基于STM32和OneNET的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：該項(xiàng)目基于OneNET云平臺(tái)、STM32F103C8T6微控制器、ESP8266-01s WiFi模塊、DHT11溫濕度檢測(cè)模塊、繼電器、步進(jìn)電機(jī)、MQ-9氣體傳感器等設(shè)計(jì)了智能家居安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一套完備的能夠?qū)μ烊粴庑孤⒒馂?zāi)進(jìn)行預(yù)警的智能安防系統(tǒng)，包括云平臺(tái)、客戶端、硬件層三大方面。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，客戶可通過手機(jī)APP查看家庭中傳感器監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)接入該系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，當(dāng)監(jiān)測(cè)到突發(fā)情況如天然氣泄漏、溫度過高、CO超標(biāo)等突發(fā)情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟排風(fēng)系統(tǒng)，發(fā)送報(bào)警短信等，及時(shí)完成相關(guān)處理，避免造成傷亡事故。

關(guān)鍵詞：STM32F103C8T6微控制器；WiFi；智能家居；OneNET云平臺(tái)；傳感器；數(shù)據(jù)采集；警報(bào)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

隨著云計(jì)算、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居系統(tǒng)迎來了高速發(fā)展的機(jī)會(huì)。我們的日常生活逐漸智能化，居家安全已成為人們對(duì)智能家居系統(tǒng)的基本要求。為解決傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)在使用過程中的各種問題，如：智能化程度不高、不可自主控制、缺少人機(jī)交互功能、功能單一、數(shù)據(jù)不可見、不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警、不能自動(dòng)處理危險(xiǎn)情況和適應(yīng)多場(chǎng)景環(huán)境等。為了滿足人們對(duì)智能家居系統(tǒng)的智能化新需要，設(shè)計(jì)了一套智能化家居安防系統(tǒng)解決方案。該方案以WiFi形式接入互聯(lián)網(wǎng)，在云平臺(tái)、云計(jì)算的支撐下可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)云控制、云維護(hù)。同時(shí)該系統(tǒng)在硬件層面配備了備用電池，突發(fā)停電時(shí)系統(tǒng)依舊可以正常工作。系統(tǒng)預(yù)留了多路接口，可擴(kuò)展性強(qiáng)，在OneNET云平臺(tái)下可以實(shí)現(xiàn)客戶的定制化服務(wù)，開發(fā)周期短，系統(tǒng)升級(jí)與維護(hù)更容易。希望本項(xiàng)目能為中國(guó)智能家居系統(tǒng)的研究和發(fā)展提供借鑒和參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一套以STM32、ESP8266、OneNET云平臺(tái)為核心的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)由云平臺(tái)、客戶端、硬件層三部分構(gòu)成。硬件層以STM32F103C8T6為核心處理器，包括DHT11溫濕度檢測(cè)模塊、繼電器、步進(jìn)電機(jī)、MQ-9氣體傳感器等，可進(jìn)行家居環(huán)境中溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)家中電器，如：冰箱、燈、排風(fēng)扇進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過ESP8266-01s接入OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和命令的下發(fā)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能[1-3]。本套智能家居系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全可靠，能有效實(shí)現(xiàn)家居智能化管理和自動(dòng)安防報(bào)警，對(duì)家中火災(zāi)、煤氣泄漏、空氣質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過獲得不同數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理分析，對(duì)異常情況進(jìn)行判斷并發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件仿真如圖2所示。其主要包括蜂鳴器報(bào)警模塊、DHT11溫濕度檢測(cè)模塊、光敏電阻光照檢測(cè)模塊、輔助電源模塊、微控制器系統(tǒng)、ESP8266WiFi模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊等。傳感器檢測(cè)模塊用于檢測(cè)家庭的環(huán)境參數(shù)。溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-9、光敏電阻分別用于對(duì)家居環(huán)境的溫度、濕度、煙霧濃度和光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。微控制器采用STM32F103C8T6作為主控芯片構(gòu)成本系統(tǒng)的微型處理器[4-7]。

2.1 硬件介紹

2.1.1 基于STM32微處理器模塊的設(shè)計(jì)

