基于STM32單片機的智能家居設計

楊千慧，唐浩煜，鄒楓奕，殷繼啟，陳誠，胡安正，黃河

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著經濟的飛速發展，人們對家居生活的要求越來越高，這為智能家居的發展帶來了機會。智能家居通過連接各種智能設備和傳感器，實現自動化控制和智能化管理，從而讓家居更加智能化、高效化和人性化。智能家居可以實現遠程控制、語音控制、智能識別、智能推薦等功能，讓人們更加輕松地享受生活。此外，智能家居還可以提高家居的能源利用效率，減少能源浪費，從而實現節能減排的目標。因此，智能家居已經成為現代家居的重要組成部分，受到越來越多人的關注和追捧。

1 居室溫濕度監管系統總體設計方案

該智能家庭溫濕度監管系統核心是基于STM32F103RCT6主控芯片和ESP8266-01S WiFi模塊，ESP8266-01S WiFi模塊與手機APP配網后，DHT11溫濕度模塊將實時檢測到的當前環境溫濕度信息發送給STM32F103RCT6，同時通過OLED屏幕將當前環境下的溫濕度和用戶設定的溫濕度閾值信息顯示出來，手機APP也會同步更新這些信息，并且我們可以通過手機APP設定溫濕度閾值。主控通過串口發送信息給KIR-8模塊，通過紅外發射信號給家庭空調，加濕器也通過硬件電路接入本系統，可通過手機APP去控制加濕器的開關和狀態，在我們設定了家庭溫濕度閾值之后，單片機會在接收到各個模塊發來的信息之后，進行處理然后調用家庭空調和加濕器來維持家庭溫濕度的穩定性。

主要部分由各個模塊的數據收集端、基于ESP8266-01S WiFi模塊的網絡端和主控STM32F103RCT6的控制端構成。網絡端的主要作用是通過WiFi聯網與手機APP實現數據傳輸以及接收手機APP端發送的數據給主控來完成各項控制，通過使用機智云的服務器平臺來實現設備接入和數據監視，服務器平臺上也可以查看各數據和儲存部分信息。控制端是STM32F103RCT6作為主控芯片，它擁有著3個12位的ADC，4個通用16位定時器和兩個PWM定時器，5個串口。能夠高效地接收數據，處理數據和發送數據。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體方案框圖

由于采用機智云平臺的服務器，所以在接收到信息之后，會通過WiFi先上傳云數據平臺，然后云數據平臺再將數據傳到手機APP，以此來實時顯示系統各項數據，手機APP在發送信息時也是先將數據上傳云數據平臺，最后發送到主控芯片來處理數據，最終實現家庭溫濕度的監管及家庭空調和加濕器的控制。

2 單元電路設計

■2.1 單片機控制單元

本單元主要由 STM32F103RC 單片機最小系統，OLED顯示模塊、通信模塊ESP8266-01S、DHT11溫濕度模塊、KIR-8紅外發射模塊組成。單片機的最小系統由電源電路、復位電路、時鐘電路和下載電路組成。

2.1.1 單片機簡介

STM32F103RC是一款基于ARM Cortex-M3內核的32位單片機，最高工作頻率可達72MHz。該單片機還配備了3個12位模數轉換器，轉換時間僅為1μs，可支持多達21個輸入通道。此外，該單片機還擁有2個12位D/A轉換器、112個快速I/O口、11個定時器和13個通信接口，其中包括2個I2C接口、SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。這些接口和口子的存在，使得單片機可以根據我們的需要，靈活地接入各種設備和模塊。單片機會根據各個模塊的需求，對其進行相應的操作，以實現我們所需要的功能。

2.1.2 單片機使用

本設計以STM32F103RCT6單片機為核心。該系統主要利用單片機接收DHT11傳感器發來的溫濕度數據，并將這些數據上傳到云端，以便用戶可以通過手機APP實時查看室內溫濕度情況。同時，單片機還能夠接收來自用戶手機APP發送的信息，并及時做出響應，以控制家庭空調和加濕器等其他模塊的工作。此外，單片機還可以通過I2C通信將溫濕度信息傳輸到OLED顯示屏上。

在智能化調節室內溫濕度方面，單片機會根據DHT11傳感器實時檢測到的室內溫濕度狀況和用戶手機APP設定的溫濕度閾值進行判斷，然后調用家庭空調和加濕器等模塊，使得室內溫濕度維持在用戶設定的范圍內，從而確保一個舒適的家庭環境。

■2.2 電源系統

該系統采用LM2596穩壓芯片，以穩定輸出電壓為3.3V和5V，為ESP8266-01S WiFi模塊、單片機及其各個模塊提供穩定的電源。LM2596具有出色的線性和負載調節性能，功耗低，效率高，外圍電路簡單。此外，LM2596還集成了頻率補償器和固定頻率發生器，可選擇小尺寸的濾波器組件，輸出電壓穩定，避免電壓跳變。此外，它還具有過熱保護和限流保護功能，更加安全可靠。LM2596降壓至5V電路圖如圖2所示。

■2.3 通信模塊

2.3.1 通信模塊簡介

ESP8266-01S是一款低成本、高性能的WiFi模塊，它基于ESP8266芯片，具有小巧、易于使用、低功耗等特點。該模塊可以通過串口與MCU進行通信，也可以作為獨立的WiFi模塊使用。ESP8266-01S模塊廣泛應用于物聯網、智能家居、智能電子產品等領域。

