基于物联网和云平台的智能家居系统设计

刘婷

摘要：目前国内智能家居市场初具规模，但是大部分智能家居系统价格较高、标准不一，无法满足消费者的需求。文章基于STM32F103嵌入式微控制器、家用电器控制模块、WiFi控制模块、各类传感器模块，设计了一款智能家居系统，实现了对智能家居环境内的温湿度、光照强度、烟雾强度的自动化检测与远程控制。文章设计的智能家居系统具有成本低、操作简单、感知能力强、数据处理能力强以及灵活性好的优点，具有一定的研究与应用价值。

关键词：物联网；STM32；智能家居

中图分类号：TP273

文献标志码：A

0 引言

“智能家居”首次写入“十四五”规划纲要，纲要明确未来五年重点要应用感应控制、语音控制、远程控制等技术手段，发展智能家电、智能安防监控、智能音响、新型穿戴设备等^［1］。随着经济发展和生活方式的逐步转变，智能家居的使用群体从年轻消费群体扩展到全年龄段的消费群体，人们对家居生活质量要求不断提升，人们对智能家居的功能也提出更多元化的需求。目前市面大多数智能家居设备产品存在价格较高、标准不统一以及性能优劣不一的情况，无法满足大部分消费者对于智能家居的需求。本文结合物联网技术、嵌入式技术和云平台技术设计了一款成本低、操作简单、感知能力强、数据处理能力强、灵活性较好的智能家居系统。

1 智能家居系统总体设计

本系统总体架构如图1所示，系统采用STM32F103嵌入式微控制器为主控机下位机，集成DHT11温湿度检测模块、LM393光照检测模块、MQ-2烟雾检测模块、家用电器控制模块、WiFi控制模块，通过ESP8266 WiFi芯片连接局域网接入物联网云平台，通过服务器获取STM32芯片上传的环境参数信息，与手机内App作为的上位机完成信息通信与控制，实现对家居环境的信息采集、自动控制与远程控制功能^［2］。

2 硬件设计

2.1 主控芯片设计

本系统主控芯片为STM32F103VET6，STM32 F103VET6微控制器采用ARM Cortex^TM-M3内核，具有72MHz的CPU速度，该芯片具有1MB Flash容量、多种控制外设、多种低功耗工作方式，基本符合智能家居系统的功能需求^［3］。该芯片具有低功耗、低电压、实时性好、性价比高的优点，目前已广泛应用于各类智能设备中。选用STM32F103VET6作为主控芯片能完成多个传感器连接、无线数据传输、智能设备远程控制等智能家居系统功能的实现。

2.2 温湿度检测模块

本系统采用DHT11作为数字温湿度传感器，DHT11作为温湿度检测传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，兼具耐用、寿命长、模块简单、应用广泛等优点。DHT11温湿度传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC（负温度系数热敏电阻）元件，连接一个高性能8位单片机，目前已广泛应用于家居、医疗、工业等相关领域的温湿度检测控制^［4］。温湿度模块能够实时检测智能家居环境中的温度、湿度数值，结合用户个性设置或者软件通用算法，实现自动调节空调系统、加湿器等功能。

2.3 烟雾检测模块

本系统采用MQ-2作为烟雾传感器，MQ-2传感器为多种气体探测器，具有灵敏度高、稳定性强、耐用性强、抗干扰性强等优点。

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料为二氧化锡（SNO₂），二氧化锡的电导率与空气中烟雾浓度值成正比，当烟雾浓度较低时，MQ-2电导率较低，当烟雾浓度变高时，MQ-2电导率逐步增加，导致输出电阻变低^［5］。提前设置烟雾报警阈值，通过电路设计，检测电压值，进一步判断空气中烟雾浓度，一旦烟雾浓度超过阈值时，蜂鸣器将发出警报声，同时将相关数据及信息通过云端发送至用户手机App进行弹窗或电話提醒。

2.4 光照检测模块

本系统采用光敏电阻传感器对室内光线情况进行检测，光敏电阻传感器选取LM393，主要由电极、树脂胶、陶瓷基板、导线等组成。光敏电阻属于光电效应传感器的一种，主要工作原理是利用光敏电阻原材料半导体的光电效应。随着光照强度增加，光敏电阻的亮电阻减小，亮电流增大，以此进行光照强度检测。光敏电阻可以非常灵活地应用在智能家居、工业控制、路灯控制等方面。光照检测模块能够实时检测智能家居环境中的光照强度，结合用户个性设置或者软件通用算法，实现自动调节窗帘系统、灯光系统等功能。

2.5 家用电器控制模块

本系统采用继电器模块控制家用电器。随着科技发展，智能继电器模块的应用越来越广泛，在智能家居系统中采用智能继电器，通过弱电来控制强电，通过强电实现智能家居系统内各类电器（如电视、空调、洗衣机、灯具等）的控制。通过给STM32芯片连接两个复合管驱动器ULN2803，可以实现驱动继电器、电机的功能，从而完成对智能家居系统内各种家用电器的开启与关停^［6］。

2.6 WiFi控制模块

本系统采用市场主流WiFi芯片ESP8266作为WiFi控制模块，完成智能家居系统内传感器、家居设备数据的无线传输。ESP8266芯片由安可信（Ai-Thinker）公司生产，集成32位处理器、标准数字外设接口等模块，具有性能稳定、成本低、功耗低、模块集成度高等优点^［7］。ESP8266 WiFi模块目前被广泛应用于物联网行业，丰富的案例库能为智能家居系统设计提供较高价值参考。WiFi控制模块能够通过串口USART接收STM32内部数据，发送至云平台。

