如何实现智能家居系统的设计？

引言

作为电子专业本科毕业生既需要撰写毕业论文，又需要做出毕业设计实物。很开心，在前几日我的答辩正式结束，现在此对我所做的毕业设计做一个总结和分享，希望对本项目有兴趣的同学能有所收获。同时，如果有问题或者需要代做同学可以私信我哦，此项目可应用于环境监测和智能家居！
实现的功能

• 监测空气中温度、湿度、光照和空气质量等环境因素；
  
• 控制模拟的“家居”：门、灯、窗帘、风扇；
  
• 监测数据OLED显示、手机显示、电脑显示；
  
• 控制方式：按键控制、手机控制、电脑控制；
  
• 环境因素可视化展示；
  
• 环境因素超标平台自动报警；
  
  

硬件选型

本部分主要介绍硬件选择的原因，具体使用方法可以在购买元器件的时候向商家索要。
主控模块

主控模块选用的是STM32F103C8T6。选择这款芯片的主要原因是性价比，相较于51，32具有强大外设接口和较高的运行速度。并且大多数同学本科阶段也使用过 ，所以应用起来也是很方便。

无线通信模块

无线通信模块选用的是ESP01S。基于此模块首先考虑的是通信方式，如果不谈应用场景，比较传输速度、传输距离和安全性，zigbee和蓝牙会是更好的选择。但是在智能家居的场景下，wifi会是更优选择，因为当下wifi技术基本普及到了每个家庭。接下来是芯片的选择，安信可的ESP8266模组，其具体的区分主要体现在封装方式、硬件配置、资源引脚等等方面。具体的区分可以参考安信可官网给出的文档说明，please click！

数据采集模块

温湿度监测

本设计中温湿度检测模块选取的是DHT11。DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。此传感器使用起来简单，精度和性能参数足够满足环境监测的场景。
DHT11遵从单总线协议，有严格的时序要求。主机先要发送一个至少18ms的低电平，在这个过程中，DHT11内部完成AD转换等操作，当主机拉高后，有20-40us时间，这个时间用于主机做输入输出切换，当主机释放总线控制权（此时主机为输入状态，总线被上拉电阻拉高），DHT11尝试将总线拉低，成功拉低后就开始准备发送数据了，再拉高一次就开始传输数据了。
空气质量监测

空气监测选用的是MQ135。MQ系列传感器是监测空气环境最常用的传感器，大概十几个都是针对不同污染物进行检测的，本次实验我们采用的是MQ135，主要针对氨气、苯、酒精、烟雾颗粒进行空气质量检测，同样根据自己的需求可以选择其他型号的传感器吧，比如烟雾、酒精、一氧化碳等等。

光照监测

光照监测模块选用的是BH1750模块。在最开始设计的时候并没有将此项监测放在考虑范围，考虑到家庭中可以能会根据此项监测进行开关灯的操作。而最常用的是BH1750模块，该模块遵循IIC协议，在硬件配置和代码书写的时候需要格外注意。

数据展示模块

数据展示模块选用的是OLED模块。数据显示无非就是OLED、LCD、TFT屏幕等，该模块起到的作用只是辅助进行监测，考虑性价比因素最终选取0.96寸OLED屏幕显示。

家具模拟模块

家具模拟模块主要是模拟到了门、窗、灯和风扇。具体是通过步进电机、舵机、LED灯和风扇模块实现的。在某宝直接购买就可以，而应用也很简单，配置IO口的工作模式，控制GPIO口输出的高低电平即可。
云平台选择

本设计云平台选用的是中国移动的OneNET物联网云平台。
在设计之前考虑过很多物联网云平台：OneNet、机智云、阿里云等等。最终经过比较选择采用机智云或者OneNET其中一个，在此针对两个云平台的使用范围进行说明。

• OneNET：更适合已有工程文件，在此基础之上继续进行开发。
  
• 机智云：适合没有工程文件，从刚开始就选择使用该物联网云平台。可以在平台上生成代码包进行开发。
  
  

代码编写

代码部分所有内容比较多，在此只展示部分主函数代码。除此之外，数据上云格式定义、命令下发、各个模块的驱动函数同样重要，在此不进行详细展示。

软件设计
整个代码工程内容相对较大，在此就不进行详细的展示了如果有需要可以私信我。在此只展示部分主函数代码和相关头文件等，除此之外，数据上云格式定义、命令下发、各个模块的驱动函数同样重要！


