李旺昆 柯远征 王立仕
摘 要
随着社会经济高速发展和互联网技术普及，加上人们生活条件不断改善，对生活追求越来越高，对家居智能化的需求也越来越大。本文是针对智能家居的研究现状、发展趋势和研究的基础上以基于STM32的智能家居环境监控系统为设计方案，以成本低、控制简单，为用户提供高效节能、舒适和便利的居住和工作环境为研究目的。
关键词
智能家居;环境监测;云平台;STM32;WiFi
中图分类号： TU855;TP368.1;TN92 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.011
0 引言
21世纪是大数据和人工智能的时代，随着通信、网络等技术的迅猛发展和人们生活水平日益提高，信息化社会在改变着人们生活习惯和工作方式的同时，也让对传统的住宅生活方式提出了挑战，人们倾向的是一个舒适安全、美观、便利的家居环境。
智能家居是现代电子技术、自动化技术以及通信网络技术相结合的产物，在90年代末逐渐被国人认知。智能家居主要是提供对家庭电器设备的智能化管控，由简单的UI界面，人性化的操作方式，简单易懂的维护手法，极大地方便了人们的生活方式，提供更高效、便捷、安全、环保的生活环境。所以说智能家居系统的研究具有很大的意义。
1 智能家居系统方案设计
智能家庭环境监测系统是一个以主控模块为核心，其他外设模块电路组合来完成系统的设计，它首先解决各模块的功能问题，然后综合整合系统整体结构，最后通过软件的调试来完成系统的设计和制作。本设计以STM32F103RCT6作为主控芯片，外设模块分别有串口WIFI通讯模块、温湿度模块、光敏电阻模块、烟雾模块、蜂鸣器模块、小风扇和继电器模块。整个系统设计需要的基础数据是由这些模块测量实现的，各模块通过导线连接起来组成以主控模块为核心的系统。主控模块从其他模块获取信号，经过处理后再将指令信号传达给其他模块，这样可以形成一个闭环控制系统。我们就是利用这些模块的功能实时地对家居环境情况进行监测、调节和控制。
用户可以通过手机app端实时查看家庭里的各项数据监测指标，也可以随时通过app端改变外部条件的方法来调节家中的环境条件，如打开家中的照明、风扇、窗帘等电器，利用这些功能便可直接有效的为用户提供舒适和便利的家居环境。
2 硬件模块功能设计
2.1 系统主控模块电路
本系统设计选用的主控MCU由ST厂商推出的STM32系列开发板，性价比高，最高工作频率72MHZ，支持各种内设接入，集成丰富的内核和外设资源，简易方便地使用架构以及低功耗低成本的特性，是嵌入式系统开发的不错选择。而STM32 F103RCT6所具备的功能完全满足本设计的需求，所以本设计的主控制模块采用该芯片。
2.2 WiFi通讯模块介绍
本次对于WiFi通讯模块采用的是安信可科技开发的型号为ESP8266-01的WiFi模块。其核心处理器ESP8266具有超低功耗的串口透传特点，价格低廉、工作能力强，本身就是个Coerex的ARM应用处理器，是作为移动设备和物联网应用中WiFi控制比较理想的选择。ESP8266-01模块的硬件接口较多，该模块同时支持STA/AP/STA+AP三种工作模式和AT指令集，AP是作为一个热点，可以使电脑搜索WiFi网络时直接搜到;STA就是接入现有的WiFi网络中;AP+STA既是一个热点，又可以连入WiFi网络。而AT命令则是可以通过串口助手或者其他的网络助手直接控制和设置芯片，操作使用十分简单。
2.3 光敏传感器模块设计
光敏电阻又称为光导管，一般用于光的测量、控制和光电转换，根据本次系统设计的需求采集光线强度，选择光敏电阻已满足设计要求。选用的光敏传感器模块是四个引脚，其中DO端为数字量输出接口，主要输出高低电平。AO端为模拟量输出接口，通过直接与单片机相连接，利用ADC模数转换来实现对环境光照亮度的采集。光敏电阻上还有一个LED信号指示灯，当检测到周围有光照时，便会自动亮起;当周围无光照时，则会自动关闭。
2.4 温湿度传感器模块设计
根据课题的需求分析，旨在采集家庭环境中的温湿度的数值用以调整用户居家舒适度。采用DHT11温湿度一体检测传感器，是单总线协议通讯方式，控制电路简单，占用接口少，價格便宜。
2.5 烟雾传感器模块介绍
烟雾传感器模块可以实现实时的检测烟雾浓度的效果，通过A/D转换将模拟量转换为数值显示，当遇室内烟雾浓度过高且达到设定值时，自动触发报警装置，提醒用户。针对烟雾的采集和监测本次选择了MQ-2烟雾传感器模块，该模块的主要芯片为ZYMQ-2气体传感器，具有探测范围广泛、反应速度快、使用寿命长等特点。本次所使用的接口是AO口，将AO端口和MCU端引脚线连接，通过编程对该引脚进行初始化和A/D转换器进行输出。
2.6 蜂鸣器模块设计
