基于STM32的智能家居環(huán)境管理與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：“物聯(lián)網(wǎng)+”理念應(yīng)運(yùn)而生，社會(huì)生產(chǎn)和民生都迎來(lái)了巨大的轉(zhuǎn)變。隨著生活水平的提升，人們對(duì)生活的品質(zhì)要求日益增高，人工智能走進(jìn)生產(chǎn)生活已成必然趨勢(shì)。智能產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)，家居領(lǐng)域的改造升級(jí)也如火如荼展開(kāi)。但由于技術(shù)發(fā)展尚不完善，市面上大多數(shù)的智能家居產(chǎn)品仍處于半自動(dòng)層面，無(wú)法根據(jù)溫度驟變、煙霧彌漫、非法入侵等各種復(fù)雜環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)的全自動(dòng)功能。為此，本文研究設(shè)計(jì)了一款智能家居系統(tǒng)。本程序選擇了STM32單片機(jī)作為程序主控芯片，紅外對(duì)管感應(yīng)是否有人非法闖入、DHT11傳感器檢測(cè)環(huán)境溫濕度、火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)環(huán)境的火情狀況、GL5506光敏電阻檢測(cè)環(huán)境的光照強(qiáng)度、MQ-2傳感器檢測(cè)環(huán)境煙霧濃度，并把采集到的數(shù)據(jù)及其狀態(tài)顯示在OLED顯示屏上。通過(guò)感應(yīng)家庭環(huán)境的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)家居的智能預(yù)警與改善；同時(shí)結(jié)合了WIFI通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)程序的遠(yuǎn)程監(jiān)控。即使主人外出，也能實(shí)時(shí)掌握家中情況，一旦發(fā)生異?？杉皶r(shí)處理。該系統(tǒng)極大地提高了家居的自動(dòng)化水平和安全系數(shù)，提升用戶的體驗(yàn)感，保證高品質(zhì)生活，讓用戶用得開(kāi)心、舒心、放心。關(guān)鍵詞：智能家居；STM32單片機(jī)；傳感器

DesignofSmartHomeEnvironmentManagementandAlarmSystemBasedonSTM32Abstract：Theconceptof"InternetofThings+"hasemerged,bringingabouttremendoustransformationsinbothsocialproductionandpeople'slivelihood.Withtheimprovementoflivingstandards,people'sdemandsforthequalityoflifeareincreasinglygrowing.Ithasbecomeaninevitabletrendforartificialintelligencetointegrateintoproductionanddailylife.Smartproductshavesprunguplikemushroomsafterrain,andtherenovationandupgradinginthehomefurnishingfieldareinfullswing.However,duetotheincompletedevelopmentoftechnology,mostsmarthomeproductsonthemarketarestillatthesemi-automaticlevel.Theyareunabletoachievethefullyautomaticfunctionofintelligentsensingaccordingtovariouscomplexenvironmentalchangessuchassuddentemperaturechanges,thicksmoke,andillegalintrusions.Forthisreason,thispaperstudiesanddesignsasmarthomesystem.Inthisprogram,theSTM32single-chipmicrocomputerisselectedasthemaincontrolchipoftheprogram.Infraredpairsoftubesareusedtosensewhetherthereisanillegalintrusion,theDHT11sensorisusedtodetecttheambienttemperatureandhumidity,theflamesensorisusedtodetectthefiresituationintheenvironment,theGL5506photosensitiveresistorisusedtodetecttheambientlightintensity,andtheMQ-2sensorisusedtodetecttheambientsmokeconcentration.ThecollecteddataandtheirstatusesaredisplayedontheOLEDdisplay.Bysensingthechangesinthehomeenvironment,itrealizestheintelligentearlywarningandimprovementofthehome.Atthesametime,combinedwithWIFIcommunicationtechnology,itachievesremotemonitoringoftheprogram.Eveniftheownerisawayfromhome,he/shecankeeptrackofthesituationathomeinrealtimeanddealwithanyabnormalitiespromptly.Thissystemgreatlyimprovestheautomationlevelandsafetyfactorofthehome,enhancestheuserexperience,ensuresahigh-qualitylife,andenablesuserstouseithappily,comfortably,andwithpeaceofmind.Keywords：SmartHome;STM32MCU;Sensor

