基于单片机的无线智能家居设计

基于单片机的无线智能家居设计

摘要随着人们生活水平的提高以及科学技术的日趋成熟，先进前沿的科技也迅速地进入了我们的日常生活，最明显的就是家居越来越智能化。智能家居是指以住宅为平台，利用微处理器电子技术来集成或控制家用电器和电子产品或系统，如计算机设备、安全系统，制暖和冷气系统、照明系统、视频和音频系统等。智能家居为用户提供了安全、健康、宜人的生活环境，而且使用者可以远程监控自己的家庭状况和控制家用电器。智能家居将成为未来家庭生活的发展方向，而有线智能家居产品的发展现状有电缆布线故障、电缆使用量大、扩展难度大等，利用无线网络技术可以解决网络节点多问题，有线网络布线问题，电缆使用量大问题等。所以在实施智能化的同时，开发了一套性能稳定、具有无线能力的智能化家庭控制设备是必要的。本论文研究一种利用WiFi作为无线通信的智能家居，通过移动电话、个人电脑、平板等终端设备对家用电器进行无线控制和对家庭环境监控。首先，介绍了国内外智能家居的发展现状和发展趋势。然后，详细介绍了智能家居系统的设计过程。系统主要基于STM32系列开发板进行设计，利用温湿度传感器、人体红外检测传感器、实时监测室内环境，通过LCD显示屏实现环境状况的显示，并且将检测出的异常信号通过Wi-Fi模块发送到用户的手机APP。这个无线智能家居系统以其低成本、低功耗、高性能等特点，有望进入更多的家庭和居住区，该系统在智能家居安全市场具有广阔的发展前景。关键词：智能家居；STM32；无线通信系统；Wi-Fi

AbstractWiththeimprovementofpeople'slivingstandardsandthematurityofscienceandtechnology,advancedandcutting-edgetechnologyhasrapidlyenteredourdailylife.Themostobviousthingisthatthehomeisbecomingmoreandmoreintelligent.Intelligenthomereferstotheuseofmicroprocessorelectronictechnologytointegrateorcontrolhouseholdappliancesandelectronicproductsorsystems,suchascomputerequipment,safetysystems,heatingandcoolingsystems,lightingsystems,videoandaudiosystems.Smarthomeprovidesuserswithasafe,healthyandpleasantlivingenvironment,anduserscanmonitortheirhomeconditionsandcontrolhouseholdappliancesremotely.Smarthomewillbecomethefuturedirectionoffamilylife,andthedevelopmentstatusofwiredsmarthomeproductsincludescablewiringfailure,largecableusage,difficultexpansion,etc.Usingwirelessnetworktechnologycansolvemanyproblemsofnetworknodes,wirednetworkwiring,cableusageandsoon.Soitisnecessarytodevelopasetofintelligenthomecontrolequipmentwithstableperformanceandwirelesscapabilitywhileimplementingintellectualization.ThispaperstudiesakindofsmarthomewhichusesWiFiaswirelesscommunication,throughmobilephones,personalcomputers,tabletsandotherterminaldevicestocontrolhouseholdapplianceswirelessandmonitorthehomeenvironment.First，Thedevelopmentstatusanddevelopmenttrendofsmarthomeathomeandabroadareintroduced.Then,thedesignprocessofsmarthomesystemisintroducedindetail.ThesystemismainlydesignedbasedonSTM32seriesdevelopmentboard.Temperatureandhumiditysensors,humaninfrareddetectionsensorsandreal-timemonitoringofindoorenvironmentareusedtodisplaytheenvironmentalstatusthroughLCDdisplayscreen,andtheabnormalsignalsdetectedaresenttotheuser'smobilephoneAPPthroughWi-Fimodule.Withitslowcost,lowpowerconsumptionandhighperformance,thiswirelesssmarthomesystemisexpectedtoentermorehomesandresidentialareas.Thissystemhasbroadprospectsfordevelopmentinthesmarthomesecuritymarket.Keywords:smarthome;STM32;wirelesscommunicationsystem;Wi-Fi

