随着先进科学技术水平的发展，传统的家电控制方式已经越来越不适用现阶段人们快速的生活节奏，传统的人工控制效率低下，不够智能化。智能家居的兴起很好的解决了这个问题，智能家居可以尽可能的通过现代技术方便人们生活，工作，学习的需要。智能家居系统是在信息技术的基础之上构建的，它能够有效提高家居的质量，增强生活的方便性，提升相关设备的智能性，也因此，人们目前也针对以单片机为基础的智能家居控制系统给予了大量的关注。
在这样的背景条件下，本项目在STM32单片机的基础之上，有效集成了温湿度感应、液晶显示、输入、通信、LED控制以及继电器等七大模块，实现了智能家居控制系统的开发工作，从而让当前不断增多的需求得到有效实现，保障群众生活水平的稳步提升。
关键词：智能家居，家居模块，STM32，蓝牙；
Abstract
With the development of advanced science and technology, traditional home appliance control methods have become less and less suitable for people's fast pace of life at this stage. Traditional manual control is inefficient and not intelligent enough. The rise of smart homes has solved this problem very well. Smart homes can make people's life, work and learning needs as convenient as possible through modern technology. The core of smart home is to use computer technology, communication technology and other advanced technologies to improve the home environment, make home life more comfortable and convenient, home appliance control is more intelligent, and the smart home control system based on single-chip microcomputer has emerged.
Based on the above, the system uses STM32 single-chip microcomputer as the control core, combined with temperature and humidity acquisition module, liquid crystal display module, key input module, Bluetooth communication module, LED light control module and relay module to form a smart home control system design to satisfy The diversified needs of people's lives, improve people's quality of life.
Key words:Smart home, home module, STM32, Bluetooth;
目 录
1
1 绪论 ............................................................................................................................ 1
1.1 研究的背景和意义 .......................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及应用前景 .......................................................................... 1 1.3 论文结构 .......................................................................................................... 2 2 系统总体设计 ............................................................................................................ 2
2.1 功能设计要求 .................................................................................................. 2 2.2 系统总体设计方案 .......................................................................................... 3 3 硬件系统设计 ............................................................................................................ 3