头文件
#include "stm32f10x.h"
#include "stdio.h"
#include "math.h"
#include "delay.h"
#include "string.h"       
#include "dht11.h"
#include "BH1750.h"
#include "adc.h"
#include "led.h"
#include "OLED_I2C.h"
#include "usart.h"
#include "timer.h"
#include "exti.h"
#include "key.h"
#include "door_bsp.h"
#include "fan.h"
#include "esp8266.h"
#include "MqttKit.h"
#include "onenet.h"


主函数
typedef struct{                                        //定义结构体
        uint8_t temp;                                //温度
        uint8_t humi;                                //湿度
        float mq;                                        //MQ135传感器
        float sun;                                        //光照强度传感器
        uint8_t LED_FLAG;                        //LED
        uint8_t FAN_FLAG;                        //风扇
        uint8_t DOOR_FLAG;                        //步进电机
        uint8_t WARNING_FLAG;                //步进电机
}SendData;


extern SendData send_data;
extern uint8_t cmd_rev_flag;
SendData send_data = {0, 0, 0.0, 0.0, 0 , 0 , 0 ,0};        //初始化
uint8_t cmd_rev_flag = 0;


int main(void)
{
        unsigned char *data_ptr = NULL;
        unsigned short timeCount = 0;        //发送间隔变量
        Hardware_Init();
        Net_Init();
        while(1)
        {                 
                if(++timeCount >= 200 || (cmd_rev_flag == 1))       
{       
                        DHT11_Read_Data(&send_data.temp,&send_data.humi);
                        send_data.mq=(float)(Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10))*(3.3/4096);       
                        send_data.sun = LIght_Intensity();                                                                                 
                        OneNet_SendData();        //发送数据
                        timeCount = 0;
                        cmd_rev_flag=0;
                        ESP8266_Clear();
                }
                data_ptr = ESP8266_GetIPD(0);                //检查是否有下发指定
                if(data_ptr != NULL)
                        OneNet_RevPro(data_ptr);
                delay_ms(10);
        }                 
}


硬件初始化
void Hardware_Init(void)
{
        delay_init();                            //延时函数初始化
        TIM2_Int_Init(4999,7199);          //用于OLED显示
        Usart1_Init(115200);                //串口调试
        Usart2_Init(115200);                //esp8266--stm32通信
        OLED_Init();                                //OLED初始化
        OLED_CLS();
        KEY_Init();                                        //按键初始化
        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
                                                                //设置中断优先级分组2，为后面外部中断做基础
        EXTIX_Init();                                //判断键值执行操作
        DHT11_Init();                                //温湿度传感器初始化
        Adc_Init();                                        //空气检测初始化
        BH1750_Init();                                //光照
        TIM3_Int_Init(4999,7199);          //报警显示
        ESP8266_Init();                                //初始化ESP8266
        while(OneNet_DevLink())                //接入OneNET
        delay_ms(500);
}       


   结果展示

实物图与手机界面展示


云平台数据可视化界面


云平台控制界面展示


可扩展功能

该系统具有很高的扩展性，做出基础模型之后可以进行二次开发。需要注意的是将硬件资源分配好。

• 语音模块。语音控制智能家居的状态。
  
• 安防系统。添加指纹、RFID、面部识别等开门方式。
  
• 告警系统。目前只是遇到告警平台自动提醒，可以添加短信通知功能。
  
• 自动控制。某项环境因素达到某项值，自动改变智能家居的状态。
  
• 模式选择。居家多种模式自动切换，娱乐模式、休息模式、离家模式等等，家具可以对应着不同状态。
  
• ……
  
  

总结

本来计划这部分要写遇到的问题的总结，但是想了一下问题太多并不能一下子说清楚，如果有请私信，必要的话单独写一篇。整理来说，本设计实现的功能是：四测三显两控一平台，基本实现了智能家居的要求，但是这些都是基础的模拟。
本设计硬件的选型及测试是本着低成本、低功耗、高集成、高仿真度的原则来进行实施的，所以整个系统有很多优点。首先，本设计对于智能家居控制系统的模拟从传统到智能、从前端到后端覆盖面、还原度还是比较高的；其次，系统的兼容性和可扩展移植性较高，基于此可以进行再次开发，比如：添加语音模块、改变更高精度的传感器等等；最后就是应用性较强，当有独立电源之后可以直接应用的实际当中，达到监控的作用。
行文至此，差不多啦，如果还有不到位请指出再完善~