基于物聯網的智能控制系統設計

徐遠鵬

（蘇州大學電子信息工程系 江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著信息技術的飛速發展和普及，物聯網已成為連接萬物的重要橋梁，其在各個領域展現出巨大的潛力和應用前景。 智能控制作為物聯網應用領域之一，以其能夠為人們提供更加便捷、舒適、安全的生活方式而備受關注［1］。通過將傳感器、控制器和網絡技術相結合，智能控制系統能夠實現對家居環境的實時監測、遠程控制和智能化管理，從而為用戶創造更加智能化的居住體驗［2］。 本文旨在設計一種基于物聯網的智能控制系統，整合了各類環境傳感器用于信息采集與監測，對于家庭安全和居住環境的優化具有重要意義。 通過實時監測煙霧濃度，系統可以迅速響應火災風險，采取適當的措施，保障家庭成員的安全。本文將在相關研究的基礎上，深入探討基于物聯網的智能控制系統的設計原理和實現方法，結合具體的硬件和軟件實現，對系統的性能和可行性進行全面的分析和評價，并期望為智能控制技術的發展提供一定的參考和借鑒［3］。

1 系統總體設計

系統的總體設計旨在實現一個基于物聯網的智能控制系統，該系統以STM32 作為主控單片機，整合各類環境傳感器，實現對家居環境的實時監測和控制，系統整體框如圖1 所示。 系統的設計包括硬件和軟件兩個層面，以下是系統總體設計的主要要點。

圖1 系統整體框圖

在硬件方面，系統總體電路連接如圖2 所示，包括STM 32 主控單片機、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器、液晶顯示器以及WiFi 模塊。 STM 32 主控單片機負責傳感器數據的采集、處理和控制指令的生成，傳感器負責實時獲取溫濕度、煙霧濃度和光照強度數據，液晶顯示器提供用戶環境數據的直觀展示，WiFi 模塊實現遠程監控和控制功能。

圖2 系統整體電路原理圖

在軟件方面，系統通過數據采集與處理模塊將傳感器數據進行處理和校準，然后根據預設的控制邏輯判斷是否需要采取措施，用戶界面通過液晶顯示器實時展示環境數據，同時WiFi 模塊實現了用戶與系統之間的遠程通信，用戶可以通過智能設備查看環境數據并進行遠程控制［4］。

2 系統硬件設計

2.1 STM 32 單片機模塊

系統選用STM 32 單片機作為主控核心，具體型號可為STM 32F4 系列，該系列單片機融合高性能、低功耗和豐富的外設接口［5］。 STM 32 單片機在系統中的數據處理和控制邏輯實現方面起到了至關重要的作用。 其次，STM 32 單片機在與外部模塊的連接與控制方面發揮著關鍵作用。 通過與LCD1602 顯示模塊相連接，STM 32 單片機將處理后的環境數據和系統狀態信息顯示在顯示屏上，為用戶提供信息展示。 與ESP8266 WiFi 模塊的連接使STM 32能夠實現與移動應用的通信，實現遠程監控和控制功能。STM 32 單片機在系統中的通信與控制模塊實現方面具有至關重要的地位［6］。

2.2 環境參數采集模塊

在本設計中，使用了多個環境參數采集模塊，包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器和光照強度傳感器。 選用了DHT11 溫濕度傳感器，這款傳感器能夠同時測量環境的溫度和濕度。 它通過數字信號輸出測量結果，具有高精度和快速響應的特點。

系統中采用的DHT11 溫濕度傳感器是一種數字式環境傳感器，廣泛應用于監測環境溫度和濕度。 該傳感器基于集成式電容式濕度傳感技術，結合高精度數字溫度傳感器，能夠在單一封裝內實現溫濕度的準確測量。 DHT11傳感器通過單總線數字信號與STM32 單片機通信，實現環境溫濕度的實時監測［7］。 DHT11 傳感器在系統中發揮了重要作用，為智能控制系統提供了溫濕度數據，為用戶創造了舒適和安全的居住環境。

本系統采用MQ－2 煙霧傳感器，它是一種半導體氣敏傳感器，專門設計用于檢測空氣中的可燃氣體和煙霧，MQ－2 傳感器通過模擬信號輸出環境中的煙霧濃度。 該模擬信號經過數模轉換后，由STM 32 單片機進行數字信號處理，從而實現煙霧濃度的實時監測。 MQ－2 傳感器在系統中的應用使智能控制系統具備了檢測火災風險的能力，能夠在煙霧濃度超過預設閾值時觸發警報。

綜上所述，本設計中應用的溫濕度傳感器、煙霧傳感器以及光照強度傳感器（光敏電阻）分別被用于實時監測環境溫濕度、煙霧濃度和光照強度。 它們與STM 32 單片機相連，通過數字或模擬信號實現數據采集，為系統提供關鍵的環境參數信息，實現了智能控制和用戶信息展示的功能。

2.3 輸出模塊

在本設計中使用LCD1602 顯示模塊，它是一個16×2字符液晶顯示屏，能夠顯示16 列2 行共32 個字符。LCD1602 模塊通過并行接口與STM 32 單片機相連，用于實時顯示系統的狀態信息和環境參數數據。 LCD1602 顯示模塊在系統中承擔著用戶界面的重要角色［8］。 它可以用于顯示當前環境的溫濕度、煙霧濃度和光照強度等關鍵信息，使用戶能夠直觀地了解家居環境的狀況，實現了對智能控制系統的有效交互和信息傳達。

