基于物联网的智能控制系统设计

2024-03-28徐远鹏

信息记录材料 2024年2期

徐远鹏

（苏州大学电子信息工程系江苏苏州 215000）

0 引言

随着信息技术的飞速发展和普及，物联网已成为连接万物的重要桥梁，其在各个领域展现出巨大的潜力和应用前景。智能控制作为物联网应用领域之一，以其能够为人们提供更加便捷、舒适、安全的生活方式而备受关注［1］。通过将传感器、控制器和网络技术相结合，智能控制系统能够实现对家居环境的实时监测、远程控制和智能化管理，从而为用户创造更加智能化的居住体验［2］。本文旨在设计一种基于物联网的智能控制系统，整合了各类环境传感器用于信息采集与监测，对于家庭安全和居住环境的优化具有重要意义。通过实时监测烟雾浓度，系统可以迅速响应火灾风险，采取适当的措施，保障家庭成员的安全。本文将在相关研究的基础上，深入探讨基于物联网的智能控制系统的设计原理和实现方法，结合具体的硬件和软件实现，对系统的性能和可行性进行全面的分析和评价，并期望为智能控制技术的发展提供一定的参考和借鉴［3］。

1 系统总体设计

系统的总体设计旨在实现一个基于物联网的智能控制系统，该系统以STM32 作为主控单片机，整合各类环境传感器，实现对家居环境的实时监测和控制，系统整体框如图1 所示。系统的设计包括硬件和软件两个层面，以下是系统总体设计的主要要点。

图1 系统整体框图

在硬件方面，系统总体电路连接如图2 所示，包括STM 32 主控单片机、温湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器、液晶显示器以及WiFi 模块。 STM 32 主控单片机负责传感器数据的采集、处理和控制指令的生成，传感器负责实时获取温湿度、烟雾浓度和光照强度数据，液晶显示器提供用户环境数据的直观展示，WiFi 模块实现远程监控和控制功能。

图2 系统整体电路原理图

在软件方面，系统通过数据采集与处理模块将传感器数据进行处理和校准，然后根据预设的控制逻辑判断是否需要采取措施，用户界面通过液晶显示器实时展示环境数据，同时WiFi 模块实现了用户与系统之间的远程通信，用户可以通过智能设备查看环境数据并进行远程控制［4］。

2 系统硬件设计

2.1 STM 32 单片机模块

系统选用STM 32 单片机作为主控核心，具体型号可为STM 32F4 系列，该系列单片机融合高性能、低功耗和丰富的外设接口［5］。 STM 32 单片机在系统中的数据处理和控制逻辑实现方面起到了至关重要的作用。其次，STM 32 单片机在与外部模块的连接与控制方面发挥着关键作用。通过与LCD1602 显示模块相连接，STM 32 单片机将处理后的环境数据和系统状态信息显示在显示屏上，为用户提供信息展示。与ESP8266 WiFi 模块的连接使STM 32能够实现与移动应用的通信，实现远程监控和控制功能。STM 32 单片机在系统中的通信与控制模块实现方面具有至关重要的地位［6］。

2.2 环境参数采集模块

在本设计中，使用了多个环境参数采集模块，包括温湿度传感器、烟雾传感器和光照强度传感器。选用了DHT11 温湿度传感器，这款传感器能够同时测量环境的温度和湿度。它通过数字信号输出测量结果，具有高精度和快速响应的特点。

系统中采用的DHT11 温湿度传感器是一种数字式环境传感器，广泛应用于监测环境温度和湿度。该传感器基于集成式电容式湿度传感技术，结合高精度数字温度传感器，能够在单一封装内实现温湿度的准确测量。 DHT11传感器通过单总线数字信号与STM32 单片机通信，实现环境温湿度的实时监测［7］。 DHT11 传感器在系统中发挥了重要作用，为智能控制系统提供了温湿度数据，为用户创造了舒适和安全的居住环境。

本系统采用MQ－2 烟雾传感器，它是一种半导体气敏传感器，专门设计用于检测空气中的可燃气体和烟雾，MQ－2 传感器通过模拟信号输出环境中的烟雾浓度。该模拟信号经过数模转换后，由STM 32 单片机进行数字信号处理，从而实现烟雾浓度的实时监测。 MQ－2 传感器在系统中的应用使智能控制系统具备了检测火灾风险的能力，能够在烟雾浓度超过预设阈值时触发警报。

综上所述，本设计中应用的温湿度传感器、烟雾传感器以及光照强度传感器（光敏电阻）分别被用于实时监测环境温湿度、烟雾浓度和光照强度。它们与STM 32 单片机相连，通过数字或模拟信号实现数据采集，为系统提供关键的环境参数信息，实现了智能控制和用户信息展示的功能。

2.3 输出模块

在本设计中使用LCD1602 显示模块，它是一个16×2字符液晶显示屏，能够显示16 列2 行共32 个字符。LCD1602 模块通过并行接口与STM 32 单片机相连，用于实时显示系统的状态信息和环境参数数据。 LCD1602 显示模块在系统中承担着用户界面的重要角色［8］。它可以用于显示当前环境的温湿度、烟雾浓度和光照强度等关键信息，使用户能够直观地了解家居环境的状况，实现了对智能控制系统的有效交互和信息传达。

