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          一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统

          添加时间:2021/12/14 来源:未知 作者:乐枫
          在国家政策的支持下,我国越来越多的科技公司进军智能家居市场,推出了很多基于自身标准的智能家居产品,这些智能家居产品种类繁多,但是功能参差不齐,采够、使用和维护成本较高,操作复杂,因此普通家庭难以推广使用。
          以下为本篇论文正文:

            摘要

            随着世界经济的快速发展和人类社会的不断进步,人们的物质条件越来越好,生活水平不断提高,越来越多的科学技术成果融入到人们的日常生活中来,智能家居产品就是科技时代的一种标志性产物。目前,国外一些发达国家因为研究起步较早,智能家居产品功能相对成熟,但是国外的智能家居产品主要为有一定经济实力的高端消费者定制开发,社会普及率并不高。在国家政策的支持下,我国越来越多的科技公司进军智能家居市场,推出了很多基于自身标准的智能家居产品,这些智能家居产品种类繁多,但是功能参差不齐,采够、使用和维护成本较高,操作复杂,因此普通家庭难以推广使用。

            针对上述问题,本文从普通家庭实际功能需求出发,运用单片机技术和传感器技术,开发并实现了一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统。系统以家庭WiFi作为通信方案,结合机智云云平台,集成了家居环境温湿度监测功能、火灾防盗报警功能、窗户、窗帘开关自动控制功能、阳台景观植物自动浇灌功能以及手机APP远程监测和控制功能。本文研究一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统,拥有自动和远程两种控制模式,具有开发、安装和维护成本低,操作简单等特点。

            本文从普通家庭功能需求出发,对系统功能需求进行分析。硬件设计方面,结合系统功能需求,本文选择以STM32F103C8T6最小系统?樽魑低晨刂坪诵,确定了各种传感器?檠⌒,完成了系统硬件结构设计;在分析了各种传感器?樾阅艿幕∩,完成系统硬件接口电路设计。软件设计方面,结合机智云云平台特点和优势分析,本文从STM32单片机软件程序设计、ESP8266WiFi通信?楣碳砑迪、机智云云平台设计与实现、手机APP软件设计与实现等四个部分完成系统软件设计,实现控制系统、手机APP和机智云云平台的互联互通。

            最后,本文通过对系统功能测试,验证了控制系统的功能性需求。测试结果表明,本文研宄的一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统能够满足普通家庭功能需求,而且实现了开发、安装和维护成本低,操作简单的目的。

            关键词:智能家居,控制系统,STM32,单片机

            目录

            第一章绪论

            1.1选题的背景及意义

            智能家居(smart home, home automatiom)是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术。自动控制技术。音视频技术将家居生活有关的设施集成。构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境".自1984年美国联合科技公司(UnitedTechnologies Building System)研发并成功建造了世界上第一-座 "智能型建筑"之后,智能家居作为一种"新兴事物"引发世界各国广泛关注。世界各国开始争先恐后的对智能家居展开研究。随着科学技术的不断进步特别是近年来物联网技术的快速发展,进一步加快了智能家居系统研发的步伐。

            1946年第一台电子计算机诞生以来,电子技术和半导体技术不断发展进步,从电子管--晶体管-- 集成电路一- 大规模 集成电路快速发展,使得计算机的体积变得更小、性能越来越强1-31.20世紀70年代诞生的单片机,它是利用大规模集成电路技术把中央处理单元(Center Processing Unit,也即常称的CPU)和数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他10通信口集成在一块芯片 上,构成一个最小的计算机系统用。随着单片机的出现,给人类生活带来了根本性的改变,现代科学研究也得到了质的飞跃。单片机以其高可靠性、高性能价格比,广泛运用于工业控制系统、數据采集系统、办公自动化、智能化仪器、仪表、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,具有十分重要的意义。当下。单片机产品已广泛进入普通家庭。

          多功能智能家居控制系统

            从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视頻器材、再到电子秤量设备,到处都可以见到单片机的踪影。对社会经济的发展产生了-定的作用161.单片机技术开发和应用水平已成为是一-个国家现代科技水平的重要标志。

