基于物聯網的智能家居系統設計

嚴煒權 朱俊豪

摘要：隨著社會經濟的飛速發展，物聯網技術的廣泛應用，智能家居行業也逐步發展。人們的生活行為方式越來越向網絡化、數字化、智能化逐步前進，智能家居對于改善人們的生活水平起著至關重要。本文主要采用STM32微型單片機為處理中樞核心，結合ZigBee無線通信技術、WiFi通信組網技術以及傳感器的應用技術等來實現家居環境的智能聯網。分析并選取合適的平臺、傳感器和無線組網方式，設計了一款低成本、低功耗的智能家居系統。

關鍵詞：智能家居;STM32;傳感器;無線通信

1智能家居系統國內外發展情況

國外較我國很早便開始了相關的研究。以IBM、SUMSUNG等國際民企為代表的公司積極投入，為智能家居的理論和實際應用做出來突出的貢獻。

由于我國智能家居行業起步較晚，相關控制系統等技術相對不夠完善。但隨著一些知名大企業如華為、騰訊、小米等的涉足，并投入大量的資金對智能家居的尖端技術進行研究，推進了相關技術的發展。

2主要研究內容與意義

當今世界，隨著5G技術愈發成熟，物聯網和人工智能技術得到飛速發展，國內智能家居相關產業在宏觀經濟環境的助推下獲得了更多的發展可能性。智能家居技術的發展可以促進家庭從傳統到智能互聯網的過渡，可以方便地監視和控制家居活動，為居住者提供更好的舒適度。通過引入自動化的設備控制和輔助服務，可以減少能耗，為人們提供更好的生活質量。

本文設計一種低成本、易操作的智能家居控制系統總體框架，實現云服務平臺與智能硬件的高效結合。用戶可以隨時隨地了解室內環境并實現遠程控制，確保整個智能家居系統功能齊全、運行正常、性能可靠。以STM32單片機為微處理器，結合ZigBee、藍牙和WiFi網絡技術，設計了一款低成本、易于操作的智能家居網關，方便用戶隨時隨地了解室內環境，實現遠程控制功能。

3智能家居系統的設計與功能實現

智能家居體系核心是STM32單片機中央控制器，通過安裝的各傳感器檢測居室內的溫濕度、煙霧濃度等人體敏感的環境參數，并將檢測到的數據匯總采用通過無線WIFI以及ZigBee等通信模式實現，確保數據能真實、準確、及時地傳遞到控制中心。通過數據分析處理，完成相關功能設置，以便可以安全、可靠地實現智能聯網預警和報警、一鍵控制設備開關等技術功能，實現用戶與家居的智能互聯，總體框圖如圖1所示：

3.1傳感器模塊設計方案

傳感器即轉換被測量為可用電信號的裝置或者是器件，計算機處理的數據當前基本上屬于數字信號，但是家居環境中，其參量多屬于模擬信號。應將轉換模擬信號轉換為數字信號，利用感器技術使得計算機可以深入處理信號。在系統中，應該對于家居生活環境中參量實時掌握，以針對性策略加強控制，同時設置不同的傳感器，對于溫度、濕度、煤氣泄漏等家居環境信息進行有效的采集，通過傳感器，把各種信息向著可用電信號進行轉化，進而有效調控家居設備。

在智能家居當中，包括了溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體檢測傳感器、紅外探測傳感器等，所以可以對家居環境各種參數做到立體化、全方位檢測。

3.2溫濕度檢測模塊

溫濕度模塊是對家居運作狀態進行評價的關鍵指標，顯示家居系統內的實際溫度、濕度進行，同時，傳感器節點連接燈光的開關狀態控制體系，在感知控制層內進行開、關燈光。加入層中有智能網關，互相地通信于燈光傳感器節點，傳輸服務器指令。即用戶可以進行溫濕度名稱、初始的數值合理設置，隨時修改相應數值，及時了解溫濕度運作狀態。

3.3光學檢測模塊

光學感知模塊主要針對可見光與紅外線，主要分為人體紅外線感知以及室內環境的光照度實時傳感。通過合理地布置安裝傳感器，能實時檢測環境的光照強度以及室內人員進出情況，且通過傳感得到的信息實時分析并提供互動服務。

3.4氣體檢測模塊

一般來說，如若發生火災，就會有煙霧產生，或者家里的燃氣泄漏產生易燃易爆的氣體。因此氣體探測模塊的既能檢測到煙霧又能檢測到可燃氣體的傳感器，這樣就能有效的預防火災的發生。

3.5繼電器控制系統

繼電器是一種電控制器件，與開關功能類似，它是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。智能家居系統中采用繼電器來實現控制功能。繼電控制系統不需要向上發送信息，只需要接收來自單片機的指令。繼電控制系統接收兩類信息，一個是由單片機發出的指令，用于自動控制場合;一類是用戶通過終端向單片機發出的指令，用于對各種硬件的遠程實時控制。

3.6信號的采集與轉換

智能家居系統涉及種類繁多的傳感器，當這些傳感器在輸出數據過程中，在 STM32 的 A/D 數據采集轉換器內進行了信號采集。芯片在做A/D功能時，根據那傳感器輸出得到的模擬信號，會經過4個步驟將其轉換成數字信號，分別是：采樣、保持、量化與編碼。

3.7系統整合與數據交互

智能家居系統總節點的數據處理以及傳輸節點是系統的處理中樞。該節點主要由STM32單片機、ZigBee通信模塊和WiFi無線通信模塊構成。對家居室內環境監測過程中，在室內分區域，合理布置各類傳無線傳感器網絡節點，空氣溫度、濕度、煙霧含量等信息被采集，被采集的數據信息通過ZigBee 網絡傳輸到匯聚節點。多個傳感器組成的感知網絡，信息提供給STM32單片機來處理，并且通過WiFi無線通信模塊發送至總服務器，再經由移動信號發送至用戶的手機端，由此可以與云平臺、遠程服務器等實現數據共享。

總結與展望

本系統選擇STM32微型單片機作為整個系統的控制核心，ZigBee無線數據通信傳輸技術與WiFi無線通信技術共同組網的家庭網絡實現方式，以及一系列的配件構成。

隨著5G時代的加速到來，“連接”的趨勢方興未艾，智能家居處在一個蓬勃發展階段。設置智能家居系統，運用智能感知技術將物品按照一定的協議連接起來，實現智能控制和管理。能夠促進家庭管理智能性、自動性，對家庭中很多設施運作狀態展開全面的管控，是社會進步的重要體現。

參考文獻：

[1]物聯網技術與應用第二版 吳功宜，吳英 機械工業出版社

[2]物聯網技術與微控制器在智能家居控制系統設計 曹士明，宋吉峰 電子技術與軟件工程 2021-02-15 期刊

[3]智能家居控制系統的設計與實現 張程 電子科技大學 2020-09-01 碩士