3 軟件设计

3.1 系统软件总体设计

本系统主要采用KeiluVision5编程软件，该软件能较好地支持Cortex-M、Cortex-R4等系列器件，具有丰富的库函数，功能强大，界面友好，操作性强，是一款实用性高、性能强大的主流单片机编程软件。

目前，本系统主要采集家居环境中温湿度、光照强度、烟雾强度，根据采集信息结果及判断机制，实现自动启停家居系统电器，并将信息同步上传至云端，手机通过云端下载信息，并同步实现远程检测、远程控制的功能^［8］。软件控制流程如图2所示。

图2 软件控制流程

3.2 智能家居系统功能实现

智能家居系统软硬件环境搭设完成，通过温湿度检测模块DHT11采集空气中温湿度数据，当温湿度数值不在设定的舒适温度范围区内，驱动继电器模块控制对应的空调系统、加湿器，实现自动调节温湿度的功能。通过光照检测模块LM393采集室内光照强度，当光照强度不在设定的区间，可以启停灯光系统及电动窗帘等^［9］。通过烟雾检测模块MQ-2检测空气中的烟雾浓度，一旦超出警戒值，蜂鸣器发出警报声。STM32作为主控制器，接收智能家居系统内各传感器、家居设备采集的数据，对数据进行参数处理，实现对空调、加湿器、灯光系统、电动窗帘、电视机等设备的自动控制，打造舒适、智能的家居环境，同时将数据信息通过ESP8266 WiFi模块上传至云平台，云平台完成数据存储与数据智能分析，根据用户功能设置，及时给手机App推送紧急提醒通知。

用户可以通过上位机发送相关控制指令对家居系统所连接的电器进行远程控制。例如，远程控制家中空调启停、电饭锅自动煮饭等。对智能家居系统内各个传感器所采集的所有数据进行分析与统计，进一步提升智能家居系统智能化能力。例如，通过每日对智能家居设备的使用情况分析，设置个性化使用模式，工作模式、周末模式等；通过每月对智能家居设备耗电量进行分析，有针对性提出节能措施，更换老旧设备、设置空调定时启停等。

技术作为智能家居发展的核心动力，随着5G、AR、人工智能、区块链、边缘计算等技术的发展，智能家居系统的数据采集、数据处理、人机交互能力将得到进一步的提升。展望未来，今后的智能家居系统的服务能力提升会逐步经历以下4个阶段：个性化识别控制能力提升、用户自动获取外部服务能力提升、数据分析预测能力提升以及数据控制引导能力提升。

4 结语

本文设计了一种基于物联网和云平台的智能家居系统，通过对智能家居环境内的温湿度、光照强度、烟雾强度的自动化检测，实现对家居系统设备的智能化控制。本系统具有较好的扩展性，结合实际情况，接入人体红外传感器实现对小孩的行动监测，避免小孩靠近阳台等危险地方；接入智能穿戴设备实现对独居老人健康状况的智能监测；也可以按需接入其他的各类传感器，通过不断完善与优化智能家居系统相关功能，为用户提供智能化“管家式”服务。本系统对于响应国家节能减排政策，鼓励人们享受科技成果，提升人们生活便捷性，推动科技发展与进步具有一定的价值。

参考文献

［1］李红莲.万物互联趋势下“十四五”智能家居将迎新发展［J］.中国安防，2021（12）：1-9.

［2］朱明，肖松，黄洁.基于RT-Thread及OneNET的智能家居设计［J］.物联网技术，2022（7）：65-67.

［3］夏青，石明钧，金文婷，等.基于物联网的供水管网参数监测系统设计［J］.电脑知识与技术，2022（21）：99-101.

［4］廖芝逸，敖银辉.基于STM32的消防远程监测系统［J］.机电工程技术，2016（9）：48-53.

［5］金炜翔，赖忠喜.一种基于STM32的实验室监控系统设计［J］.电子技术与软件工程，2022（10）：99-103.

［6］卢娜.基于STM32的智能家居控制系统设计［J］.商丘职业技术学院学报，2021（5）：87-91.

［7］林章.基于ESP8266的城市地下综合管廊人员定位系统设计与实现［J］.科技创新与应用，2022（24）：25-28.

［8］李素.基于STM32的智能家居系统［J］.电子制作，2022（9）：31-33.

［9］李文杰，脱慧.基于STM32的教室智能照明系统设计［J］.中国设备工程，2022（13）：118-120.

（编辑 李春燕）

Design of smart home system based on Internet of Things and cloud platform

Liu Ting

（School of Software， Hunan College of Information， Changsha 410200， China）

Abstract： At present， the domestic smart home market has begun to take shape， but most smart home systems have high prices and different standards， which cannot meet the needs of consumers. Based on STM32F103 embedded microcontroller， household appliance control module， WiFi control module， and various sensor modules， this paper designs a smart home system to realize automatic monitoring and remote control of temperature and humidity， light intensity， and smoke intensity in the smart home environment. The smart home system designed in this paper has the advantages of low cost， simple operation， strong perception， strong data processing ability and good flexibility， and has certain research and application value.Key words： Internet of Things; STM32; smart home system