【基于stm32的智能家居控制系统设计与实现9500字】

基于stm32的智能家居控制系统设计与实现摘要随着经济的快速增长，伴随着大数据时代的到来。各类基础电子元器件的价格在不断下降，各类集成系统开始用于家庭家居中。同时紧张快速的生活节奏使人们在日常中更需要一个简单、低成本、高性能的智能家居控制系统。同时社会的需求也带动了智能家居研究的热潮。本文设计研究了一套基于STM32单片机的智能家居控制系统。该系统以STM32单片机为大脑和心脏，结合无线通信模块以及各个传感器模块和继电器模块，实现了对家庭电器的本地及远程控制。智能家居控制系统以客户的需求出发可以做到对室内温湿度、光照强度、烟雾浓度等环境参数进行实时准确智能的采集,能对采集到的环境数据进行相应应对处理并且判断是否报警等[1]。其中该系统对家庭中的灯光系统和温湿度系统实现智能化的控制，以达到节能环保的目的,且该系统可以通过esp8266模块连接onenet云平台对接微信小程序实现远程读取数据及控制。关键词：STM32低成本；室内温湿度；光照强度；烟雾浓度；ESP8266绪论1.1研究的背景 从社会进步层面来看,随着中国计算机的普及,以及国内计算机企业向更智能化的方向努力发展,顺应着大数据时代的发展策略。智能化简单化这个概念伴随着各种不同智能化设备和系统正被社会不停运用与各个生产领域中。渐渐的越来越多的智能化系统应用于日常家用电器控制领域。从科学技术方面来看，智能房间的出现和发展依赖于现在的社会。以微型芯片—单片机作为核心设计出的物联网终端产品也得到了最大限度的开发[2]。在大量的微型控制芯片中,51单片机和STM32单片机因为技术成熟、操作简单容易上手、执行强度快捷强大、功能丰富、等优势得到广泛的应用于实际生产生活。在物联网智能家居终端产品的开发中也有着不可忽视的地位。所开发出的产品,易于维护,可移植性强。在工厂生产中的常用与便捷处理和简单劳动力代替。在大量生产熟练应用的情况下由微型处理器演变设计出来的智能化家居系统,将人们从中解放出来,有更多的时间去做有价值的事。结合无线传输技术与网络传输协议实现终端产品与云端数据的传输,实现了远程控制与数据传输,扩大了单片机的应用价值[3]。正是由于社会生产力的进步和各种先进技术的综合应用，传统家电在综合技术的改造和包装下，也能满足人们日益复杂的生活需求。因此人们更愿意将个人智能设备连接起来，通过网络共享数据，打造更专业的符合家庭生活的智能家居系统。1.2智能家居的研究意义科技的发展带来了智能家居的出现。在智能家居发展的带动下，人们的生活质量和居住的环境得到了显著改善。智能家居控制系统的永恒目标是为不同的客户生活需求提供相应的专业智能家居设备配套控制方案。为客户提供高效、便捷、环保生活环境。智能家居系统有的是更为人性化的操作界面、操作手法、稳定的运行状态、简单易于维护的检修方式。在倡导轻生活、低碳节能减排、倡导环保、简约大气的今天,研究智能房系统不仅可以提供更好的空气、更安全的饮用水和更节能的生活方式。而在生活方面,应用广泛的无线传感器网络技术和智能门禁系统更方便了人们的生活。它保护实际用户的生命和财产。因此,智能家居系统的研究对我们未来的生活环境有着重要的作用和意义。1.3国内外智能家居的研究状况1.3.1国内发展状况在目前国内关于智能家居发展前景的政策规划中，国内有很多来自不同行业的公司。例如小米，海尔，格力等企业智能房间的快速发展，让我们都能感受到。AI技术的快速发展进入了大家的视野，也带动了物联网的全面发展。加上5G通信协议的出现,预计网络数据的传输也将全面提高。智能家居控制系统的发展也将迎来大的火热浪潮。智能家居的制造商主要分布在广东地区。智能门锁、照明、家电、家庭安全、智能视频占有较大的市场份额。