3.1 单片机控制模块 .............................................................................................. 3 3.2 温湿度采集模块 .............................................................................................. 6 3.3液晶显示模块 ................................................................................................... 6 3.4 按键输入模块 .................................................................................................. 6 3.5 LED灯控制模块 .............................................................................................. 7 3.6 继电器模块 ...................................................................................................... 7 4 系统设计 .................................................................................................................... 8
4.1 软件功能模块 .................................................................................................. 8 4.2 系统主程序流程图 ........................................................................................ 9 4.3 主要模块子程序设计 .................................................................................... 10 5 系统实现 .................................................................................................................. 12
5.1硬件调试 ......................................................................................................... 12 5.2软件调试 ......................................................................................................... 14 总 结 .......................................................................................................................... 15 参考文献 ...................................................................................................................... 16 致 谢 ............................................................................................. 错误!未定义书签。
图表目录
图2-1 系统总体框图 ............................................................................................ 3 图3-1 单片机系统电路图 .................................................................................... 4 图3-2 晶振电路 .................................................................................................... 5 图3-3 复位电路 .................................................................................................... 5 图3-4 电源电路 .................................................................................................... 6
图3-5 温湿度采集模块电路 ................................................................................ 6 图3-6 液晶显示模块电路 .................................................................................... 6 图3-7 按键输入模块电路图 ................................................................................ 7 图3-8 LED灯控制模块电路 ................................................................................. 7 图3-9 继电器驱动模块电路图 ............................................................................ 8 图4-1 主程序流程图 ............................................................................................ 