基于stm32智能家居控制系统的设计

ElectronicDesignEngineering2019年12月Dec.2019基于STM32智能家居控制系统的设计

林玩杰1，李水峰2，毛立夫3，林凯隆1

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2.广东工业大学实验教学部，广东广州510006；

3.广东工业大学计算机学院，广东广州510006）

摘要：设计一款Android智能手机控制的智能家居系统，采用STM32F103作为系统主处理器，使用DHT11温湿度传感器采集室内温湿度信息；通过I/O口控制灯的开和关；使用OV7670摄像头采集视频数据，采用JPEG对视频数据压缩编码并传给客户端APP进行播放。测试结果表明：用户通过手机客户端APP连接WiFi便可以远程监控家居情况，实现对家用灯光控制、环境检测以及视频监控等功能。此外，该系统运行良好，操作界面友好，满足智能家居的各项功能需求，具有一定的实用价值。

关键词：智能家居；监控系统；STM32；物联网中图分类号：TN915；TP273

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2019）24-0176-05

DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2019.24.038

DesignofsmarthomesupervisionsystembasedonSTM32

LINWan⁃jie1，LIShui⁃feng2，MAOLi⁃fu3，LINKai⁃long1

（1.SchoolofElectro-mechanicalEngineering，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China；3.SchoolofComputerEngineering，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou

510006，China）

Abstract:ThispaperdesignsasmarthomesystemcontrolledbyAndroidsmartphone，whichuseSTM32F103asthemainprocessor.ThesystemchosesDHT11temperatureandhumiditysensortodetectcollectvideodata，anduseJPEGtocompressandencodevideodataandtransmitittotheclientAPPforplayback.Thetestresultshowsthatuserscanmonitorthehouseholdsituationremotelybyconnectingfunctionalrequirementsofsmarthomeandhasacertainpracticalvalue.Keywords:smarthome；supervisionsystem；STM32；IOT近年来，随着WiFi通信技术、物联网技术的快速发展，随之应运而生的智能家居技术也日趋成熟[1-5]。国内也有像小米、海尔等品牌企业涉足这个领域，开拓国内智能家居的市场，推动了智能家居在中国的普及[6-9]。

智能家居通过物联网技术将家中的各种设备

510006，China；2.ExperimentalTeachingCenter，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou

indoortemperatureandhumidityinformation，I/Oporttocontrolthelightsonandoff，OV7670cameratoWiFiwithAPPonmobileclient，andrealizethefunctionsoflightingcontrol，environmentdetectionand

videomonitoring.Inaddition，thesystemrunswellandhasfriendlyoperationinterface，whichmeetsthe

（如照明系统、空调控制、安防系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、防盗报警、环境监测等多种功能和手段[10-13]。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备网络通信、信息家电、设备自动化，提供全方位的信息交互功能，提升用户体验的同时，又能节省各种资源资金的

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浪费[14-17]。收稿日期：2019-04-24稿件编号：201904141

基金项目：2017年广东工业大学大学生创新训练省级项目（2017118452）;2018年广东工业大学实验教学部教

学改革项目（2018syixb015）

作者简介：林玩杰（1995—），男，广东汕头人。研究方向：工业自动化生产。

林玩杰，等基于STM32智能家居控制系统的设计

本设计提出一种基于STM32的智能家居控制系统的实现方案，用户可以登录手机客户端APP的控制界面，通过WiFi技术实现对住宅设施的远程监控，包括灯光、家电的控制、环境（温湿度）的监测、视频监控等功能，构建一个高效的住宅设施管理系统，提升人们家居的安全性、便利性、舒适性。

1系统架构

智能家居系统架构主要由单片机STM32开发板、WiFi通信、Android手机客户端APP的监控界面这3大模块组成，如图1所示。

智能家居的整个设计是基于单片机STM32开发板实现的，单片机开发板主要实现灯光照明控制、环境监测、视频监控等模块的数据采集。另外，本设计开发了Android手机客户端APP作为智能家居的监控界面，通过手机连接WiFi完成数据传输，实现对单片机上各个模块的远程监控，包括灯光照明模块、环境监测模块、视频监控模块，实现了智能家居的整个控制系统。