近年来,国内智能家居产业有了很好的发展,可以说这种蓬勃发展为我们描绘了智能家居的美好蓝图,给我们描述了一片宏大的蓝海市场和广阔天地。虽然国内技术和企业都取得了一定的进步,但仍存在一些不足和问题,缺乏统一同类产品的技术标准、使用规范和接口协议等的。产品技术与市场需求不符，实用性差，产品生产规模小成本控制不到位、价格偏高等。相信随着市场的清晰度越来越高,这些问题都将被解决。1.3.2国外发展状况自1984年世界上第一幢真正意义上集合了传感测控技术、数据传输技术等的综合结晶的智能建筑在美国出现以后标志着智能化家居的正式开始。随着二十世纪九十年代初火热的单片机设计产品，单片机控制技术渐渐的和智能家居发展结合起来。与此同时微处理器的研究发展进入了一个新的阶段，物联网科研工作者孜孜不倦的研发设计，让单片机控制的产品繁多丰富起来。在同一款产品上甚至出现多种不同的技术方案，产品功能上也取得了更贴近需求的进步。发展到21世纪后国外的智能家居的标准时由几个较为出名的协会制定，相关的核心技术也由他们进行研发。相对统一的协会开发也给智能家居的发展带来了非常多的好处，比如美国公司Echelon开发出的总线控制技术在世界上因为其超高灵活性、丰富的功能模式、简便的控制方式从而成为了具有超高影响力的控制方案。1.4论文结构与主要内容本文的主要内容如下。第一章是序论，介绍了主题的背景。市场现状、研究意义及国内外发展现状。本设计的研究内容包括文章的结构。第二章是智能房间控制系统的方案设计，设计系统的模块结构以及模块试图实现的功能。模块主要有主控制芯片模块、esp无线通信模块、温湿度传感器模块、烟雾浓度模块、步进电机模块、OLED显示模块、LED灯模块及电源稳定模块。第三章对智能房间控制系统进行了硬件设计。根据系统的功能要求介绍了系统的主控模块、温湿度传感器模块、分析了电路原理。第五章是系统的软硬件测试方案和结果,描述了测试注意事项和测试条件,并给出了相应的测试表。最后根据本设计实际达成效果做对应展示。第六章为本次设计的结论；第七章为致谢；第八章为参考文献；第九章为附录部分。第2章系统方案设计2.1系统方案设计这个设计系正在研究基于STM32主芯片的智能房间控制系统。系统以STM32F103C8T6芯片为中心制作控制核心,之后领导由各种模块电路构成的智能房间控制系统进行设计。外置模块主要包括esp无线模块、温湿度传感器模块、烟浓度模块、步进电机模块、OLED显示模块、LED灯模块、电源控制模块等部分。这些模块代表了系统的基本功能要求,可以集成到以主控模块为核心的系统中[4]。与主控系统一起,其他模块可以独立完成各自的功能。在整个系统中,主控模块需要从温湿度传感器等数据采集模块获取信号,然后将信号处理到其他模块发出指令信号,从而形成闭环系统。根据预定的设计,我们可以利用这些模块的功能,随时控制家居环境中的家用电器。从系统的控制方式来看，系统可以分为本地控制和远程控制。在系统中本地控制是通过本地按钮和中继来控制智能手机家庭中的一些家电产品。遥控器通过无线通信模块esp8266与微信小程序连接，控制系统的外围模块OLED显示屏模块可以把主控模块处理的部分信息显示给用户观看,也可以通过微信小程序查看实际控制效果。用户可以通过微信appet打开家里的电风扇和窗帘等电器。我们在微信小程序上进行打开窗帘的操作,指令就会下发到主控上,系统可以自动通过板上的继电器实现输出，控制步进电机的旋转。当用户回到家中时,人体红外传感器可以感应到环境中有人存在,通过结合感光传感器测量环境的亮度，可以智能地调整照明强度。利用这些功能，可以直接有效地为用户的生活环境提供很多方便。智能家居系统的设计思路是首先解决各个模块的功能问题，然后根据系统的总体结构对各个模块进行集成，最后通过软件的不断调试和完善，研究并完成智能家居系统所有功能。智能家居系统控制系统框如图2-1所示。图2-12.2主要模块功能介绍在在本设计中,系统主要控制STM32作为核心芯片，与各模块电路连接，完成了智能室控制系统的整体设计。[4]。