摘要：隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和科技的不斷進步，人們對生活的需求也越來越多，智能家居產(chǎn)品的融入就是科技時代的產(chǎn)物。從大眾的需求出發(fā)，該文介紹了一個以單片機為核心的智能家居控制系統(tǒng)，其采用多種傳感器采集環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee和Wi-Fi實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸和控制，通過移動互聯(lián)網(wǎng)平臺實時查看和控制。經(jīng)測試驗證其質(zhì)量優(yōu)良，響應(yīng)精準，可擴展性高。希望能夠為智能家居系統(tǒng)研究帶來一定的啟發(fā)作用，助推更加高效可靠、滿足人們需求的智能家居控制產(chǎn)品出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：單片機；智能家居；控制系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.09.017

中圖分類號：TP 273 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）09-00-03

Research on Multiple Smart Home Control Systems Based on Single Chip Microcontrollers

LI Jiaze， XU Jiaxuan， WANG Zixu， HE Yue， CAO Xianqi

（College of Applied Technology， Liaoning University of Science and Technology， Anshan 114051， China）

Abstract： With the rapid development of the global economy and the continuous advancement of technology， people's demand for life is also increasing. The integration of smart home products is a product of the technological era. Starting from the needs of the public， this article introduces a multi smart home control system with a microcontroller as the core. It uses multiple sensors to collect environmental parameters and achieves long-distance data transmission and control through ZigBee and Wi-Fi. Real time viewing and control through mobile Internet platform. Tested and verified to have excellent quality， precise response， and high scalability. I hope this article can provide some inspiration for the research of smart home systems， and promote the emergence of more efficient and reliable smart home control products that meet people's needs.

Keywords： microcontroller; multiple smart homes; control system

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，先進技術(shù)的融合與集成使得具備智能化特性的家居系統(tǒng)逐漸成為主流[1]。此外，不同品牌的智能家居產(chǎn)品需要單獨下載和管理各自的App，給用戶帶來了不少麻煩。為了解決這個問題，現(xiàn)提出一種基于STM32單片機的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)允許用戶根據(jù)個人需求自由設(shè)置監(jiān)測的定值，實現(xiàn)個性化的監(jiān)測方案。通過連接到OneNET平臺，并通過多種傳感器，如煙霧、溫度、光照和窗戶的狀態(tài)檢測，借助發(fā)送的指令或檢測定值來控制繼電器以調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。這一創(chuàng)新性的系統(tǒng)不僅提高了家居環(huán)境的舒適性和便利性，也顯著提升了人們的生活水平。

1 基于單片機的智能家居控制系統(tǒng)概述

智能家居系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于家庭住宅領(lǐng)域，其運用場景多種多樣。借助綜合布線、網(wǎng)絡(luò)通信、安全防范、自動控制和音視頻等各種先進技術(shù)，智能家居系統(tǒng)將各種家居設(shè)施無縫集成，創(chuàng)造出高效、便捷、舒適、安全的居住環(huán)境。多項智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，分為核心控制部分、傳感器部分以及傳輸部分，其核心部分采用STM32單片機；傳感器部分主要是適應(yīng)智能家居中需要控制的各類型設(shè)施的參數(shù)檢測裝置，如煙霧、溫濕度、液位、光照等傳感器；傳輸部分則采用無線傳輸，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程控制和檢測數(shù)據(jù)傳輸[2]。

2 基于單片機的智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32單片機

STM32單片機以其高性能、豐富的資源、多種型號和配置、強大的工具鏈支持以及豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)成為眾多嵌入式應(yīng)用的理想選擇。無論是開發(fā)智能家居系統(tǒng)、工業(yè)自動化設(shè)備還是消費電子產(chǎn)品，STM32單片機都能夠提供強大的功能和靈活性。與普通51系統(tǒng)單片機相比，STM32單片機具備更高的CPU主頻和更快的數(shù)據(jù)處理速度，這使得其作為智能家居控制系統(tǒng)的核心，能夠更高效地執(zhí)行各種智能家居控制任務(wù)[3]。而在硬件方面，STM32單片機還提供更多的I/O接口，這為連接各類設(shè)備提供了更大的靈活性與便捷性。除了強勁的硬件性能，該單片機還擁有豐富的開發(fā)庫資源。這些資源包括各種可用的代碼庫、函數(shù)和驅(qū)動程序，為開發(fā)人員提供了更快速的開發(fā)通道。利用這些資源，可以更高效地編寫智能家居控制系統(tǒng)軟件，使其更加穩(wěn)定、靈活和易于拓展。值得一提的是，STM32單片機的豐富生態(tài)系統(tǒng)為日后的設(shè)備擴展和適應(yīng)新興技術(shù)提供了極大的便利。無論是添加新的傳感器、控制器，還是應(yīng)對未來的技術(shù)發(fā)展，此單片機都具備廣泛的支持性和兼容性。