目录摘要 绪论1.1课题的研究背景随着人们生活水平的提高以及科学技术的日趋成熟，尤其是计算机技术、通信技术和网络技术的发展，人们对家庭环境舒适性和便利性的要求越来越高。人们渴望拥有一个智能、安全、舒适、方便的家庭环境，智能家居的概念因此迅速走进了人们的生活中。智能家居包含了家庭内的所有智能化设备，智能电视、智能空调、智能灯光、智能开关、智能门禁、智能音箱、智能路由器等等。在智能家居的发展下，用户得以远程控制家居。人们在外地可以远程监控家中的情况，夏天可以在回家前提前开启冷气，同时能控制的还有电饭煲、灯光、洗衣机等等。不难相信在不久的将来，智能家居带来的是具有安全性、便利性和舒适性家庭环境，能够满足人们更多的要求，成为人类生活不可或缺的一部分。1.2智能家居国内外研究现状及趋势传输技术是智能家居最核心的部分。传统有线智能家居作为智能家居的鼻祖，比较适合于楼层智能化以及小区智能化等大范围的区域控制。市场上影响大，使用频率高的总线技术包括RS485、KNX、CAN、SCS－BUS、Modbus、C－Bus、LonWorks等总线技术类产品，其优势在于技术成熟、系统稳定、可靠性高，应用也比较广泛。然而缺点也显而易见，大量的布线，线路的损坏与老化使有线智能家居的维护难度提高，随着技术发展，新的智能化设备也难以添加进原有的环境中。而无线智能家居作为一种突破，给家居的自动化带来新的活力，再也没有了布线的麻烦。直至目前，无线智能家居根据所使用的技术不同，主要分为433/315射频、蓝牙、Wi-Fi、Zwave和ZigBee几种。从市场现状来开，当前无线技术替代有线技术已经有了不少成功的先例。1.2.1智能家居国外研究现状在全球智能家居研究中，欧美国家始终处在前沿位置。世界上第一栋智能建筑就在美国出现，自此以后，各国对智能家居产品的研究开发就不曾停止。美国Honeywell（霍尼韦尔）公司推出了高度集成化的智能家居，涵盖了家电智能控制、远程网络控制、门禁控制和信息监控发布。Nest公司的核心产品家居恒温控制硬件收到大量关注，Google（谷歌）公司在智能家居方向上的投入可以从收购Nest公司看出。Google智能家居以GoogleAssistant语音助手为核心，GoogleHome智能音箱为中枢，让用户可以进行多设备的操控。但Google因为不生产硬件，只提供语音助手这种开放平台，所以并没有推出智能家电系列。美国的智能家居更多的是以舒适、健康、环保、安全、娱乐为主，他们更多的是对一种家的感觉的描述，所以SmartHome称呼比HomeAutomation更加人性化。韩国三星公司也在2014年收购了SmartThings公司，SmartThings公司主要的研究方向就是和智能家居硬件和手机应用程序上，如今的SmartThingsHub已经可以检测环境内温度、湿度、运动，并通过传感器的组合判断室内有无人员，最后信息采集并发送到APP上。三星公司的智能操控平台软件“SmartHome”使家电设备互相连接，处于同一网络之中，用户通过平台对家居统一进行管理，包括洗衣机、空调、冰箱等，该平台支持的功能还有家庭视窗HomeView、语音控制、自定义配置文件、智能客户服务等。澳大利亚智能家居的特点是高度的自动化，自动门、泳池和浴室的自动排水加水、庭院花圃的自动灌溉系统。新加坡也提出十年计划“智慧国家2025”，有力的促进了新加坡智能家居的发展，向智能化国际大都市迈进。国外智能家在其产品的销售模式上就像普通商品一样，并没有所谓的智能家居产品这种分门别类，二是按建筑材料、卫生间、厨房等类别直接分类。同时，国外智能家居的价格低廉。国外智能家居的价格非常接近普通民众，普通家庭都可以承受智能家居的价格。1.2.2智能家居国内研究现状相比较于国外而言，我国智能家居起步是落后与其他发达国家的，但其中不乏后起之秀。海尔、TCL、中兴通讯等国内有名企业都在智能家居系统中加大投入，也研发出很多国产的智能家居产品。海尔2018年提出了行业的首个“4+7+N”全场景定制化智慧成套方案，4是指厨房、卧室等4大物理空间，7是指空气、安防等7大全屋解决方案，N便是根据不同用户个性化定制或根据生活习惯自主设定的各种体验。海尔做到了有线和无线两种方式，实现了物物之间联网互通，各种信息可以管理和共享。华为以通信为起点，从侧重研究开发路由的通信能力走出自己的智能家居方向，华为的HiLink智能家居平台就是以路由器接硬件的方式进行，但目前主要硬件只有网关、电视盒子等，没有智能家电是华为在智能家居方面的短板。我国的智能家居市场目前还集中在沿海的发达一线城市，在国内的普及率很低。相比之下，国外的智能家居拥有更广泛的市场。智能家居的所有设备都由智能家居集线器控制。它是一种硬件设备，作为智能家居系统的核心，可以处理数据和无线通信。它将所有不同的应用程序组合成一个智能家庭应用程序，可由房主远程控制。国外智能家居集线器包括AmazonEcho，GoogleHome，InsteonHubPro，SamsungSmartThings和WinkHub等，然而，中国的一些智能家居似乎没有连接的枢纽。国内已有的设备屈指可数，各个企业还在争先恐后的想开发出更优秀的连接协议或者标准，相当于在闭门造车。