摘要

　　隨著(zhù)世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類(lèi)社會(huì )的不斷進(jìn)步，人們的物質(zhì)條件越來(lái)越好，生活水平不斷提高，越來(lái)越多的科學(xué)技術(shù)成果融入到人們的日常生活中來(lái)，智能家居產(chǎn)品就是科技時(shí)代的一種標志性產(chǎn)物。目前，國外一些發(fā)達國家因為研究起步較早，智能家居產(chǎn)品功能相對成熟，但是國外的智能家居產(chǎn)品主要為有一定經(jīng)濟實(shí)力的高端消費者定制開(kāi)發(fā)，社會(huì )普及率并不高。在國家政策的支持下，我國越來(lái)越多的科技公司進(jìn)軍智能家居市場(chǎng)，推出了很多基于自身標準的智能家居產(chǎn)品，這些智能家居產(chǎn)品種類(lèi)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(wèn)題，本文從普通家庭實(shí)際功能需求出發(fā)，運用單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)，開(kāi)發(fā)并實(shí)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(huán)境溫濕度監測功能、火災防盜報警功能、窗戶(hù)、窗簾開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制功能、陽(yáng)臺景觀(guān)植物自動(dòng)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(dòng)和遠程兩種控制模式，具有開(kāi)發(fā)、安裝和維護成本低，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

　　本文從普通家庭功能需求出發(fā)，對系統功能需求進(jìn)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(diǎn)和優(yōu)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(shí)現、機智云云平臺設計與實(shí)現、手機APP軟件設計與實(shí)現等四個(gè)部分完成系統軟件設計，實(shí)現控制系統、手機APP和機智云云平臺的互聯(lián)互通。

　　最后，本文通過(guò)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(mǎn)足普通家庭功能需求，而且實(shí)現了開(kāi)發(fā)、安裝和維護成本低，操作簡(jiǎn)單的目的。

　　關(guān)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(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、安全防范技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)。音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設施集成。構建高效的住宅設施與家庭日程事務(wù)的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現環(huán)保節能的居住環(huán)境".自1984年美國聯(lián)合科技公司（UnitedTechnologies Building System）研發(fā)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(fā)世界各國廣泛關(guān)注。世界各國開(kāi)始爭先恐后的對智能家居展開(kāi)研究。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步特別是近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)一步加快了智能家居系統研發(fā)的步伐。

　　1946年第一臺電子計算機誕生以來(lái)，電子技術(shù)和半導體技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，從電子管--晶體管-- 集成電路一- 大規模 集成電路快速發(fā)展，使得計算機的體積變得更小、性能越來(lái)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(shù)把中央處理單元（Center Processing Unit,也即常稱(chēng)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(gè)最小的計算機系統用。隨著(zhù)單片機的出現，給人類(lèi)生活帶來(lái)了根本性的改變，現代科學(xué)研究也得到了質(zhì)的飛躍。單片機以其高可靠性、高性能價(jià)格比，廣泛運用于工業(yè)控制系統、數據采集系統、辦公自動(dòng)化、智能化儀器、儀表、醫用設備、航空航天、專(zhuān)用設備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，具有十分重要的意義。當下。單片機產(chǎn)品已廣泛進(jìn)入普通家庭。

　　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(jiàn)到單片機的蹤影。對社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了-定的作用161.單片機技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用水平已成為是一-個(gè)國家現代科技水平的重要標志。

　　目前，以單片機為核心研發(fā)的各類(lèi)控制系統已經(jīng)運用到人們日常生活的各個(gè)場(chǎng)景中。比如，工廠(chǎng)生產(chǎn)流水線(xiàn)控制、交通信號燈控制、住宅電梯控制、健康狀態(tài)監測、食品安全檢測等等以，為我們的日常生產(chǎn)、生活提供了很多的便利。隨著(zhù)當前社會(huì )的高速發(fā)展，人們生活水平8益提高，人們對家居環(huán)境舒適度、安全性的向往和追求也越來(lái)越高。市場(chǎng)上具有智能功能、操作簡(jiǎn)單方便、適應于大眾生活的家電設備越來(lái)越得到人們的青睞。但是，目前市面上能滿(mǎn)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(shí)現某-方面的功能，如環(huán)境燈光控制，環(huán)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(jìn)行有效的整合。可靠性較差、價(jià)格高、操作：復雜10.

