基于STM32设计的智能家居控制系统（华为云IOT）

DS小龙哥-嵌入式技术 2023-07-11 3484

描述

1. 功能介绍

随着物联网技术的快速发展，智能家居控制系统成为了人们追求便捷、舒适和安全生活的重要组成部分。为了满足用户对智能家居的需求，设计了一款基于华为云物联网平台的智能家居控制系统，硬件采用了STM32和ESP8266的组合，实现了设备的上云连接。

传统的家居控制系统存在一些不足，比如需要人工操作、无法实现远程控制等。而我们的智能家居控制系统，通过与华为云物联网平台的连接，可以实现远程控制各种电器开关，并且可以远程收集家里煤气、天然气、烟雾、光照度、温度湿度等信息，为用户提供更加智能化和便捷的家居体验。

智能家居控制系统具有以下主要特点和功能：

远程控制：通过与华为云物联网平台的连接，用户可以通过手机APP或者Web界面实现对家里各种电器开关的远程控制。比如，可以远程打开空调、关闭灯光等，无论身在何处都能够实现对家居设备的控制。
多种传感器数据采集：系统采用了多种传感器，包括煤气传感器、天然气传感器、烟雾传感器、光照度传感器、温湿度传感器等，可以实时采集家里的环境信息。这些数据通过ESP8266模块上传到华为云物联网平台，用户可以随时查看家居环境的状态。
安全监测：通过煤气传感器、天然气传感器和烟雾传感器等，我们的系统可以实时监测家里的安全状况。一旦检测到异常情况，比如煤气泄漏或者火灾，系统会立即发送警报通知用户，保障家庭安全。
智能化场景设置：基于华为云物联网平台的数据处理能力，智能家居控制系统可以实现智能化的场景设置。比如，用户可以根据时间、温度、湿度等条件，设置自动调节空调温度，实现节能和舒适的效果。

硬件介绍:

主控MCU: STM32F103ZET6

烟雾检测传感器: MQ2

天然气检测传感:MQ5

温度湿度检测传感器: DHT11

光照强度检测传感器: BH1750

物联网云平台: 华为云物联网平台

电器开关模拟采用板载的LED灯、继电器。

WIFI: ESP8266 这是支持串口AT指令控制的WIFI模块，联网比较方便。

与华为云物联网平台通信的协议: MQTT

说明: 当前程序里的MQTT协议代码是参考MQTT官方文档编写的，不是使用ESP8266内置的，所以程序并不依赖ESP8266专用或者指定的SDK，使用任意可以上网的网卡都可以套用，并不是一定非要使用ESP8266。

2. 登录华为云创建云端设备

2.1 创建产品

华为运官网: https://www.huaweicloud.com/

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在这里可以查看接入的协议的端口号和地址。

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MQTT (1883) a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com

我们设备接入的协议选择MQTT，端口对应是1883

接下来继续创建产品，点击产品页面，点击右上角创建产品：

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2.2 创建设备

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这是我的设备信息:

设备ID
 61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot
 
 设备密钥
 1126626497
     
 {
     "device_id": "61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot",
     "secret": "1126626497"
 }

2.3 产品模型定义

这一步就是设置上报设备的属性，也就是设备的数据类型定义。

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2.4 生成MQTT登录密匙

创建完产品、设备之后，接下来就需要知道如何通过MQTT协议登陆华为云服务器。

官方的详细介绍在这里: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html#ZH-CN_TOPIC_0240834853__zh-cn_topic_0251997880_li365284516112

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MQTT设备登陆密匙生成地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/

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下面就得到了MQTT协议设备登录的参数。

2.5 使用MQTT客户端软件登录

所有的参数已经得到，接下来采用MQTT客户端登录华为云进行测试。

下面这个软件是自己开发的，为了方便测试MQTT协议登录。

华为云物联网平台的域名是: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com

华为云物联网平台的IP地址是: 121.36.42.100

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在软件里参数填充正确之后，就看到设备已经连接成功了。

接下来打开设备页面，可以看到设备已经在线了。

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2.6 上报数据

官方文档: https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html#ZH-CN_TOPIC_0240834853__zh-cn_topic_0251997880_li365284516112

在这个文档里介绍了MQTT上报数据的格式。

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总结的格式:

//订阅主题: 平台下发消息给设备
 $oc/devices/61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot/sys/messages/down
 
 //设备上报数据
 $oc/devices/61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot/sys/properties/report
 
 //上报的属性消息 (一次可以上报多个属性,在json里增加就行了)
 {"services": [{"service_id": "dht11","properties":{"DHT11-C":50}}]}

下面采用MQTT软件上报数据:

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到此，设备数据已经上报成功，如果需要增加更多的属性，按照流程继续增加即可。

3. STM32+ESP8266上报数据到华为云

项目源码下载： https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/81993720

3.1 硬件设备效果图

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3.2 BH1750.c 光照度传感器

#include "bh1750.h"
float Read_BH1750_Data()
{
    unsigned char t0;
    unsigned char t1;
    float t;
    u8 r_s=0;
    IIC_Start(); //发送起始信号
    IIC_WriteOneByteData(0x46);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
    if(r_s)printf("error:1\\r\\n");
    IIC_WriteOneByteData(0x01);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
     if(r_s)printf("error:2\\r\\n");
    IIC_Stop(); //停止信号 
    
    IIC_Start(); //发送起始信号
    IIC_WriteOneByteData(0x46);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
    if(r_s)printf("error:3\\r\\n");
    IIC_WriteOneByteData(0x01);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
    if(r_s)printf("error:4\\r\\n");
    IIC_Stop(); //停止信号 
    
    IIC_Start(); //发送起始信号
    IIC_WriteOneByteData(0x46);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
    if(r_s)printf("error:5\\r\\n");
    IIC_WriteOneByteData(0x10);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
    if(r_s)printf("error:6\\r\\n");
    IIC_Stop(); //停止信号 
    
    DelayMs(300); //等待
    
    IIC_Start(); //发送起始信号
    IIC_WriteOneByteData(0x47);
    r_s=IIC_GetACK();//获取应答
    if(r_s)printf("error:7\\r\\n");
    
    t0=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
    IIC_SendACK(0); //发送应答信号
    t1=IIC_ReadOneByteData(); //接收数据
    IIC_SendACK(1); //发送非应答信号
    IIC_Stop(); //停止信号
    
     t=(((t0< < 8)|t1)/1.2);
     return t;  
}

3.3 ESP8266.c WIFI代码

#include "esp8266.h"
u8 ESP8266_IP_ADDR[16]; //255.255.255.255
u8 ESP8266_MAC_ADDR[18]; //硬件地址
/*
函数功能: ESP8266命令发送函数
函数返回值:0表示成功  1表示失败
*/
u8 ESP8266_SendCmd(char *cmd)
{
    u8 i,j;
    for(i=0;i< 10;i++) //检测的次数--发送指令的次数
    {
        USARTx_StringSend(USART3,cmd);
        for(j=0;j< 100;j++) //等待的时间
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
            {
                USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\\0';
                USART3_RX_FLAG=0;
                USART3_RX_CNT=0;
                if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"OK"))
                {
                    return 0;
                }
            }
        }
    }
    return 1;
}

/*
函数功能: ESP8266硬件初始化检测函数
函数返回值:0表示成功  1表示失败
*/
u8 ESP8266_Init(void)
{
    //退出透传模式
    USARTx_StringSend(USART3,"+++");
    delay_ms(50);
    return ESP8266_SendCmd("AT\\r\\n");
}


/*
函数功能: TCP服务器模式下的发送函数
发送指令: 
*/
u8 ESP8266_ServerSendData(u8 id,u8 *data,u16 len)
{
    u8 i,j,n;
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    for(i=0;i< 10;i++)
    {
        sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSEND=%d,%d\\r\\n",id,len);
        USARTx_StringSend(USART3,ESP8266_SendCMD);
        for(j=0;j< 10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
            {
                USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\\0';
                USART3_RX_FLAG=0;
                USART3_RX_CNT=0;
                if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER," >"))
                {
                    //继续发送数据
                    USARTx_DataSend(USART3,data,len);
                    //等待数据发送成功
                    for(n=0;n< 200;n++)
                    {
                        delay_ms(50);
                        if(USART3_RX_FLAG)
                        {
                            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\\0';
                            USART3_RX_FLAG=0;
                            USART3_RX_CNT=0;
                            if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"SEND OK"))
                            {
                                return 0;
                            }
                         }            
                    }   
                }
            }
        }
    }
    return 1;
}