就举身边的例子说，米家的设备就无法和天猫精灵进行通信，因为它们完全独立，所以对于国内用户来说，想要拥有更个性化的智能家居变得非常困难。智能家居市场目前存在几个突出的问题，一是品牌与品牌之间、产品与产品之间，无法互联互通，限制了物联网，让智能家居成了各个大公司的单机游戏；二是智能化有待进一步提高。开关都需要人为方式发出控制命令，并没有真正提升用户体验；三是规模小。只有开关等小物件智能不是真正的智能家居，只有为冰箱、空调、洗衣机等大家电都赋予智能，才是彻底的智能家居解决方案；四是产业链缺失，市场对智能家居的归类问题导致智能家居无法接触更多普通大众，各类智能家电的跨度也使合作变得困难。1.2.3智能家居发展趋势几个新的无线通信技术将把智能家居推向无线方向。传统的有限接入方式布线麻烦，升级维护难度高，难以在基础上扩展。随着无线技术的快速发展，采用无线技术的智能家居系统优势突出。其中4大通信技术把握着智能家居的新走向。第一个便是WiFi组网技术，它带来的变化在我们身边处处可见，曾经的速度慢价格高的互联网变成了千家万户不可或缺的一部分。如今WiFi的覆盖范围极大，通过WiFi实现的智能家居易于被普通大众接受掌握，简单易懂的设置方式不需要你懂得相关的专业知识。其次是众人皆知的蓝牙通信技术，这个伴随着手机出现在大众面前的技术，给我们提供了许多便利，蓝牙文件传输、蓝牙耳机、蓝牙音箱等等。尽管蓝牙技术成熟，可选蓝牙模块众多，它点对点方式传输通信和传输的距离限制了它在大型智能家居中的发展，现阶段在智能家居中蓝牙受局限。第三是近些年在国内外都备受关注的Zigbee技术。就专业的角度来看，Zigbee技术门槛很高，个人或者小团体难以对其做到创新性的开发，除非专门从事这方面的研究。由于其优秀的加密技术，高安全性和稳定的网络通信能力，被许多技术型企业重点研究。第四个是常见的红外遥控技术，一般家用电视、空调、电灯遥控器大多都是采用这种技术，可见在未来智能家居必定有其一席之地。红外通信技术适用于控制设备单一，成本低的设备，但它的传输距离较短，未来智能家居的多设备、高智能化需要灵活的通信，红外通信技术因此也有局限。但多种通信协议也造成目前无线智能家居无统一的国际标准，不同公司研发的技术大多采用自家的标准，产品也只能兼容本公司的智能家居平台，在特定的组网环境中使用，大大局限了智能家居的发展潜力。未来智能家居应统一行业标准，各大公司不再闭门造车，开始加强行业间的交流沟通。云计算也将是智能家居未来的发展方向。智能家居一大功能就是信息实时报道共享，对家中环境用手机或电脑终端进行实时监控，即使用户远在外地。云计算还可以对用户的个人信息习惯存储并分析计算出用户特点，自主将家居电器进行个性化设置，并实现节能。在云计算的帮助下，智能家居可以主动提供服务，给用户更健康、舒适的家电使用计划。未来云计算在智能家居会有更普遍的应用。1.3智能家居控制系统的结构智能家居是传统家居升级的必然选择，目前理想的智能家居控制系统应当采用的是智能计算机AI技术，集成了安全保护、互联网服务和家庭控制自动化的一整套家居生活环境，其中应该包含移动电话、个人电脑和平板等对家庭系统的监控功能，家用电器的远程控制功能，安保相关的传感器信息采集和存储功能，还有应急响应突发事件功能。总的来说，智能家居要的是一个通过计算机来控制的管家，在主人出门在外时，也能对家中任意一点实施监控，对家中各项指标智能检测，最后再智能化的应对出现的问题。（无线智能家居系统的主要组成结构如图1-1）图1-1无线家居控制系统结构示意图1.4通信技术在智能家居中的应用在介绍智能家居发展趋势时已经提到，通信技术在智能家居系统中有着重要地位，传统的智能家居系统大部分采用了有线连接的方式，因为有限连接具有传输速度快、可靠性高等优势，但它的缺点有布线麻烦、可扩展性差、成本较高等。用户在考虑创造一个智能、舒适的家居环境时，将会更多选择以无线方式接入的智能家居。目前，家庭中可以使用的无线通信技术包括RF射频技术、Zigbee技术、蓝牙技术、Z-Wave技术和WiFi技术等。表1-1总结了最常用的家庭自动化通信技术的主要特点。对于每一种技术，都指出了传输介质、数据传输速率以及其规范是开放的还是专有的。后一个参数是必不可少的，因为像z-wave这样的专有协议通常比ZigBee这样的开放式替代方案面临的互操作性问题更少。（RF：射频、EG：电网、OF：光纤、TP：双绞线）表1-1常见家庭自动化技术的特点自动化通信技术传输介质开放性数据传输速率KNXEG,RF,TP开放9.6KbpsLonWorksEG,RF,OF,Coaxial,TP开放1.25MbpsX10EG开放60bpsInsteonEG,RF专有38.4KbpsModBusTP开放RTU:19.2KbpsTCP:10/100/1000MbpsBacNetTP开放10/100/1000MbpsZ-WaveRF部分开放9.6KbpsEnOceanRF部分开放25KbpsZigBeeRF开放256KbpsWiFiRF开放600/54Mbps蓝牙RF开放1Mbps而且随着科学技术的不断进步，各式各样的多媒体设备和无线智能终端如雨后春笋，层出不穷，高清数字摄像头、高清数字电视、家庭游戏主机等多媒体设备在家庭中越来越受欢迎。多媒体设备越来越大的容量、越来越高的性能以及传输数据时对带宽的高要求，这些都对传输速率的要求越来越大。例如MP3音乐播放器、数字显示器、掌上电脑等这些全数据格式设备，它们的数据传输速率是在几百Kpbs到几十Mpbs左右，而机顶盒和DVD播放器与数字电视的无线连接具有更高的速度要求，至少需要达到20~28Mkps的传输速率，而实现手机、平板电脑与个人电脑的同步传输，或用个人电脑进行视频编辑，就需要更高的传输速率。