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基于單片機的無線智能家居環境遠程監控系統設計

添加時間:2021/07/03 來源:未知 作者:樂楓
本文主要從用戶端實現包括智能家居環境安保檢測以及室內環境質量檢測及空 氣凈化三個方面進行設計,另一方面從遠程服務器端實現用戶數據存儲及遠程異地操 作,基于 Wi-Fi 通訊技術與 Internet 網的無線解決方案,利用移動服務 APP 實現對智 能家居環境的遠程
以下為本篇論文正文:

摘 要

  在互聯萬物的時代,智能家居市場吸引著各類制造商、投資家的青睞,小米、華 為等各大公司也紛紛布局其中,回顧 2019 年,智能掃地機器人、智能音箱等智能產 品迅速出現在各大智能產品市場,這些產品的升級主要圍繞著 APP 客戶端,云助手 以及機器學習方面展開,產品之間卻沒有形成系統,網關協議彼此不兼容,不能實現 互聯,操作性差。隨著 5G 時代的到來,如何能夠避免智能家居鏈接設備面窄,耗電 量大、標準化不統一等缺陷,構建健全的智能家居生態體系,實現智能家居全屋智能 化,使得家居安全遠程監控以及家用電器智能化管理和調控更加精準、便捷是接下來 需要落實發力方向。

  本文主要從用戶端實現包括智能家居環境安保檢測以及室內環境質量檢測及空 氣凈化三個方面進行設計,另一方面從遠程服務器端實現用戶數據存儲及遠程異地操 作,基于 Wi-Fi 通訊技術與 Internet 網的無線解決方案,利用移動服務 APP 實現對智 能家居環境的遠程監控。本設計采用 Wi-Fi 技術的網關實現對系統控制,充分利用了 智能家居環境的 WI-FI 資源,改善了系統可移動性的困擾;以 STM32 芯片為核心控 制器,windows PC 端作為控制終端,單片機通過串口連接 WI-FI 網關實現數據采集。

  不論你在何方,打開移動服務 APP,即可實時監控數據和控制;在家居環境檢測范圍 內有非法出入住宅、火災發生,或各種氣體濃度超標情況下,給用戶 windows PC 端 發出警報提示,保證家居安全,同時,可遠程控制負離子凈化設備實現對室內環境進 行凈化;在室內環境全面智能化監測方面,實現家居舒適度檢測即家居溫濕度檢測, 并通過無線通信方式實現數據交互,同時采用負離子空氣凈化設備對空氣進行凈化、 除塵、滅菌,改善室內環境質量。

  關鍵詞:智能家居;單片機;Wi-Fi 通訊技術;遠程控制系統

Abstract

  In the era of connected things, the smart home market has attracted the favor of various manufacturers and investors, and major companies such as XIAOMI and HUAWEI have also laid out one after another. In 2019, smart products such as smart sweeping robots and smart speakers quickly appeared in various In the large smart product market, the upgrade of these products mainly revolves around APP clients, cloud assistants and machine learning. However, there is no system formed between the products. The gateway protocols are incompatible with each other, cannot be interconnected, and have poor operability. With the advent of the 5G era, how to avoid the shortcomings of smart home connected devices, large power consumption, and inconsistency in standardization, build a sound smart home ecosystem, realize smart home smart homes, make home security remote monitoring, and The intelligent management and regulation of household appliances are more accurate and convenient. The next step is to implement the force.