            目前,以单片机为核心研发的各类控制系统已经运用到人们日常生活的各个场景中。比如,工厂生产流水线控制、交通信号灯控制、住宅电梯控制、健康状态监测、食品安全检测等等以,为我们的日常生产、生活提供了很多的便利。随着当前社会的高速发展,人们生活水平8益提高,人们对家居环境舒适度、安全性的向往和追求也越来越高。市场上具有智能功能、操作简单方便、适应于大众生活的家电设备越来越得到人们的青睐。但是,目前市面上能满足人们日常居家生活需要的智能家居控制系统相对较少,且部分智能家居控制系统仅能实现某-方面的功能,如环境灯光控制,环境温、湿度监测,火灾报警等等。这些智能家居控制系统功能单-,各系统之间往往互不兼容或是兼容性不好,功能难以进行有效的整合?煽啃越喜、价格高、操作:复杂10.

            随着近年WFi无线通信技术、4G. 5G移动通信技术以及物联网技术的快速发展和曾及应用1-21,同时在国家政策的大力支持下IU],以单片机作为核心的基于云技术的智能家居控制系统正加速融入到人们的日常生活中来。这些智能家居控制系统功能更加丰富、性能更加可靠,面且性价比更高、操作和检修维护更加方便,无需复杂的布线工程,通过无线通信技术将家中的各种电器设备、安防监控设备以及环境信息监测设备等连接到-起,井进行集中管理。这些智能家居控制系统通过手机APP就可以实现家电设备远程控制(如影音视频设备、照明、窗帘窗户、空调、厨房电器等等)、防盗报警提醒、家居环境温湿度及有害气体监测等多种功能。更加安全、高效[14151.

            据Strategy Analytics最新发布的《2019 年全球智能家居市场》研究报告,截至2018年底。全球智能家居设备已有2亿多家庭在使用:到2023年,这个数据将再增加1亿。到2023年底,将有超过64亿台智能家居设备在使用或平均每个使用智能家居的家庭将拥有21台设备。同时,研究报告预测,到2019年。消费者在智能家居相关硬件、服务和安装费用上的支出将达到1030 亿美元(约合人民币7340亿元) ,并将以11%的复合年均增长率增长到2023年的1570亿美元呵。另据全球统计数据库statista统计,全球智能家居市场规模2015年已达到485亿美元,预计2021年将达793亿美元:另据ABI Research公司乐观预测。2021 年全球智能家居市场规模将突破千亿美元".

            从英国市场研究公司Global Web Index统计的数据来看,如图1.1所示,2019 年和2020年上半年全球部分国家智能家居设备普及率( 占互联网用户的百分比)最高的是英国,占比21%,美国占比18.9%紧随其后:加拿大智能家居普及率增幅最快,2020年上半年比2019年增长了5.7%.此外,统计数据还显示包括英国、美国、加拿大在内的一-些主要欧美发达国家。智能家居设备普及率在20%左右:我国的智能家居:

            普及率在2020年上半年达到了13.5%, 较2019年出现了负增长,这些数据充分说明智能家居设备仍拥有巨大的市场潜力。

            随着人工智能的发展和物联网技术的运用。人们对智能家居产品的需求越来越迫切,但从目前的情况来看,智能家居行业仍有很多的问题需要解决。-.是各种智能家居产品兼容性较差。存在"通讯协议不统一-"、"设备之间不互联"等问题。市面上一些智能家居产品存在多种通讯协议,如美国X-10采用电力线路载波通讯协(08,阿里ee天猫精灵系列主推蓝牙Mesh通讯协议回,小米米家智能家居产品主要采用WiFi、ZigBee 和蓝牙三种通讯协议021.如果一个家庭同时配置了小米智能硬件。

            海尔智能空调。美的智能冰箱、飞利浦智能电视等。需要安装各厂家配套的控制系统或APP才能实现智能控制功能。二是一些智能家居产 品开发、安装和维护成本高,特别是为用户定制开发的产品,普通家庭难以推广普及。以三居室的家庭为例,配置- .套功能相对完善的智能家居控制系统,包括常规的灯光。电器、窗帘控制功能,安防报警及网络视频监控功能,购买国内成套产品至少需要3至5万元,国外产品价格则更高,至少需要10万元以上。如果定制开发价格会更高。而且。如果产品发生故障,需要原生成家提供维护服务,进-一步增加使用成本。三是市面上-些智能家居系统功能参差不齐。有的是针对某-特定对象开发,如绿米智能家居灯光控制系统,涂鸦安防系统。HOPE家庭背景音乐主机系统等等,与普通家庭的多功能需求还存有一些差异。