在智能家居系统中，无线接入方式由于成本、可扩展性和布线等方面具有优势，并且人们对家庭生活中多媒体设备间能高速传输有着极大的需求，采用WIFI技术是合适的选择。它可以将家庭设备与互联网无缝连接，它们之间没有协议转换，设备之间也不需要网关、路由器和其他中间设备。更重要的是，与其他通信技术相比，WiFi具有开发成本小、传输距离长、成本低、稳定性高、无线电覆盖范围广、家庭普及率高、传输速度快等优点。而且目前很多电子设备如手机、平板电脑、机顶盒、智能插座等都支持WIFI技术，因此组建一个家庭内网，WIFI技术有着极其明显的优势。1.5论文主要工作与论文结构本论文设计了一个基于STM32系列单片机的无线智能家居，利用WIFI无线通信技术以及集合市场中各式各样的传感器模块，模拟出一个普通家庭中可使用的无线智能家居系统，系统的工作内容有温湿度采集报警、区域人体检测安防报警、控制室内家居开关灯、烟雾检测报警功能。另外系统通过Wi-Fi模块与远程端连接，可以及时从手机接收到不同传感器模块的数据反馈，了解家中信息，实现了交互式智能化。论文章节的安排如下：第一章绪论，介绍了无线智能家居的基本概念，并介绍了国内外智能家居的研究现状和发展态势，最后说明了选择WIFI无线通信技术的原因并给出了本论文的主要工作。第二章对无线智能家居领域进行需求分析，然后根据需求提出了系统设计的方案和框架，研究其中关键技术的实现。第三章阐述了硬件电路的设计与分析，介绍各个部分的原理图设计与PCB板的布线布局。第四章阐述了系统软件的设计与分析，着重介绍了Wi-Fi模块的软件设计。第五章基于第三章、第四章的设计，介绍了硬件、软件综合调试过程和调试结果。最后，是总结本文的工作内容，讲述本文的不足之处和需要改进的地方。

2系统框架和方案设计2.1系统需求分析解决用户在使用智能家居中遇到的问题，是设计智能家居系统的核心，因此这需要客观的用户需求分析和高质量的市场调研。既要满足用户需求，又能保证企业利润，研发出真正能落入万户千家的智能家居。目前，智能家居正处于引进和成长的关键点，市场消费观念尚未完全形成，智能家居市场的普及还需要进一步落实，以培养用户消费习惯，促进市场和产业的快速崛起[5]。对于新兴的应用领域，第一批的用户需求调查决定了产品的走向，甚至是成败，细致周全的研究工作是必不可少的。通过市场调研和问卷调查，可认为用户需要的是一个基于现有家用电器的综合家庭控制系统，能够实现控制、娱乐、安全和监控功能。它要求系统易于使用、稳定和可扩展。与此同时，大多数用户对家庭装修成本更为敏感。总线控制方案多被用于国外智能家居系统，但国内市场不能复制国外的方案和产品。对国内多数普通家庭用户而言，将有大量布线的总线方案带入家中极为困难，重新布线是规模巨大的工程。通过无线通信技术提高住宅的实用性和可扩展性，因地制宜地解决了国内多数用户的需求。表2-1常用无线通信技术应用名称通信距离安全性功耗主要应用Blutooth20-200m高20mA通信、汽车、ITWi-Fi20-200m低10-50mA无线上网、PDAZigBee20-200m中5mA无线传感器网络UWB0.2-40m高10-50mA消防救援医疗NFC<20cm极高10mA手机、RFID2.2系统结构框架与方案移动端APP液晶屏移动端APP液晶屏网络Wi-Fi模块继电器（代表家电）STM32LED灯控制模块报警模块温湿度传感器网络Wi-Fi模块继电器（代表家电）STM32LED灯控制模块报警模块温湿度传感器红外检测传感器红外检测传感器图2-1系统结构框架图本系统采用STM32F103C8单片机作为微控制芯片，这个芯片是基于ARMCortex-M3内核的嵌入式器件。其作为STM32系列的32位处理器，与各个功能部分包括Wi-Fi模块、液晶显示屏、温湿度传感器模块、红外人体检测传感器模块、烟雾传感器模块共同组成，以实现各传感器模块和功能模块的数据采集和控制[1]，通过集成多个传感器模块，集中采集信息，判断反馈阈值是否进入报警范围。如有危险，可在显示屏上第一时间显示，室内可进行声光报警，报警信息可通过Wi-Fi模块第一时间反映给用户。室内主控制器部分加入了LCD1602显示器模块，主要显示当前室内温湿度，此外显示各部分传感器的工作状态以及是否有突发状况出现等信息。在主室内增设红外人体检测模块，检测该区域是否有人异常进入，在第一时间进行声光报警。家庭厨房作为一个重要的监控空间，专门配备了火光检测和烟雾浓度检测模块，以应对厨房可能出现的各种意外情况。房间内的主要灯光和电器由Wi-Fi通信系统控制，可通过用户手机应用程序在房间内进行控制。基本避免了传统红外遥控器不能穿透墙壁的缺点。在中小型家庭中，房间内的受控设备可以通过任意位置的开关设备进行控制。远程安全报警系统采用单片机与Wi-Fi通讯模块相结合的方式。当接收到传感器突发状况数据反馈时，通过Wi-Fi模块向用户发送提示消息，报告异常数据，以便用户第一时间做出反应。2.2.1系统的技术分析本设计因为单片机设计的应用系统。因此设计规范，掌握总体设计框架尤为重要。详细的筛选和数据计算也是必不可少的一部分。从单片机性能到型号的选择，再到各种传感器的测量参数范围，都需要慎重考虑。精确高效的方案设计与被控对象的技术、工艺要求密不可分。首先，我们需要确定系统是开环系统还是闭环系统。其次，我们需要选择所有要用到的传感器，根据不同的检测内容对数据进行分析计算，得到所需传感器的技术要求，以便准确地选择正确有效的传感器。