2.2 ESP8266無線模塊

ESP8266具有很高的聯(lián)網(wǎng)功能，能夠與物聯(lián)網(wǎng)平臺共享數(shù)據(jù)，通過無線傳輸方式進行數(shù)據(jù)的交換和傳遞，實現(xiàn)多種運行模式，用戶可以根據(jù)具體需求選擇合適的模式進行配置。其中，STA（Station）模式使其能夠充當無線客戶端連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備的上網(wǎng)功能；AP（Access Point）模式則使其能夠作為熱點提供網(wǎng)絡(luò)連接給其他設(shè)備；而STA+AP模式則兼具以上兩者的功能。這些模式的靈活性使得此模塊適用于不同的場景。同時還具備出色的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力?？梢越邮諄碜愿黝愇锫?lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)安全可靠地上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺。ESP8266采用廣泛使用的TCP/IP，確保該無線模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。為了方便程序編寫，ESP8266提供了豐富的可調(diào)用工具包，使開發(fā)人員能夠快速構(gòu)建功能豐富的應(yīng)用程序。開發(fā)者可以利用這些工具包進行開發(fā)和調(diào)試，降低了開發(fā)難度，提高開發(fā)效率。除此之外，還具有低功耗的設(shè)計，能在電池供電或?qū)囊筝^高的場景下工作。高性能的32位處理器賦予了其強大的處理能力和數(shù)據(jù)處理能力，使其能夠運行嵌入式操作系統(tǒng)，支持多線程和多任務(wù)的并發(fā)處理[4]。

2.3 火災(zāi)報警模塊

火災(zāi)報警模塊是智能家居系統(tǒng)不可或缺的組成部分。在這一模塊中，溫度和煙霧檢測器是關(guān)鍵的元素，用于實現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測和及時報警。溫度檢測器采用了先進的技術(shù)，確保其具備高度的可靠性和穩(wěn)定性。檢測器還采用了便捷的通信方式，使得用戶可以輕松地與其他硬件設(shè)備進行連接，并實現(xiàn)多種功能的協(xié)同工作。另外，溫度檢測器具有高精度和低誤差的特點，能夠準確地監(jiān)測區(qū)域的溫度變化，為火災(zāi)預(yù)防和救援提供了重要的支持。而煙霧檢測模塊則選用了MQ-2煙霧傳感器。這是一種用于檢測空氣中可燃性氣體和煙霧濃度的傳感器。該傳感器具有高阻性，極其敏感，很小的煙霧量都能夠檢測到并及時做出響應(yīng)。此外，MQ-2煙霧傳感器驅(qū)動電路簡單，采用了高品質(zhì)的傳感組件，在檢測可燃性氣體和煙霧信號的同時能夠保證穩(wěn)定、可靠的性能。這兩種傳感器的組合可以對空氣中的溫度和煙霧數(shù)據(jù)進行快速、準確的檢測和收集。相比于傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測裝置，智能家居控制系統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測報警模塊在檢測和響應(yīng)上更加精準快速，在使用上也更便捷和靈活。

2.4 雨天提醒模塊

此模塊由液位傳感器（Water Sensor）和感應(yīng)開關(guān)兩部分組成，二者之間存在緊密的協(xié)同工作關(guān)系。感應(yīng)開關(guān)在這里扮演著為液位傳感器供電的重要角色。當感應(yīng)開關(guān)處于打開狀態(tài)時，系統(tǒng)會判斷窗戶處于開啟狀態(tài)。在這種情況下，系統(tǒng)只有在液位傳感器檢測到信號時才會啟動相應(yīng)的操作。而如果感應(yīng)開關(guān)未被觸發(fā)，系統(tǒng)將保持靜默，不會做出任何反應(yīng)。液位傳感器具有低功耗的特性，可以在消耗較少電力的狀態(tài)下工作，具備節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢[5]。同時，其高靈敏度的特性使得液位傳感器能夠適應(yīng)本設(shè)計所要滿足的使用需求，并確保對液位狀態(tài)監(jiān)測的準確度?？偠灾何粋鞲衅骱透袘?yīng)開關(guān)的組合模塊通過協(xié)同工作實現(xiàn)了智能窗戶的狀態(tài)監(jiān)測和控制。感應(yīng)開關(guān)為液位傳感器提供電源，并與之配合，確保系統(tǒng)在窗戶開啟狀態(tài)下對液位信號的監(jiān)測和響應(yīng)。液位傳感器的低功耗和高靈敏度特性也使其能夠滿足該設(shè)計的應(yīng)用需求，并實現(xiàn)對窗戶開關(guān)狀態(tài)的精確把控。

3 基于單片機的智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)的軟件不僅是功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，更是提升客戶體驗的關(guān)鍵。并且，好的軟件設(shè)計也能彌補硬件的不足。本文所述智能家居控制系統(tǒng)軟件已不再是傳統(tǒng)的封閉式軟件系統(tǒng)，而是依托更加成熟的開放式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，擴展類似的三層結(jié)構(gòu)（感知層、傳輸層和應(yīng)用層）。各層級分別對應(yīng)相關(guān)的硬件設(shè)施，分別為各傳感器、無線傳輸模塊以及單片機。圖1為該智能家居控制的軟件框架圖，在系統(tǒng)運行開始時首先要進行初始化，并完成相應(yīng)的傳感器檢測定值，用于報警、控制或其他信號的啟動，例如，窗簾是否閉合的操作有兩種，一種是設(shè)置了時鐘信號，即到達某一時刻自動關(guān)閉窗簾；另一種則是設(shè)置了光照強度定值，達到定值則關(guān)閉窗簾，兩種條件為或的關(guān)系。登錄OneNET平臺可檢查數(shù)據(jù)采集完整性，實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并通過平臺發(fā)送控制命令。

