基于STM32的智能家居環境控制與物聯系統的設計

李金鳳,呂俊燕

(山東華宇工學院,山東 德州 253034)

0 引言

智能家居系統能夠自適應調節,營造較為舒適的生活環境。X-10系統是最早流行于美國的智能家庭網絡系統[1],以其實用性、功能性、操作簡單性受到青睞。德國EIB(European Installation Bus)系統是一種高度智能化的電器安裝技術,采用預埋總線和中央控制方式實現系統的控制功能[2],為建筑物的能量管理與自動化控制提供有效的解決方案,但其設備要求復雜,造價成本較高,市場占有率不高。韓國三星公司將多種智能家居功能集成在機頂盒內[3],為智能家居的發展開拓了新的方向。國外智能家居技術已較為成熟。而我國智能家居技術起步較晚,經歷了較長的緩慢發展期[4]。20世紀90年代后期,我國實施了全國住宅小區智能化技術示范工程,標志著我國住宅小區智能化進入了新階段[2],智能家居行業得到了更為規范的指導,發展迅速。4G、5G的出現令網絡更加便捷,促進了智能家居技術的發展。

物聯網技術的興起使各式各樣的家電設備實現了互聯,形成了智能家居系統[5-7]。本研究基于STM32,設計了一套智能家居系統,具有環境檢測、系統控制、智能物聯等功能,令空調、加濕器、窗戶、窗簾等設備能夠對環境條件進行自動分析,應用微電子技術實時監測并控制居住環境的溫濕度及空氣質量,通過傳感器獲取室內外信息,為家庭環境提供實時監控、智能預警等服務,實現室內環境的動態調控[8]。

1 技術路線

系統主要依靠控制裝置智能調節室內環境,通過各類傳感器(溫度、濕度傳感器)檢測各項參數,并將其傳遞給系統控制裝置的單片機,由單片機進行比較處理,得出結果。當室內空氣某一污染物指數超標或溫濕度超出宜居范圍,系統將下達命令,通過開窗等方式進行調控。其核心是通過控制多種家具設備來實現居室環境的改變。

傳感器負責檢測室內外環境,將空氣濕度、溫度等數據轉化為數字化信號傳遞給系統控制裝置。單片機負責對傳感器提供的數據進行處理、比較,根據編制的程序自動做出選擇或遵循操作者的自主選擇將命令下傳給控制器。控制器接收到單片機下達的命令后,通過舵機的轉動(如窗戶的開關、窗簾的移動)或電源的開斷等來實現居室環境的改變。還可自主設定溫濕度等環境數據,兼顧自動化與自主選擇。

系統由無線傳輸模塊、One NET云平臺、手機APP形成物聯,采集的環境數據上傳至APP助手,可實現數據實時監測與預警。采集的環境數據上傳至云平臺,可實現深度數據統計與分析。根據使用者的不同自主設置各個環境因子參數,通過手機端APP或系統按鍵來設置閾值,實現系統調節的多樣性。技術路線如圖1所示。

圖1 系統的技術路線

2 使用模擬

如圖2、圖3、圖4所示,系統主要包括檢測機構(100)、調控機構(200)、晾曬機構(300),均設置在房體(400)上[9],通過檢測機構檢測房體外界環境與內部環境的溫度、濕度及光照強度等,通過調控機構對室內環境進行調整,適宜居住,減少人為操作調節,避免調節失誤造成的影響。

圖3 晾曬機構(300)

圖4 檢測機構(100)

2.1 實施形式

檢測機構包括溫度傳感器(130)、濕度傳感器(140)、光度傳感器(150)及空氣質量傳感器(160),通過螺栓固定安裝在房體外端與房體內壁上,連接器(170)用于連接網絡,獲取更新天氣信息[10]。所有傳感器均通過導線接入控制面板(210)。

調控機構包括控制面板(210)、窗戶組件(220)、窗簾組件(230)、驅動組件(240)、加濕器(250)及空調(260)。其中窗戶組件、窗簾組件、驅動組件、加濕器及空調均安裝在房體上,窗戶組件、窗簾組件、驅動組件設有多個,窗戶組件包括窗架(221)、窗體(222),窗架通過卡接方式固定安裝在房體上,窗體通過滑輪滑動在窗架上。窗簾組件包括滑動架(231)、滑桿(232)、窗簾(233)及收線器(234),滑桿通過螺栓固定安裝在房體上,滑動架與窗簾滑動配合在滑桿上,收線器通過螺栓固定安裝在滑桿的一端,收線器的收線一端與窗簾固定連接。驅動組件包括絲桿(241)、第一電機(242)、第二電機(243),第一電機通過螺栓固定安裝在窗架上,絲桿一端與第一電機的輸出軸傳動連接,另一端與窗架螺紋連接,第二電機通過螺栓固定安裝在滑桿上,第二電機的輸出軸與收線器的線固定連接。

晾曬機構包括安裝架(310)、移動架(320)、傳送帶(330)、壓力傳感器(340)及第三電機(350),安裝架通過螺栓固定安裝在房體上,傳送帶通過滾輪等傳動配合在安裝架上,移動架通過螺栓固定安裝在安裝架上,移動架與傳送帶傳動連接,第三電機通過螺栓固定安裝在安裝架上,傳送帶與第三電機的輸出端傳動連接,壓力傳感器通過螺栓固定安裝在安裝架上,壓力傳感器及第三電機接入控制面板,以保證設備的正常運轉。

2.2 實施流程及作用

日常生活中,可通過檢測機構檢測室內外的各種環境參數。通過各傳感器模塊獲取空氣質量、溫度、濕度及光照強度等參數,通過控制面板將室內與室外環境參數進行比較,得出適合的數據結果,通過調控機構調整空調、加濕器、窗簾及窗戶等設備,為人們提供適宜的居住條件,也可根據需要通過控制面板調節此系統。

當室內空氣質量與空氣流動性較差時,控制面板將調控第一電機運行,驅動窗戶移動,自動開窗通風,更新室內空氣;當空氣環境到達良好時,控制面板控制關閉窗戶。室外光照條件良好時,控制面板將對光度傳感器接收的信號進行判斷,對室內外的光照進行對比,控制第二電機運轉,令窗簾移動,自動調節室內的光照強度。

通過設置檢測機構及調控機構,對房體內的空氣濕度、溫度及光照強度等進行智能調整,通過檢測室外與室內環境數據,在控制面板的調控下控制窗戶與窗簾的開度大小,使室內達到適宜的環境狀態,減少人為操作造成的調節失誤。

當壓力傳感器檢測到有壓力時,控制面板判斷移動架上有晾曬衣物,控制面板通過檢測機構檢測到室外環境光照條件良好時,可通過控制窗簾移動進行調節。當室外環境適宜晾曬時,控制面板通過調控使第三電機運行,驅動傳送帶轉動,帶動移動架移動到窗外,實現自動晾曬。光照條件較差時,移動架收回到窗內,降低衣物被淋濕的可能。

3 結束語

智能家居系統通過傳感器自主讀取室內外參數,動態調控室內環境,使其能夠自動調節室內環境參數。門窗可根據系統調控自動多向開合,通風方式多樣化,適用于多種情況。調控系統通過控制面板實現智能物聯,獲取各環境因子參數,讀取當前的環境情況,為人們提供更加便利、簡潔、智能、安全的居住環境。