/*
函数功能: 配置WIFI为STA模式+TCP客户端模式
函数参数:
char *ssid  创建的热点名称
char *pass  创建的热点密码 （最少8位）
char *p     将要连接的服务器IP地址
u16 port    将要连接的服务器端口号
u8 flag     1表示开启透传模式 0表示关闭透传模式
函数返回值:0表示成功  其他值表示对应的错误
*/
u8 ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(char *ssid,char *pass,char *ip,u16 port,u8 flag)
{
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    //退出透传模式
    //USARTx_StringSend(USART3,"+++");
    //delay_ms(50);
    /*1. 测试硬件*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT\\r\\n"))return 1;
    /*2. 关闭回显*/
    if(ESP8266_SendCmd("ATE0\\r\\n"))return 2;
    /*3. 设置WIFI模式*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=1\\r\\n"))return 3;
    /*4. 复位*/
    ESP8266_SendCmd("AT+RST\\r\\n");
    delay_ms(1000);
    delay_ms(1000);
    delay_ms(1000);
    /*5. 关闭回显*/
    if(ESP8266_SendCmd("ATE0\\r\\n"))return 5;
    /*6. 配置将要连接的WIFI热点信息*/
    sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CWJAP=\\"%s\\",\\"%s\\"\\r\\n",ssid,pass);
    if(ESP8266_SendCmd(ESP8266_SendCMD))return 6;
    /*7. 设置单连接*/
    if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=0\\r\\n"))return 7;
    /*8. 配置要连接的TCP服务器信息*/
    sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSTART=\\"TCP\\",\\"%s\\",%d\\r\\n",ip,port);
    if(ESP8266_SendCmd(ESP8266_SendCMD))return 8;
    /*9. 开启透传模式*/
    if(flag)
    {
       if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPMODE=1\\r\\n"))return 9; //开启
       if(ESP8266_SendCmd("AT+CIPSEND\\r\\n"))return 10;  //开始透传
       if(!(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER," >")))
       {
            return 11;
       }
        //如果想要退出发送:  "+++"
    }
    
     //打印总体信息
    USART1_Printf("WIFI模式:STA+TCP客户端\\n");
    USART1_Printf("Connect_WIFI热点名称:%s\\n",ssid);
    USART1_Printf("Connect_WIFI热点密码:%s\\n",pass);
    USART1_Printf("TCP服务器端口号:%d\\n",port);
    USART1_Printf("TCP服务器IP地址:%s\\n",ip);
    return 0;
}


/*
函数功能: TCP客户端模式下的发送函数
发送指令: 
*/
u8 ESP8266_ClientSendData(u8 *data,u16 len)
{
    u8 i,j,n;
    char ESP8266_SendCMD[100]; //组合发送过程中的命令
    for(i=0;i< 10;i++)
    {
        sprintf(ESP8266_SendCMD,"AT+CIPSEND=%d\\r\\n",len);
        USARTx_StringSend(USART3,ESP8266_SendCMD);
        for(j=0;j< 10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
            {
                USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\\0';
                USART3_RX_FLAG=0;
                USART3_RX_CNT=0;
                if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER," >"))
                {
                    //继续发送数据
                    USARTx_DataSend(USART3,data,len);
                    //等待数据发送成功
                    for(n=0;n< 200;n++)
                    {
                        delay_ms(50);
                        if(USART3_RX_FLAG)
                        {
                            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\\0';
                            USART3_RX_FLAG=0;
                            USART3_RX_CNT=0;
                            if(strstr((char*)USART3_RX_BUFFER,"SEND OK"))
                            {
                                return 0;
                            }
                         }            
                    }   
                }
            }
        }
    }
    return 1;
}

3.4 main.c 主函数

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include < string.h >
#include "timer.h"
#include "esp8266.h"
#include "mqtt.h"
#include "oled.h"
#include "fontdata.h"
#include "bh1750.h"
#include "iic.h"
#include "sht3x.h"


#define ESP8266_WIFI_AP_SSID  "CMCC-Cqvn"   //将要连接的路由器名称 --不要出现中文、空格等特殊字符
#define ESP8266_AP_PASSWORD "99pu58cb"     //将要连接的路由器密码


//华为云服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot_0_0_2021113002"
#define MQTT_UserName "61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot"
#define MQTT_PassWord "74af3bf3024cf9c41b13d6c63fc86e25012b54141ecfcdff3516f08665140e6f"

//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC  "$oc/devices/61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot/sys/messages/down"  //订阅
#define POST_TOPIC "$oc/devices/61a580fad28ce3028832c2d8_esp8266_iot/sys/properties/report"  //发布


char mqtt_message[200];//上报数据缓存区
char OLED_ShowBuff[100];
u8 ESP8266_Stat=0;


/*
函数功能: 温湿度\\光强度显示
*/
void ShowTemperatureAndHumidity(float temp,float humi,float light)
{
    sprintf(OLED_ShowBuff,"T: %.2f",temp);
	OLED_ShowString(40,16*0,16,OLED_ShowBuff); 
    sprintf(OLED_ShowBuff,"H: %.2f%%",humi);
	OLED_ShowString(40,16*1,16,OLED_ShowBuff);
    sprintf(OLED_ShowBuff,"L: %.2f%%",light);
	OLED_ShowString(40,16*2,16,OLED_ShowBuff); 
}