  This article is mainly designed from the user side to achieve three aspects: smart home environment security detection, indoor environmental quality detection and air purification. On the other hand, it implements user data storage and remote remote operation from a remote server. It is based on Wi-Fi communication technology and the Internet. Network wireless solution, using mobile service APP to achieve remote monitoring of smart home environment. This design uses a Wi-Fi technology gateway to achieve system control, making full use of the WI-FI resources of the smart home environment, and improving the system's problems of mobility. With the STM32 chip as the core controller and the Windows PC end as the control terminal, The single chip microcomputer is connected to the WIFI gateway through the serial port to realize data collection. No matter where you are, you can open the mobile service APP to monitor data and control in real time. In case of illegal entry and exit of a house, fire, or various gas concentrations exceeding the standard in the detection environment of the home environment, an alarm prompt will be issued to the user's windows PC terminal to ensure that Home safety. At the same time, remote control of negative ion purification equipment can be used to purify the indoor environment. In terms of comprehensive intelligent monitoring of the indoor environment, it implements home comfort detection, that is, home temperature and humidity detection, and realizes data exchange through wireless communication.At the same time, negative ion air is used. Purification equipment purifies, removes dust, and sterilizes air to improve indoor environmental quality.

  Keywords: Smart home; MCU; Wi-Fi communication technology; Remote control system

單片機

目錄

  1 緒論

  1.1 課題研究背景及意義

  在進入 20 世紀 90 年代后,數字化通信技術取得了空前的發展并迅速滲透到各個 行業。物聯網的產品服務在環境保護,公共安全,智能消防、工業檢測等領域的發展 迅速,讓人們看到了物聯網的巨大吸引力,隨后便遍及到我們生活領域的各個方面。 隨著普通家庭的 Internet 網普及化,各類物聯網衍生產品越來越多樣化,人類生活品 質的不斷提高及思想品味的提升,使得智能家居的安全性能、舒適及便捷性等優點深 受人們青睞,成為現代社會和家庭用戶的新風尚,隨之發展的智能家居的市場需求量 也在逐年增大[1~3].它已成為現代建筑設備通信化與規;l展的必然趨勢,能夠滿 足用戶的高質量的生活需求。

  在智能家居進入大眾視野初期,智能家居的布控及使用仍是一個費時費力的過 程,往往在房屋建設和裝修階段就要進行,且價格相對昂貴,這也讓很多想要嘗試智 能家居的家庭望而卻步[4].隨著互聯網應用技術和移動通信技術的迅猛發展,智能家 居的功能性、應用性等各個方面都有大幅度提升。從最初的繁瑣的實體布線到如今的 無線網絡監控系統,無線通信技術引領了智能家居的不斷發展[5,10].

  智能家居(smart home)以住宅為平臺,利用嵌入式單片機為核心控制器來實現無 線通信、安全防范及自動控制技術的智能家居環境的系統集成,用以實現對智能家居 環境的遠程安防監控,環境監測以及各個子系統的控制,構建了高效智能的住宅設施 與家庭安全的管理系統,家居智能性、安全性,便利性和舒適性等都有顯著提高,有 效的提高了人們生活品質[8].自 2009 年被提出"感知中國"后,正式的將物聯網列 入了國家新型戰略產業,智能家居環境監控系統在我國迅速進入整合蛻變階段,不可 避免的,在發展過程中存在一些問題,主要包括:

 。1)智能化家居發展較晚,因此缺乏標準化規定。

 。2)產品不穩定,出現彼此不兼容現象。

 。3)價格昂貴,功能不健全。

 。4)系統復雜,使用繁瑣,不切實際。 因此,在兼顧以上存在問題而能夠方便成本低廉的建立一個智能家居環境監控系 統有重要意義[13,15].隨著 Wi-Fi 技術的控制方案不斷優化及迅速發展,各有影響力的 芯片開發公司將發展的中心轉移到價格低廉、功耗小、穩定性、可靠性上,智能家居行業也隨之進入了發展的黃金時代[6,7].隨著無線通信網絡技術的普及化,居民已經 越來越信賴無線數據傳輸技術,傳統的家居監控設計已經遠遠落后于目前的技術水 平。

  1.2 國內外發展現狀

  1.2.1 國外發展現狀

  自 1984 年世界上第一座智能建筑在美國土地矗立后,智能家居的多樣性方案在 經濟發達國家迅速提出,并在美國、日本、新加坡等地被廣泛的應用。 對于智能家居的發源地美國來說,智能家居市場更加注重產品的安全、舒適、健 康,不只是產品功能上的自動化,更加追求家的感覺描述。同時在美國智能家居產品 已十分普及,不再有智能家居產品的特別劃分區,而是直接按照家居耗材、客廳、衛 浴等類別進行劃分,價格也相對親民。就目前而言,智能家居的核心技術及產業標準 大多由國外企業所掌握,如 KNX 協會、Z-wave 聯盟等等,行業標準和協議也基本由 他們參與和制定[9,11].