9 图4-2 传感器采集程序流程图 .......................................................................... 10 图4-3 液晶显示子程序流程图 .......................................................................... 11 图4-4 按键扫描子程序流程图 .......................................................................... 11 图5-1 实物连接图 .............................................................................................. 12 图5-2 液晶显示界面图 ...................................................................................... 13 图5-3 按键继电器控制界面图 .......................................................................... 13 图5-4 按键LED灯控制界面图 .......................................................................... 14 表5.1 硬件测试结果 .......................................................................................... 14
1 绪论
1.1 研究的背景和意义
智能家居是以信息技术为基础的家居控制体系，它构建住宅之上，能够实现对相关家居的管理、通信、自动化、信息化等方面的工作，同时能够为用户提供方便舒适且高效率的居住氛围。
当前的经济化境不断提升，群众的生活得到了飞跃式的发展，人们的收入水平也在逐年提高，在这样的环境下，人们对自身家居环境也有了更多的需要，所以亟需智能家居系统的进一步完善。现阶段，智能家居领域主要的业务范围有家用电器的管理、智能照明系统、安保系统以及抄表系统等等，能够借助手机、计算机等相关设备，在联网的情况下对相关的家居设备开展远距离的管理工作，同时能够对房间内的烟雾、门窗进行监管，也能够实现对水电气等方面的自动化抄表和费用管理。这些智能体系能够有效提供用户的生活质量，提高用户使用的方便性以及效率，同时能够显著降低家庭的能源开支，且能够针对各个家庭的具体特点实施个性化的定制方案。
智能家居系统是在信息技术的基础之上构建的，它能够有效提高家居的质量，增强生活的方便性，提升相关设备的智能性，也因此，人们目前也针对各种类型的智能家居控制系统给予了大量的关注，目前也市面上也推出了各种各样的相关系统，也得到了许多用户的青睐。
1.2 国内外研究现状及应用前景
世界上的首个智能建筑诞生于上世纪八十年代的美国，在这之后，有越来越多的发达国家与地区都推出了大量的智能家居设计，得到了非常普遍的使用，而我国对于这个领域却名没有提供较多的重视。
但在近段时间，我国的科技能力日渐增强，互联网技术也逐渐成熟，在这样的基础上，智能化的住宅设计也开始在国内掀起一阵革新的浪潮，相关的智能家居系统犹如过江之鲫纷纷涌现，也催生出了一大批新型的智能家居公司。现阶段，国内已经出现了一大批智控系统，包括小米、天猫在内的一系列品牌的建立也标志着我国智能家居领域的良好发展。
现阶段，家居领域已逐渐融入了各种各样的智能技术，并且也诞生了大量的智能家居设计。在国外方面，各个发达国家的研究人员通力协作，研究得到了整套的“智能家
居”体系。例如可以通过“智能沙发”对电视、电话等设备进行控制，同时还能够辨认当前沙发的使用者，并给出对应的欢迎语音。此外，还可以通过“智能书架”对当前架上的书籍负载进行监管，可以通过“智能药品柜”对其中存储的药物有效期进行监测。而在美国方面，纽约现代博物馆之中布置了智能化的桌子，其中集成了大量的芯片以及网络接口，并能够对手部行为进行检测，并执行对应的操作。德国方面，相关的研究者开发得到了新型的智能轮椅，其中内置了一个精度非常高的导航系统，该设备能够根据传感器实现对附近障碍的检测，并通过内置的计算机得到最优化的行动路线。它能够在车站等人流量较大的场景中良好地工作，且不会出现碰撞。
而在国内方面，智能技术仍旧需要进一步发展，当前的基础底蕴存在不足，技术实力仍有欠缺。当前国内的智能家居设备通常都集中于概念设计，实际的产品也较为简单，没有完善的理论分析，还需要更多的改善。
1.3 论文结构
本文共分四部分对研究内容进行介绍，结构安排如下：
第一部分为绪论和总体设计，主要介绍了课题研究的背景、研究现状、系统功能设计和系统方案等内容；
第二部分主要介绍了硬件设计，包括硬件选择和硬件功能模块设计。
第三部分主要介绍了软件设计，包括软件总体设计、软件系统子程序详细设计等内容；
第四部分是系统测试，分别进行了硬件测试和软件测试，对系统的测试设计了测试方案和测试过程，并对实验结果进行分析与总结。
2 系统总体设计
2.1 功能设计要求
本文介绍一种基于stm32的家居控制系统的设计与实现。以满意人们生活的多样化需要，提升人们的生活质量。实现如下功能：
（1）使用温湿度传感器DHT11实时检测家居环境的温湿度信息，并具有实时显示功能；
（2）使用手机APP实时查看家居环境的温湿度信息功能；
（3）通过手机APP，具有远程控制家居LED灯及家电智能控制功能。
其中，家居模块系统将在本次论文重点介绍，需要实现如下功能： （1）使用温湿度传感器DHT11实时检测家居环境的温湿度信息； （2）具有实时显示家居环境的温湿度信息功能；
（3）具有手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能。 2.2 系统总体设计方案
本项目在STM32单片机核心的基础之上，有效集成了温湿度感应、液晶显示、输入、通信、LED控制以及继电器等七大模块，其整体结构可参考下图：