外部连接模块主要包括ESP8266无线通信模块、温湿度传感器模块、烟雾浓度模块、感光电阻模块、步进电机模块、OLED显示模块、风扇模块、LED灯模块、电源控制模块，以下简单介绍主控以外的各模块的功能。如表2-2模块名称功能ESP8266无线通信模块联网上传及接收数据温湿度传感器模块采集环境温湿度烟雾浓度模块采集环境烟雾浓度光敏电阻模块检测环境光照亮度步进电机模块带动窗帘开关OLED显示屏模块显示其他模块数据风扇模块配合环境温湿度数据启停LED灯模块有人时开启人体红外传感器模块检测环境中是否有人电源控制模块给系统供电续表2-2第3章系统的各模块介绍及电路设计3.1系统主控芯片的介绍及接线3.1.1主控芯片简介本设计的核心模块是ST公司STM32系列STm32f103c8t6芯片。Stm32f103c8t6是ARmCortex-M3内核32位的微控制器该ARmCortex-M3内核32位微控制器使用LQFP48，设计高性能、低功耗、实时应用、低成本嵌入式应用。[5]。Cortex-M3系统结构的增强更显着提高了STM32的性能。STM32将非常丰富的内核和外部资源结构相结合，使用起来很方便。耗电成本低这使得更多的宏处理我喜欢选择STM32模块作为项目的控制芯片。这个芯片是嵌入式开发的好选择。stmf103c8t6的功能满足了这次设计的要求。不管高速代码的执行效率如何各种内核资源、宽大的内部存储空间及其低成本、低功耗的优点。总成本和功能角度考虑在本设计中采用该芯片进行主模块的设计。3.1.2主控芯片引脚接线图图3.1为本次设计作品中主芯片STMF103C8T6的接线图图3.13.2ESP8266模块的介绍及接线这个芯片的供电方式是3.3V直流电源。这个芯片体积小，功耗低，支持透明传输。不容易丢包，价格便宜。本设计采用了esp8266-01系列,并对应了-02、-03等。他们使用的核心芯片是一样的。不同系列的不同之处是引出各自的领导。此外,为了提高芯片的可接受性，在核心芯片中追加了金属壳和陶瓷天线等。esp8266主要提供两个rom。一种是at系列ROM，支持at命令修改参数。在使用该ROM时，通常使用at命令来设置芯片的大部分参数，芯片也可以设置为传输模式。这样，esp8266相当于在Internet服务器平台和设计硬件之间建立一个通信轨道。

另一个是网络ROM，ESP的一些GPIO可以作为命令来控制，esp8266还可以收集一些温湿度传感器的数据然后根据指令发送到因特网。[6]。图3.2为本次设计作品中ESP8266模块的接线图图3.23.3DH11温湿度传感器模块的介绍及接线为了实现同时检测温度和湿度参数，简化操作，降低数据采集难度。本文设计中选用输出数字信号的DHT11数字复合型传感器实现上述两个参数的采集。DHCT11数字温度湿度传感器是本次设计环境数据收集的重要模块也是国产的优良传感器。非常适配国内智能家居的开发需求。根据厂家提供的资料分析可以轻易的发现，其中实现环境参数的两个核心部件为NTC感温原件和电阻式的感湿元件。其中的使用模式为单总线连接，实现数据的传输。DHT11的核心引脚只有三个，分别用于实现电源输入、电源输出、信号传输，设下的一个引脚通常状态下悬空即可。图3.3是本次设计作品中DH11温湿度传感器模块的配线图。图3.3第4章智能家居系统的软件部分设计与实现系统硬件电路的设计完成后,如何通过设计实现规定的功能,需要通过软件调试来达到目的。系统的主要功能也需要通过软件硬件的调试来实现。本系统以STM32为主,采用C语言编程。有使用范围广,维护性好等特征。将5键编译器作为综合开发和调试工具使用。编译软件具有丰富的程序库函数。包含大量功能强的开发调试工具。为了保证软件代码的长期维护性，可以参照硬件设计的模块化方法。软件代码也采用模块设计，同时保证系统整体代码的维护性和简洁性我们对不同功能模块的子程序做了封装并将其整合成完整的系统代码。