郭 銘，王佳佳

(江西理工大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330014)

隨著嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)智能產(chǎn)品被應(yīng)用到日常生活中，有效地改善了人們的生活水平和工作效率。所謂智能家居控制管理系統(tǒng)，就是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把家居生活中所使用的多種設(shè)備統(tǒng)一成一個完整的系統(tǒng)，提供安全預(yù)警、環(huán)境檢測、家電控制、燈光控制、門鎖控制等功能。相比一般的家庭條件，智能家居不僅能提供居住環(huán)境，而且擁有網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化等高科技技術(shù)。它具備完善的信息交互能力，改善了用戶日常生活的體驗(yàn)，給現(xiàn)代化生活提供了環(huán)保節(jié)能的環(huán)境，提高了家居的便捷性、舒適性以及安全性。

1 緒論

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在英國、美國、日本等一些發(fā)達(dá)國家，家庭智能家居已經(jīng)在正常家居生活中發(fā)揮著不可磨滅的作用。在美國，比較出色的智能家居公司有霍尼韋爾，快思聰以及control4?；裟犴f爾是一家在技術(shù)和制造業(yè)方面頗具特色，處于世界領(lǐng)先的多元化高科技企業(yè)，其主要發(fā)展方向涵蓋智能建筑群設(shè)計(jì)、家居安全設(shè)備研發(fā)等。

我國智能家居行業(yè)的發(fā)展仍然處于初級階段，二十來年的行業(yè)累計(jì)并未從量變產(chǎn)生質(zhì)變。同時在物聯(lián)網(wǎng)的帶動下，智能家居已經(jīng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制。而從目前的應(yīng)用場景來看，我國的智能家居市場主要在智能照明、智能門窗、智能門鎖、安全報(bào)警和影音娛樂方面。我國智能家居系統(tǒng)起步較晚，在技術(shù)方面仍有著明顯的差距，但在應(yīng)用場景方面的探索絲毫不遜于發(fā)達(dá)國家，很多企業(yè)都在努力研發(fā)智能家居和不同場景的結(jié)合與應(yīng)用。在智能家居領(lǐng)域，我國大多數(shù)家電企業(yè)推陳出新，擁有自己的主打品牌，例如：海爾的“U-home” 、華為的“Hi-Link”、美的的“M-Smart”以及小米推出的“米家”等都是近些年來我國在智能家居領(lǐng)域的佼佼者，具有突出功能和特色。

1.2 智能家居發(fā)展趨勢

在將來，智能家居將向語音識別、圖像識別、屏幕交互、家庭場景自動化、IOT生態(tài)建設(shè)等方向發(fā)展。毋庸置疑，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的革新和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，智能家居的功能將越來越強(qiáng)大，將被應(yīng)用在起居生活的方方面面，智能家居將有著光明的未來。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，該控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)為控制核心，溫濕度傳感器為檢測單元，顯示屏裝置和報(bào)警裝置為輸出單元散熱裝置和加濕裝置為執(zhí)行單元，設(shè)計(jì)并完成溫濕度的智能控制。當(dāng)DHT11溫濕度傳感器收集到室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)后，便單向傳輸給STM32單片機(jī)主控芯片。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，通過LCD1602液晶顯示屏顯示出來，通過蜂鳴器報(bào)警裝置進(jìn)行安全預(yù)警，用散熱繼電器和加濕繼電器等裝置，及時地對室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行檢測和控制。

圖1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)

智能家居濕度控制系統(tǒng)主要由STM32主控芯片、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵設(shè)置模塊、LCD1602顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、散熱和加濕繼電器模塊等部分組成。本次系統(tǒng)采用5V直流電源進(jìn)行供電，具體總體硬件電路原理，如圖2所示。

圖2 總體硬件電路原理

3.1 主控芯片最小系統(tǒng)

該系統(tǒng)的核心處理模塊STM32F103單片機(jī)如圖3是一款低成本、高性能的微控制器，其以ARM Cortex-M3為內(nèi)核內(nèi)置高速存儲器，含有大量的功能強(qiáng)大的I/O接口。其低成本主要體現(xiàn)在與常用的8位，16位單片機(jī)幾乎同等價格，同時能具有32位單片機(jī)的性能，可直接替代一般8位、16位單片機(jī)應(yīng)用于小規(guī)模系統(tǒng)中。在該單片機(jī)芯片中，右上角NRST引腳連接異步復(fù)位電路，起到初始化單片機(jī)系統(tǒng)程序，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。下部端口連接的是晶振電路，在電路中產(chǎn)生頻率和峰值穩(wěn)定的正弦波，以產(chǎn)生脈沖信號為單片機(jī)系統(tǒng)規(guī)定機(jī)器周期。

