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一種基于STM32單片機的多功能智能家居控制系統

添加時間:2021/12/14 來源:未知 作者:樂楓
在國家政策的支持下,我國越來越多的科技公司進軍智能家居市場,推出了很多基于自身標準的智能家居產品,這些智能家居產品種類繁多,但是功能參差不齊,采夠、使用和維護成本較高,操作復雜,因此普通家庭難以推廣使用。
以下為本篇論文正文:

  摘要

  隨著世界經濟的快速發展和人類社會的不斷進步,人們的物質條件越來越好,生活水平不斷提高,越來越多的科學技術成果融入到人們的日常生活中來,智能家居產品就是科技時代的一種標志性產物。目前,國外一些發達國家因為研究起步較早,智能家居產品功能相對成熟,但是國外的智能家居產品主要為有一定經濟實力的高端消費者定制開發,社會普及率并不高。在國家政策的支持下,我國越來越多的科技公司進軍智能家居市場,推出了很多基于自身標準的智能家居產品,這些智能家居產品種類繁多,但是功能參差不齊,采夠、使用和維護成本較高,操作復雜,因此普通家庭難以推廣使用。

  針對上述問題,本文從普通家庭實際功能需求出發,運用單片機技術和傳感器技術,開發并實現了一種基于STM32單片機的多功能智能家居控制系統。系統以家庭WiFi作為通信方案,結合機智云云平臺,集成了家居環境溫濕度監測功能、火災防盜報警功能、窗戶、窗簾開關自動控制功能、陽臺景觀植物自動澆灌功能以及手機APP遠程監測和控制功能。本文研究一種基于STM32單片機的多功能智能家居控制系統,擁有自動和遠程兩種控制模式,具有開發、安裝和維護成本低,操作簡單等特點。

  本文從普通家庭功能需求出發,對系統功能需求進行分析。硬件設計方面,結合系統功能需求,本文選擇以STM32F103C8T6最小系統模塊作為系統控制核心,確定了各種傳感器模塊選型,完成了系統硬件結構設計;在分析了各種傳感器模塊性能的基礎上,完成系統硬件接口電路設計。軟件設計方面,結合機智云云平臺特點和優勢分析,本文從STM32單片機軟件程序設計、ESP8266WiFi通信模塊固件軟件實現、機智云云平臺設計與實現、手機APP軟件設計與實現等四個部分完成系統軟件設計,實現控制系統、手機APP和機智云云平臺的互聯互通。

  最后,本文通過對系統功能測試,驗證了控制系統的功能性需求。測試結果表明,本文研宄的一種基于STM32單片機的多功能智能家居控制系統能夠滿足普通家庭功能需求,而且實現了開發、安裝和維護成本低,操作簡單的目的。

  關鍵詞:智能家居,控制系統,STM32,單片機

  目錄

  第一章緒論

  1.1選題的背景及意義

  智能家居(smart home, home automatiom)是以住宅為平臺,利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術。自動控制技術。音視頻技術將家居生活有關的設施集成。構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統,提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性,并實現環保節能的居住環境".自1984年美國聯合科技公司(UnitedTechnologies Building System)研發并成功建造了世界上第一-座 "智能型建筑"之后,智能家居作為一種"新興事物"引發世界各國廣泛關注。世界各國開始爭先恐后的對智能家居展開研究。隨著科學技術的不斷進步特別是近年來物聯網技術的快速發展,進一步加快了智能家居系統研發的步伐。

  1946年第一臺電子計算機誕生以來,電子技術和半導體技術不斷發展進步,從電子管--晶體管-- 集成電路一- 大規模 集成電路快速發展,使得計算機的體積變得更小、性能越來越強1-31.20世紀70年代誕生的單片機,它是利用大規模集成電路技術把中央處理單元(Center Processing Unit,也即常稱的CPU)和數據存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)及其他10通信口集成在一塊芯片 上,構成一個最小的計算機系統用。隨著單片機的出現,給人類生活帶來了根本性的改變,現代科學研究也得到了質的飛躍。單片機以其高可靠性、高性能價格比,廣泛運用于工業控制系統、數據采集系統、辦公自動化、智能化儀器、儀表、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域,具有十分重要的意義。當下。單片機產品已廣泛進入普通家庭。