　　隨著(zhù)近年WFi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、4G. 5G移動(dòng)通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和曾及應用1-21,同時(shí)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(shù)的智能家居控制系統正加速融入到人們的日常生活中來(lái)。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?xún)r(jià)比更高、操作和檢修維護更加方便，無(wú)需復雜的布線(xiàn)工程，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將家中的各種電器設備、安防監控設備以及環(huán)境信息監測設備等連接到-起，井進(jìn)行集中管理。這些智能家居控制系統通過(guò)手機APP就可以實(shí)現家電設備遠程控制（如影音視頻設備、照明、窗簾窗戶(hù)、空調、廚房電器等等）、防盜報警提醒、家居環(huán)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(fā)布的《2019 年全球智能家居市場(chǎng)》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(gè)數據將再增加1億。到2023年底，將有超過(guò)64億臺智能家居設備在使用或平均每個(gè)使用智能家居的家庭將擁有21臺設備。同時(shí)，研究報告預測，到2019年。消費者在智能家居相關(guān)硬件、服務(wù)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(cháng)率增長(cháng)到2023年的1570億美元呵。另?yè)�全球統計數據庫statista統計，全球智能家居市場(chǎng)規模2015年已達到485億美元，預計2021年將達793億美元：另?yè)嗀BI Research公司樂(lè )觀(guān)預測。2021 年全球智能家居市場(chǎng)規模將突破千億美元".

　　從英國市場(chǎng)研究公司Global Web Index統計的數據來(lái)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(lián)網(wǎng)用戶(hù)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(cháng)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(fā)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(cháng)，這些數據充分說(shuō)明智能家居設備仍擁有巨大的市場(chǎng)潛力。

　　隨著(zhù)人工智能的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用。人們對智能家居產(chǎn)品的需求越來(lái)越迫切，但從目前的情況來(lái)看，智能家居行業(yè)仍有很多的問(wèn)題需要解決。-.是各種智能家居產(chǎn)品兼容性較差。存在"通訊協(xié)議不統一-"、"設備之間不互聯(lián)"等問(wèn)題。市面上一些智能家居產(chǎn)品存在多種通訊協(xié)議，如美國X-10采用電力線(xiàn)路載波通訊協(xié)（08,阿里ee天貓精靈系列主推藍牙Mesh通訊協(xié)議回，小米米家智能家居產(chǎn)品主要采用WiFi、ZigBee 和藍牙三種通訊協(xié)議021.如果一個(gè)家庭同時(shí)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(chǎng)家配套的控制系統或APP才能實(shí)現智能控制功能。二是一些智能家居產(chǎn) 品開(kāi)發(fā)、安裝和維護成本高，特別是為用戶(hù)定制開(kāi)發(fā)的產(chǎn)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(wǎng)絡(luò )視頻監控功能，購買(mǎi)國內成套產(chǎn)品至少需要3至5萬(wàn)元，國外產(chǎn)品價(jià)格則更高，至少需要10萬(wàn)元以上。如果定制開(kāi)發(fā)價(jià)格會(huì )更高。而且。如果產(chǎn)品發(fā)生故障，需要原生成家提供維護服務(wù)，進(jìn)-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(kāi)發(fā)，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(lè )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(hù)自動(dòng)控制功能

　　2.1.5窗簾自動(dòng)控制功能

　　2.1.6澆灌自動(dòng)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(xiàn)檢測模塊電路

　　3.2.8雨量檢測模塊電路設計

　　3.2.9風(fēng)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(hù)、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(méi)

　　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(kāi)發(fā)環(huán)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(shí)現

　　4.4手機APP軟件設計與實(shí)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(hù)自動(dòng)控制功能測試

　　5.1.5窗簾自動(dòng)控制功能測試

　　5.1.6澆灌自動(dòng)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(guò)查閱國內外有關(guān)資料文獻和市場(chǎng)調研，分析了目前國內外智能家居產(chǎn)品的現狀及存在的問(wèn)題。從普通家庭實(shí)際需求出發(fā)，設計并實(shí)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(guò)溫濕度傳感器模塊來(lái)監測環(huán)境溫濕度情況。配合OLED12864液晶顯示屏和手機APP,實(shí)現了家居環(huán)境溫濕度監測功能。

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

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

　　（4）系統通過(guò)風(fēng)速、雨量傳感器模塊來(lái)采集環(huán)境風(fēng)速、雨量情況，自動(dòng)控制繼電器開(kāi)關(guān)控制模塊工作。實(shí)現了窗戶(hù)開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制功能。