作为一个单片机系统，我们需要对数据进行检测和处理。传感器的选择直接影响系统能否有效地完成任务计划。其次，我们应该考虑系统的输入输出设备。哪些外围设备可能在系统中使用，显示在屏幕上的内容等，这是我们选择输入输出设备的基础。比如根据家用电器的交互类型，可分为：（1）输入设备。如各种摄像机、传感器等，设计时采用单向无线传输方式。（2）输出设备。如红外收发器、电机等，设计时采用单向无线传输方式进行设计。（3）数据交互设备。如电灯、热水器、电饭煲等，设计中采用双向无线数据传输方式。最后，在确定了被控对象的数量和传感器各部分的精度要求后，开始设计规划电路的原理图和软件的流程图，然后利用仿真软件对系统的各个部分进行仿真和调试。在确认了方案的可行性后，我们可以将电路具体化，逐步集成到一个完整的系统原型中。2.2.2系统设计主要任务根据系统要求，选用STM32F103系列作为核心处理器芯片，系统核心部分采用的是最小系统核心板STM32F103C8T6。通讯采用ESP-01这款Wi-Fi模块，它的核心处理器为ESP8266。还采用火光传感器、烟雾浓度检测传感器、温湿度传感器、热电检测传感器。实验样机的设计包括硬件、软件和调试过程。具体如下：硬件部分：智能家居控制系统的硬件部分主要由五部分组成：（1）核心控制单元，主要用于采集传感器的反馈数据进行分析，并通过I/O设备控制处理单元；（2）传感器数据采集系统，遍布在整个家庭房间中，履行各自的职责，找出危险和意外的情况。实时监控，第一时间向核心控制单元反馈信号；（3）数据显示系统，显示室内主要活动区的传感器状态；（4）Wi-Fi控制系统，实现室内照明系统的控制与部分家用电器的供电管理。（5）Wi-Fi通信模块，主要负责紧急报警，通过wifi模块向用户的手机APP发送消息，说明报警地点和内容。软件部分：软件部分包含一些成熟的头文件，如LCD1602以及ESP8266头文件等，代码世界已经有一个非常成熟的初始化头文件，这里仅供参考。2.3各模块方案设计及框图本系统中检测对象和控制单元较多，因此本章需要对所涉及的主要模块以方框图的方式进行整理，以确定各模块的输入输出与I/O设备、单片机之间的关系。2.3.1人体热释电模块系统框图本系统中的人体热释电传感器模块的主要功能是检测每个房间的人体活动。如果检测到有人或动物在每个房间的固定位置进入检测区域，传感器会将信息反馈给单片机，这将被视为有人闯入室内，然后第一时间在房间里报警并发送信息至用户。热释电模块输入图如图2-2所示。单片机蜂鸣器人体热释电检测模块单片机蜂鸣器人体热释电检测模块图2-2人体热释电检测模块原理框图2.3.2温湿度传感器原理框图数字温湿度传感器可以准确测量主房间内的温湿度数据，相比烟雾传感器，种传感器的在检测方法上不尽相同，温湿度传感器的检测可以直接得出数据，因此单片机只需直接进行数据判断并输出数据。系统输入关系如图2-3所示。温湿度传感器单片机温湿度传感器单片机图2-3温湿度传感器原理框图2.3.3液晶显示系统框图LCD1602A液晶显示屏可用来显示室内温湿度，并显示各个传感器的工作状态，如果传感器报告异常数据或者传感器故障，屏幕上显示相应的传感器字符，起到提醒用户的作用。系统输入输出关系如图2-4所示。传感器信号1602显示屏单片机传感器信号1602显示屏单片机图2-4液晶显示系统框图2.3.4Wi-Fi控制系统框图Wi-Fi模块的主要用处是与用户的手机通信。移动终端采用的Wi-Fi助手应用软件下载比较方便。它可以自行设置多个键的功能。可在移动终端或是手机上设置Wi-Fi通信匹配操作。它只需要在单片机程序中编写相对应的代码和输出的触发信号，本文以控制灯具作为仿真研究。在系统中，采用简单的LED演示来简化关闭过程。在实际生活的使用中，接收器可以使用5V直流开放式继电器来控制电源零线的通断，从而实现用手机控制灯具和电器的电源。系统控制关系如图2-5所示。Wi-Fi模块手机Wi-Fi软件单片机Wi-Fi模块手机Wi-Fi软件单片机、LED灯光LED灯光图2-5Wi-Fi模块原理框图

硬件电路设计与分析系统控制的家用电器包括了控制电路和通信模块。用户通过移动终端发送指令，再由核心控制板通过控制电路控制家用电器。同时，中央控制板接收各家电节点返回的数据，并反馈给终端用户。因此，系统的硬件设计主要是核心控制板的设计。3.1嵌入式处理器芯片STM32单片机是无线通信系统中心控制板最核心的部分，根据系统的性能要求，参考STM32选型指南文件，按照控制成本和满足需求的原则，选用了STM32F103系列作为核心处理器芯片，以STM32F103C8T6最小系统核心板作为该系统的核心部分。它满足了处理多通道数据的资源需求，同时它的成本比较低，市场化程度高，供应稳定，有利于产品的大规模生产。其最小系统由下列硬件资源组成：STM32F103C8主芯片、贴片8M晶振、一路MiniUSB接口、LM1117-3.3V稳压芯片、复位按键、BOOT选择端口、扩展IO口、JTAG接口、功能指示灯、电源指示灯、串口下载接口、ISP接口、爱普生32768Hz晶振、20KRAM，64KROM及TQFP48封装。其中BOOT短路帽相关设置如表3-1：表3-1BOOT设置表BOOT1BOOT0功能描述BOOT1=xBOOT0=0从用户闪存启动BOOT1=0BOOT0=1从系统存储器启动BOOT1=1BOOT0=1从内置SRAM启动最小系统PCB板见图3-1，其中该最小系统中主要元件对应位置如表3-2所示。