多功能智能家居控制系統

  從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備,到處都可以見到單片機的蹤影。對社會經濟的發展產生了-定的作用161.單片機技術開發和應用水平已成為是一-個國家現代科技水平的重要標志。

  目前,以單片機為核心研發的各類控制系統已經運用到人們日常生活的各個場景中。比如,工廠生產流水線控制、交通信號燈控制、住宅電梯控制、健康狀態監測、食品安全檢測等等以,為我們的日常生產、生活提供了很多的便利。隨著當前社會的高速發展,人們生活水平8益提高,人們對家居環境舒適度、安全性的向往和追求也越來越高。市場上具有智能功能、操作簡單方便、適應于大眾生活的家電設備越來越得到人們的青睞。但是,目前市面上能滿足人們日常居家生活需要的智能家居控制系統相對較少,且部分智能家居控制系統僅能實現某-方面的功能,如環境燈光控制,環境溫、濕度監測,火災報警等等。這些智能家居控制系統功能單-,各系統之間往往互不兼容或是兼容性不好,功能難以進行有效的整合?煽啃暂^差、價格高、操作:復雜10.

  隨著近年WFi無線通信技術、4G. 5G移動通信技術以及物聯網技術的快速發展和曾及應用1-21,同時在國家政策的大力支持下IU],以單片機作為核心的基于云技術的智能家居控制系統正加速融入到人們的日常生活中來。這些智能家居控制系統功能更加豐富、性能更加可靠,面且性價比更高、操作和檢修維護更加方便,無需復雜的布線工程,通過無線通信技術將家中的各種電器設備、安防監控設備以及環境信息監測設備等連接到-起,井進行集中管理。這些智能家居控制系統通過手機APP就可以實現家電設備遠程控制(如影音視頻設備、照明、窗簾窗戶、空調、廚房電器等等)、防盜報警提醒、家居環境溫濕度及有害氣體監測等多種功能。更加安全、高效[14151.

  據Strategy Analytics最新發布的《2019 年全球智能家居市場》研究報告,截至2018年底。全球智能家居設備已有2億多家庭在使用:到2023年,這個數據將再增加1億。到2023年底,將有超過64億臺智能家居設備在使用或平均每個使用智能家居的家庭將擁有21臺設備。同時,研究報告預測,到2019年。消費者在智能家居相關硬件、服務和安裝費用上的支出將達到1030 億美元(約合人民幣7340億元) ,并將以11%的復合年均增長率增長到2023年的1570億美元呵。另據全球統計數據庫statista統計,全球智能家居市場規模2015年已達到485億美元,預計2021年將達793億美元:另據ABI Research公司樂觀預測。2021 年全球智能家居市場規模將突破千億美元".

  從英國市場研究公司Global Web Index統計的數據來看,如圖1.1所示,2019 年和2020年上半年全球部分國家智能家居設備普及率( 占互聯網用戶的百分比)最高的是英國,占比21%,美國占比18.9%緊隨其后:加拿大智能家居普及率增幅最快,2020年上半年比2019年增長了5.7%.此外,統計數據還顯示包括英國、美國、加拿大在內的一-些主要歐美發達國家。智能家居設備普及率在20%左右:我國的智能家居:

  普及率在2020年上半年達到了13.5%, 較2019年出現了負增長,這些數據充分說明智能家居設備仍擁有巨大的市場潛力。

  隨著人工智能的發展和物聯網技術的運用。人們對智能家居產品的需求越來越迫切,但從目前的情況來看,智能家居行業仍有很多的問題需要解決。-.是各種智能家居產品兼容性較差。存在"通訊協議不統一-"、"設備之間不互聯"等問題。市面上一些智能家居產品存在多種通訊協議,如美國X-10采用電力線路載波通訊協(08,阿里ee天貓精靈系列主推藍牙Mesh通訊協議回,小米米家智能家居產品主要采用WiFi、ZigBee 和藍牙三種通訊協議021.如果一個家庭同時配置了小米智能硬件。

