基于STM32F103单片机的智能家居控制系统设计

蔡秀兰，袁克凯，刘静，钟颖萍，张佳，范林娇

（南华大学，湖南 衡阳 421001）

本项目所开发的智能家居服务系统，一方面，将技术融入生活，精准的环境监测，人性化的家电控制，帮助用户实现居家环境智能化；
另一方面，积极响应国家政策，应用物联网技术和人工智能技术，着力于制造业的发展，运用电子信息技术、控制技术、网络通信技术等技术为家居行业发展贡献新思路、新创意。基于STM32F103的智能家居控制系统，将单片机作为控制核心，借助物联网技术、自动控制技术构建一套智能化、无线化的家居服务系统，本系统主要有智能门锁系统、环境监测系统、远程摄像监控系统、家电智能控制系统组成，并开发配套APP，实现智能控制。

该智能家居服务系统包括智能门锁系统、环境监测系统、远程摄像监控系统、家电智能控制系统。门锁系统使用指纹锁进行指纹读取并匹配指纹，随后判断是否允许入门内，舵机模拟门锁开关。环境检测系统使用DHT11模块采集室内的温湿度数据；
使用SGP30传感器模块检测空气中的CO2浓度及甲醛浓度，可以判断室内空气环境是否存在安全隐患；
使用粉尘浓度传感器进行粉尘浓度监测。远程摄像监控系统将采用带有WIFI模块的esp32-cam模块进行拍照摄像。家电控制系统中，通过控制继电器进而控制各种家电。同时，本系统将开发配套实用的微信小程序，用户可通过微信小程序实时查看室内各项环境参数，智能控制继电器让屋主能够在外出的时候通过物联网来控制家电的开启与关闭。

图1 系统总体设计图

本系统中，单片机将传感器采集的数据通过esp8266模块上传到onenet云服务平台，通过控制esp32-cam模块实现室内环境实时拍照。用户可以通过微信小程序实现数据查看，并且实现控制命令下达。

3.1 智能门锁的实现

现在大多数家庭使用的都是传统门锁，需要随身携带钥匙,而本项目的智能门锁提供给用户指纹解锁方式，让用户摆脱钥匙的同时，更为安全可靠。

3.2 居家环境的智能监测

实现居家环境的多项参数检测，能够手机温度、湿度、CO2浓度、TVOC浓度信息。其中，温度、湿度、CO2浓度、光照强度让用户了解家庭环境参数信息，以便能够做出及时通风、开窗决策，提供精准舒适服务。TVOC检测帮助用户了解煤气是否泄漏，让用户当有煤气泄漏时能够在第一时间发现，让居家更安全。

3.3 智能控制

居家的智能控制以帮助减少能源浪费。照明装置、多种家用电器开关都能使用微信小程序进行控制，打开和关闭用电器更加方便。同时，用户不需要使用时能够自动关闭，以减少能源使用。

3.4 无线监控系统的拍照查看

监控系统能够拍照查看家里环境，当有陌生人闯入家内能随时监测到，增加了居家环境安全性。

4.1 STM32F103开发板

STM32F103芯片，其内核是Cortex-M3，是由ST（意法半导体）公司推出的一种ARM芯片。该芯片具有价格低、外设多、实时性能优异、低功耗控制以及低开发成本等优点。本文使用单片机芯片的型号为STM32F103ZET6芯片，该芯片具有64KB SRAM、512KB FLASH，多达8定时器，3个USART串口，功能强大，价格适中。在本系统中，STM32F103作为控制核心，借助各种传感器实现室内环境参数采集，ADC采样后将数据以数据流形式上传到ONENET平台。其中单片机的串口usart2与ESP8266模块进行串口通信，通过发送AT指令控制ESP8266模块向ONENET云平台接受及发送数据。