2.3.2 通信模塊使用

使用ESP8266-01S WiFi模塊時，首先要對程序進行初始化，開啟WiFi、選擇通信方式之后建立UDP協議進行通信，利用局域網作為媒介使模塊與手機端進行連接并進行數據的相互傳輸。在編寫程序時，首先進行串口初始化，設置波特率，通過WiFi名稱和密碼進行網絡連接，設置好通信方式進行數據的發送和接收。ESP8266電路如圖3所示。

圖3 ESP8266電路圖

■2.4 DHT11溫濕度模塊

2.4.1 DHT11溫濕度模塊簡介

DHT11數字溫濕度傳感器是一種常用的數字式溫濕度傳感器，可以測量環境的溫度和濕度。它采用單線數字信號輸出，具有精度高、響應速度快、體積小、價格低廉等優點。它使用了數字模塊的采集技術和溫濕度傳感技術，以此使得該產品的可靠性和穩定性得到了大幅的提升。DHT11內部由一個測溫一個感濕元器件連接一個8位單片機實現對環境溫濕度的采集，4針單排引腳的封裝使得其連接方便，超小的實物體積和極低的功率損耗。DHT11電路如圖4所示。

圖4 DHT11電路圖

2.4.2 DHT11溫濕度模塊使用

DHT11的工作原理是通過測量傳感器內部的熱敏電阻和濕敏電阻的電阻值來計算環境的溫度和濕度。DHT11通信過程如圖5所示。單片機會定時不斷地給DHT11發送開始信號，DHT11實時讀取當前環境下的溫濕度數據以實現家庭環境溫濕度的實時監控。

圖5 DHT11通訊過程

■2.5 KIR-8紅外發射模塊

2.5.1 KIR-8紅外發射模塊簡介

KIR-8紅外發射模塊是一種高性能的紅外發射器件，主要用于紅外遙控器、紅外傳感器、紅外通信等領域。該模塊采用高品質的紅外發射管，具有高亮度、高可靠性、低功耗等特點。同時，該模塊還具有較高的發射距離和較寬的發射角度，能夠滿足不同應用場景的需求。KIR-8電路圖如圖6所示。

圖6 KIR—8電路圖

2.5.2 KIR-8紅外發射模塊使用

KIR-8紅外發射模塊具備學習狀態，其可通過串口接收指令并輸出解碼后的數據。我們可選取讀取空調遙控按鍵每個鍵位的碼值，當單片機接收到指令時，可讓KIR-8模塊發送之前讀取的碼值，以實現模擬遙控的功能。

3 軟件設計

STM32單片機的軟件部分主要是需要接收DHT11發來的溫濕度數據情況，并將這些數據上傳云端，在用戶手機APP上實時顯示，同時在接收來自用戶手機APP發送的信息之后，能及時地做出響應，發送信號控制其他模塊工作從而控制家庭空調和加濕器，單片機也會將溫濕度信息通過I2C通信將數據傳輸到OLED顯示。系統軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統軟件流程圖

■3.1 ESP8266 WiFi通信與機智云云服務平臺軟件設計

ESP8266-01S WiFi 芯片作為設備配網的通訊芯片，機智云平臺作為通信的云服務平臺。機智云云服務平臺通過WiFi與手機APP聯網，利用SDK軟件開發工具包，GAgent是機智云提供的一款兼容國內主流Wi-Fi模塊、移動網絡模塊的模組系統，利用此與MCU通信來實現家庭空調和加濕器的遠程控制。

云服務平臺產品開發的第一步是設置數據點，每一個數據點可以定義為某個產品的功能。第二步則是通過機智云平臺提供的Gagent固件對ESP8266-01S WiFi模塊進行固件燒錄，最后利用平臺生成的MCU串口通信代碼編寫遠程控制服務函數，實現對家庭溫濕度的遠程智能監管及其智能調控。機智云云服務平臺MCU之間通信流程如圖8所示。

圖8 機智云云服務平臺與MCU之間通信

■3.2 用戶APP

用戶APP基于IOS系統和Java語言進行開發設計，手機APP端使用的數據解析器與云服務器端使用的是相同的。用戶的手機APP具有實時顯示當前溫濕度以及家庭空調、加濕器狀態的功能，在連接好云服務系統后，我們可以通過手機APP對家庭空調、加濕器進行控制也可以設置溫濕度閾值實現智能監控，他會將數據傳輸到云服務系統中心，有云服務系統中心將控制數據發送到硬件電路板端的主控端，實現控制的功能，同時當前溫濕度的狀態信息也會顯示在手機APP上。手機APP軟件操控界面如圖9所示。

圖9 應用軟件界面

圖10 系統智能管控工作狀態

4 結束語

本文旨在介紹一種針對現代家庭舒適性和便利性問題的系統。在當今高速發展的物聯網信息化時代，智能家居已成為物聯網系統智能化的一個重要體現。該系統為人們提供了高效、便利和有趣的生活體驗。利用物聯網技術為人們的生活提供服務已成為主流趨勢，未來智能化家庭的設計和應用將越來越受到人們的關注和重視。