图2-1系统总体框图
本项目中， DHT11传感器能够实现周围环境里的温湿度数据收集，STM32核心芯片能够对获得的相关信息进行对应的分析和处置，液晶显示模块能够呈现出具体的温湿度数据。按键输入模块用于实现手动控制LED灯亮灭及控制家电功能。
3 硬件系统设计
硬件电路由STM32单片机控制模块、温湿度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、蓝牙通讯模块、LED灯控制模块及继电器模块组成。
3.1 单片机控制模块
本设计采用的是STM32F103C8T6单片机芯片，外围电路由晶振电路和复位电路一
起构成一个单片机最小系统。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的一种低功耗、高性能的32位微控制器，最高运行频率达72MHZ[8]。并且内部资源丰富，含有多路定时器可用，非常适合小型控制系统使用，同时集成度较高，外围电路设计简单，是一款性价比很高的控制芯片。
对于单片机部分，主要包括STM32F103C8T6芯片以及相应的外周电路，后者主要又晶振、复位以及电源等几个部分的电路。该模块的功能是实现对其他模块中相关数据的收集，并根据这些数据给出对应的控制信息。DHT11传感器能够实现周围环境里的温湿度数据收集，STM32核心芯片能够对获得的相关信息进行对应的分析和处置，液晶显示模块能够呈现出具体的温湿度数据。单片机控制模块接收按键输入模块的输入信号，实现手动控制LED灯亮灭及控制家电功能。单片机系统电路图如图3-1所示：
图3-1 单片机系统电路图
3.1.1晶振电路
晶振电路由石英晶体和补偿电容C9、C11构成，产生时钟频率驱动主控芯片工作，在进行PCB布板时，为了减小寄生电容，晶振和电容摆放位置应靠近芯片，同时也可以减小由外部引入的干扰电流，有助于提高振荡器的稳定性[9]。晶振电路如图3-2所示：
图3-2 晶振电路图
3.1.2复位电路
在按下复位键RESET之时，其中的电容元件C8将会产生放电，从而会让NRST端的信号从原本的高电位不断减少成低电位；一旦该按钮弹起，C8将会产生充电现象，从而让NRST端的信号从原本的低电位不断提高到高电位，能够让低电位的信号可以保持若干周期，从而能够在软件系统中对NRST的信号进行检测，并根据其点位变化情况来完成系统的复位功能[10]。电路之中配置的电容与电阻，再加上程序控制，能够防止可能的误操作。其电路结构可参考下图：
图3-3 复位电路图
3.1.3电源电路
本设计中，选用5V的USB电源供电，通过电源芯片转换为3.3V电压输出。3.3V电压给单片机、温度采集模块、液晶显示模块等电路供电。电源电路图如图3-4所示：
图3-4 电源电路图
3.2 温湿度采集模块
本系统中，温湿度采集模块采用DHT11芯片，用于采集家居环境中的温湿度信息。根据DHT11官方数据手册可知，传感器供电电压范围为3.3V到5.5V，其共有4个引脚。分别为电源，串行数据总线，空脚，接地脚。由于采用单总线方式，采用高电平时间长短来区别高低电平，因此具有较长的传输距离，非常适合应用于现场温湿度监控[11]。其电路原理如图3-5所示，采数字接口接入单片机PA5引脚。
图3-5 温湿度采集模块电路图
3.3液晶显示模块
本系统的液晶显示部分选择了OLED屏幕，大小为1.3寸，能够对周围环境的温湿度数据进行呈现。同时通过SPI的方式进行信息的传输，其引脚数为4，四个引脚分别和地相连的GND、和电源相连的VCC、和单片机的PB6相连CE以及和单片机的PB7相连的CSN。液晶显示模块原理图如图3-6所示：
图3-6 液晶显示模块电路图
3.4 按键输入模块
本系统中，按键输入模块用于实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能，有助于提升人机交互体验。按键两端分别于GND以及芯片的I/O端口相连，可以通过编
程的方式确定各个按键的作用[13]。一旦按键按下，那么芯片就能够从对应的端口收到一个低电平信号，可以通过编程的方式确定该信号是来自于哪一个按钮的，从而执行相应的操作，例如对温湿度以及光照数据的修改，以及对相关阈值的设定等。而这些数据可通过OLED显示屏呈现出来。该没款的电路结构可参考下图：
图3-7按键输入模块电路图
3.5 LED灯控制模块
本系统中，单片机接收按键输入信息，当LED灯按键被按下时，单片机控制PC13输出低电平和高电平，从而实现手动控制LED灯亮灭功能。LED灯控制模块电路图如图3-8所示：
图3-8 LED灯控制模块电路图
3.6 继电器模块
本系统中，继电器驱动模块用于实现对家电的智能控制功能。本项目通过三极管驱动的策略完成。下图中二极管D7A的规格为IN4148，能够实现继电器线圈的续流工作，由于线圈在接通以及断开的整个过程之中，系统的电路不应出现突变的情况，所以要设置对应的泄放回路，该项功能就是通过D7A完成的。此外，R11A则是作为限流电阻，能够让三极管获得恰当的基极电流。R12A与D3A共同实现了工作指示回路。在继电器
启动之时，D3A会点亮。此外，常开触点能够实现对外部220V电源的调控，能够提供开关功能。可以将家用电器的电源接在外部插座，单片机控制模块对按键输入进行分析，通过控制继电器的打开和闭合，从而实现对家电的控制功能。系统的继电器驱动模块电路如图3-9所示：
图3-9 继电器驱动模块电路图
4 系统设计
本项目的功能需要软件以及硬件两方面设计的共同支持，后者为前者提供基础，相关的功能需要由前者来完成。因此，软件部分的设计将和系统的整体功能密切相关。本项目的软件设计包括初始化、传感器采集、按键输入模块设计、液晶显示等几大模块。模块化的设计策略能够有效减少系统复杂程度，提高系统的可维护性。
软件设计的主要子程序有：传感器采集程序、OLED液晶显示子程序以及按键扫描子程序。
4.1 软件功能模块
本家居控制模块的软件功能模块包含实时检测、实时显示和手动控制功能。 1．实时检测功能是可以对整个环境的温度、湿度进行实时检测，保证检测数值准确；
2．实时显示功能是可以对整个环境中温度、湿度数值进行实时显示；
3．手动控制功能是可以通过按键模块控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭。