4.2 ESP8266模块

ESP8266是一款高性能常用的WIFI串口模块，具有强大的物联网通信功能，在物联网项目应用广泛。可烧入AT固件库，用AT指令操作，简单方便。

4.3 传感器

本项目主要使用的传感器有温湿度传感器DHT11、光照传感器BH1750FVI、粉尘传感器GP2Y1014AU、CO2浓度传感器SGP30。DHT11温湿度传感器能够同时检测温度与湿度，用DHT11模块去构成温湿度传感器，将采集好的温湿度信号经过一系列转化最终发送到用户的APP上，使用户能实时监控家中温湿度情况。光照传感器，将光照模拟信号转换成电压信号，经过电路放大，再通过ADC采样将电压信号转换成数字信号，光照越强，电压越大，采样后的数值越大。粉尘传感器GP2Y1014AU主要是检测非常细小的颗粒，粉尘浓度与采样后的电压值成正比。CO2浓度传感器SGP30可以用于CO2浓度及甲醛的检测。

4.4 门锁模块

指纹锁采用AS608指纹模块。因为该模块内部的DSP单元集成指纹识别算法，提高了采集图像和识别指纹特征的效率，处理一个指纹图像只需要不到0.4s。采用指纹锁进行指纹匹配后，智能开锁，提高了智能门锁的安全性。表1为硬件列表。

表1 硬件选择

5.1 ONENET云平台

ONENET云平台提供了丰富的API，可以支持适配各种网络环境和协议类型，使用便捷，可满足各种个性化方案设计。本项目采用ONENET平台主要进行传感器采集到数据的存储，采用的是EDP协议下发命令。

5.2 巴法云平台搭建

本项目应用巴法云平台主要是用于项目中的拍照监控功能，目前采取的是一定时间内拍张照片，存储在云平台，然后，微信小程序可以调取该时间段内的照片进行显示。

5.3 微信小程序搭建

在本项目的微信小程序界面设计时，共设计了5个界面，分别是欢迎界面、登录界面、状态展示界面、个人信息管理界面。状态显示界面可以实现居家环境信息显示以及家电状态显示与控制。

（1）家电状态显示与控制。微信小程序页面的下方有家电控制状态的控件，用户能够通过点击控件来控制家电开关。

（2）居家环境信息显示。微信小程序控制页面上方显示的是居家各种环境参数，主要是传感器采集的温度、湿度、C02浓度、甲醛浓度、光照强度等。传感器采集的数据传递给onenet云平台，微信小程序通过订阅onenet云平台数据，会收到实时的数据显示。

6.1 硬件初始化

在main.c中进行各类硬件设备的初始化，包括串口初始化、继电器初始化、光照传感器初始化、二氧化碳传感器初始化、DH11初始化、ADC转换程序初始化。

6.2 数据流传输

先在onenet.h中定义一个结构体变量strcat，然后，将数据包程序放置在onenet.c中，数据调用上传至云平台。

6.3 ESP8266初始化

ESP8266程序编写关乎WIFI通信中数据上传指令下达，是环境参数采集的核心程序，将该程序放置于esp8266.c中。

6.4 刷指纹程序

有关指纹模块的函数均放置在as608.c中，包括指纹录制、刷指纹、生产特征、对比特征、清除指纹库等多个函数。

7.1 测试目标

智能家居服务系统能正常工作，传感器信息能成果采集并且有效上传；
微信小程序能够实时获得数据，并且实现远程控制家电开关状态；
指纹解锁模块成功解锁。

7.2 测试结果

（1）ONENET采集数据（如图2）。

图2 电脑端ONENET采集数据图

（2）微信小程序（如图3、图4）。

图3 电脑端运行效果图

图4 手机端运行效果图

（3）指纹锁指（如图5）。

图5 指纹解锁效果图

7.3 结果分析

单片机成功实现温度采集、指纹识别、空气质量参数采集功能，并且通过esp8266模块将数据上传到ONENET平台，微信小程序成的从ONENET获得了各项数据。并且指纹锁匹配开锁功能成功实现，当采集指纹信息，与指纹库指纹匹配成功后，单片机控制舵机转动，成功解锁。所以，本项目的智能家居控制系统的设计在功能实现上切实可行，微信小程序让实现物联网功能，让家居智能化。

本项目在传统家居环境基础上增加了物联网模块，使其具备更智能的功能，用户在使用过程中会更加舒适、便捷、有趣。基于STM32F103ZET6的智能家居控制系统构建了高效智能家居设施管理系统，并配套开发微信小程序让室内环境参数直观可靠，让家居控制智能方便，为用户打造了舒适便利的居家环境。

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