可對這五個開關實現(xiàn)智能控制，并實時將這五個開關的狀態(tài)顯示在OLED液晶顯示屏和反饋到APP界面上。智能開關控制電路的工作流程如圖3所示。

2.2.2 智能窗簾控制電路設計

智能窗簾控制電路采用ULN2003驅(qū)動板、28BYJ-48 步進電機以及光敏電阻傳感器設計而成。智能窗簾控制電路擁有手動和自動調(diào)節(jié)窗簾的狀態(tài)、自動感光功能。該模塊還可以檢測光照的強度，并實時在點燈·blinker APP界面顯示。當窗簾處于手動調(diào)節(jié)的狀態(tài)時，用戶可以自行根據(jù)實際需求選擇打開或者關閉窗簾。當窗簾處于自動調(diào)節(jié)的狀態(tài)時，可以自行根據(jù)實際情況設定光照強度，當光照強度大于預定值，窗簾會自動關閉；當光照強度小于預定值，窗簾會自動打開。智能窗簾控制電路的工作流程如圖4所示。

2.2.3 WiFi模塊電路設計

本次設計中采用的WiFi模塊使用樂鑫公司開發(fā)的高度集成ESP8266芯片，它具有體積小、丟包現(xiàn)象不嚴重、價格超低等優(yōu)勢[9]。由于通信系統(tǒng)開發(fā)板ESP8266僅有一個串口，為了方便通信，采用軟件模擬的方式將ESP8266 WiFi模塊上的兩個IO口化為串口，與控制STC8A8K64S4A12開發(fā)板的兩個通信串口連接，兩者通過串口通信。為了使串口通信更加穩(wěn)定，將各自的VCC和GND連接起來，其通過WiFi接入局域網(wǎng)；當軟硬件處于同一網(wǎng)絡下時，可以通過點燈·blinker APP查看控制系統(tǒng)中設備的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)控制智能開關、智能窗簾、煙霧濃度報警和溫濕度顯示等功能。

2.2.4 煙霧濃度檢測和報警電路設計

本設計采用MQ-2煙霧傳感器[10]采集住宅室內(nèi)的煙霧濃度值并將其實時在OLED液晶顯示屏和點燈·blinker APP界面顯示。用戶可以自行設定煙霧濃度值的大小，當煙霧濃度值超過預定值時，有源蜂鳴器發(fā)出響聲作為報警信號來提醒用戶室內(nèi)煙霧濃度過大，需要及時做出反應。煙霧濃度檢測和報警電路工作流程如圖5所示。

2.2.5 溫濕度檢測電路設計

本設計采用DHT11復合溫濕度傳感器[11]采集住宅室內(nèi)的溫濕度并將其實時在OLED液晶顯示屏和點燈·blinker APP界面顯示，以便用戶可以更清楚地了解室內(nèi)的環(huán)境并及時做出調(diào)整。溫濕度檢測電路工作流程如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)

智能家居系統(tǒng)需要開發(fā)相對應的軟件APP作為通信系統(tǒng)的控制中心。本系統(tǒng)采用點燈科技提供的點燈·blinker APP進行軟件開發(fā)，其功能十分強大。點燈·blinker APP軟件能運行在安卓系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)上，接入簡單且快速，其提供的模塊不僅可以讓開發(fā)者快速完成APP界面的布局，而且還支持目前主流的硬件開發(fā)和多種通信技術，支持藍牙接入、WiFi聯(lián)網(wǎng)接入和網(wǎng)絡接入方式。本次設計采用WiFi聯(lián)網(wǎng)接入的方式完成開發(fā)與通信。

3.2 APP界面設計

APP界面的設計使用Layout編輯器，在界面編輯模式下通過對點燈·blinker APP 軟件提供的模塊進行編輯就可以完成設計，點擊模塊圖標就可以設置該模塊的顯示風格或者參數(shù)，支持文字、按鍵、調(diào)試、滑塊、顏色、圖表、視頻和圖片等多種界面布局方式，并且可以更改界面背景圖片，設置模塊的鍵值。本次設計采用了按鍵、數(shù)據(jù)、滑塊和調(diào)試這四個模塊，按鍵用到了7個，除了窗簾的上下調(diào)節(jié)按鍵外其他按鍵支持狀態(tài)反饋，背景色為白色代表按鈕處于關狀態(tài)，背景色為黃色代表開關處于開狀態(tài)；數(shù)據(jù)用了4個，分別用于顯示濕度、溫度、光照強度和煙霧濃度；滑塊用到了1個，用來改變可調(diào)節(jié)燈的亮度，并且支持狀態(tài)反饋。為了方便用戶查看系統(tǒng)狀態(tài)，還用到了1個調(diào)試組件，可以清楚地看到數(shù)據(jù)的變化。圖7為APP的最終界面設計。

4 系統(tǒng)測試

首先連接好智能家居系統(tǒng)各個硬件模塊（如圖8所示），然后將在Keil uVision5編程平臺編寫好的代碼通過STC-ISP燒錄到STC8A8K64S4A12開發(fā)板，并將在Arduino IDE編程平臺編寫好的代碼上傳到ESP8266 WiFi模塊。接著通過WiFi聯(lián)網(wǎng)的方式來完成點燈·blinker APP和智能家居系統(tǒng)連接；待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，通過APP對智能開關、智能窗簾、煙霧濃度檢測與報警、溫濕度檢測、OLED液晶顯示等功能進行測試。

通過APP界面上的按鈕控制客廳燈、臥室燈、排氣扇、電風扇、窗簾的開或者關以及根據(jù)預先設定好的光照強度值完成窗簾開或關；通過滑動APP界面上的滑動條控制可調(diào)節(jié)燈的亮度。經(jīng)測試，各個功能模塊均能正常運行，APP和OLED液晶顯示屏顯示設備的開關狀態(tài)以及溫濕度、煙霧濃度、可調(diào)節(jié)燈的亮度（如圖9、圖10所示）。

5 結 語

本設計是基于物聯(lián)網(wǎng)的三層架構進行開發(fā)，并由STC8A8K64S4A12開發(fā)板設計的控制系統(tǒng)和ESP8266 WiFi模塊設計的通信系統(tǒng)結合而成的智能家居系統(tǒng)。STC8A8K64S4A12開發(fā)板和ESP8266 WiFi模塊具有價格低、通用性強、性能穩(wěn)定等特點，可以降低設計成本和開發(fā)周期。經(jīng)測試，智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對住宅的智能開關電路控制、智能窗簾控制電路控制、煙霧濃度檢測與報警電路控制、溫濕度檢測電路控制，其具有性能穩(wěn)定、可靠性高等特點，可以滿足用戶的正常生活需求。

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作者簡介：吳源穎（2002—），男，本科，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)。