  新加坡尼科(NICO)的智能家居系統采用主流 Lon Works 總線控制系統,其具 有功能強大、靈活性高等特點,居于世界前列。1988 年,由美國 Echelon 公司進行技 術開發,是一項具有革命性的建筑智能化控制技術[16~18],模塊化的設計結構增加了整 個系統的穩定性,解決了由于主機問題而使系統無法運行問題。

  1.2.2 國內發展現狀

  眼觀國內,隨著物聯網技術及通信技術的迅速發展,各類智能家單品涌現。2012 -2014 年,以輕型智能與智能單品公司為主流的創新創業團隊急劇增多。2014-2016 年,生態圈成為社會熱詞,隨著互聯網各大企業的密切關注,更多的互聯網龍頭企業 轉戰對生態圈的構建[12,14].智能模塊的銷量增長,增加了傳統企業對智能家居的好感, 望實現產品線的再升級。智能家居系統在功能方面的提升,也表明了我國總體的智能 家居系統發展環境的形勢良好,城市的迅速發展也為智能家居系統的發展提供了更廣 闊的平臺,可發展空間更大,同時更多的企業對智能家居的研發重視起來,智能家居 的市場份額也在逐年上升。此外,政府給予智能家居更多支持,已成為物聯網產業發 展的重點領域,并成為了城市化發展的重要環節。

  1.3 智能家居存在的問題及本文研究內容

  1.3.1 智能家居存在的問題

  智能家居在設計最初,根據用戶的家居生活需求,設計出實用而便利的控制系統, 給用戶帶來了有滋有味的生活體驗感,在這之中,家居安全遠程監控以及家電的智能 控制尤為受關注。然而初具規模的國內智能家居市場,智能家居的市場價格偏高,不 具普及性特點。智能家居單品的堆砌,無法形成系統;初次安裝費用昂貴,后期維護 困難,且部分智能家居實用性較低;使用繁瑣并且操作復雜,因此對于用戶體驗方面 有所影響[19~20]. 就用戶端智能家居安保監測以及家庭數據檢測系統方面,目前商家對智能家居系 統基本采用的是獨立設計方案,智能家居系統相對封閉,與其他系統無法實現較良好 兼容。因此,規范性和統一性的智能家居網關協議尤為關鍵,而目前的智能家居市場 中,多數的系統協議只具有適配當前的系統能力。 就服務端的遠程監控系統,傳統的控制方式存在著極大的缺陷,并且執行步驟繁 瑣,響應差,社會科技的發展推動著智能家居技術朝著更便利更全面的方向發展,因 此要求智能家居的遠程監控技術向著無線化發展,然而,迄今為止智能家居的遠程監 控技術并沒有實現完全全方位的無線化,無線化程度仍有待提高。智能家居的遠程監 控技術如何達到無線化是另一個技術難點。

  1.3.2 本文研究內容

  基于對目前市場的智能家居安防控制及目前無線通信技術的廣泛應用和市場中 各類傳感器模塊的改進和整合,本文設計了基于物聯網的無線設計方案來實現智能家 居環境的遠程監控,實現針對家居安全的防火防盜功能檢測與警報;對家居環境舒適 度即溫濕度數據采集記錄,終端顯示家居環境實時溫濕度;對家居環境空氣質量進行 檢測,并增添空氣凈化模塊,實現家居環境的空氣凈化功能。本文具采用有 Wi-Fi 網 關的組網方式,實現系統的控制及遠程服務 APP 的數據傳輸功能。將家居環境所需 傳感器連同空氣凈化裝備通過 Wi-Fi 接入網關系統,Wi-Fi 探針技術的加入,使得智 能家居更具人性化,實現了在覆蓋區域內,對用戶信息的識別。利用現有的 Wi-Fi 產 品,Wi-Fi 空調、Wi-Fi 熱水器、Wi-Fi 風扇等來替代傳統的設備,很大程度上減少了 系統布線復雜問題。單片機技術的遠程監控技術的傳輸采用多網合一形式,各種安保 防護系統采用統一的以太網互聯。不僅在維護方面有利,而且提高了數據傳輸的可靠 性,也為系統從有線逐漸變為無線提高了可能性。

