基于STM32F103單片機的智能家居控制系統設計

蔡秀蘭，袁克凱，劉靜，鐘穎萍，張佳，范林嬌

（南華大學，湖南 衡陽 421001）

1 前言

本項目所開發的智能家居服務系統，一方面，將技術融入生活，精準的環境監測，人性化的家電控制，幫助用戶實現居家環境智能化；另一方面，積極響應國家政策，應用物聯網技術和人工智能技術，著力于制造業的發展，運用電子信息技術、控制技術、網絡通信技術等技術為家居行業發展貢獻新思路、新創意?；赟TM32F103的智能家居控制系統，將單片機作為控制核心，借助物聯網技術、自動控制技術構建一套智能化、無線化的家居服務系統，本系統主要有智能門鎖系統、環境監測系統、遠程攝像監控系統、家電智能控制系統組成，并開發配套APP，實現智能控制。

2 系統總體設計

該智能家居服務系統包括智能門鎖系統、環境監測系統、遠程攝像監控系統、家電智能控制系統。門鎖系統使用指紋鎖進行指紋讀取并匹配指紋，隨后判斷是否允許入門內，舵機模擬門鎖開關。環境檢測系統使用DHT11模塊采集室內的溫濕度數據；使用SGP30傳感器模塊檢測空氣中的CO2濃度及甲醛濃度，可以判斷室內空氣環境是否存在安全隱患；使用粉塵濃度傳感器進行粉塵濃度監測。遠程攝像監控系統將采用帶有WIFI模塊的esp32-cam模塊進行拍照攝像。家電控制系統中，通過控制繼電器進而控制各種家電。同時，本系統將開發配套實用的微信小程序，用戶可通過微信小程序實時查看室內各項環境參數，智能控制繼電器讓屋主能夠在外出的時候通過物聯網來控制家電的開啟與關閉。

圖1 系統總體設計圖

本系統中，單片機將傳感器采集的數據通過esp8266模塊上傳到onenet云服務平臺，通過控制esp32-cam模塊實現室內環境實時拍照。用戶可以通過微信小程序實現數據查看，并且實現控制命令下達。

3 系統功能

3.1 智能門鎖的實現

現在大多數家庭使用的都是傳統門鎖，需要隨身攜帶鑰匙,而本項目的智能門鎖提供給用戶指紋解鎖方式，讓用戶擺脫鑰匙的同時，更為安全可靠。

3.2 居家環境的智能監測

實現居家環境的多項參數檢測，能夠手機溫度、濕度、CO2濃度、TVOC濃度信息。其中，溫度、濕度、CO2濃度、光照強度讓用戶了解家庭環境參數信息，以便能夠做出及時通風、開窗決策，提供精準舒適服務。TVOC檢測幫助用戶了解煤氣是否泄漏，讓用戶當有煤氣泄漏時能夠在第一時間發現，讓居家更安全。

3.3 智能控制

居家的智能控制以幫助減少能源浪費。照明裝置、多種家用電器開關都能使用微信小程序進行控制，打開和關閉用電器更加方便。同時，用戶不需要使用時能夠自動關閉，以減少能源使用。

3.4 無線監控系統的拍照查看

監控系統能夠拍照查看家里環境，當有陌生人闖入家內能隨時監測到，增加了居家環境安全性。

4 系統硬件設計

4.1 STM32F103開發板

STM32F103芯片，其內核是Cortex-M3，是由ST（意法半導體）公司推出的一種ARM芯片。該芯片具有價格低、外設多、實時性能優異、低功耗控制以及低開發成本等優點。本文使用單片機芯片的型號為STM32F103ZET6芯片，該芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH，多達8定時器，3個USART串口，功能強大，價格適中。在本系統中，STM32F103作為控制核心，借助各種傳感器實現室內環境參數采集，ADC采樣后將數據以數據流形式上傳到ONENET平臺。其中單片機的串口usart2與ESP8266模塊進行串口通信，通過發送AT指令控制ESP8266模塊向ONENET云平臺接受及發送數據。

