智能家居控制系统设计与实现

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智能家居控制系统设计与实现

浙江东方职业技术学院信息传媒与自动化学院 郑定超 陈彩微

智能家居的目标是提高人们的生活质量，让家居环境更加的智能、便捷。基于物联网技术设计了一套基于机智云平台的智能家居控制系统，可以实现对家用电器的控制、环境的监测。先是简单介绍系统总体设计，再是分模块介绍系统的各硬件模块。采用传感器检测数据，STM32控制器处理数据，智能继电器模块输出构成整个系统。通过移动APP 端查看并控制硬件模块的运行状态，达到智能便捷的目的。经过试运行，系统运行良好，功能满足设计需求。

引言：智能家居（smart home ），以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境（董朋，基于B/S 架构的智能家居控制系统的设计与实现：天津理工大学，2017年）。智能家居的目标是提高人们的生活质量，让家居环境更加的智能、便捷。其中主要有3 项：家居设备自动化（HA ）、家居设备通信（HC ）和家庭环境安全（HS ）（陆兴华，吴恩燊，黄冠华，基于Android 的智能家居控制系统软件设计研究：物联网技术，2015年11期。）。

本项目基于智能家居的设计理念，设计并实现了一套基于机智云平台的智能家居控制系统，可以实现对家用电器的控制，进行自动化通断电；对室内的温湿度、气体等各项环境指标进行监测，对室内区域进行监控，如果发生指标异常或监测到有入侵目标，会产生报警动作。智能家居的控制终端采用Android 设计开发的APP 进行控制，可以查看并控制设备的运行状态，可以手动报警或取消报警。

1 系统总体设计

本系统设计由传感检测模块、核心控制模块、继电器模块、无线通讯模块以及APP 终端组成。其中通过传感检测模块检测家居环境的各项参数指标，经过单片机进行处理后由无线通讯模块发送至APP 端进行显示，如果参数指标异常，单片机会控制继电器模块动作控制设备进行工作和报警。同时，通过APP 终端发送数据至控制模块进行操控设备，设备的状态信息也会实时回送至APP 端进行显示。系统的结构框图如图1所示。

此次系统的功能设计主要如下：1)通过手机APP 能远程控制家用电器的通电与断电，如LED 电灯、插座等用电设备；2)通过手机APP 进行开门与关门，实现无钥匙进出；3)通过手机APP 实现家庭环境的检测，如温湿度、CO 浓度等环境参数；4)能远程实现区域安全监控，当有对象进入重点监控区域时，手机APP 进行报警提示；5)其他功能。

系统设计主要基于物联网技术，采用STM32微控制器作为主控制芯片，通过WiFi 进行无线通信，实现一个低成本、低功耗、远

距离的智能家居控制系统。通过手机、平板等便携式终端设备实现对整个智能家居环境的同步查看与控制，使家居环境真正实现自动

化、智能化。

图1 智能家居控制系统结构框图

2 硬件设计

系统的硬件部分主要通过WiFi 进行无线通讯，采用意法半导体的STM32芯片作为主控制器设计单片机控制电路，根据功能需求设计相应的传感电路模块。控制器通过WiFi 接收来自APP 端的信息，然后做出相应的控制动作。硬件部分的主要功能框图如图2

所示。

图2 系统硬件框图

2.1 核心控制模块

单片机控制模块采用Cortex-M3内核的STM32F103系列的32位ARM 微控制器。它是一款性价比极高的单片机，工作频率为72MHz ，内置高速存储器，丰富的增强I/O 端口和连接到两条APB 总线的外设，包含2个12位的ADC 、3个通用的16位定时器和一个PWM 定时器，还包含2个I2C 和SPI 接口、3个USART 口，一个USB 口和一个CAN 口（刘静，杨正校，沈健，基于WIFI 的安卓智能家居控制与监测系统的设计：软件，2014年第6期。）。

在单片机最小系统的基础上，加上各种传感器监测模块即可采集各种监测数据；连上WiFi 模块即可进行无线传输数据；接入继电器模块即可控制各种设备通断电。2.2 传感检测模块