4 試驗測試

4.1 火災(zāi)報警測試

智能家居系統(tǒng)采用溫度和煙霧傳感器實時監(jiān)測環(huán)境情況。實驗中，使用吹風(fēng)機模擬溫度上升，當達到閾值時，繼電器啟動警報設(shè)備報警；若MQ-2傳感器探測到煙霧超標，對應(yīng)繼電器通電，啟動警報設(shè)備，發(fā)出緊急提示。需要注意的是，只有當溫度或煙霧單個因素超過預(yù)設(shè)的閾值時，設(shè)備才會觸發(fā)報警，而當這兩個參數(shù)同時超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出火災(zāi)報警信號，以便更好地保護家庭安全。為了滿足不同家庭使用要求，還可以利用OneNET平臺來調(diào)整報警閾值。例如，如果有老人或小孩居住，可以將設(shè)定的閾值調(diào)整得更低一些，以確保在出現(xiàn)緊急情況時能夠及時地發(fā)出報警信號，進而保障家庭的安全。總之，其可以根據(jù)不同類型的場所和裝修環(huán)境的特點來設(shè)置不同的閾值，進而更好地體現(xiàn)智能家居的個性化和智能化的優(yōu)勢。

4.2 日照強度試驗

系統(tǒng)采用光照強度進行電動窗簾的自動化控制，一旦光照超出設(shè)定范圍，即可觸發(fā)繼電器，實現(xiàn)窗簾的動作。實驗中，利用光源模擬高光照狀態(tài)，加入滑動電阻器進行亮度調(diào)節(jié)；設(shè)置光照強度定值為800Lux；窗簾動作繼電器使用OneNET平臺檢測。實驗過程中，通過改變光源光照強度，觀察達到定值時是否動作；當達到定值時相應(yīng)開關(guān)變綠，表示吸合；而紅色則表示斷開狀態(tài)。通過觀察開關(guān)狀態(tài)，可準確判斷窗簾工作狀態(tài)。通過對開關(guān)狀態(tài)的觀察，能夠準確判斷電動窗簾是否正常工作。通過自定義平臺上的觸發(fā)條件和閾值，用戶可根據(jù)個人喜好和需求對電動窗簾的開合行為進行調(diào)節(jié)和控制。無論是太陽光強烈還是夜晚的黑暗環(huán)境，系統(tǒng)都能靈活地控制窗簾開閉，提供便捷、舒適的居家體驗。

4.3 檢測液位試驗

在此次試驗中，采用液位檢測裝置監(jiān)測窗戶的情況，并運用繼電器來管理相關(guān)設(shè)備的運作。要注意，若感應(yīng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)或液位傳感器斷電，則模塊將停止運行。在進行設(shè)置時，可以根據(jù)液位檢測結(jié)果來判斷是否下雨。當檢測正常時，表示未下雨；當檢測不正常，即有警報時，代表傳感器判斷有雨，檢測到有水位變化。為此，可以設(shè)計將液位檢測放入不同深度的水位下，通過模擬水位變化做出相應(yīng)的水位深度檢測，從而模擬是否下雨。如此一來，通過液位檢測器的原理和設(shè)置，能夠監(jiān)測窗戶狀態(tài)，并在必要時進行控制操作。通過上述液位檢測器的工作原理和設(shè)置，將實現(xiàn)對窗戶狀態(tài)的監(jiān)測，并在需要時進行相應(yīng)的控制操作。

5 結(jié)束語

綜上所述，這款多功能智能家居控制系統(tǒng)能彌補傳統(tǒng)智能家居的一些缺點，該系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，配備多種傳感器，包括煙霧、溫度、光照及液位傳感器等設(shè)備。通過OneNET平臺，用戶可以遠程監(jiān)測和控制家居環(huán)境，提升生活品質(zhì)。經(jīng)測試該系統(tǒng)功能良好，滿足預(yù)期要求。

參考文獻

[1] 李孟，程子霞，宋趙偉．基于單片機的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．機電工程技術(shù)，2023，52（7）：50-54．

[2] 李曉紅，付江豪．基于物聯(lián)網(wǎng)的STM32單片機智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子制作，2023，31（17）：23-25．

[3] 劉立北．基于單片機的智能家居窗簾自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子技術(shù)與軟件工程，2023（4）：116-119．

[4] 唐海晨．基于STM32單片機家電控制及家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．長江信息通信，2022，35（9）：69-71．

[5] 原卓亮．基于語音識別的智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子技術(shù)，2022，51（5）：12-14.