因此在本章接下来的内容中,介绍主程序的设计过程和各模块的程序设计过程。4.1编程软件KEIL介绍2005年ARM收购了Keil公司。然后Keil可以基于uvision接口编程和开发ARM宏处理器。[8]。本设计软件的制作平台是Keilvision5。KeilVision5是德国Keil公司开发的宏处理器C语言的程序编译器。不仅支持C语言，还支持汇编语言。按键5提供各种调试工具。存储器的值可以在Memmory窗口中确认。在local窗口中显示程序的变量值。这个有助于程序调试。KeilVision5提供C语言编译器等工具。通过uvision将这些部分结合起来。具有操作和模拟简单使用的特征,画面图如图4-1所示。图4.14.2主程序流程图及编程4.2.1主程序流程图图4-2图4-2表示本设计的主程序流程图。4.2.2系统主程序初始化部分在加载好头文件后，系统进入初始化程序。首先我们先定义了许多变量，包括LED、风扇、光敏、烟雾浓度、温度湿度、窗户。接着是对上传到服务器的数据名称做定义。然后是函数初始化，后续依次是LED初始化、串口1的初始化、定时器2的初始化、定时器3的初始化、OLED的初始化、光敏初始化、温湿度初始化、蜂鸣器的初始化、步进电机的初始化、本地按键的初始化；最后对网络设备进行初始化。4.3各模块功能实现主要程序4.3.1ESP8266通讯模块的部分程序设计本次设计的难点之一就是实现通讯模块的联网功能，从而实现微信小程序的远程数据获取和控制。以下为部分代码：第一步是对ESP引脚进行初始化，然后对GPIOAO进行复位，接着对网络设备数据IO层进行初始化4.3.2温湿度数据获取部分程序温湿度传感器获取环境数据是本次设计的核心内容，以下为设计的部分程序。首先我们设置温湿度传感器的输出，拉低DQ至少18ms.然后将DQ置为1，将主机拉高20-20ms.等待传感器的回应。随后建立一个输出，DH11会拉低40-80ms.下一步读取40的数据。最后调用使能PG端口时钟，进行PG11端口配置，最后复位DH11等待回应。需要注意的是，温湿度检测的传感器需要通过一定的数据转换才可以整合为人眼可识别的简单数字。具体操作包括GPIO引脚的初始化、其中涉及到寄存器的调用、写命令、数据的读取、数据的整形转换、数据的校准传。温湿度获取是系统运行的基础参数，所以需要多花心思去认真学习和调试。4.3.3光敏检测与烟雾浓度检测功能实现部分程序光敏检测环境亮度是实现灯光控制的基础，烟雾浓度检测报警是智能家居重要的报警系统。以下为本次设计实现该功能的部位代码。参照原理图部位，光敏电阻的采集数据方式为读取VTAO的电压值变化来转化成0-100的光照强度。烟雾部位也是类似的原理。需要注意的两者的供电电压不同，光敏为3.3V而烟雾为5.5V所以单片机在读取烟雾数据时需要先接一个分压电阻。同时烟雾连接单片机PA4通道，光敏连接PA5通道。需要采集两个通道的电压值，所以采用ADC通道初始化并采集。完成对两个通道设置之后接着我们初始化光敏传感器和烟雾传感器，然后使能PORTF时钟，PAI设置为输入输出，再模拟输入引脚，读取光亮值得到平均值，读取ADC的值得到平均值4.3.4本地按键功能实现部分程序本设计一共四个按键，触发方式参照原理图为低电平触发。首先对IO初始化处理，然后使能PORTA.PORTE时钟，复用JLINK引脚，将KEY1-KEY4设置成上拉输入，然后初始化GPIOA0-3，设置为mode0时不支持连续按键，mode1时支持连续按键。然后读取按键按松开标志，去除抖动处理，无按键按下时返回0。4.3.5人体红外检测功能部分程序介绍首先查看原理图可以发现，传感器连接单片机的PA1接口。根据传感器当有人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，则输出低电平的特点。