随着经济发展和人民生活水平提高，对家居环境的需求不断增加，智能家居变得至关重要。涵盖家电控制、智能照明、安全监控等领域，智能家居通过手机、电脑等连接网络，实现远程控制。这种系统提供更智能的家居体验，简单高效，节能减耗，舒适便捷。采用STM32单片机微控制芯片、WIFI、传感器和红外感应技术，我们设计了智能家居控制系统，实现了现代化家居功能，如远程照明、浇花、喂鱼和宠物检测。
1. 前言
物联网智能家居与传统智能家居有显著差异。借助物联网、无线通信、云计算等新技术，物联网智能家居远超传统智能家居。其设备安装简单、操作高效，而传统智能家居通常是有线的，安装和扩展复杂。物联网智能家居整合智能家电、开关、照明、插座、门窗等，提供健康、舒适、安全、便利的生活方式。这反映了物联网智能家居是未来发展趋势，但也需要向物联网智能家居转型。
1.2 设计方案
采用机智云APP实现全球控制，利用无线网络技术连接家居设备到终端，实现智能操作。智能家居控制系统采用无线网络技术，受环境影响小，建设周期短、成本低、易维护和扩展，完全符合智能家庭通信要求。用户可通过手机随时控制自动喂鱼、台灯开关、根据土壤湿度自动浇花等功能。
采用STM32单片机控制系统，产品性能主要针对家庭实用性，集成了物联网技术控制台灯、浇花器、喂鱼器、红外感应、热释电、PWM接口、温湿度、继电器等多功能的物联网智能家居。经多次试验验证实用性和功能可靠性。服务器底板采用STM32内核，具有高性能、低成本、低功耗的优点，体现出在家居生活中的实用性和可靠性。
1.3 系统组成
通过模块化设计和对各个模块的单独调试、制作最后我们的智能家居系统包含三个部分:客户端、云端控制、以及以STM-32F103C8T6作为主芯片和esp8266Wi Fi模块相结合的控制端。其中STM32单片机实现了对管家 (智能台灯) 、园丁 (智能浇花器) 、养殖员 (智能喂鱼器) 、土壤湿度传感器、红外探测、热释电传感器、温湿度传感器、继电器、可开发电机等部分的控制。
本控制系统通过上位机手机 (客户端) , 通过家庭路由器局域网或手机移动网络连接到云端, 再由云端发送和接收数据传送给家庭路由器, 路由器再发送给esp8266Wi Fi模块, 经过串口esp-8266Wi Fi模块与主芯片stm32f103c8t6通信, 从而实现对家居中照明开关、自动浇花、自动喂鱼、宠物检测等进行本地和远程无线智能控制。它们由统一的智能家居平台将各个独立的子系统连接成一个能够有相互信息交换, 并加以控制的网络。
本系统采用STM32F103C876作为主芯片, 外接各种模块电路, 利用红外探测, 温湿传感器以及热释电传感器对室内情况进行监测, 而且还可对室内其他设备进行远程控制。将检测到的数据发送到控制器中进行数据分析, 可以实现:当有异常情况发生时控制器立即作出相应的处理, 并通过esp8266Wi Fi模块将室内异常情况经过家庭网络和云端发送到用户手持设备上, 通知用户;在出差或者上班地点我们就可以实现对家庭电器的远程控制, 实现了智能化向家庭发展。
2. 总体设计
2.1 功能及特点
2.1.1 功能
此物联网设备开发了10余种功能, 设备和手机APP端处在同一局域网环境下 (同一WIFI环境下) 即可实现近程控制, 与远程控制相比设备接收数据的速度会更快一些。设备处于连接网络的WIFI环境下, 手机处于2/3/4G网络环境下或其他接入网络的Wi Fi环境下, 可实现远程控制, 即可实现全球控制。如下有具体功能。
(1) 远程开启、关闭台灯, 模仿了家庭日用灯光的远程控制, 更加人性化的设计, 远程, 手动控制并用。
(2) 远程浇花的功能, 可以进行远程浇花, 为一些喜欢养花又很忙没时间养花的用户带来了福音, 如果工作很忙可以工作的时候打开手机, 自行控制水量进行浇花 (也可根据土壤湿度传感器进行自动浇花, 第 (5) 点介绍) 。