图3-1最小系统PCB图表3-2主要元件位置表位置元件U1LM1117-3.3v稳压芯片Y132.768KHz晶振Y28MHz晶振S1复位按键P2JTAG接口P5ISP接口P3/P4扩展IO口P1BOOT选择J1MiniUSB接口图3-2STM32单片机部分原理图3.2Wi-Fi通信模块电路系统采用Wi-Fi实现无线网络的建立和连接，从而实现每个模块功能通过移动终进行远程控制管理，使智能家居系统在用户离开家时仍能了解和控制家中的情况。Wi-Fi通信模块是用于控制终端和无线通信系统之间的数据交互的桥梁。它以串行通信方式将控制终端的数据传输到STM32单片机，然后由STM32单片机将其传输到每个模块。在硬件方面选择ESP-01Wi-Fi模块作为本系统的远程控制模块，该模块有下列特征：睡眠模式与唤醒模式的快速切换、低功率、前端信号处理功能、可消除蓝牙/DDR/蜂窝干扰。ESP-01Wi-Fi模块的核心处理器为ESP8266，该处理器集成了超低功耗的32位微型MUC，包含16位精简模式，分别有80MHz和160MHz两种主频，支持RTOS，同时支持标准的IEEE802.11协议，用户可以为现有的设备添加联网功能，也可以用于单独的网络控制器的构建。Wi-Fi模块的电路原理图，如图3-4所示。图3-3ESP8266Wi-Fi模块图3-4ESP8266Wi-Fi模块及原理图ESP8266是一个完整的和独立的Wi-Fi网络解决方案，它可以加载软件应用程序或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi网络功能。当它承载应用程序并充当设备中唯一的应用程序处理器时，可以直接从外部闪存启动。内置缓存有助于提高系统性能和减少内存需求。ESP8266强大的芯片内处理和存储能力使其能够通过GPIO端口集成传感器和其他特定于应用程序的设备，实现系统资源的最小预开发和操作。它是高度片内集成的，包括天线开关和电源管理转换器，因此只需要几个外部电路，整个解决方案，包括前端模块，最大限度地减少了设计占用的PCB空间。该Wi-Fi模块的一些特点可以简单地看作是一个简单的单片机，内置32位处理器，模块内置程序。在使用中，只需向模块写入指令即可配置和传输数据。还有一点就是Wi-Fi模块对输入电压敏感，因此必须提供稳定的3.3V电源。Wi-Fi模块电路图如图3-5所示。图3-5ESP8266Wi-Fi模块电路图3.3人体感应模块电路人体红外热电传感器模块通过检测人体红外辐射的变化来判断是否有人在探测区域内。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的10微米左右的红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。所以它可以在工作中不接触人体的情况下就可以探测人体辐射的变化，然后将其转换成电压信号。以确定探测区域是否出现类似人体辐射的红外能量。我们的普通自动门使用这个传感器。如图3-6所示。图3-6人体热释电传感器该系统中使用的人体热释电传感器模块顶部如图覆盖有一个白色半球形盖子。它的学名是菲涅尔透镜。菲涅尔滤光片根据菲涅尔原理制成，它分为折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在热释电人体红外传感器(PIR)上；其次，将探测区域划分为若干明区和暗区，使进入探测区域的运动物体能以温度变化的形式在红外成像仪上产生热红外信号，从而使红外成像仪产生可变电信号，PIR的灵敏度大大提高。虽然该传感器对人体具有非常敏感的检测能力，但也存在一些局限性：（1）薄膜滤波器的设计和配置使模块更有效地避免了误差，因此当覆盖时，传感器几乎只对人类检测有效。（2）模块主要检测人体发出的10微米红外辐射作为判断依据，因此当被测人的温度或红外辐射与正常人的温度或红外辐射不同时，可能会引起误判。（3）当有人出现在该区域时，人体发出的外部辐射通过透镜折射聚焦传输到热电单元。由于两个热电单元接收到的热量不同，产生差异信号，由端口和信号处理单元输出。（4）模块表面的透镜应尽量避开光源等干扰源，以避免干扰信号的错误动作。在使用环境时，风也会干扰感应器，尽量避免空气的流动。人体热释电传感器电路原理图如图3-7。图3-7人体热释电模块原理图在本系统中采用HC-SR501人体热释电传感器模块作为实现家居安防的功能模块，具有全自动感应、隐蔽性强、低功耗、接线简单、价格低廉等优点。人体红外模块有三个插脚：VCC（高电平）、GND（接地）、OUT（信号输出）。这个模块的输出用来表示某人是否处于活动状态，所以只有两种信号，即高信号和低信号。该模块具有可重复H和不可重复L两种触发方式，根据系统的目标功能，选择可重复触发方式：人体在感应范围内运动时，在延时期间保持高电平输出，人体离开时，高电平延迟才会变为低电平水平。（当感测模块检测到人类活动时，该模块会自动推迟延迟时间，并将最后一个活动的时间作为延迟时间的起始点）。3.4温湿度传感器模块电路本系统中温湿度传感器的主要功能是检测室内环境温湿度，并将其显示在液晶显示屏上，供用户掌握情况。设计中使用的温度传感器是DHT11，DHT11型数字温湿度传感器是一种温湿度复合传感器，包括校准后的数字信号输出，具有良好的稳定性。DHT11用于采集室内温湿度数据，并将其传输到STM32核心板。采集的数据显示在LCD屏幕上。同时，通过Wi-Fi模块将接收到的数据传输到移动终端，移动终端也可以查看室内温湿度数据。当室内温湿度超过设定的异常值时，蜂鸣器和移动终端可以双重报警。