一個(gè)良好的智能家居系統(tǒng)需要能夠時(shí)刻對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)采集、處理、傳輸數(shù)據(jù)，因此該系統(tǒng)采用STM32系列微處理器作為核心處理模塊。STM32微處理器基于ARM Cortex-M內(nèi)核，集成了定時(shí)器、通信接口、DAC、ADC、CAN、內(nèi)置FLASH等豐富的內(nèi)部資源。本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控芯片配置8 MHz石英晶振提供外部高速時(shí)鐘，32.678 kHz石英晶振電路為其提供RTC時(shí)鐘源，搭建高性能的智能家居安防系統(tǒng)，使其運(yùn)行速率更快、數(shù)據(jù)處理更及時(shí)、更安全。微控制器的主要作用是接收傳感器檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)并處理，監(jiān)測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，執(zhí)行相關(guān)控制命令。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。

2.1.2 傳感器檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用DHT11實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度的檢測(cè)。DHT11模塊有3個(gè)引腳，分別為VCC、GND、DATA，數(shù)據(jù)傳輸口采用單向數(shù)字傳輸。將DATA腳連接到微處理器的

I/O口—PA11腳，與其進(jìn)行串行通信，為通信線路加上一個(gè)5 kΩ的上拉電阻，使其通信空閑時(shí)處于高電平狀態(tài)。微處理器發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11溫濕度傳感器開始一次數(shù)據(jù)檢測(cè)，當(dāng)處理器發(fā)送的讀取信號(hào)被接收后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)并送出40 bit數(shù)據(jù)，觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集，處理器讀取溫度和濕度數(shù)據(jù)[8-10]。采用MQ-9氣體傳感器對(duì)空氣中一氧化碳、甲烷、液化氣等可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。MQ-9氣體傳感器使用電導(dǎo)率較低的二氧化錫。這種傳感器對(duì)液化氣、甲烷、氫氣、天然氣等可燃?xì)怏w的檢測(cè)靈敏度較高。電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的變化而變化，可燃?xì)怏w濃度增大電導(dǎo)率隨之增高。MQ-9有2個(gè)數(shù)據(jù)傳輸腳Aout、Dout，可將空氣中可燃?xì)怏w的濃度轉(zhuǎn)化為電壓模擬量的形式輸出。將Aout接入微處理器帶ADC的I/O口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，從而讀取數(shù)字信號(hào)。Dout為數(shù)字輸出端口，當(dāng)檢測(cè)到超過響應(yīng)閾值時(shí)輸出低電平，Dout接入微處理器的普通I/O端口。傳感器接口電路如圖4所示。

2.1.3 通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過WiFi連接OneNET云平臺(tái)進(jìn)行交互，通過對(duì)ESP8266-01s模組進(jìn)行ESP-AT指令固件的燒錄，配置其與云平臺(tái)連接。該模組功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，外型小巧，使用方便，可以為外部主機(jī)MCU提供WiFi連接功能，也可以作為獨(dú)立WiFi MCU運(yùn)行，通過基于RTOS的SDK開發(fā)帶WiFi連接功能的產(chǎn)品。系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)云連接、低功耗運(yùn)行。在本系統(tǒng)中通過該模組與微處理器進(jìn)行串口通信，與OneNET云平臺(tái)進(jìn)行WiFi通信，從而實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)和微處理器之間的通信。WiFi接口電路原理如圖5所示。

2.1.4 串口屏設(shè)計(jì)

微處理器模塊通過與電阻式觸摸串口屏進(jìn)行串口通信來完成數(shù)據(jù)的顯示和控制命令的執(zhí)行。通過串口屏我們可以對(duì)接入系統(tǒng)的各類設(shè)備進(jìn)行控制，如電機(jī)、燈、排風(fēng)扇、冰箱等。該LCD顯示模塊采用電阻式觸摸屏，通過按壓產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時(shí)讀取觸摸點(diǎn)的電壓實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過USART HMI的上位機(jī)軟件可配置與系統(tǒng)配套的控制界面。串口屏控制界面如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

