基于STM32的智能家居湿度控制系统

郭 铭，王佳佳

(江西理工大学 能源与机械工程学院，江西 南昌 330014)

随着嵌入式技术和传感器技术的发展，越来越多的先进智能产品被应用到日常生活中，有效地改善了人们的生活水平和工作效率。所谓智能家居控制管理系统，就是通过物联网技术把家居生活中所使用的多种设备统一成一个完整的系统，提供安全预警、环境检测、家电控制、灯光控制、门锁控制等功能。相比一般的家庭条件，智能家居不仅能提供居住环境，而且拥有网络通信、信息家电、设备自动化等高科技技术。它具备完善的信息交互能力，改善了用户日常生活的体验，给现代化生活提供了环保节能的环境，提高了家居的便捷性、舒适性以及安全性。

1 绪论

1.1 国内外研究现状

在英国、美国、日本等一些发达国家，家庭智能家居已经在正常家居生活中发挥着不可磨灭的作用。在美国，比较出色的智能家居公司有霍尼韦尔，快思聪以及control4。霍尼韦尔是一家在技术和制造业方面颇具特色，处于世界领先的多元化高科技企业，其主要发展方向涵盖智能建筑群设计、家居安全设备研发等。

我国智能家居行业的发展仍然处于初级阶段，二十来年的行业累计并未从量变产生质变。同时在物联网的带动下，智能家居已经可以通过互联网控制。而从目前的应用场景来看，我国的智能家居市场主要在智能照明、智能门窗、智能门锁、安全报警和影音娱乐方面。我国智能家居系统起步较晚，在技术方面仍有着明显的差距，但在应用场景方面的探索丝毫不逊于发达国家，很多企业都在努力研发智能家居和不同场景的结合与应用。在智能家居领域，我国大多数家电企业推陈出新，拥有自己的主打品牌，例如：海尔的“U-home” 、华为的“Hi-Link”、美的的“M-Smart”以及小米推出的“米家”等都是近些年来我国在智能家居领域的佼佼者，具有突出功能和特色。

1.2 智能家居发展趋势

在将来，智能家居将向语音识别、图像识别、屏幕交互、家庭场景自动化、IOT生态建设等方向发展。毋庸置疑，随着计算机技术的革新和嵌入式技术的发展，智能家居的功能将越来越强大，将被应用在起居生活的方方面面，智能家居将有着光明的未来。

2 硬件设计

如图1所示，该控制系统以STM32单片机最小系统为控制核心，温湿度传感器为检测单元，显示屏装置和报警装置为输出单元散热装置和加湿装置为执行单元，设计并完成温湿度的智能控制。当DHT11温湿度传感器收集到室内温度数据后，便单向传输给STM32单片机主控芯片。STM32单片机最小系统经过A/D数据转换之后，通过LCD1602液晶显示屏显示出来，通过蜂鸣器报警装置进行安全预警，用散热继电器和加湿继电器等装置，及时地对室内的环境进行检测和控制。

图1 系统总体硬件设计

3 系统总体电路设计

智能家居湿度控制系统主要由STM32主控芯片、温湿度传感器数据采集模块、按键设置模块、LCD1602显示模块、蜂鸣器报警模块、散热和加湿继电器模块等部分组成。本次系统采用5V直流电源进行供电，具体总体硬件电路原理，如图2所示。

图2 总体硬件电路原理

3.1 主控芯片最小系统

该系统的核心处理模块STM32F103单片机如图3是一款低成本、高性能的微控制器，其以ARM Cortex-M3为内核内置高速存储器，含有大量的功能强大的I/O接口。其低成本主要体现在与常用的8位，16位单片机几乎同等价格，同时能具有32位单片机的性能，可直接替代一般8位、16位单片机应用于小规模系统中。在该单片机芯片中，右上角NRST引脚连接异步复位电路，起到初始化单片机系统程序，维持系统的稳定性和安全性。下部端口连接的是晶振电路，在电路中产生频率和峰值稳定的正弦波，以产生脉冲信号为单片机系统规定机器周期。

图3 STM32主控芯片最小系统

3.2 温湿度传感器

DHT11传感器如图4所示，是市场上经常采用的温湿度传感器，此传感器占用的面积不大，能量损耗很小，采用的是单总线的双向数据传输方式，数据传输准确稳定。同时此传感器抗干扰能力非常的强，经常用于高炉测温、工业检测、家庭环境控制等方面，适合于空间比较小的场合和数字温湿度检测等领域。DHT11温湿度传感器采集的数值十分精确，其采集范围为：温度0～50℃±2℃，湿度5%～95%RH±5%RH。DHT11采用单总线双线串行通信协议，采集过程首先是STM32单片机发起开始信号，通过I/O引脚发送给DHT11，之后DHT11对单片机发送响应，同时把获得的数据按照40位数据帧格式向外输出，高位在前低位在后。具体的数据格式为：8字节湿度整数数据+8字节湿度小数数据+8字节温度整数数据+8字节温度小数数据+8字节校验位。