所以我们将PA1设置为输入，检测PA1的值就可以判断是否有人。此外调用使能PORTA时钟，将GPIO1设置为上拉输入，就可以达成重复触发方式:即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。4.3.6系统主程序部分功能介绍系统首先加载全部硬件驱动文件，进行系统初始化处理。完成系统接入检查后，第一步进行按键检查，按下按键1对系统进行自动模式和手动模式的切换。第二步系统获取各传感器数据，获取温湿度、获取亮度、获取烟雾浓度。系统同时对环境中进行人体红外检测，有人时显示为1。主控对数据做出判断，在温度大于30度或者湿度大于70时打开风扇，在烟雾浓度超出500时打开蜂鸣器报警。如果启动时窗户处于关闭状态，在有人状况切环境亮度大于70时自动打开窗户；亮度小于等于70时则关闭窗户。第5章系统软硬件测试及结果5.1系统调试条件系统调试条件必需满足三个要求：1.硬件模块焊接确认,逐一确认每个模块的焊接是否到位,查看有无出现缺焊、漏焊、虚焊、错焊等情况。务必确认硬件连接无错误2.各功能部分软件测试,逐一确认每个功能模块软件测试是否正确实现,防止整体集成后部分模块出现功能障碍。3.满足测试环境的要求，在测试环境中测试了系统的各功能。达到了系统研究的目的。5.2系统的测试及结果在完成了硬件模块的焊接装配和程序的基本编程与编译后，下一步就是对其进行调试。第一步是烧录程序。需要注意的是stm32的烧录与51单片机不同。我们将通过STLINKV2SWD的接口方式把程序烧录到STM32主控中。然后我们可以给整个系统供电，然后我们可以检查OLED显示屏的内容，根据显示屏判断各个模块是否连接正确，并检查各个模块是否初始化成功。在确认了各个模块的初始化后，我们可以对系统的各个功能进行测试。首先，打开ONENET云平台查看设备是否在线，检查传感器数据上传是否正常。服务器数据及通讯正常之后打开微信开发者工具向系统发送指令，看看系统中的驱动及模块是否可以按指令正确执行。5.2.1测试过程遇到的问题和硬件检测表整个系统的调试也发生了很多问题。列举和分析几个调试过程中常见的问题和麻烦的问题。1.在开始STM32F103C8T6模块的调整之后当我在电脑打开Keil5软件试图测试时,我发现程序燃烧着写不出来。我立刻确认了所有模块的配线。但仍然没有。如果找不到线索我咨询了网友,查看了CSDN平台上专业网友的教程。看完网友的教程和方法,我终于明白了。以前的烤法有点不一样。这是我第一次接触stm32f103c8t6芯片。我认为编程的方法和51单片机是一样的。但是其实STM32F103C8T6的烧写程序的方式和51完全不同。然后我就学习了sklinkv2的SWD下载方式,终于可以随意的烧写程序了。2.在开始调试OLED显示屏显示数据时，因为以前对这一类型的显示屏不熟悉。不懂怎么显示文字，最后找到一位懂得原理和运用的学长了解到原来显示文字要对文字进行取模转换后才能显示。然后在学长和老师的指导下终于取模成功以及在OLED屏上显示出来。3.在烟雾传感器模块的前期调试中，我们发现模块的稳定性很低，非常敏感，经常不能稳定读取环节数据，很容易数据超出报警。而且当把系统整合在一起进行调试时，出现问题更为严重。第一反应认为模块出现了功能故障，随后认真仔细检查该模块的接线和焊接情况，发现并没有出现错误。于是我到CSDN平台查看各位开发人员是怎么解决这个问题的。当我试着跟着各位网友的教程进行开发学习后,还是出现类似的问题。最后,实在没办法,我就认认真真的去查看了厂家出版的该模块的原理手册。原理手册对该类型的传感器说明了详细的动作原理。有正离子吸附倾向的氢一氧化碳、碳氢化合物、酒精类被称为还原气体和电子气体，看完后我恍然大悟。原来该模块在使用之前必须加热一段时间，否则其输出的电阻和电压不准确[10]。