客戶端APP通過OneNET云平臺(tái)的圖形化編程完成對(duì)Web端和APP端的設(shè)置。OneNET云平臺(tái)是中國(guó)移動(dòng)推出的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)傳感器和智能硬件的快速接入。OneNET云平臺(tái)具備快速接入設(shè)備、數(shù)據(jù)流輸出穩(wěn)定、可圖形化編程、一鍵式應(yīng)用場(chǎng)景生成、價(jià)格低廉、開發(fā)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。OneNET平臺(tái)的接入方式較為簡(jiǎn)便，可通過HTTP協(xié)議進(jìn)行設(shè)備接入，后臺(tái)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔，擁有遠(yuǎn)程升級(jí)、數(shù)據(jù)可視化、設(shè)備定位、消息隊(duì)列等功能，極大地方便了開發(fā)者的二次開發(fā)。在本系統(tǒng)中可通過云平臺(tái)查詢接入設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，完成各時(shí)間段上傳的數(shù)據(jù)流的管理，方便遠(yuǎn)程維護(hù)與管理，對(duì)用戶而言，人機(jī)界面更加簡(jiǎn)單，易操作，提高了用戶體驗(yàn)。軟件流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

完成各節(jié)點(diǎn)之間底層硬件控制器程序的編寫，對(duì)系統(tǒng)上電，通過串口配置ESP8266連接OneNET云平臺(tái)，通過HTTP通信協(xié)議接入后，觀察OneNET云平臺(tái)上設(shè)計(jì)好的APP與Web中配置的數(shù)據(jù)輸出位置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新后，登錄OneNET云平臺(tái)開發(fā)者中心，在設(shè)備列表中查看相關(guān)設(shè)備，若顯示為在線狀態(tài)，說明成功連接OneNET云平臺(tái)。通過OneNET云平臺(tái)可以生成Web網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)APP并將其下載到手機(jī)或收藏相關(guān)網(wǎng)頁(yè)鏈接，通過對(duì)鏈接的訪問或登錄APP可實(shí)時(shí)查詢智能家居系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度），通過相應(yīng)控制界面可以遠(yuǎn)程控制繼電器模塊來間接控制智能家居系統(tǒng)接入家電（電燈、窗簾、風(fēng)扇、空調(diào)等）的開啟與關(guān)閉。測(cè)試結(jié)果表明，檢測(cè)數(shù)據(jù)正常、檢測(cè)處理相關(guān)功能完備、云平臺(tái)軟件顯示流暢、整體能耗低、控制命令響應(yīng)速度快、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足智能家居相關(guān)要求。手機(jī)APP界面和Web網(wǎng)頁(yè)界面分別如圖8和圖9所示。

5 監(jiān)控與操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

（1）自動(dòng)監(jiān)測(cè)家庭中的溫度、濕度以及CO、甲烷等可燃?xì)怏w指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)上傳至云端。

（2）通過手機(jī)APP和Web網(wǎng)頁(yè)可觀察家庭各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)和接入該系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)。

（3）通過手機(jī)APP和Web網(wǎng)頁(yè)控制接入該系統(tǒng)的家電（如排風(fēng)扇、燈、冰箱等）的工作狀態(tài)。

（4）當(dāng)家中傳感器監(jiān)測(cè)到可燃?xì)怏w泄漏、溫濕度異常等情況時(shí)，自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并開啟風(fēng)扇。

（5）通過液晶屏觀測(cè)傳感器各項(xiàng)數(shù)據(jù)，控制本系統(tǒng)內(nèi)常用家電的開啟和關(guān)閉。

設(shè)備配置與管理界面如圖10所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103C8T6微控制器、ESP8266-01s WiFi模塊與OneNET云平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于STM32F103C8T6芯片，從系統(tǒng)層面加強(qiáng)了整體運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)處理能力以及拓展能力。該芯片配備的內(nèi)部資源豐富，有多路I/O口，能工作在低功耗模式，大大降低了系統(tǒng)整體能耗。ESP8266WiFi模塊將智能家居控制系統(tǒng)的底層硬件接入OneNET云平臺(tái)，本系統(tǒng)可通過用戶終端實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居溫濕度參數(shù)、煙霧濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)查詢，并且還能遠(yuǎn)程控制常用家電的開啟和關(guān)閉。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了USB轉(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)傳輸接口，通過數(shù)據(jù)線的連接可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)。該系統(tǒng)配備了USB充電接口和充電器，還裝配了CR1202電池，可有效防止突然斷電導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作等情況出現(xiàn)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)具有功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、遠(yuǎn)程維護(hù)方便、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、易于使用、能耗低、實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉、開發(fā)周期短等優(yōu)勢(shì)，希望能為智能家居系統(tǒng)的發(fā)展提供一種新的思路與方法。

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