蜂鸣器本次模块选用的是有源蜂鸣器，通过信号输入端I/O口和单片机相连接，本设计只针对烟雾浓度的监测实现了报警装置模块，当烟雾传感器监测到的烟雾浓度超过设定值时，蜂鸣器便会自动发出声音用来提示用户。项目选用的是三线制的有源蜂鸣器，分别为VCC电源正极、GND电源负极和I/O信号接口。利用I/O口和单片机相连接，通过对对应I/O的操控并给出“0”和“1”，来实现对蜂鸣器的报警控制。
2.7 继电器模块介绍
继电器模块有三个端口，分别为常开端、常闭端和公共端。本次选用的1路5V的继电器模块，继电器模块上一般都是6个引脚，一端为VCC电源正极、GND电源负极，IN信号输入端，另一端为NC常闭端、COM公共端和NO常开端。其中，在没有任何操作的情况下，NC端和COM端相当于已经接通。我们接到NO接口，然后通过信号输入引脚IN来控制继电器的开关，达到控制的作用。
2.8 风扇模块介绍
风扇模块采用的5V静音冷却风扇，转速支持PWM调节，带有电源指示灯，驱动板上提供有3mm固定安装螺丝孔。具有安全、便捷、低功耗以及噪音低的特点，适用于不同场所。风扇接口由3线组成，红色正极黑色负极，将风扇模块连接MCU主控芯片，可以直接通过低电平或者通过对PWM的调节来实现对风扇模块的控制，以此来调节室内的环境温湿度，达到用户舒适满意的环境状态。
3 软件移动端设计与实现
3.1 keil编程语言介绍
系统各硬件模块设计完成之后，系统的主要功能实现还需要通过软件实现远程控制。本次系统设计采用STM32作为主控芯片，C语言编写，课题软件编程基于keil5来完成，版本使用μVision5 IDE集成开发环境，是针对ARM Cortex-M内核微控制器最佳的一款集成开发工具。
3.2 机智云端app设计
机智云平台是致力于物联网、智能硬件云服务的开放式平台，平台上各项说明都非常的详细，更加方便初学者对于云平台的学习和使用，简单易学，方便易懂。本次系统的设计是基于机智云平台上的MCU开发方式，通过WiFi连接，将手机端和MCU端进行连接通信，实现手机端对外设传感器的数据接收和操控。
3.3 app设计流程
基于机智云平台使用移植机智云GAgent的WiFi模组建立桥梁，使设备的数据与机智云交换，设计步骤为：
（1）注册机智云开发者账号，进入开发者中心，选择对应的项目创建新产品;
（2）填写设备产品的基本信息，选择WiFi/移动网络方案创建项目;
（3）根据项目的需求创建需要的数据点，用于描述产品的功能和参数，本项目添加了5个数据点，分别为：温度值、湿度值、烟雾值、光强值和继电器开关;
（4）通过机智云自动生成MCU SDK代码，代码实现了机智云通信协议的解析与封包、传感器数据与通信数据的转换逻辑，并封装成了简单的API;
（5）将自动生成的MCU SDK代码移植到工程中，并进行相应的修改和完善;
（6）下载ESP8266对应的固件，将WiFi模块通过USB转串口工具连接电脑，通过烧写软件将下载好的固件库烧写进WiFi模块;
（7）最后将WiFi模块连接主控板，将手机和WiFi模块置于同一局域网或WiFi中，实现一键配网，便基本可以实现app端和硬件端的连接和操控。
4 软硬件综合调试
将各模块连接到核心板上，首先进行软硬件调试，无问题后再综合调试。
（1）检查硬件各个模块外部有无损坏，无损坏下一步;
（2）将编写好的程序烧入硬件模块中，并通过串口调式助手检查各模块是否能正常运行，监测数据有无变化，是否能够实现预期的功能并能完成监测任务。各模块程序检测完毕之后，登录机智云官网，设计并移植机智云工程，完成代码的移植工作，下载APP端，检测是否可以完美运行;
（3）检查是否有I/O口冲突使用，是否造成相互干扰，确认各模块程序能够综合运行之后连通机智云，并通过手机端实现对各模块监测到的数据的传输和操控。检测无问题之后，自己选择一个相对应的测试环境，应用本系统来检验测试。
5 结束语
随着计算机技术的发展和5G时代的到来，工业综合自动化的水平不断提高，人们更加渴望科学技术改善生活，科技的发展使得传统的有线控制网络不再满足需求，无线网络传输技术愈发得到人们的青睐。本文便是以WiFi无线通信技术为基础，设计了无线家居环境监测系统，并通过对总体方案的设计，对硬件和软件的设计，基本实现了智能家居的远程控制操作，营造了生活便捷、舒适的生活环境，具有广阔的发展前景。
参考文献
[1]叶朝辉，杨士元.智能家居网络研究综述[J].计算机应用研究，2000.
[2]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京：电子工业出版社，2000.
[3]徐君丽，刘冀偉，王志良.基于无线网络的智能监控系统设计与实现[J].微计算机信息，2005.
[4]王贤勇.赵传申.单片机原理与接口技术[M].清华大学出版社，2010.
[5]吴麒，高黛陵.控制系统的智能设计[M].机械工业出版社，2003.
[6]孙利民，李建中等.无线传感器网络.清华大学出版社，2005.