传感检测模块主要包括DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾气敏传感器模块、M18激光对射光电开关等模块。DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器（崔阳，张维华，白云峰，一种基于Arduino 的智能家居控制系统：电子技术应用，2014年第4期。）。其

基金项目： 2017年浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（项目编号：2017R457003）。

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精度湿度+-5%RH ，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH ， 温度0~50℃。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想,可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。M18激光对射光电开关由发射器与接收器组成，有效距离达10m 。当有物体挡住发射器发出的光束时，接收器接收不到就会动作从而判定有物体进入监控区域。

由于传感器一般为数字量输出或模拟量输出，而且STM32F103系列单片机自带AD 转换器，传感器直接连接单片机I/O 口即可，通过程序进行驱动工作。2.3 智能继电器模块

继电器（relay ）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”（徐书芳，王金海，宫玉龙，任凯，基于ZigBee 的智能家居控制系统的研究与设计：电子技术应用，2013年第8期。）。目前，许多陈旧的设备功能完好但不能联网，不具备智能控制功能。如果重新购买设备淘汰旧设备，就需要增加成本，也会造成一定的资源浪费。因此，设计一款具有智能控制的继电器模块，然后通过在老旧设备上加装智能继电器模块，通过移动终端控制继电器的通断达到智能控制设备的通断电，使设备具有智能控制的功能。

通过在继电器模块上接入单片机控制电路与WiFi 通讯电路，使APP 终端可以发送数据到达继电器模块，使继电器模块收到远程终端的控制从而达到智能化的目标。

3 软件设计

系统的软件部分主要包括APP 端程序的编写与控制端电路程序的实现。系统需要有一个良好的人机交互界面进行输入信息，远程控制端的信息也需要实时反映在APP 端；控制电路通过WiFi 接收到APP 发送过来的信息也需要进行正确的动作，保证系统运行可靠、稳定。软件部分的功能框图如图3

所示。

图3 系统软件框图

3.1 单片机控制程序

系统的单片机控制程序主要包括单片机的上电初始化，单片机时刻接收来自APP 端发来的数据，根据用户指令进行相应的动作；同时，单片机处理传感器检测到的数据并进行信息的传递与判断。单片机的控制程序流程图如图4所示。

程序的初始化主要包括WiFi 模块、相关IO 驱动模块以及机智云协议模块的初始化；然后在主函数中使用while 循环，使传感器模块时刻工作检测数据以保证信息的有效性；采用中断的方式接受APP 端发送的数据请求，已节约系统的资源，通过单片机的数据处

理结果进行继电器的动作。

图4 单片机控制程序流程图

3.2 APP控制程序

系统的APP 控制程序主要包括APP 的页面编写以及与单片机控制程序的数据交互。打开APP 程序成功登录之后，页面会展示当前设备的状态信息。对于可控制设备，可以通过APP 查看设备状态并进行远程控制；对于只读设备，只能读取相关数据信息，不能进行控制。APP 控制程序的页面设计如图5

所示。

图5 APP控制程序页面设计

通过移动APP ，可以远程控制灯、插座等用电设备的通断；可以无钥匙控制门的开启与关闭；可以实时读取环境的温湿度以及查看是否有检测到相关气体超标或有物体进入监控区域；可以远程报警或取消报警。页面设计选择开关按钮、标签等控件，布局简约，方便用户操作使用。

4 结论

通过移动APP 能够控制用电设备的通断电，通过APP 页面能够实时查看环境参数；当系统检测到气体泄漏或者有目标时会自动报

警，通过APP 能手动报警或者取消报警。

智能家居控制系统的制作与测试，首先根据功能进行分模块制作与调试，使得单片机控制端的数据能够上传到云平台，在APP 端进行显示；通过APP 端能够准确地下发数据至单片机端，各功能模块都能正常工作。然后将所有的功能模块进行整合，联合测试。测试后，系统也能实现相应的功能，互不干扰，基本实现了设计目标。这种设计具有成本低廉的优势，同时由于系统的开源性，用户可以对该系统进行定制设计，添加所需要的设备即可。

作者简介：郑定超（1991—），男，浙江温州人，硕士研究生，软件设计师，从事计算机控制与软件开发方面的研究。