            1.2 国内外研究现状

            1.2.1国外研究现状

            1.2.2国内研究现

            1.3 本文的主要工作

            1.4本文组织机构

            第二章系统功能需求分析

            2.1系统功能需求分析

            2.1.1温湿度监测功能

            2.1.2火灾报警功能

            2.1.3防盗报警功能

            2.1.4窗户自动控制功能

            2.1.5窗帘自动控制功能

            2.1.6浇灌自动控制功能

            2.1.7远程监测和控制功能

            2.2.本章小结

            第三章系统硬件设计

            3.1系统硬件结构设

            3.1.1系统主控芯片选择

            3.1.2系统硬件结构设计

            3.2系统硬件电路

            3.2.1 STM32最小系统电路设计

            3.2.2电源?榈缏

            3.2.3 OLED显示?榈缏飞杓

            3.2.4独立按键?榈缏飞杓

            3.2.5烟雾检测?榈缏飞杓

            3.2.6红外防盗?榈缏

            3.2.7光线检测?榈缏

            3.2.8雨量检测?榈缏飞杓

            3.2.9风速检测?榈缏

            3.2.10土壤湿度检测?榈缏飞杓

            3.2.11窗户、窗帘、浇灌控制?榈缏飞杓

            3.2.12 WiFi通信?榈缏飞杓

            3.2.13温湿度检测?榈缏飞杓

            3.2.14声光报警?榈缏访

            3.3本章小结 .

            第四章系统软件设计

            4.1 STM32单片机软件程序

            4.1.1 STM32程序开发环境

            4.1.2 STM32主程序流程设计

            4.1.3 STM32主要功能?槌绦蛏杓

            4.2 ESP8266 WiFi通信?楣碳砑

            4.3机智云云平台设计与实现

            4.4手机APP软件设计与实现

            第五章系统功能测试

            5.1系统功能测

            5.1.1温湿度监测功能测

            5.1.2火灾报警功能测试

            5.1.3防盗报警功能测试

            5.1.4窗户自动控制功能测试

            5.1.5窗帘自动控制功能测试

            5.1.6浇灌自动控制功能测

            5.1.7远程监测和控制功能测试

            第六章总结与 展望

            6.1总结

            本文通过查阅国内外有关资料文献和市场调研,分析了目前国内外智能家居产品的現状及存在的问题。从普通家庭实际需求出发,设计并实现了一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统。

            本文的主要研究成果如下:

           。1)系统通过温湿度传感器?槔醇嗖饣肪澄率惹榭。配合OLED12864液晶显示屏和手机APP,实现了家居环境温湿度监测功能。

           。2)系统通过烟雾传感器?椴杉肪逞涛砼ǘ惹榭,配合蜂鸣器和LED指示灯,实现了火灾声光报警功能。

           。3)系统通过反射式红外传感器?槔醇觳饽承┨囟ㄇ牵ㄈ绱盎、入户门等)是否有人非法闷入,配合蜂鸣器和LED指示灯,实现了防盗声光报警功能。

           。4)系统通过风速、雨量传感器?槔床杉肪撤缢、雨量情况,自动控制继电器开关控制?楣ぷ。实现了窗户开关自动控制功能。

           。5)系统通过感光传感器?椴杉肪彻庀咔榭,控制维电器开关控制?楣ぷ,实现了窗帘开关自动控制功能。

           。6)系统通过土壤湿度传感器?椴杉籼ň肮壑参锿寥朗惹榭,控制继电器开关控制?楣ぷ,实现了阳台最观植物浇灌自动控制功能。

           。7)系统通过WiFi通信?楹突窃圃破教ㄊ萁换,实现了手机APP远程监测和控制功能。

            本文的创新点如下:

           。↖)系统基于机智云云平台二次设计开发,节省了服务器采购成本和开发环境搭建成本以及时间成本。同时,基于机智云云平台源代码开发手机APP,操作界面简单,降低了手机APP的开发难度和时间成本。

           。2)系统以普通家庭的实际需求出发,主要集成了温混度监测功能、火灾根警功能、防盜报警功能、窗户、窗帘和浇灌自动控制功能以及远程监测和控制等功能,比目前市面上的一些智能家居产品功能更加丰富。

           。3)系统采用了即插即用的市面常见的传感器?,?榉⑸收鲜笨梢灾苯痈惶娲和ü彝iFi连接机智云公平台,有效降低了使用和维护成本。

            本文的不足如下:

           。1)系统可靠性有待进-步提高?刂葡低成杓撇捎昧顺杀镜土难涛泶衅、土壤湿度传感器、红外传感器、风速传感器等?,这些传粥器?樗淙荒苈憧刂葡低巢杉δ,但是整体精度不是很高,存在着- - 定的误差,影响系统的可靠性。

           。2)使用范围存在局限性?刂葡低乘淙煌ü齏iFi实现了联网远程控制,但是控制效果略显粗糙。受家庭WiFi信号覆盖范围的限制,本控制系统的使用范围也一样受到限制。

           。3)功能有待进一步 完善?刂葡低衬壳澳苁迪值谋ňδ苡薪洗蟮木窒扌,目前仅能满足声光报警提醒,还没有加入远程视频监控功能。

            6.2展望

            控制系统虽然按照设计构想实现并通过了相关功能测试,但还存在一-些不足之处,有待在今后的学习和工作中维续进行研究。对今后研究的几点展望如下:

           。1)进一步加强系统可靠性方面研究。今后的研究中可以考虑用精度更高的、更专业的传感器来解决可靠性方面的问题,井将温湿度传感器、光敏传感器?椴杉氖菰擞玫郊彝タ盏、加湿器、灯光等设备的控制上去。

           。2)进一步扩大使用范围。今后研究中可以考虑使用4G. sG?樘娲鶺iFi,或者是采用ZigBee组网技术,实现节点更多、功能更强。范围更广的智能家居控制系统。

           。3)进-一步增强系统功能。今后研究中可以考虑增加远程视颊监控功能和语音功能。用户可以打开远程视频监控功能实时查看家中的视频监控画面,当有盗窃或火宅发生是可以及时拨打报警电话。通过语音吓退偷盗者,而且视颊监控图像资料也可以为破案提供依据。

            致谢

            光阴似箭,日月如梭,我的在职研究生学习生活即将告一段落,此时此刻有太多感澈与感恩的话语,但都无法完全表达自己的心情!首先,我要感谢我的学校导师李向宁教授!第- -次因学位论文选题失误而造成论文提交未获通过,我曾一-度深感失落。

            对接下来的论文选题犹豫不决,长时间无法确定研究方向。学校导师李向宁教授主动联系我,给予了我很大的鼓励,为我的论文选题进行方向性指导,最终我重新确定了论文题日和研究方向。在控制系统实物制作和论文写作的过程中,李向宁教授经常关心我的论文和实物进展情况,给子了我悉心的指导和帮助。尤其在系统功能和结构设计方面给我提出了很多专业的参考意见和建议,给了我很多的启发和帮助。在此,我谨向李老师表示我最诚挚的感谢!

            我还要特别感谢我的企业导师四川省水电集团建设管理部部长。高級工程师蒋道华,为我的论文写作方面提供的悉心指导。并对系统功能提出了许多中肯的建议意见。

            在我的论文撰写和实物制作过程中,我还得到了现单位同事和以前大学同学的支持和帮助,借此机会向他们表示衷心的感谢。同时,我还要特别感谢我的家人们给我的无微不至的关怀和照顺,在在职研究生学习和论文写作过程中,他们一直都在默默地关心我、支持我,他们是我努力奋斗4的坚强后盾。

            最后,我要感谢我的母校西安电子科技大学,感谢在职研究生学习期间传道受业解感的诸位老师以及我的各位同学们!由于本人学识和能力水平有限,论文中难免存在偏颇和不要之处,敬请各位老师和专家批评斧正。在此一井表示感谢!

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