在该系统中，蜂鸣器被应用于警报功能，而排风扇、窗户和灯则作为输出设备在智能控制中发挥作用。蜂鸣器作为声学警示装置，可以在检测到烟雾浓度超过安全阈值时触发，通过发出高频声音来提醒用户火灾风险。排风扇作为环境调节设备，在系统中具有重要地位。当烟雾浓度超过预设值时，系统可以自动控制排风扇启动，促使室内的有害气体迅速排除，从而降低火灾风险。窗户也被纳入智能控制中，当烟雾浓度超过阈值时，窗户可以自动开启，为室内提供通风途径，进一步增加室内的安全性。此外，智能系统中的灯具也具备智能控制功能，例如在检测到光线不足时，系统可以自动打开灯光，提供照明。这一功能有助于改善室内环境，提升居住体验。

综上所述，系统通过蜂鸣器的警报功能以及排风扇、窗户和灯的智能控制，有效地提升了家居环境的安全性和舒适性。这些功能的应用在实际场景中为用户提供了更加智能化和便捷化的家居管理体验。

2.4 无线传输模块

在本设计中，采用了ESP8266 WiFi 模块，它是一款集成了WiFi 功能的低成本高性能芯片，具有强大的无线通信能力［9］。 ESP8266 通过串行通信接口与STM 32 单片机相连，用于实现系统的远程监控和控制功能。 ESP8266 WiFi 模块在系统中具有连接家居控制系统与用户的智能设备的关键作用。通过连接家庭WiFi 网络，ESP8266 能够实现与智能手机、电脑等设备之间的通信。它可以接收来自用户设备的远程指令，例如远程开关控制，同时也可以将环境参数数据传输到用户设备上，实现远程监控。通过互联网连接，用户可以实时地了解和控制家居环境，提高了系统的可操作性和便捷性［10］。

3 系统软件设计

3.1 系统总体流程

系统整体软件流程包括以下主要步骤：首先，ST M32主控单片机初始化各个传感器和外部设备，设置通信接口。随后，进入主循环，不断进行数据采集。温湿度传感器、烟雾传感器和光照强度传感器通过适当的协议与STM 32 通信，将获取的数据进行初步处理和校准。然后，根据采集到的数据，系统判断是否需要采取措施，如检测烟雾浓度是否超过阈值。对于LCD1602 显示模块，系统将环境参数数据和状态信息显示在屏幕上，实现用户信息展示。与此同时，ESP8266 WiFi 模块建立与家庭WiFi 网络的连接，与用户设备通信，接收远程指令或传输环境参数数据。通过不断的数据采集、处理和通信，系统能够实现环境监测、远程控制等功能，为用户提供智能化的家居体验，详见图3。

图3 系统软件流程

3.2 可视化用户应用界面设计

在系统设计中，采用了QT 平台进行安卓移动应用程序的开发，用于实现远程监控与控制。 QT 作为一个跨平台的集成开发环境，为开发者提供了丰富的工具和程序库，可以方便地创建功能强大的移动应用。开发过程主要包括界面设计、逻辑编程、系统通信等环节。首先，通过QT 的界面设计工具，设计了用户友好的移动应用界面，包括显示家居环境参数和状态信息的界面以及控制家居设备的界面。接着，在逻辑编程中，使用QT 提供的C＋＋编程能力，编写了与用户交互、界面显示和控制逻辑等核心功能的代码。在通信方面，应用通过WiFi 连接与ESP8266 模块进行通信，实现远程监控和控制。通过传输控制协议／网际协议，应用能够与智能系统实时通信，获取环境参数数据，并发送控制指令，实现远程操作。应用还能够处理异常情况，如网络连接问题或超时，以保障用户体验。

4 系统测试

系统测试过程是确保设计系统功能和性能的关键步骤，在测试过程中，研究人员模拟了不同的环境参数和控制指令，验证了温湿度传感器、烟雾传感器和光敏电阻的数据采集准确性，检查了LCD1602 显示模块的信息展示功能，确保ESP8266 WiFi 模块能够稳定地与移动应用通信。首先，确保移动应用与家庭WiFi 网络成功连接。然后，通过应用程序发送连接请求，验证ESP8266 WiFi 模块是否能够建立与系统的稳定连接。结果显示，应用程序能够成功连接到系统，建立了可靠的通信连接。在连接建立后，应用程序发送请求以获取环境参数数据，包括温湿度、烟雾浓度和光照强度。测试结果表明，应用程序能够准确地从系统中获取环境参数数据，并在移动应用上显示。通过应用程序发送控制指令，如调节温度、开启照明等，验证系统是否能够按照指令进行相应的控制操作。通过以上测试过程，确认移动应用能够准确地与系统进行远程通信，并实现环境数据的获取和远程控制功能，这些测试结果证明了系统的可靠性和稳定性。