  1.4 章節安排

  第一章:緒論。闡述了智能家居環境遠程監控系統研究的重要意義,詳細介紹智 能家居國內外發展及目前智能家居存在問題,并基于上述提出問題,說明本文所研究 內容。

  第二章:系統相關技術知識。分析系統的各個控制方案及本文所選擇的最終方案, 介紹了系統實現的關鍵技術即 Wi-Fi 網關及 Wi-Fi 協議,Wi-Fi 探針技術的應用,及 KEIL MDK 平臺的介紹。

  第三章:系統的硬件設計。首先介紹了系統具體實現功能以及整體構架,針對系 統軟硬件進行整體設計,并對無線網絡傳輸技術以及與其他通信技術進行對比分析優 勢。同時介紹了系統各模塊的微處理器的特點,并對各硬件模塊進行詳細設計和實現, 給出相關的電路設計原理圖,實現了硬件電路圖的設計,包括單片機最小系統,傳感 器檢測模塊、人機界面等。

  第四章:系統應用軟件設計。

  介紹了本系統設計的遠程通信設計,本地軟件設計, 包括安防保障的相關程序及高精度溫濕度傳感的軟件流程圖講解等,Wi-Fi 探針的實 現,最后展示了目前完成的遠程監控界面,為下一步完善系統做準備。

  第五章:系統測試與分析。進行了系統功能測試,包括家居安全性能模塊測試及 家居舒適度性能模塊測試,并進行小區舒適度調查,給予合理意見,同時進行了系統 可靠性能測試,確保系統的可靠性能良好。

  2系統相關技術介紹

  2.1系統控制方案的選擇

  2.1.1以紅外逼控為基礎的控制

  2.1.2基于藍牙通信技術的控制 .

