【IoT毕业设计】基于机智云平台的智能家居系统
摘要:随着社会的发展，人们对于生活质量的要求越来越高，智能家居作为能够大幅提升人们生活舒适度的一部分，得到了越来越多的人关注，更多方便、实用的智能家居系统急需被提出。
本文设计了一种基于机智云物联网云平台的智能家居系统，采用STM32F401RE控制芯片，WIFI-esp8266模块作为通讯模块，对温度、窗帘、灯光等不同变量进行了集成，使用机智云平台完成数据的交互。经测试系统效果良好，并具有良好的可扩展性。
0引言
人工智能、物联网等相关领域的发展使人们的生活舒适度得到了大幅的提高，能够通过简单的方式对家中的不同家居统一管理，基于云平台的智能家居系统便是为了解决相关问题而被提出[1]。当前市场中很多的智能家居系统需要通过蓝牙连接，无法在远端了解与控制家中的情况，很多家居的控制也没有集成化管理[2]。
本文提出一种基于云平台的智能家居系统，利用STM32F401RE控制芯片，采用机智云平台进行数据传输，针对不同的功能进行硬软件的设计，使用户能够通过手机端远程对家中的情况进行实时的掌控。系统最终能够实时的显示与调节温度，能够对室内窗帘与灯光的状态进行控制，并在温湿度不正常时报警。
1总体方案设计
本文设计的智能家居系统包括通信模块、温湿度监测模块、报警模块、窗帘控制模块、散热模块、灯光控制模块。设计能够通过手机APP对相关功能模块状态进行实时的显示，并发送指令至控制端，对不同的模块进行控制。系统对温湿度实时的控制，温度高于设定值时，手机端与控制端同时报警，并打开风扇，风扇拥有3个档位，在报警时风扇处于最高速档位之下;通过手机APP实时显示灯光与窗帘的状态，并可以调整其相关的状态。系统整体的结构如图1所示。
图1 系统框架图
2硬件设计
2.1温湿度模块
温湿度模块为系统提供当前室内的温湿度状况，以DHT11温湿度传感器为核心，该传感器成本低、抗干扰能力强、能够对温湿度快速的响应[3]。传感器能对温湿度的数据进行校准，并将校准的数据送入单片机。本文通过温湿度模块检测室内的温湿度，并将数据送至STM32F401RE之中，对相关数据进行处理。其温湿度测量电路示意图如图2所示。
图2温湿度测量电路
2.2散热模块
散热模块使用PWM波对直流电机调制驱动，使电机能够产生不同的转速，以达到不同档位对应不同转速的效果。通过驱动电机使风扇旋转达到降温的效果。在PWM波的调整中，通过调整不同波形的占空比得到不同的调制效果。本文中一共设置了是3种不同的档位，于是有3种不同的PWM波形，其对应占空比见表1。
表1档位占空比设置表
2.3报警模块
报警模块能够在温度高于设定值时利用蜂鸣器报警，并将报警信息实时返回到手机端，在APP上同时报警。在温度值高于设定阈值时，系统会自动打开散热模块，散热档位为高速档位。
2.4窗帘模块
窗帘模块主要利用24BYJ48步进电机结合ULN2003驱动板进行控制，其工作电压为5V，步距角为5.6526×1/6，减速比为1/64。通过控制步进电机的步进角度对窗帘的开关进行调整，当步进电机正转时打开窗帘，反转时将窗帘关上。其结构如图3所示。
2.5灯光模块
灯光模块中一共涵盖了两部分灯光，一部分为室内灯光，一部分为室外灯光，后续能够在此基础上引入更多的灯光。对于不同的灯光，通常有两种状态，打开灯光或者关闭灯光，用户能够通过手机端实时查看当前灯光的状态并实时的调整。
图3窗帘结构图
2.6通信模块
通信模块是与手机远程通讯的保障，模块以ESP8266为核心，其工作电压为3.3V-5V，通过串口的方式与STM32通讯。通讯时模块通过WiFi接入互联网，与云平台连接，通过云平台来进行数据的传输交互[4]。
3 软件设计
3.1软件整体流程设计
软件设计中需要将各个不同功能统一考虑，当温度过高时需要报警并打开散热等，程序理论上处于死循环中，使系统一直处于工作状态，在需要停止工作时通过硬件方法使系统退出运行。整体系统流程如图4所示。
3.2软件平台及设置
系统采用机智云平台作为云平台来完成系统的调试，从机智云平台中移植通讯代码，并在平台中完成项目的创建。机智云平台中一共拥有4种类型数据点，分别是只读、可写、报警、故障，每一种数据点对应了不同的几种数据类型，其类型见表2。
表2机智云平台数据类型表
系统对所有的功能创建了不同的数据点以完成手机端与控制端数据交互。对于灯光一类只有开关两种状态的数据点设置其为可写的布尔量数据点，系统完整数据点设置见表3。
表3中灯光可写型布尔数据在手机端不但能够起到控制的作用，也能够起到显示当前工作状态的作用，因为在控制端进行状态扫描后会对手机端的状态也实时更新。其中温度与湿度的数据类型都为只读数值型，其数值范围为0～100，分辨率皆为0.1。
图4系统流程图
表3系统数据点设置表
3.3通讯部分的软件实现
系统通讯依赖ESP8266完成，在首次通讯时，需要控制芯片将WiFi名称与密码信息发送至通讯模块之中，使其能够连接至互联网，而后每一次的工作中，通讯模块会自动连入。其通讯配置流程如图5所示。
图5通讯配置流程图
4系统测试
本文搭建了一个vwin 的智能家居环境，对系统功能进行测试。首次连接通过配置通讯模块使其进入Airlink模式，使整个系统连接到机智云物联网云平台。开始工作后能够利用手机端接入互联网，利用APP对控制端实时的监视与控制，其运行的历史数据会被云平台自动存储下来，其测试实物图如图6所示。
图6实物图
手机端能够显示与控制当前的工作状态，当高温时会报警，其机智云公版手机APP界面如图7与图8所示。
图7正常工作界面图
图8温度报警图
5结束语
本文利用STM32F401RE与云平台设计了一种基于机智云平台的智能家居系统，集成了多种不同的功能。用户能够在远端利用手机APP对家中的相关功能进行控制与监视，大幅提高生活便捷度与舒适度。系统对后续不同功能的加入兼容性良好，能够在此基础上进行更多功能的开发。经过测试后结果良好，有较强的稳定性，后续能够投入实际应用时扩展其他可用功能。
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