(3) 远程喂鱼的功能, 为喜欢养鱼或其他小动物并且工作忙没时间的用户提供了方便, 点击“喂鱼器开/关”自动喂鱼一次, 完毕后开关自动关闭。
(4) 继电器用户自定义接口, 为用户提供方便, 用户可将家里的小功率用电器接在这个继电器上, 相当于一个远程控制开关, 用户可进行DIY设计连接使用。
(5) 远程自动浇花的功能, 第 (2) 点提到远程浇花, 但需要用户自行控制水量, 但可能存在浇水过多或过少的情况, 为进一步给客户提供方便, 点击“自动浇花”功能, 浇花器将根据土壤湿度传感器传回来的值进行自动浇花, 最后一项是土壤湿度传回到手机中的值, 当这个值小于13时会进行浇花, 土壤湿度传感器上有感度调节继电器, 可根据浇花类别不同进行适当调节。
(6) 远程门锁开关控制, 这个功能不建议远程使用, 远程打开门锁如果家里没人可能造成财产丢失, 设计目的是为其他人远程打开门锁, 或出门忘带钥匙的用户可使用手机打开门锁。
(7) 远程控制电机转速PWM的功能, 这个功能可以控制一些小型电机或小型电风扇, 可以远程控制转速, 达到一个排风通风干燥的目的, 喜欢小动物的用户可以在其窝的上方安装一个小风扇达到排风除臭的目的。
(8) 远程红外感应功能, 红外感应功能可以提供一个简单的监测作用, 如果家里有老人或小孩单独在家, 可以大概了解一下其所在的方位, 避免其触碰家里的危险物品, 比如燃气灶或是家庭用电。而且也可以监测家里的宠物的出行。除了这些, 红外感应还可以直接放在厨房燃气灶等红外产生的地方, 监测容易出现危险易燃易爆的家庭用品, 一旦感应到红外线, 手机端就会显示开启。
(9) 热释电感应模块, 能够监测到运动的微热物体, 同样有监测作用, 感应更灵敏, 判断运动物体更准确, 起到实时监控的作用, 并在手机端显示。
(10) 环境温湿度传感器, 实时感应家庭的温度和湿度, 并将温度和湿度的值传送给手机端, 此传感器的感应范围能达到距离传感器的距离方圆20米。
(11) 土壤湿度传感器, 实时监测土壤湿度, 并将土壤湿度值传送到手机, 在上面第 (5) 点中自动浇花功能起到数据判断的功能。
(12) 留有接口待开发或升级更新添加新的功能。
2.1.2 特点
(1) 可远程全球控制, 真正实现了随时随地控制, 为使用者提供了极大的方便。
(2) 科学合理性的人性化设计，操作的功能可以用手机端控制，不需要手机时也可以手动控制。
(3) 可靠性型极高, 每项功能都带有实时反馈, 当用手机端远程控制设备开启, 设备一定处于开启状态, 当手机端控制设备关闭, 设备一定处于关闭状态, 不会出现两者错乱的情况。
(4) 安全性极高, 机智云平台自带的硬件安全密匙已经很高, 又进行了软件程序上的加密, 双重加密, 几乎破解可能性为零, 避免设备被盗用的情况。
(5) 运行稳定, 设备运行时一旦出现问题或死机会自行进行重启, 瞬间即可重新启动, 执行正在运行的操作, 不影响用户的使用。
(6) 操作简单, 用手机一次给设备配置家庭网络WIFI, 如果家庭不更改, 那么设备的配置不需要更改, 即可长期使用。
(7) 此设备价格适中, 市场上物联网设备价格昂贵, 一个功能简单的小米智能插座可能就几十到几百元, 一些其他的物联网智能家居系统设备价格可能更加昂贵, 而此设备价格大多数用户都在能接受的范围内。
2.2 硬件设计
2.2.1 继电器控制模块
继电器:继电器模块十分简单, 原理就不多介绍了.本系统使用了一个继电器, 在电路设计上直接使用三极管提供驱动。在实际电路中要注意在继电器的电源端一定要反接一个二极管, 同时;最好在靠近继电器的电源端接入1000u F以上的电容, 以增强电路的稳定性, 利用继电器, 在现代家居生活中可以连接多种家用电器实现自动控制和远距离控制, 具有很高的实用性。如图2.2-1和2.2-2所示。
图2.2-1
图2.2-2
2.2.2 红外探测控制系统