最后我拿了一个锂电池和一块稳压模块单独为烟雾传感器模块加压发热，发现现在模块终于可以勉强稳定正常的运行3.在调试esp8266模块时出现了几个问题。就是在我给定指定wifi热点时，它也会识别不到。这样数据就不能上传到ONENET云平台了，基于微信小程序控制就无法完成。在CSDN上查阅大量资料网友的经验分享后，渐渐搞明白了模块的不同通讯协议的区别最终终于搞出来了可以连接手机wifi联网上传数据。在调试云平台服务器时一开始没有思路，没有整体意识去调试各个api去达成目标，以至于花费了大量时间在研究如何去得到传感器上传的数据，如何将数据发送到微信开发。以及如何处理微信小程序下发的指令，因为以前从来没有接触过云平台服务器开发，所以做起来非常艰难和缓慢。在开发微信小程序时一样遇到相似的问题，以至于这部分功能短时间内无法实现。4.在学习运用云平台时，因为一开始搞不明白各种协议的区别选错了很多不适用的通讯协议，最后在CSDN社区详细了解到自己应该使用什么样的通信协仪去达成目标，懂得了去调用各个API实现简单功能。经过这次设计明白了一点当代物联网的运用和知识技巧。5.在使用微信开发者工具开发小程序时因为编程语言问题遇到很多无法逾越的困难。因为对自身能力认识的不足，不了解微信开发的真实难度，以及因为实习工作经常外出工作的特性。导致没能完成对微信小程序的远程控制开发。硬件检测表如表5-1所示。功能名实现功能检测结果存在问题主控模块控制其他模块完成主控模块不一定适应其他开发ESP8266无线通信联网传输数据部位完成联网不稳定温湿度采集模块采集环境温湿度完成无人体红外模块检测环境是否有人完成检测范围过小OLED显示模块显示各模块数据完成无光敏电阻模块检测环境亮度完成灵敏度偏低烟传感器模块测量环境烟浓度，烟太敏感步进电机模块模拟窗帘开关完成供电电压偏低，转速低风扇模块根据环境温湿度开启完成无表5-15.2.2系统实物图结论智能房控制系统有着广阔的发展前景。利用单片机完成设计有着成熟的配套的模块,设计技术市场相对成熟且价格友好,功能实用,与普通家庭生活相匹配。智能房间的工作是优化我们的生活环境，提高生活质量。同时因为有了51单片机的基础知识,所以智能房间值得我们的研究和研究。以下是这次设计的具体工作。(1）在主模块的选择中，比较了一些常用主模块的优缺点和当前主流芯片应用与自身不同芯片的运用能力。综合考虑不同功能应用难度。最终，STM32被确定为本设计的主模块。(2）考虑设计中要实现的系统功能，需要先对各个模块有一个深入的了解。首先就是要收集各主要模块资料比如：温湿度传感器模块、温湿度传感器模块、esp8266无线通信模块、步进电机模块、OLED显示模块、LED灯模块等的原理资料和原理图,分析它们的适用范围以及工作的条件和使用环境要求,最终将它们整合在一起。(3）通过软件开发的keiluvision5和C语言的学习和应用首先明确系统的框架,然后，设计合理的主程序的流程图，构想并封装在各流程的部分中起动的子程序。(4）通过对ONENET云平台的借用和调试，初步懂得了一点现代物联网的形式和知识，相信随着今后的工作应用会越来越理解物联网的发展和精髓。(5）通过对微信开发者工具的调用对平时经常使用的微信小程序也学到了一点参数和api调用知识。为了这次毕业设计,从最初的问题中查了很多相关资料。对智能家居自动化有了一定的了解,明白了其研究的由来和意义。一直到接下来的硬件选型上,通过参考前人的经验,我查了一下，学习了各传感器模块的基本结构和相应的原理以及相应的功能操作。结合专业课和实际工作中所学的相关知识，对一系列传感器和软件控制也有了一定的了解。最后,通过软硬件设计的组合软硬件相互合作实现功能，不断调整优化，完成设计。由于已经处于工作实习阶段导致时间上的仓促以及对整体问题的难度的预估出现一定的失误，甚至对自身能力认识的上的不足，导致在对智能家居的研究中没有对微信小程序远程的控制功能进行完善。因此，本课题研