在硬件连接中，DHT11的电源电压为3-5.5V，当传感器通电时，必须等待1s越过不稳定状态，在此期间不用发出任何指令。通过AltiumDesigner软件绘制DHT11温湿度模块的电路原理图，如图3-8所示。图3-8DHT11温湿度模块电路原理图DHT11采用的是串行通讯，一次通讯时间4ms左右，一次完整的数据传输为40bit,高位先出。其中的数据格式是：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。每一bit数据都以50us低电平时隙开始, 数据位是0还是1由数据线上高电平的时间决定，格式如图3-9所示。图3-9“0”与“1”实现方法DHT11的单总线通讯方式，占用单片机的I/O口少（只有1个），通信协议简单，价格适中。虽然其精度不如常用的数字温度传感器DS18B20高，但在日常使用中一般强度不需要太高的测量精度。适合在占用单片机的I/O口少，稳定性要求高的情况下使用。3.5LCD显示屏模块图3-10LCD1602显示屏本系统中选用了LCD1602字符型显示屏，它经常被用来显示字母、数字、符号等文本信息（如图3-10）。本系统使用的LCD1602液晶显示频率由两行、每行16位和5*7点阵组成。每个点矩阵可以显示字母、数字或简单符号。在制作工艺方面，位与位之间有一个点距的间隔，每行之间也有一定的间隔，有效地使字符显示更加清晰。此显示屏仅显示字母、数字和符号的组合。图3-11LCD1602显示屏电路原理图stm32系列是输出3.3v电压，所以不能正常驱动1602，我的解决办法是将二脚vcc接5V，其他脚还是用3.3v驱动，结果就能正常显示了。1602液晶显示屏除了电源、地以外，有3个控制引脚RS、R/W、E和8个数据引脚DB0-7。8个数据引脚接在同一组上，程序写起来比较简单。3.6蜂鸣器模块在电子门禁系统的设计中，考虑到声音反馈在输入正确或错误时更直观地显示不同的声音报警。该电路使用5伏直流蜂鸣器（如图3-12）。NPN三极管与电路中的接地端子相连，起开关的作用。电路原理图如图3-13所示。图3-125伏直流蜂鸣器图3-13蜂鸣器电路图3.7被控LED灯模块在本系统中设计的这个受控LED照明装置是一种常见的短脚LED，主要由单向导电的发光半导体材料作为普通二极管组成。受控LED灯主要用于提醒和验证移动终端的控制功能。它代表了实际智能家居系统中用户住宅照明设备的远程切换操作，因此它具有一定的代表性。通过AltiumDesigner软件绘制的LED灯控制模块电路原理图如图3-14所示。图3-14被控LED灯模块电路图

系统软件设计4.1程序设计原则程序设计是整个系统的重要组成部分。系统能否达到预期目标、性能优越、便于长期使用和后续开发、具有巨大的使用价值和开发潜力，取决于其程序设计是否合理优良。因此，本文设计的智能家居安全系统在实际环境中应用时，应根据稳定性、可靠性、可扩展性、适应性、实时性等原则进行严格设计。同时，还应考虑系统的未来维护和技术创新的升级。因此，软件的设计必须符合以下原则：（1）可靠、稳定。当系统运行时，它应该确保没有或很少有停机的情况，并且没有误判。如果出现异常情况，系统本身能够快速自我检测，并具有自我保护功能。（2）可扩展开发。程序设计的结构应合理有序。当用户需要添加新的功能时，系统可以方便地添加程序代码，直接调用程序代码来实现相应的功能，而不影响其他模块的功能。（3）实时性。系统各模块需要密切配合，有序编写程序，以保证各模块能有序工作，以最快的速度和最高的精度输出结果。（4）易于维护。程序的设计应尽可能模块化，以便日后进行维护。如果出现异常情况，则可以快速找到故障所在的模块，并对其进行修改和调试。系统中使用的程序必须结构清晰、易于理解，以便于用户快速、方便地维护系统。4.2系统主程序设计硬件部分接通电源后，STM32F103C8的最小系统开始工作，因此在主程序设计部分，必须先初始化STM32F103C8的功能。初始化系统时钟、GPIO端口、串行端口、计时器等，然后初始化I/O端口，使其能够配置其端口。功能传感器可以通过配置的I/O端口将其参数和检测数据传输到嵌入式终端。嵌入式控制器可以通过串行端口向Wi-Fi模块发送AT命令来初始化它们。实现了数据的无线传输。DHT11可检测室内温湿度数据，并在LCD1602显示屏上显示，当数据异常及红外检测到异常情况时，可触发报警模块。移动应用程序还可以看到DHT11检测到的室内温湿度数据。主程序通过Wi-Fi模块的数据无线传输从手机APP接收控制命令，使被控制的LED灯模块执行相应的操作。主程序部分流程框图如图4-1所示。数据接收数据采集开启功能传感器设备子程序配置开启定时器初始化Wi-Fi模块系统初始化时钟、数据接收数据采集开启功能传感器设备子程序配置开启定时器初始化Wi-Fi模块系统初始化时钟、I/O口等开始NNYY执行相应操作控制命令报警信息报警处理NNYY执行相应操作控制命令报警信息报警处理图4-1主程序流程图4.3Wi-Fi模块软件设计4.3.1Wi-Fi模块配置Wi-Fi模块是通过串行端口与单片机进行通讯的，上位机测试Wi-Fi或单片机向Wi-Fi写入指令，数据都通过串行口进行交换。设置好Wi-Fi与单片机通讯之后，我们就要学习Wi-Fi模块指令系统，可以简单的认为Wi-Fi模块就是一个写好程序的单片机，所以真正的单片机只需要对模块写对应的指令就可以对Wi-Fi模块进行配置。在配置功能时，需要通过串行口清除接收数据，通过AT命令实现嵌入式终端与移动终端的通信。配置中用到的指令如表4-1所示。