4.2 ESP8266模塊

ESP8266是一款高性能常用的WIFI串口模塊，具有強大的物聯網通信功能，在物聯網項目應用廣泛?？蔁階T固件庫，用AT指令操作，簡單方便。

4.3 傳感器

本項目主要使用的傳感器有溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器BH1750FVI、粉塵傳感器GP2Y1014AU、CO2濃度傳感器SGP30。DHT11溫濕度傳感器能夠同時檢測溫度與濕度，用DHT11模塊去構成溫濕度傳感器，將采集好的溫濕度信號經過一系列轉化最終發送到用戶的APP上，使用戶能實時監控家中溫濕度情況。光照傳感器，將光照模擬信號轉換成電壓信號，經過電路放大，再通過ADC采樣將電壓信號轉換成數字信號，光照越強，電壓越大，采樣后的數值越大。粉塵傳感器GP2Y1014AU主要是檢測非常細小的顆粒，粉塵濃度與采樣后的電壓值成正比。CO2濃度傳感器SGP30可以用于CO2濃度及甲醛的檢測。

4.4 門鎖模塊

指紋鎖采用AS608指紋模塊。因為該模塊內部的DSP單元集成指紋識別算法，提高了采集圖像和識別指紋特征的效率，處理一個指紋圖像只需要不到0.4s。采用指紋鎖進行指紋匹配后，智能開鎖，提高了智能門鎖的安全性。表1為硬件列表。

表1 硬件選擇

5 系統軟件設計

5.1 ONENET云平臺

ONENET云平臺提供了豐富的API，可以支持適配各種網絡環境和協議類型，使用便捷，可滿足各種個性化方案設計。本項目采用ONENET平臺主要進行傳感器采集到數據的存儲，采用的是EDP協議下發命令。

5.2 巴法云平臺搭建

本項目應用巴法云平臺主要是用于項目中的拍照監控功能，目前采取的是一定時間內拍張照片，存儲在云平臺，然后，微信小程序可以調取該時間段內的照片進行顯示。

5.3 微信小程序搭建

在本項目的微信小程序界面設計時，共設計了5個界面，分別是歡迎界面、登錄界面、狀態展示界面、個人信息管理界面。狀態顯示界面可以實現居家環境信息顯示以及家電狀態顯示與控制。

（1）家電狀態顯示與控制。微信小程序頁面的下方有家電控制狀態的控件，用戶能夠通過點擊控件來控制家電開關。

（2）居家環境信息顯示。微信小程序控制頁面上方顯示的是居家各種環境參數，主要是傳感器采集的溫度、濕度、C02濃度、甲醛濃度、光照強度等。傳感器采集的數據傳遞給onenet云平臺，微信小程序通過訂閱onenet云平臺數據，會收到實時的數據顯示。

6 部分代碼展示

6.1 硬件初始化

在main.c中進行各類硬件設備的初始化，包括串口初始化、繼電器初始化、光照傳感器初始化、二氧化碳傳感器初始化、DH11初始化、ADC轉換程序初始化。

6.2 數據流傳輸

先在onenet.h中定義一個結構體變量strcat，然后，將數據包程序放置在onenet.c中，數據調用上傳至云平臺。

6.3 ESP8266初始化

ESP8266程序編寫關乎WIFI通信中數據上傳指令下達，是環境參數采集的核心程序，將該程序放置于esp8266.c中。

6.4 刷指紋程序

有關指紋模塊的函數均放置在as608.c中，包括指紋錄制、刷指紋、生產特征、對比特征、清除指紋庫等多個函數。

7 智能家居系統實驗效果驗證

7.1 測試目標

智能家居服務系統能正常工作，傳感器信息能成果采集并且有效上傳；微信小程序能夠實時獲得數據，并且實現遠程控制家電開關狀態；指紋解鎖模塊成功解鎖。

7.2 測試結果

（1）ONENET采集數據（如圖2）。

圖2 電腦端ONENET采集數據圖

（2）微信小程序（如圖3、圖4）。

圖3 電腦端運行效果圖

圖4 手機端運行效果圖

（3）指紋鎖指（如圖5）。

圖5 指紋解鎖效果圖

7.3 結果分析

單片機成功實現溫度采集、指紋識別、空氣質量參數采集功能，并且通過esp8266模塊將數據上傳到ONENET平臺，微信小程序成的從ONENET獲得了各項數據。并且指紋鎖匹配開鎖功能成功實現，當采集指紋信息，與指紋庫指紋匹配成功后，單片機控制舵機轉動，成功解鎖。所以，本項目的智能家居控制系統的設計在功能實現上切實可行，微信小程序讓實現物聯網功能，讓家居智能化。

8 結語

本項目在傳統家居環境基礎上增加了物聯網模塊，使其具備更智能的功能，用戶在使用過程中會更加舒適、便捷、有趣。基于STM32F103ZET6的智能家居控制系統構建了高效智能家居設施管理系統，并配套開發微信小程序讓室內環境參數直觀可靠，讓家居控制智能方便，為用戶打造了舒適便利的居家環境。