/*
函数功能: ESP8266显示页面
*/
void ESP8266_ShowPageTable(void)
{
    if(ESP8266_Stat)OLED_ShowString(0,16*0,16,"WIFI STAT:ERROR");
    else OLED_ShowString(0,16*0,16,"WIFI STAT:OK");

    //显示字符串
    sprintf((char*)OLED_ShowBuff,"%s",ESP8266_WIFI_AP_SSID);
    OLED_ShowString(0,16*1,16,OLED_ShowBuff);	
    
    sprintf((char*)OLED_ShowBuff,"%s",ESP8266_AP_PASSWORD);   
    OLED_ShowString(0,16*2,16,OLED_ShowBuff);    
}


int main()
{
   u32 time_cnt=0;
   u32 i;
   u8 key;
   u8 page=0;
   float temp=0;
   float humi=0;
   float light=0;
   u8 motor_state=0;
   float Humidity;
   float Temperature;
    
   delay_ms(1000);
   delay_ms(1000);
    
   LED_Init();
   KEY_Init();
   IIC_Init();
    
    //OLED初始化
   OLED_Init(0xc8,0xa1); //OLED显示屏初始化--正常显示;
     //清屏
   OLED_Clear(0);
    
   USART1_Init(115200);
   TIMER1_Init(72,20000); //超时时间20ms

   USART3_Init(115200);//串口-WIFI
   TIMER3_Init(72,20000); //超时时间20ms
    
   Init_SHT30();
    
   USART1_Printf("正在初始化WIFI请稍等.\\n");
   
   if(ESP8266_Init())
   {
      ESP8266_Stat=1;
      USART1_Printf("ESP8266硬件检测错误.\\n");  
   }
   else
   {
      //非加密端口
      USART1_Printf("WIFI:%d\\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(ESP8266_WIFI_AP_SSID,ESP8266_AP_PASSWORD,"121.36.42.100",1883,1));
   }
   
    //2. MQTT协议初始化	
    MQTT_Init(); 
   
    //3. 连接华为云IOT服务器        
    while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
    {
        USART1_Printf("服务器连接失败,正在重试...\\n");
        delay_ms(500);
    }
    USART1_Printf("服务器连接成功.\\n");
    
    
    //3. 订阅主题
    if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
    {
        USART1_Printf("主题订阅失败.\\n");
    }
    else
    {
        USART1_Printf("主题订阅成功.\\n");
    }        
        
    while(1)
    {    
        //按键可以测试
        key=KEY_Scan(0);
        if(key==1)
        {
            //清屏
            OLED_Clear(0);
            
            //翻页
            if(page >=1)
            {
                page=0;
            }
            else
            {
                 page++;
            }         
        
            LED1=!LED1;  //LEd状态灯
        }
        else if(key==2)
        {
            LED1=!LED1;  //LEd状态灯
            time_cnt=0;
            //电机状态改变
            MOTOR_DEV=!MOTOR_DEV;
            //电机状态
            motor_state=MOTOR_DEV;
            //补光灯
            LIGHT_DEV=!LIGHT_DEV;      
        }  
        
        //接收WIFI返回的数据
        if(USART3_RX_FLAG)
        {
            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\\0';
            
            //向串口打印返回的数据
            for(i=0;i< USART3_RX_CNT;i++)
            {
                USART1_Printf("%c",USART3_RX_BUFFER[i]);
            }
            
            USART3_RX_CNT=0;
            USART3_RX_FLAG=0;
        }
              
        //定时与保持与华为云物联网的同步--1秒一次
        delay_ms(10);
        time_cnt++;
        if(time_cnt==50)
        {
            time_cnt=0;
            
            //状态灯 --表示程序还活着
            LED2=!LED2;
            
            //读取光强度
            light=Read_BH1750_Data();
           
            //读取温湿度
            SHT3x_ReadData(&Humidity,&Temperature);
            humi=Humidity;
            temp=Temperature;
            
            //上传数据--温度
			sprintf(mqtt_message,"{\\"services\\": [{\\"service_id\\": \\"dht11\\",\\"properties\\":{\\"DHT11-C\\":%d}}]}",temp);
			
            MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
            //根据湿度自动灌溉
            if(humi< 50.0)  //小于50自动灌溉
            {
                 motor_state=1; //电机状态更新
                 MOTOR_DEV=1;  //开电机
            } 
        }
         
        //OLED显示屏
        if(page==0)
        {
            ShowTemperatureAndHumidity(temp,humi,light);
        }
        else if(page==1)
        {
            ESP8266_ShowPageTable();
        }
    }
}

　　审核编辑：汤梓红

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