  2.1.3基于ZigBee技術的控制

  2.1.4以無線網絡傳輸技術為基礎的控制

  2.2關鍵技術

  2.2.1 Wi-Fi網關的構成要素

  2.2.2 WiFi協議

  2.2.3 WiFi探針技術

  2.3 Keil MDK平臺介紹

  2.4遠程控制技術

  2.4.1 TCP協議概述

  2.4.2 TCP協議客戶端與服務端的通信

  2.5本章小結

  3系統的硬件設計

  3.1智能家居系統的整體構架

  3.2系統部件功能概述

  3.2.1遠程服務器

  3.2.2 WiFi網關

  3.2.3智能家居組件

  3.2.4控制終端

  3.3網關的硬件設計

  3.4 STM32簡介

  3.4.1 STM32F103的總線系統組成

  3.4.2 STM32功能介紹

  3.5傳感器組件

  3.5.1人體紅外傳感器HC-SR501

  3.5.2火焰傳感器

  3.5.3溫濕度傳感器

  3.6室內空氣質量檢測及凈化模塊

  3.6.1環境空氣檢測模塊

  3.6.2空氣凈化模塊

  3.7控制系統模塊

  3.8人機界面模塊

  3.9本章小結

  4系統應用軟件設計

  4.1智能家居遠程通信設計

  4.1.1遠程服務的建立

  4.1.2家居環境的檢測

  4.1.3移動APP的界面設計

  4.2智能家居的本地軟件設計

  4.2.1串口設置

  4.2.2數據發送

  4.2.3數據采集

  4.3 WiFi探針的實現

  4.4遠程監控界面展示

  4.5本章小結

  5系統測試與分析

  5.1系統功能測試

  5.1.1家居安全性能模塊測試

  5.12家居舒適度性能模塊測試

  5.2系統可靠性檢測

  5.3本章小結

結 論

  科技的發展使得人們的生活體驗越來越豐富多彩,Internet 網的出現顛覆了人們 以往的家居生活。智能家居在物聯網時代推動下,已朝著舒適便攜方向發展,將多種 技術應用之中,實現對智能家居環境的遠程控制,保證家居環境的安全性及舒適性, 提高用戶的生活品質。 本文的智能家居系統,主要基于 Wi-Fi 技術與 STM32F103 單片機結合實現,利 用遠程服務器連接移動 APP 實現系統的遠程控制。 首先根據對系統的整體方案設計,完成了所需器件的選型,并依據設計內容要求, 完成了硬件電路的設計,包括對智能家居環境的安全保障模塊的防火防盜設計、家居 舒適度模塊的溫濕度設計、室內空氣質量檢測及凈化模塊設計,同時加入人機界面, 實現近距離的液晶顯示及獨立按鍵功能。

  其次依據整體設計內容,實現系統的軟件設計,包括對智能家居的遠程通信 APP 設計,即完成對遠程服務的建立和連接,利用 C#語言編程并通過 Wi-Fi 技術實現與 智能家居系統的數據交互;智能家居的本地軟件設計即系統的硬件程序設計,采用 C 語言編程,實現對串口的設置、及數據發送任務,實現家居環境檢測數據的采集;完 成了移動 APP 的實現。

  最后通過單片機與 Wi-Fi 模塊的連接,完成了智能家居環境檢測系統的硬件實物 連接,并從兩個方面對系統進行功能測試,一方面是系統功能測試,包括對智能家居 安全性能防火防盜測試及舒適度性能溫濕度檢測測試,測試結果表明功能均可實現, 并對一小區進行舒適度調查,提出合理意見;另一方面是對系統可靠性能測試,保證 智能家居系統的可靠性能良好,實驗結果表明智能家居系統具備穩定可靠性。

  根據對本文所研究內容分析,了解到本設計還有諸多可以改進的以及完善的部 分,對智能家居環境的遠程監控,還可以再增添更多有趣的娛樂性功能,同時對用戶 的移動 APP 制作有待更加美觀,讓智能家居環境監控系統帶給用戶更便捷而幸福的 體驗。

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致謝

  時光荏苒,在內蒙古科技大學的學習時光充實面彌足珍貴,這段學習經歷將給我- -生的成長學習帶來重要影響。在即將離別之際,要特別感恩這兩年中給與過我幫助的老師以及同學,有太多不舍和難忘回憶,相信懷揣著這份情感能夠在未來的生活里帶來別樣的色彩。

  在這里要特別感謝我的導師,從最初課題的選定,老師就給了我很多的參考意見,并在老師的耐心指導下,實現了對碩士論文設計的整體構架建立。對于在系統設計中遇到的諸多問題,老師也給予了很多重要指導,在系統設計中的硬件選型、硬件的電路設計階段,同樣在查閱資料和老師指導下,順利完成了。特別的,在生活中,老師溫文爾雅、平易近人、正義坦蕩,教會了我很多珍貴的人生信條,這將值得一一生去學習,是我的人生導師。

  同時,感謝在生活以及學習中給與我最多幫助的師兄弟、室友王欣欣、張佳琪、宋花以及溫同學,因為有你們的陪伴,讓學習的時光不在枯燥無味,讓平淡的生活暖光四溢。在大家- -同學習中,師兄和師弟們分享了很多他們的學習經驗、學習心得,讓我受益匪淺:生活中的熱心幫助,讓人暖心感動。在這樣的溫暖氛圍中,我收獲到了遠遠比這兩年時光更加珍貴的友誼以及情感。

  光陰似箭,回想在校的時光,對于每- -位出現的人都給予最真摯的感謝。同時要感謝在系統設計中,所參考及引用過的各位學者文章,感謝在本領域的諸多研究人員與老師的辛勤付出。

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