表4-1AT指令功能表指令功能描述AT+CWMODE配置Wi-Fi模式AT+RST复位重启指令AT+CWJAP设置模块名字和密码AT+CIPMUX启动多连接AT+CIPSEND透传发送数据ESP8266有三种模式：AP模式、Station模式、AP+Station兼容模式。AP模式下可以认为将Wi-Fi模块作为路由器使用。也就是Wi-Fi模块发送Wi-Fi。Station模式下可以认为Wi-Fi模块作为客户端，通过路由器发送的Wi-Fi加入路由器，模块在通过串口与设备数据交换。可以认为此时模块作为一个手机。AP+Station兼容模式下即可接受AP的无线，自身也可发送无线。AT即Attention，AT指令集是从终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的，它是无线模块与嵌入式终端控制器之间的通信标准，它的命令和返回格式是固定的。无论指令执行成功与否，都有相应的状态返回。4.3.2Wi-Fi模块软件设计在软件设计时，首先需要运行嵌入式终端STM32来初始化串口，设定合适的波特率，之后初始化ESP8266，并执行初始化函数，需要对各个函数功能进行配置，分别为检测串口链接、去除返回的显示、设定AP模式、设定多链接、设定IP地址、设定服务器模式。当Wi-Fi模块初始化完成后，通过计时器每隔一段时间运行数据读取部分的程序，检测链路信息或数据信息，将连接号复制到连接ID，并将有效信息复制到数据接收部分。当按键控制命令来自移动终端时，嵌入式终端执行相应的控制功能。嵌入式终端检测到的控制命令将发送和接收数据，并以此形式执行相应的控制命令。本程序中对Wi-Fi模块的控制指令如下。（1）移动端或者STM32嵌入式终端发送AT指令至ESP8266进行初始化，使其获得IP地址，实现连接。（2）Wi-Fi模块通过串口通信与STM32进行数据传输。（3）STM32可以发送数据到Wi-Fi模块，从而传输数据到移动端。4.4LCD显示屏软件设计程序启动后，系统检测每个模块是否正常工作。如果有模块没有正常工作，它会重复当前的判断步骤，直到所有模块都正常运行。如果所有模块都处于正常工作状态，当前环境温度将显示在LCD显示屏上。同时LCD显示屏上用英文标识当前的GSM模块、人体红外传感器以及烟雾传感器的状态，如果没有异常信号，则LCD不显示，这意味着房子里的一切现在都很正常。此时，系统进入回路，判断传感器是否检测到异常信号。如果温度、Wi-Fi或人红外模块检测到异常信号，LCD显示屏将显示文本信息。例如，当红外传感器检测到有人闯入房屋并触发红外警报时，它将显示“Intruder”在屏幕上。如果警报解除，文本标识符将恢复到正常显示内容，并继续循环判断。显示部分的程序设计流程图如图4-2所示。

开始开始返回模块是否正常工作？NN是否有检测信号？YY显示警告信号显示当前温度值返回模块是否正常工作？NN是否有检测信号？YY显示警告信号显示当前温度值图4-2显示模块程序设计流程图4.5环境检测与无线报警软件设计环境检测部分主要包括两个功能：HC-SR501红外人体检测传感器监测用户外出时是否有外来人员闯入；DHT11温湿度传感器实时检测家庭环境温湿度；如果两个传感器检测到异常情况，则向发送高电平到蜂鸣器的输入输出端口，使蜂鸣器工作时发出报警声。同时，Wi-Fi模块给出报警指令，并将相应的报警内容发送到用户的手机APP，以便用户及时了解安全隐患并进行相应的处理。本部分程序设计流程图如图4-3所示。

Wi-Fi发出报警消息蜂鸣器发出报警开始红外、Wi-Fi发出报警消息蜂鸣器发出报警开始红外、温湿度模块是否有检测信号？NN計計幫動務腦終訊習慣儲並計戶點將家電器進個設，並實現節計幫動務，給舒適電計畫。來云計會應給舒適電計畫。，進時計還對戶個資訊習慣儲並計戶點將家電器進個設，並實現節計幫動務，給舒適電計畫時報導亯對環監戶遠計還對戶個資導亯對環機電腦終進時監戶遠計還對戶個資訊習。來云計會應計將來發資訊時報導亯對環機電來云計會應計將來發資訊慣儲並計戶點將家電器進個設，並實現節戶遠機電腦終進時監將來發資訊時報YY濕兩個測器檢測則濕測實發戶測器檢時發報發戶測則發電鳴輸輸埠，蜂鳴器時發給報警並將應報發戶溫戶實檢測環溫濕測實檢測環溫濕兩個測器檢溫濕測實檢測環溫濕兩個測器檢測則發溫濕測報聲濕測器檢測則發電鳴輸輸埠，蜂鳴器時發報聲塊給報並將應報發戶測則發電鳴輸輸埠，蜂鳴器時發報聲塊給報警並將應報檢測環聲塊給報警並將應報發戶溫濕兩個測器檢測則發電鳴輸輸埠，蜂鳴器時發報聲塊給報警並將應報溫電鳴輸輸埠，蜂鳴器時發報聲塊給報警並實檢測環溫濕兩個溫發塊測實檢測環溫濕兩個測溫濕將應報警發電鳴輸輸埠，蜂鳴器返回返回图4-3环境检测与报警系统程序设计流程图4.5.1HC-SR501模块人体红外检测模块选择PC5引脚作为其数据通信引脚，所以需要打开PC端口的时钟。通过语句初始化PC5引脚。GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU将IO工作模式设置为带上拉输入，无输入时PC5口的输出保持不变。并且将引脚速度设置为50MHz。GPIO_ResetBits（）将PC5引脚复位为低电平。当传感器进入正常工作状态后，通过infrared_read（）函数读取PC5的状态输入，如果在人红外传感器的监测范围内检测到异常的人身运动，传感器输出“1”高电平，然后通过PC5端口将信号传输到报警模块，触发报警功能。具体配置程序如图4-4。图4-4人体红外检测模块配置程序4.5.2蜂鸣器模块蜂鸣器模块选择STM32上的PA8针作为数据通信端口。PA8端口需要通过GPIO_Pin、GPIO_