  海爾智能空調。美的智能冰箱、飛利浦智能電視等。需要安裝各廠家配套的控制系統或APP才能實現智能控制功能。二是一些智能家居產 品開發、安裝和維護成本高,特別是為用戶定制開發的產品,普通家庭難以推廣普及。以三居室的家庭為例,配置- .套功能相對完善的智能家居控制系統,包括常規的燈光。電器、窗簾控制功能,安防報警及網絡視頻監控功能,購買國內成套產品至少需要3至5萬元,國外產品價格則更高,至少需要10萬元以上。如果定制開發價格會更高。而且。如果產品發生故障,需要原生成家提供維護服務,進-一步增加使用成本。三是市面上-些智能家居系統功能參差不齊。有的是針對某-特定對象開發,如綠米智能家居燈光控制系統,涂鴉安防系統。HOPE家庭背景音樂主機系統等等,與普通家庭的多功能需求還存有一些差異。

  1.2 國內外研究現狀

  1.2.1國外研究現狀

  1.2.2國內研究現

  1.3 本文的主要工作

  1.4本文組織機構

  第二章系統功能需求分析

  2.1系統功能需求分析

  2.1.1溫濕度監測功能

  2.1.2火災報警功能

  2.1.3防盜報警功能

  2.1.4窗戶自動控制功能

  2.1.5窗簾自動控制功能

  2.1.6澆灌自動控制功能

  2.1.7遠程監測和控制功能

  2.2.本章小結

  第三章系統硬件設計

  3.1系統硬件結構設

  3.1.1系統主控芯片選擇

  3.1.2系統硬件結構設計

  3.2系統硬件電路

  3.2.1 STM32最小系統電路設計

  3.2.2電源模塊電路

  3.2.3 OLED顯示模塊電路設計

  3.2.4獨立按鍵模塊電路設計

  3.2.5煙霧檢測模塊電路設計

  3.2.6紅外防盜模塊電路

  3.2.7光線檢測模塊電路

  3.2.8雨量檢測模塊電路設計

  3.2.9風速檢測模塊電路

  3.2.10土壤濕度檢測模塊電路設計

  3.2.11窗戶、窗簾、澆灌控制模塊電路設計

  3.2.12 WiFi通信模塊電路設計

  3.2.13溫濕度檢測模塊電路設計

  3.2.14聲光報警模塊電路沒

  3.3本章小結 .

  第四章系統軟件設計

  4.1 STM32單片機軟件程序

  4.1.1 STM32程序開發環境

  4.1.2 STM32主程序流程設計

  4.1.3 STM32主要功能模塊程序設計

  4.2 ESP8266 WiFi通信模塊固件軟件

  4.3機智云云平臺設計與實現

  4.4手機APP軟件設計與實現

  第五章系統功能測試

  5.1系統功能測

  5.1.1溫濕度監測功能測

  5.1.2火災報警功能測試

  5.1.3防盜報警功能測試

  5.1.4窗戶自動控制功能測試

  5.1.5窗簾自動控制功能測試

  5.1.6澆灌自動控制功能測

  5.1.7遠程監測和控制功能測試

  第六章總結與 展望

  6.1總結

  本文通過查閱國內外有關資料文獻和市場調研,分析了目前國內外智能家居產品的現狀及存在的問題。從普通家庭實際需求出發,設計并實現了一種基于STM32單片機的多功能智能家居控制系統。

  本文的主要研究成果如下:

 。1)系統通過溫濕度傳感器模塊來監測環境溫濕度情況。配合OLED12864液晶顯示屏和手機APP,實現了家居環境溫濕度監測功能。

 。2)系統通過煙霧傳感器模塊采集環境煙霧濃度情況,配合蜂鳴器和LED指示燈,實現了火災聲光報警功能。

 。3)系統通過反射式紅外傳感器模塊來檢測某些特定區城(如窗戶、入戶門等)是否有人非法悶入,配合蜂鳴器和LED指示燈,實現了防盜聲光報警功能。

 。4)系統通過風速、雨量傳感器模塊來采集環境風速、雨量情況,自動控制繼電器開關控制模塊工作。實現了窗戶開關自動控制功能。

 。5)系統通過感光傳感器模塊采集環境光線情況,控制維電器開關控制模塊工作,實現了窗簾開關自動控制功能。

 。6)系統通過土壤濕度傳感器模塊采集陽臺景觀植物土壤濕度情況,控制繼電器開關控制模塊工作,實現了陽臺最觀植物澆灌自動控制功能。

 。7)系統通過WiFi通信模塊和機智云云平臺數據交互,實現了手機APP遠程監測和控制功能。

  本文的創新點如下:

 。↖)系統基于機智云云平臺二次設計開發,節省了服務器采購成本和開發環境搭建成本以及時間成本。同時,基于機智云云平臺源代碼開發手機APP,操作界面簡單,降低了手機APP的開發難度和時間成本。

 。2)系統以普通家庭的實際需求出發,主要集成了溫混度監測功能、火災根警功能、防盜報警功能、窗戶、窗簾和澆灌自動控制功能以及遠程監測和控制等功能,比目前市面上的一些智能家居產品功能更加豐富。

 。3)系統采用了即插即用的市面常見的傳感器模塊,模塊發生故障時可以直接更換替代:通過家庭WiFi連接機智云公平臺,有效降低了使用和維護成本。

  本文的不足如下:

 。1)系統可靠性有待進-步提高?刂葡到y設計采用了成本低廉的煙霧傳感器、土壤濕度傳感器、紅外傳感器、風速傳感器等模塊,這些傳粥器模塊雖然能滿足控制系統采集功能,但是整體精度不是很高,存在著- - 定的誤差,影響系統的可靠性。

 。2)使用范圍存在局限性?刂葡到y雖然通過WiFi實現了聯網遠程控制,但是控制效果略顯粗糙。受家庭WiFi信號覆蓋范圍的限制,本控制系統的使用范圍也一樣受到限制。

 。3)功能有待進一步 完善?刂葡到y目前能實現的報警功能有較大的局限性,目前僅能滿足聲光報警提醒,還沒有加入遠程視頻監控功能。

  6.2展望

  控制系統雖然按照設計構想實現并通過了相關功能測試,但還存在一-些不足之處,有待在今后的學習和工作中維續進行研究。對今后研究的幾點展望如下:

 。1)進一步加強系統可靠性方面研究。今后的研究中可以考慮用精度更高的、更專業的傳感器來解決可靠性方面的問題,井將溫濕度傳感器、光敏傳感器模塊采集的數據運用到家庭空調、加濕器、燈光等設備的控制上去。

 。2)進一步擴大使用范圍。今后研究中可以考慮使用4G. sG模塊替代WiFi,或者是采用ZigBee組網技術,實現節點更多、功能更強。范圍更廣的智能家居控制系統。

 。3)進-一步增強系統功能。今后研究中可以考慮增加遠程視頰監控功能和語音功能。用戶可以打開遠程視頻監控功能實時查看家中的視頻監控畫面,當有盜竊或火宅發生是可以及時撥打報警電話。通過語音嚇退偷盜者,而且視頰監控圖像資料也可以為破案提供依據。

  致謝

  光陰似箭,日月如梭,我的在職研究生學習生活即將告一段落,此時此刻有太多感澈與感恩的話語,但都無法完全表達自己的心情!首先,我要感謝我的學校導師李向寧教授!第- -次因學位論文選題失誤而造成論文提交未獲通過,我曾一-度深感失落。

  對接下來的論文選題猶豫不決,長時間無法確定研究方向。學校導師李向寧教授主動聯系我,給予了我很大的鼓勵,為我的論文選題進行方向性指導,最終我重新確定了論文題日和研究方向。在控制系統實物制作和論文寫作的過程中,李向寧教授經常關心我的論文和實物進展情況,給子了我悉心的指導和幫助。尤其在系統功能和結構設計方面給我提出了很多專業的參考意見和建議,給了我很多的啟發和幫助。在此,我謹向李老師表示我最誠摯的感謝!

  我還要特別感謝我的企業導師四川省水電集團建設管理部部長。高級工程師蔣道華,為我的論文寫作方面提供的悉心指導。并對系統功能提出了許多中肯的建議意見。

  在我的論文撰寫和實物制作過程中,我還得到了現單位同事和以前大學同學的支持和幫助,借此機會向他們表示衷心的感謝。同時,我還要特別感謝我的家人們給我的無微不至的關懷和照順,在在職研究生學習和論文寫作過程中,他們一直都在默默地關心我、支持我,他們是我努力奮斗4的堅強后盾。

  最后,我要感謝我的母校西安電子科技大學,感謝在職研究生學習期間傳道受業解感的諸位老師以及我的各位同學們!由于本人學識和能力水平有限,論文中難免存在偏頗和不要之處,敬請各位老師和專家批評斧正。在此一井表示感謝!

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