图1

系统框架图

1.11硬件设计本）STM32设计开发板

中采用STM32开发板，选择STM32F103ZET6芯片，包括以下资源：作为64MCUkB，SRAM是一款功能十分强大的、512kBFLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DACIO、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及示，口。包括温湿度传感器接口电路、STM32F103ZET6的部分接口电路图如图112个通用摄像头接口电路、

2所无线模块接口电路。

对于STM32F103开发板[18]，它具有以下优点：和开发；

①接口丰富，可以方便的进行各种外设的实验②设计灵活，接口位置设计安排合理，操作方便

图2STM32F103ZET部分接口电路

顺手；

的STM32F103ZET6③资源充足，主芯片采用自带，满足大内存需512k求和字节大数FLASH据存

储，保障本设计中视频传输的稳定性。

2灯光照明模块用到的硬件只有两个）灯光照明模块

LED灯，本设计采用开发板上现有的两个LED灯，其电路在开发板上是默认连接好的，分别是DS0和DS1。其中，DS0两个是红色LED灯的熄灭模拟实现智能家居中灯光的控制。

LED灯，DS1是绿色LED灯，本设计中以这

3该环境检测模块中，）环境监测模块

主要考虑室内温湿度对于用户生活舒适度的影响，所以本设计主要对温度和湿度进行监测，并采用DHT11传感器进行温湿度数据采集。

传感器包括一个电阻式测湿元件和一个DHT11是一款温湿度一体化的数字传感器，NTC测温元

该

件。通过I/O口连接单片机微处理器，可以实时采集本地湿度和温度，传感器内部湿度和温度数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行检验，有效

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《电子设计工程》2019年第24期

地保证数据传输的准确性。DHT11的电路图如图3所示。

图3DHT11电路图

4视频监控模块是为解决用户对于家居安全状态）视频监控模块

的监控，用户可以实时监控住宅安全等问题[19]，在设计该视频监控模块时，采用OV7670摄像头进行视频数据的采集。

器，该传感器体积小、OV7670是一颗1/6工作电压低，寸的CMOS提供单片VGA图VGA像传摄感

像头和影像处理器的所有功能。该产品VGA图像最高达到30帧/秒，用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式等，OV7670应用电路如图4所示。

图4

OV7670应用电路图

5WiFi）WiFi模块是为了实现单片机上各功能模块与手

模块

机APP之间数据传输，保证数据传输的及时性和高效性。该设计的硬件采用ATK-RM04WiFi模块，这是一款高性能UART-ETH-WiFi（串口—以太网—无线网）模块。ATK-RM04WiFi模块采用串口

RS232/LVTTL）与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口、以太网、无线网3个接口之间的转换，如图5所示。通过ATK-RM04WiFi模块，单片机开发板在不需要更改任何配置的情况下，直接连接WiFi的温度、模块，湿度、即可通过视频等数据。WiFi模块传输单片机上采集到ATK-RM04WiFi模块

-178的应用电路如图-

6所示。

图5WiFi模块的功能结构

图6

WiFi模块应用电路图

1.2软件设计本系统的软件设计主要是单片机开发板上各个

功能模块的设计[20]，本设计使用Keil软件进行编程、仿真和调试，实现了灯光照明控制、温湿度监测、视频监控等各个模块的功能，整个软件设计流程如图7所示。首先，相对系统进行初始化，主要对进行I/O口进行初始化以确保硬件连接的稳定性；然后进入检测函数，通过检测函数进行数据采集，如灯光状态、温湿度数据、视频数据；最后再将采集到的数据进行传输。