　　（5）系統通過(guò)感光傳感器模塊采集環(huán)境光線(xiàn)情況，控制維電器開(kāi)關(guān)控制模塊工作，實(shí)現了窗簾開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制功能。

　　（6）系統通過(guò)土壤濕度傳感器模塊采集陽(yáng)臺景觀(guān)植物土壤濕度情況，控制繼電器開(kāi)關(guān)控制模塊工作，實(shí)現了陽(yáng)臺最觀(guān)植物澆灌自動(dòng)控制功能。

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

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)如下：

　　（I）系統基于機智云云平臺二次設計開(kāi)發(fā)，節省了服務(wù)器采購成本和開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建成本以及時(shí)間成本。同時(shí)，基于機智云云平臺源代碼開(kāi)發(fā)手機APP,操作界面簡(jiǎn)單，降低了手機APP的開(kāi)發(fā)難度和時(shí)間成本。

　　（2）系統以普通家庭的實(shí)際需求出發(fā)，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(hù)、窗簾和澆灌自動(dòng)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(chǎn)品功能更加豐富。

　　（3）系統采用了即插即用的市面常見(jiàn)的傳感器模塊，模塊發(fā)生故障時(shí)可以直接更換替代：通過(guò)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(jìn)-步提高。控制系統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(fēng)速傳感器等模塊，這些傳粥器模塊雖然能滿(mǎn)足控制系統采集功能，但是整體精度不是很高，存在著(zhù)- - 定的誤差，影響系統的可靠性。

　　（2）使用范圍存在局限性。控制系統雖然通過(guò)WiFi實(shí)現了聯(lián)網(wǎng)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(jìn)一步 完善。控制系統目前能實(shí)現的報警功能有較大的局限性，目前僅能滿(mǎn)足聲光報警提醒，還沒(méi)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(shí)現并通過(guò)了相關(guān)功能測試，但還存在一-些不足之處，有待在今后的學(xué)習和工作中維續進(jìn)行研究。對今后研究的幾點(diǎn)展望如下：

　　（1）進(jìn)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(zhuān)業(yè)的傳感器來(lái)解決可靠性方面的問(wèn)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(jìn)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(wǎng)技術(shù)，實(shí)現節點(diǎn)更多、功能更強。范圍更廣的智能家居控制系統。

　　（3）進(jìn)-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(yǔ)音功能。用戶(hù)可以打開(kāi)遠程視頻監控功能實(shí)時(shí)查看家中的視頻監控畫(huà)面，當有盜竊或火宅發(fā)生是可以及時(shí)撥打報警電話(huà)。通過(guò)語(yǔ)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(xué)習生活即將告一段落，此時(shí)此刻有太多感澈與感恩的話(huà)語(yǔ)，但都無(wú)法完全表達自己的心情！首先，我要感謝我的學(xué)校導師李向寧教授！第- -次因學(xué)位論文選題失誤而造成論文提交未獲通過(guò)，我曾一-度深感失落。

　　對接下來(lái)的論文選題猶豫不決，長(cháng)時(shí)間無(wú)法確定研究方向。學(xué)校導師李向寧教授主動(dòng)聯(lián)系我，給予了我很大的鼓勵，為我的論文選題進(jìn)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(shí)物制作和論文寫(xiě)作的過(guò)程中，李向寧教授經(jīng)常關(guān)心我的論文和實(shí)物進(jìn)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(zhuān)業(yè)的參考意見(jiàn)和建議，給了我很多的啟發(fā)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(yè)導師四川省水電集團建設管理部部長(cháng)。高級工程師蔣道華，為我的論文寫(xiě)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(jiàn)。

　　在我的論文撰寫(xiě)和實(shí)物制作過(guò)程中，我還得到了現單位同事和以前大學(xué)同學(xué)的支持和幫助，借此機會(huì )向他們表示衷心的感謝。同時(shí)，我還要特別感謝我的家人們給我的無(wú)微不至的關(guān)懷和照順，在在職研究生學(xué)習和論文寫(xiě)作過(guò)程中，他們一直都在默默地關(guān)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(xué)，感謝在職研究生學(xué)習期間傳道受業(yè)解感的諸位老師以及我的各位同學(xué)們！由于本人學(xué)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(zhuān)家批評斧正。在此一井表示感謝！

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