在該系統中，蜂鳴器被應用于警報功能，而排風扇、窗戶和燈則作為輸出設備在智能控制中發揮作用。 蜂鳴器作為聲學警示裝置，可以在檢測到煙霧濃度超過安全閾值時觸發，通過發出高頻聲音來提醒用戶火災風險。 排風扇作為環境調節設備，在系統中具有重要地位。 當煙霧濃度超過預設值時，系統可以自動控制排風扇啟動，促使室內的有害氣體迅速排除，從而降低火災風險。 窗戶也被納入智能控制中，當煙霧濃度超過閾值時，窗戶可以自動開啟，為室內提供通風途徑，進一步增加室內的安全性。 此外，智能系統中的燈具也具備智能控制功能，例如在檢測到光線不足時，系統可以自動打開燈光，提供照明。 這一功能有助于改善室內環境，提升居住體驗。

綜上所述，系統通過蜂鳴器的警報功能以及排風扇、窗戶和燈的智能控制，有效地提升了家居環境的安全性和舒適性。 這些功能的應用在實際場景中為用戶提供了更加智能化和便捷化的家居管理體驗。

2.4 無線傳輸模塊

在本設計中，采用了ESP8266 WiFi 模塊，它是一款集成了WiFi 功能的低成本高性能芯片，具有強大的無線通信能力［9］。 ESP8266 通過串行通信接口與STM 32 單片機相連，用于實現系統的遠程監控和控制功能。 ESP8266 WiFi 模塊在系統中具有連接家居控制系統與用戶的智能設備的關鍵作用。 通過連接家庭WiFi 網絡，ESP8266 能夠實現與智能手機、電腦等設備之間的通信。 它可以接收來自用戶設備的遠程指令，例如遠程開關控制，同時也可以將環境參數數據傳輸到用戶設備上，實現遠程監控。 通過互聯網連接，用戶可以實時地了解和控制家居環境，提高了系統的可操作性和便捷性［10］。

3 系統軟件設計

3.1 系統總體流程

系統整體軟件流程包括以下主要步驟：首先，ST M32主控單片機初始化各個傳感器和外部設備，設置通信接口。 隨后，進入主循環，不斷進行數據采集。 溫濕度傳感器、煙霧傳感器和光照強度傳感器通過適當的協議與STM 32 通信，將獲取的數據進行初步處理和校準。 然后，根據采集到的數據，系統判斷是否需要采取措施，如檢測煙霧濃度是否超過閾值。 對于LCD1602 顯示模塊，系統將環境參數數據和狀態信息顯示在屏幕上，實現用戶信息展示。 與此同時，ESP8266 WiFi 模塊建立與家庭WiFi 網絡的連接，與用戶設備通信，接收遠程指令或傳輸環境參數數據。 通過不斷的數據采集、處理和通信，系統能夠實現環境監測、遠程控制等功能，為用戶提供智能化的家居體驗，詳見圖3。

圖3 系統軟件流程

3.2 可視化用戶應用界面設計

在系統設計中，采用了QT 平臺進行安卓移動應用程序的開發，用于實現遠程監控與控制。 QT 作為一個跨平臺的集成開發環境，為開發者提供了豐富的工具和程序庫，可以方便地創建功能強大的移動應用。 開發過程主要包括界面設計、邏輯編程、系統通信等環節。 首先，通過QT 的界面設計工具，設計了用戶友好的移動應用界面，包括顯示家居環境參數和狀態信息的界面以及控制家居設備的界面。 接著，在邏輯編程中，使用QT 提供的C＋＋編程能力，編寫了與用戶交互、界面顯示和控制邏輯等核心功能的代碼。 在通信方面，應用通過WiFi 連接與ESP8266 模塊進行通信，實現遠程監控和控制。 通過傳輸控制協議／網際協議，應用能夠與智能系統實時通信，獲取環境參數數據，并發送控制指令，實現遠程操作。 應用還能夠處理異常情況，如網絡連接問題或超時，以保障用戶體驗。

4 系統測試

系統測試過程是確保設計系統功能和性能的關鍵步驟，在測試過程中，研究人員模擬了不同的環境參數和控制指令，驗證了溫濕度傳感器、煙霧傳感器和光敏電阻的數據采集準確性，檢查了LCD1602 顯示模塊的信息展示功能，確保ESP8266 WiFi 模塊能夠穩定地與移動應用通信。 首先，確保移動應用與家庭WiFi 網絡成功連接。 然后，通過應用程序發送連接請求，驗證ESP8266 WiFi 模塊是否能夠建立與系統的穩定連接。 結果顯示，應用程序能夠成功連接到系統，建立了可靠的通信連接。 在連接建立后，應用程序發送請求以獲取環境參數數據，包括溫濕度、煙霧濃度和光照強度。 測試結果表明，應用程序能夠準確地從系統中獲取環境參數數據，并在移動應用上顯示。 通過應用程序發送控制指令，如調節溫度、開啟照明等，驗證系統是否能夠按照指令進行相應的控制操作。 通過以上測試過程，確認移動應用能夠準確地與系統進行遠程通信，并實現環境數據的獲取和遠程控制功能，這些測試結果證明了系統的可靠性和穩定性。

5 結語

綜上所述，基于物聯網的智能控制系統具有一定的實際應用價值。 它能夠為用戶提供智能化、便捷化的家居控制體驗，實時監測環境參數并遠程控制家居設備，有效提高了家庭安全性、舒適性。 然而，也需注意系統的穩定性和可靠性，以及用戶隱私和數據安全等問題，為今后的智能技術發展提供參考和借鑒。