圖3 STM32主控芯片最小系統(tǒng)

3.2 溫濕度傳感器

DHT11傳感器如圖4所示，是市場上經(jīng)常采用的溫濕度傳感器，此傳感器占用的面積不大，能量損耗很小，采用的是單總線的雙向數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確穩(wěn)定。同時此傳感器抗干擾能力非常的強(qiáng)，經(jīng)常用于高爐測溫、工業(yè)檢測、家庭環(huán)境控制等方面，適合于空間比較小的場合和數(shù)字溫濕度檢測等領(lǐng)域。DHT11溫濕度傳感器采集的數(shù)值十分精確，其采集范圍為：溫度0～50℃±2℃，濕度5%～95%RH±5%RH。DHT11采用單總線雙線串行通信協(xié)議，采集過程首先是STM32單片機(jī)發(fā)起開始信號，通過I/O引腳發(fā)送給DHT11，之后DHT11對單片機(jī)發(fā)送響應(yīng)，同時把獲得的數(shù)據(jù)按照40位數(shù)據(jù)幀格式向外輸出，高位在前低位在后。具體的數(shù)據(jù)格式為：8字節(jié)濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8字節(jié)濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8字節(jié)溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8字節(jié)溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8字節(jié)校驗(yàn)位。

圖4 DHT溫濕度傳感器

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序框架

當(dāng)硬件端設(shè)計(jì)調(diào)試完成后，就要針對單片機(jī)和外設(shè)傳感器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要構(gòu)思清楚，首先畫一個流程圖，再按照傳感器先后順序進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個主流程如圖5所示。首先各個硬件開始初始化，之后各個模塊開始工作，實(shí)時檢測溫濕度，進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警操作，并采取對應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)功能。啟動的步驟具體為：初始化，溫濕度采集，LCD顯示屏顯示，ESP9266Wi-Fi啟動藍(lán)牙，按鍵設(shè)置溫濕度和報(bào)警的閾值。當(dāng)溫度過高或濕度過低時，單片機(jī)驅(qū)動三極管控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕禍鼗蛘呒訚癫僮鳌?/p>

圖5 主程序流程

4.2 繼電器處理流程

繼電器的操作流程如圖6所示，初始化DHT11，讀取當(dāng)前溫度和濕度的數(shù)值，當(dāng)其超過閾值時，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，之后開始執(zhí)行繼電器的功能操作。通過讀取顯示屏，可以得知當(dāng)前室內(nèi)的具體參數(shù)值。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)值時，散熱繼電器閉合，發(fā)電機(jī)開始驅(qū)動風(fēng)扇進(jìn)行降溫；當(dāng)濕度過低不達(dá)標(biāo)時，加濕繼電器閉合，灑水裝置開始工作，進(jìn)行加濕。直至溫度和濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍時，繼電器停止工作，進(jìn)程結(jié)束。

圖6 繼電器處理流程

5 系統(tǒng)測試

5.1 硬件測試

硬件測試環(huán)節(jié)，首先要調(diào)試單片機(jī)的電源部分，晶振電路和復(fù)位電路，確保STM32最小系統(tǒng)芯片沒有問題。之后就要檢測單片機(jī)的各個硬件之間的連接是否正常，這一部分一定要注意引腳之間的連線不能出錯，以及注意各元器件的參數(shù)值是否正確。緊接著就要測試該系統(tǒng)的各個模塊，溫濕度傳感器、按鍵開關(guān)、蜂鳴器、電源電路以及繼電器。最后還要檢測電路是否存在問題，確保不會發(fā)生短路以免造成不必要的損壞。硬件模塊檢測完成后，將編譯好的代碼燒錄到STM32單片機(jī)中，用5V的直流電源供電，按下電源開關(guān)，觀察系統(tǒng)的功能是否能全部實(shí)現(xiàn)。