4.2 系统主程序流程图
系统启动之后，主程序的第一步工作就是进行初始化，主要由对相关的系统变量进行定义以及设定初始值，为保证相关温湿度数据的时效性，程序会对DHT11传感器中的相关信息进行循环地查询。程序启动之后的初始化工作中还会对I/O模块进行设定，对显示屏、串口以及相关参数进行设置。初始化后，程序进入循环扫描，程序首先读取DHT11传感器的温度、湿度数据，然后程序调用OLED显示函数，刷新当前温度、湿度值。然后程序对按键扫描，并响应其操作，程序设置有两个按键输入，用于实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能。系统主程序流程图如图4-1所示：
图4-1 主程序流程图
4.3 主要模块子程序设计 4.3.1传感器采集程序
本设计中，传感器采集程序流程图如图4-2所示。图中先进行系统参数初始化，然后初始化传感器配置，温湿度传感器DHT11采集环境中的温湿度信息，并传输给单片机控制模块。
图4-2 传感器采集程序流程图
4.3.2OLED液晶显示子程序
液晶显示子程序主要是实现实时对室内环境温度、湿度信息进行显示。主程序完成初始化程序后，OLED液晶显示初始化界面。温湿度传感器DHT11采集环境中的温湿度信息，单片机驱动显示模块显示对应位数的数值。液晶显示子程序流程图如图4-3所示：
图4-3 液晶显示子程序流程图
4.3.3 按键扫描子程序
按键模块能够对LED灯以及相关家电设备的开关过程进行控制，在主程序中将会循环运行对按键进行监测的子程序，该程序能够确定各个按键的先后顺序，同时能够根据对应的按键执行相应的功能。首先需要针对每个按键的功能进行编程，然后将各个按钮对应的值传输至对应内存中，单片机就能够确定按下的按键编号，执行相关过程。其整体流程可参考下图：
图4-4 按键扫描子程序流程图
5 系统实现
在硬件制作和软件设计过程中遇到很多疑点，针对各种问题需要查阅足够详细的资料。在硬件制作中，了解各元器件的功能特性和引脚后再进行焊接，确保焊接正确。软件设计中，需要注意函数的用法和主程序中各模块函数的调用，应在编程前设计好流程图。
5.1硬件调试
根据电路图，将STM32单片机控制模块、温湿度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、蓝牙通讯模块、LED灯控制模块及继电器模块焊接在电路板上，系统实物连接图如下图5-1系统实物图。
图5-1 实物连接图
实物焊接完后，进行硬件调试工作。本系统并不复杂，系统硬件调试工作相对简单，首先根据电路图检查电路的焊接及管脚连接是否正确，电路板是否存在短路或者断路的现象，单片机控制模块是否可以正常上电，使用万用表检测下电源部分的各个输出电压值是否正常，经调试正常后方可接到各部分电路。
用电吹风在温湿度传感器DHT11上方加热，观察液晶显示上当前温度的数值会升
高。液晶显示界面图如下图5.2所示。
图5-2 液晶显示界面图
按下继电器控制按键，可以观察到继电器能够实现打开和闭合。按键继电器控制界面图如下图5-3所示。
图5-3 按键继电器控制界面图
按下LED灯控制按键，可以观察到LED灯能够实现亮灭。按键LED灯控制界面图如下图5-4所示。
图5-4 按键LED灯控制界面图
对数据采集、数据接收和单片机控制模块的功能进行测试，测试结果如表 5.1所示。
表5.1 硬件测试结果
测试功能
预期结果
可以正确检测环境的温度、
实时检测
湿度
可以显示检测环境的温度、
实时显示
湿度数值
可以通过按键模块控制家居LED灯亮
实际结果
测试是否成功
可以正确检测环境的温度、
湿度
可以显示检测环境的温度、
湿度数值
可以通过按键模块控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭
成功 成功 成功
手动控制 灭及家电打开和关闭
硬件测试结果分析：本系统在测试时，实现应具备的功能。 5.2软件调试
（1）使用Keil软件进行软件代码编写，打开基于STM32的家居控制系统的设计与实现代码；
（2）编译调试程序，若调试出错，修改对应的代码语句，直到程序OK； （3）调试通过后，把编译好的HEX文件下载到STM32F103C8T6单片机中； （4）将调试好的代码程序烧录，观察OLED液晶显示情况。
（5）打开传感器采集程序，观察OLED液晶显示情况，是否显示温度、湿度数据。 （6）打开按键扫描程序，观察是否能够实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭。
软件测试结果分析：软件平台提供了实时检测及实时显示家居环境温度、湿度数值功能，以及实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能，完全能够达到预期效果。
总 结
通过对本系统设计的功能要求，制定了与其相应的设计方案，并且由这个设计方案编写出相应的代码和对其进行各模块的实现和调试，终于实现了基于STM32的家居控制系统的设计与实现，对家居控制系统的构建以及单片机技术的运用有了更深入的了解，对传感器技术的运用有了很大的认知和帮助。
本家居控制模块实现以下功能：
（1）使用温湿度传感器DHT11实时检测家居环境的温湿度信息； （2）具有实时显示家居环境的温湿度信息功能；
（3）具有手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能。
综上所述，本系统完成了系统功能设计要求。但仍存在不足之处，其中，传感器使用的是集成模块DHT11，虽然外围电路设计更加简单，但是整个系统成本也提高了，采集的温度和湿度的精确度还有待进一步改善。
本人从对系统的设计和实现过程中也受益匪浅，今后的日子里，将进一步加强对单片机技术的认识、理解和运用，以及在控制系统中的运用。
今后将在本系统的基础功能上，考虑增加更多的家居环境监测指标，如光照强度、烟雾浓度信息，同时考虑增加蜂鸣器报警模块，使整个系统更加完整，进一步充分了解物联网技术的应用，使整个系统更加智能化，更符合当代的发展潮流。
参考文献
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