红外探测系统是通过接目标红外辐射, 并把辐射能量转化为电信号, 经过放大处理, 从而实现对目标特征量一级目标方位探测的一类系统。红外检测通过红外探测器感应到人体温度, 触发探测器将开关量数字信号输入到模块控制系统, 从而检测到该防范区域是否有人进入, 它可以与门禁安防系统联动, 达到扩大监视范围的目的。
对射探头由一个发射端和一个接收端组成。发射端发射经过调制的两束红外线, 这两条红外线构成探头的保护区域。如果有人企图跨越, 则两个红外线被同时遮挡, 接收端输出报警信号, 触发报警主机报警。如图2.2-3所示。
图2.2-3
2.2.3 温湿度传感器模块 (DHT11)
选用DHT11数字温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款具有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器, 精度湿度+-5%RH, 温度+-2℃, 量程湿度20-90%RH, 温度0-50℃。它应用专用的温湿度传感技术以及数字模块采集技术, 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件, 并与一个高性能8位单片机相连接。所以我们的产品具有性价比高、品质卓越、超快响应、抗干扰性强等优点。
每个DHT11传感器都在较为精确的湿度校验室中来校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中, 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口, 使系统集成变得十分快捷。极低的功耗、超小的体积, 信号传输距离可达30米以上, 产品为4针单排引脚封装, 连接十分方便。模块电路图和产品图片如图2.2-4和2.2-5所示。
图2.2-4
图2.2-5
2.2.4 浇花器模块
该模块适用电压为DC/12V, 适用电流为0.25A, 功率为3W。水流量约为1.8L/min。其适用水温为5℃---45℃, 其模块工作环境温度为5℃---40℃。工作时进水压力为3Mpa, 可持续工作且自然冷却。
该模块工作原理为中心处由于液体被甩向周围而形成既没有空气又没有液体的真空低压区, 液池中的液体在池面大气压的作用下, 经吸入管流入, 由排出管排出进行浇花。
该浇花器模块可以根据花种的不同进行浇花, 可以适用于不同温度进行工作, 且工作电压电流小, 功率小, 并且电源端口与外壳间能承受500V/50HZ/1min的无闪络, 击穿现象。安全, 方便, 快捷。如图2.2-6和2.2-7所示。
图2.2-6
2.3 软件部分
整个控制系统根据功能可以分为智能控制中心和遥控部分。控制信号通过手机发送到控制单片机STM32, 单片机接受信号将信号进行分析处理发出控制命令到各个开关并接受反馈信号, 将信息反馈给手机APP, 控制中心由STM32F103C8T6微控制器、无线接收模块、传感器等组成, 是整个系统的核心。远程控制采用Android操作系统实现。
整体上, 我们采用的是C语言进行全部程序的编写, 其中我们采用模块化编程的思想, 进行每一个模块单元程序的调试, 让每一个模块都能独立进行正常的工作, 最后再在主程序里进行调用, 进行总体相应的调整, 让各个模块能进行协同工作。其中主要是用Protus软件进行电路仿真, 用到了keil u Vision5进行编程。
3. 总结
随着计算机信息技术的发展，物联网为智能家居注入新活力，成为信息产业的新革命。本设计侧重于提升人们生活质量，节约成本，连接了多种设备，如台灯、火焰传感器、喂鱼器、浇花器、温湿度传感器、热释电等，并可扩展空气质量检测、家电控制等功能。通过手机APP、家庭路由器和云服务器构建基于云服务WiFi的物联网智能家居系统，具备智能化、自动化、方便控制和高性价比的特点，适合推广应用。在国家和企业的推动下，物联网技术在全球展现影响力，为我国物联网发展创造良好环境。物联网智能家居行业发展空间巨大，市场竞争激烈，前景可期。