實(shí)物圖如圖7所示，經(jīng)過測試，該控制系統(tǒng)能正常工作，電路電壓穩(wěn)定，按鍵開關(guān)功能正確，單片機(jī)最小系統(tǒng)工作正常，LCD顯示屏能顯示出當(dāng)前溫濕度，蜂鳴器能及時作出報(bào)警，繼電器能順利實(shí)現(xiàn)一系列操作。

圖7 實(shí)物連成

5.2 軟件測試

完成對STM32單片機(jī)的硬件測試后，就要進(jìn)行軟件功能調(diào)試，測試軟件是否能正常運(yùn)行。這里我們通過proteus軟件進(jìn)行仿真，把Keil軟件編譯的.hex文件加載到單片機(jī)最小系統(tǒng)中，然后啟動程序仿真。下圖8所示為該系統(tǒng)仿真圖，依據(jù)LCD顯示屏展示，第一行為當(dāng)前溫度和濕度，分別為27℃和51%RH；而第二行顯示的溫度上限為27℃，濕度下限為50%RH。

圖8 正常情況下仿真實(shí)現(xiàn)圖

這種情況下，溫度和濕度都在正常范圍內(nèi)，故蜂鳴器和繼電器都不進(jìn)行工作。為了繼續(xù)驗(yàn)證，首先停止仿真進(jìn)程，再通過DHT11溫濕度傳感器把溫度調(diào)節(jié)至28℃，濕度設(shè)置為49%RH后，點(diǎn)擊仿真，實(shí)現(xiàn)的結(jié)果如圖9所示?？梢郧逦闯鲲@示屏上顯示的溫濕度數(shù)值，并且此時蜂鳴器開始報(bào)警，散熱繼電器和加濕繼電器也相繼工作。散熱繼電器的發(fā)電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)降溫功能，加濕繼電器的LED燈亮以代表灑水器進(jìn)行加濕。至此，該溫濕度控制系統(tǒng)的功能以基本實(shí)現(xiàn)，軟件測試環(huán)節(jié)結(jié)束。

圖9 異常情況下仿真圖

6 結(jié)束語

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，離不開對大量詳細(xì)資料的參考，主要完成了如下成果：①通過對智能家居的國內(nèi)外發(fā)展概況以及前景分析研究，同時依據(jù)市場需求，人們對于便捷智能家居的功能要求，設(shè)計(jì)了基于STM32的智能家居溫濕度控制系統(tǒng)。②在該智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要完成對溫度和濕度的檢測與控制。溫濕度傳感器模塊與單片機(jī)芯片處理器之間采用串行單總線數(shù)據(jù)傳送。因此，在對溫濕度傳感器進(jìn)行程序編寫時，必須嚴(yán)格保證讀寫的時序正確，否則將無法讀取溫濕度的正確結(jié)果。③采用DHT11模塊，對于溫濕度的數(shù)據(jù)收集不需要進(jìn)行人為處理，系統(tǒng)會自動處理數(shù)據(jù)，并把檢測到的實(shí)時信息發(fā)送至處理器端，再由單片機(jī)處理芯片進(jìn)行分析，最后溫濕度送數(shù)值到LCD顯示屏。④加設(shè)蜂鳴器裝置對環(huán)境實(shí)時監(jiān)控，并設(shè)置繼電器工作改善室內(nèi)溫濕度，降到適合居民生活的數(shù)值。在散熱繼電器上安裝風(fēng)扇，加濕繼電器上安置灑水器，這里暫時使用LED燈代替表示。

同時，該系統(tǒng)的設(shè)置還存在許多不足之處，需要在后續(xù)得以改進(jìn)：①該系統(tǒng)尚未完成對ESP8266模塊的設(shè)計(jì)和接入，因此沒有WiFi功能，尚不能接入互聯(lián)網(wǎng)。②本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只使用了部分傳感器，功能尚不夠齊全，離真正意義上的智能家居溫濕度控制系統(tǒng)還很遠(yuǎn)。③需要進(jìn)一步完善電路圖和程序的設(shè)計(jì)，仍然存在一些不必要的能源損耗，而且要更加合理的使用元器件降低成本。④要完善系統(tǒng)的可靠性和安全性，多對各個模塊進(jìn)行功能穩(wěn)定性測試，將該系統(tǒng)改進(jìn)為更加出色的系統(tǒng)方案。