图7

软件设计流程图

1灯光照明模块的软件设计主要实现单片机开发）灯光照明模块

板上两个LED灯的熄灭，模拟智能家居控制系统中的灯光亮灭的控制。首先，初始化与LED灯连接的

（林玩杰，等基于STM32智能家居控制系统的设计

硬件接口，然后通过设置“0”和“1”实现高低电位的控制，最终达到控制灯光亮灭的目的。

2环境监测模块的软件设计主要实现）环境监测模块

DHT11传感器温湿度数据采集和传输。DHT11数字温湿度传感器采用单总线数据格式，即单个数据引脚端口完成输入输出的双向传输。

首先，需通过函数代码对传感器进行初始化设置，若返回1，则表示检测到DHT11的存在；若返回0总线操作时序来读取，则表示检测不到DHT11DHT11的存在。然后，的温湿度值，若返回再根据单0，则表示温湿度读取成功；若返回1，则表示温湿度读取失败。在进行一系列初始化后，如果初始化成功，主函数代码则实现每个100ms读取一次数据，并将数据传输并显示在单片机开发板的显示屏上。

3视频监控模块的软件设计主要实现视频采集、）视频监控模块

视频数据传输、视频显示等功能。首先，初始化OV7670序列初始化，相关的完成初始化后，IO口，然后再完成便可进行视频图像采OV7670的寄存器集。将采集到的原始图像数据通过JPEG压缩输出给客户端APP进行实时播放，网络传输中应用层采用TRTP/RTCP协议配合来保证传输的质量，传输层与网络层采用TCP/IP协议。同时移植服务器，通过CGI的网络交互。

监听客户端APP的请求，从而实现与客户端APP1.3监控界面设计针对监控界面的设计，本设计使用Java语言开

发了Android手机客户端APP，其控制界面如图8所示，包含了温湿度模块、灯光控制模块、视频监控模块以及基础设置模块。

图8APP监控界面

智能家居系统采用传统的C/S架构，手机APP作

为客户端，嵌入式硬件作为服务器端。客户端每个模块的实现大致流程图如图9所示，首先初始化用户界面；然后开启子线程请求访问服务器，若服务器成功响应，则将数据解析出来并显示在用户界面；最后如果用户执行刷新操作，则继续访问服务器。

图9

模块实现流程图

其中客户端访问服务器采用底层Socket进行数据的传输，这样做的好处是便于把握细节，同时可以节省流量。由于网络请求通常属于耗时操作，如果直接在主线程中请求网络，则有可能导致主线程被阻塞。因此我们采用JAVA回调机制，首先在客户端开启一个子线程，然后将数据发送给服务器，最后再回调处理服务器响应的数据。

完成APP的程序设计后，可进行APP各项功能的操作。通过基础设置模块，连接单片机上的WiFi模块，实现单片机与手机APP客户端之间的数据传输，完成之后便可查看各个功能模块，如图10所示。

2系统测试

该智能家居控制系统以STM32开发板为主控制器，结合灯光模块、温湿度模块、视频监控、WiFi模块、手机客户端APP，为验证该智能控制系统的稳定性和有效性，需进行系统测试。首先，将DHT11温湿度传感器、OV7670摄像头、WiFi模块通过I/O口与单片机连接，接通电源后将程序代码烧写到STM32单片机开发板上。然后，打开手机APP的控制界面，如图8所示，点击“设置”后输入IP地址进行WiFi连接。最后，在移动端成功接入后，可以选择控制温湿度、灯光、视频、设置四个按钮并检测硬件部分的相应模块是否执行成功。图10显示了手机APP上系

统执行后的结果，系统运行良好，该测试结果满足了智能家居控制系统的设计要求。

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《电子设计工程》2019年第24期

图10各功能模块的监控

3结束语

本设计是基于STM32的智能家居控制系统，以STM32为主控制器，实现了灯光照明模块、环境检测模块和视频监控模块，并开发了Android手机客户端APP作为智能家居系统的控制界面，最终通过WiFi通信技术实现了在APP上远程控制各个功能模块的设想。本设计满足智能家居的基础功能，实现成本低廉，用户操作简单，体现了智能家居的智能化、信息化、舒适性，具有良好的应用价值。

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