图4 DHT温湿度传感器

4 软件设计

4.1 主程序框架

当硬件端设计调试完成后，就要针对单片机和外设传感器进行软件设计。系统设计要构思清楚，首先画一个流程图，再按照传感器先后顺序进行系统设计。整个主流程如图5所示。首先各个硬件开始初始化，之后各个模块开始工作，实时检测温湿度，进行相应的报警操作，并采取对应措施实现功能。启动的步骤具体为：初始化，温湿度采集，LCD显示屏显示，ESP9266Wi-Fi启动蓝牙，按键设置温湿度和报警的阈值。当温度过高或湿度过低时，单片机驱动三极管控制蜂鸣器进行报警，并进行适当的降温或者加湿操作。

图5 主程序流程

4.2 继电器处理流程

继电器的操作流程如图6所示，初始化DHT11，读取当前温度和湿度的数值，当其超过阈值时，蜂鸣器发出报警，之后开始执行继电器的功能操作。通过读取显示屏，可以得知当前室内的具体参数值。当温度超过预设值时，散热继电器闭合，发电机开始驱动风扇进行降温；当湿度过低不达标时，加湿继电器闭合，洒水装置开始工作，进行加湿。直至温度和湿度达到标准范围时，继电器停止工作，进程结束。

图6 继电器处理流程

5 系统测试

5.1 硬件测试

硬件测试环节，首先要调试单片机的电源部分，晶振电路和复位电路，确保STM32最小系统芯片没有问题。之后就要检测单片机的各个硬件之间的连接是否正常，这一部分一定要注意引脚之间的连线不能出错，以及注意各元器件的参数值是否正确。紧接着就要测试该系统的各个模块，温湿度传感器、按键开关、蜂鸣器、电源电路以及继电器。最后还要检测电路是否存在问题，确保不会发生短路以免造成不必要的损坏。硬件模块检测完成后，将编译好的代码烧录到STM32单片机中，用5V的直流电源供电，按下电源开关，观察系统的功能是否能全部实现。

实物图如图7所示，经过测试，该控制系统能正常工作，电路电压稳定，按键开关功能正确，单片机最小系统工作正常，LCD显示屏能显示出当前温湿度，蜂鸣器能及时作出报警，继电器能顺利实现一系列操作。

图7 实物连成

5.2 软件测试

完成对STM32单片机的硬件测试后，就要进行软件功能调试，测试软件是否能正常运行。这里我们通过proteus软件进行仿真，把Keil软件编译的.hex文件加载到单片机最小系统中，然后启动程序仿真。下图8所示为该系统仿真图，依据LCD显示屏展示，第一行为当前温度和湿度，分别为27℃和51%RH；而第二行显示的温度上限为27℃，湿度下限为50%RH。

图8 正常情况下仿真实现图

这种情况下，温度和湿度都在正常范围内，故蜂鸣器和继电器都不进行工作。为了继续验证，首先停止仿真进程，再通过DHT11温湿度传感器把温度调节至28℃，湿度设置为49%RH后，点击仿真，实现的结果如图9所示。可以清晰看出显示屏上显示的温湿度数值，并且此时蜂鸣器开始报警，散热继电器和加湿继电器也相继工作。散热继电器的发电机持续运转以实现降温功能，加湿继电器的LED灯亮以代表洒水器进行加湿。至此，该温湿度控制系统的功能以基本实现，软件测试环节结束。

图9 异常情况下仿真图

6 结束语

该系统的设计制作，离不开对大量详细资料的参考，主要完成了如下成果：①通过对智能家居的国内外发展概况以及前景分析研究，同时依据市场需求，人们对于便捷智能家居的功能要求，设计了基于STM32的智能家居温湿度控制系统。②在该智能家居系统的设计中，主要完成对温度和湿度的检测与控制。温湿度传感器模块与单片机芯片处理器之间采用串行单总线数据传送。因此，在对温湿度传感器进行程序编写时，必须严格保证读写的时序正确，否则将无法读取温湿度的正确结果。③采用DHT11模块，对于温湿度的数据收集不需要进行人为处理，系统会自动处理数据，并把检测到的实时信息发送至处理器端，再由单片机处理芯片进行分析，最后温湿度送数值到LCD显示屏。④加设蜂鸣器装置对环境实时监控，并设置继电器工作改善室内温湿度，降到适合居民生活的数值。在散热继电器上安装风扇，加湿继电器上安置洒水器，这里暂时使用LED灯代替表示。

同时，该系统的设置还存在许多不足之处，需要在后续得以改进：①该系统尚未完成对ESP8266模块的设计和接入，因此没有WiFi功能，尚不能接入互联网。②本系统的设计只使用了部分传感器，功能尚不够齐全，离真正意义上的智能家居温湿度控制系统还很远。③需要进一步完善电路图和程序的设计，仍然存在一些不必要的能源损耗，而且要更加合理的使用元器件降低成本。④要完善系统的可靠性和安全性，多对各个模块进行功能稳定性测试，将该系统改进为更加出色的系统方案。