目錄摘要 IAbstract II目錄 III1緒論 11.1研究背景 11.2研究意義 21.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 21.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 31.4研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu) 41.4.1研究主要內(nèi)容 41.4.2論文結(jié)構(gòu) 52.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 72.1方案設(shè)計(jì) 72.2系統(tǒng)模塊方案選擇 82.2.1主控芯片選擇 92.2.2顯示屏方案選擇 102.2.3傳感器方案選擇 112.2.4蜂鳴器選擇 142.2.5通信方式的選擇 142.3性能需求分析 152.4本章小結(jié) 163系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 163.1單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì) 173.2傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 173.2.1DHT11傳感器電路 183.2.2火焰?zhèn)鞲衅麟娐?183.2.3紅外熱釋電電路 193.2.4MQ-2傳感器電路 193.2.5GL5506光敏電阻電路 203.3顯示模塊電路設(shè)計(jì) 203.4報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 213.5按鍵模塊電路設(shè)計(jì) 213.6執(zhí)行模塊電路設(shè)計(jì) 223.6.1LED燈電路 223.6.2繼電器電路 223.6.3舵機(jī)電路 233.7通信模塊電路設(shè)計(jì) 233.8本章小結(jié) 244系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì) 254.1系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì) 254.2單片機(jī)模塊程序設(shè)計(jì) 254.3顯示模塊程序設(shè)計(jì) 264.4報(bào)警模塊流程設(shè)計(jì) 274.5傳感器模塊程序設(shè)計(jì) 284.6按鍵模塊程序設(shè)計(jì) 294.7執(zhí)行模塊程序設(shè)計(jì) 304.8通信模塊程序設(shè)計(jì) 334.9本章小結(jié) 345系統(tǒng)功能測(cè)試 365.1仿真檢測(cè) 365.1.1整體仿真設(shè)計(jì) 365.2實(shí)物測(cè)試 365.3系統(tǒng)軟件測(cè)試 385.4本章小結(jié) 406總結(jié)與展望 42參考文獻(xiàn) 43第1緒論1.1研究背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷持續(xù)提升，居民生活質(zhì)量也跟著得到了明顯改善，現(xiàn)代都市里的人群，那些工作壓力比較大的職場(chǎng)人士，對(duì)舒適且適宜居住的環(huán)境呈現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)烈的需求，希望在忙碌工作之余可回到充滿人文關(guān)懷的居住空間，獲取身心放松以及城市歸屬感，以往人們主要是依靠精細(xì)化裝修以及軟裝設(shè)計(jì)來(lái)營(yíng)造溫馨的家居氛圍，這種直接的做法雖說(shuō)有效果，但還是存在不少局限性。比如說(shuō)，在疲憊狀態(tài)下操作窗簾開(kāi)合、門(mén)窗開(kāi)關(guān)以及各類電器開(kāi)關(guān)等日常家居行為，帶來(lái)諸多不便，還在一定程度上降低了居住體驗(yàn)的舒適度。隨著智能家居理念的興起以及其同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度交融，眾多科技企業(yè)紛紛推出各種智能化家居產(chǎn)品，就電動(dòng)窗簾而言，用戶可依靠電子遙控裝置達(dá)成手動(dòng)操控，而不用親自去拉動(dòng)，與之類似，入戶門(mén)和電風(fēng)扇等設(shè)備也可借助遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)操作，減少了人工干預(yù)的需求，為使用者節(jié)省出更多時(shí)間用于休息或者處理其他關(guān)鍵事務(wù)。不過(guò)這種控制方式仍舊存在固有的缺陷，遙控設(shè)備容易出現(xiàn)遺失或者隨著使用年限的增加致使靈敏度下降等情況，這會(huì)影響家電遠(yuǎn)程控制的精確性，也會(huì)削弱系統(tǒng)的智能化特性。智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用范圍已經(jīng)超出了單純的家電自動(dòng)化控制，在住宅安全防護(hù)方面也體現(xiàn)出了關(guān)鍵價(jià)值，從歷史到現(xiàn)在，社會(huì)上入室盜竊、燃?xì)庑孤┑劝踩[患經(jīng)常發(fā)生，這讓居民越來(lái)越重視家庭安防問(wèn)題，并且積極尋找外部技術(shù)干預(yù)的辦法，傳統(tǒng)安防措施主要依靠建筑硬裝設(shè)計(jì)，比如設(shè)置緊急疏散通道、安裝防盜護(hù)欄和密碼鎖等裝置，這些措施雖然有基本的防護(hù)作用，但是很難應(yīng)對(duì)不斷變化的犯罪手段，面對(duì)技術(shù)熟練的入侵者，常規(guī)的機(jī)械鎖具、防護(hù)柵欄和密碼鎖的防御效果明顯不夠。更關(guān)鍵的是，在住宅沒(méi)人的時(shí)候，現(xiàn)有系統(tǒng)不能對(duì)燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行全天監(jiān)測(cè)，火災(zāi)隱患不能及時(shí)預(yù)警，即使災(zāi)情發(fā)生了，業(yè)主和消防部門(mén)也不能馬上響應(yīng)，最終還是會(huì)造成重大財(cái)產(chǎn)損失，在這種情況下，引入智能家居技術(shù)有很關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義[1]。全球居民生活水平在不斷提高，居住條件也持續(xù)得到改善，然而入室盜竊、搶劫這類犯罪行為卻依舊處于高發(fā)的狀態(tài)，室內(nèi)無(wú)人的時(shí)候，因?yàn)闊熿F濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)而引發(fā)的火災(zāi)隱患也不能被忽視，這樣一來(lái)現(xiàn)代家居安防問(wèn)題就急需得到重視，在當(dāng)前智能家居蓬勃發(fā)展的這個(gè)背景之下，文獻(xiàn)[2]說(shuō)明強(qiáng)化住宅安防措施有關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義。本研究設(shè)計(jì)了一套依靠多傳感器融合技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并且依靠安防預(yù)警機(jī)制達(dá)成對(duì)住宅安全狀況的有效監(jiān)管，給居民生命財(cái)產(chǎn)安全提供可靠的保障。1.2研究意義本研究依靠構(gòu)建有智能化、安全化以及便捷化特點(diǎn)的現(xiàn)代家居系統(tǒng)，推動(dòng)智能家居技術(shù)在當(dāng)代社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用以及創(chuàng)新發(fā)展，以單片機(jī)作為控制核心，本研究整合了多模態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信系統(tǒng)、智能報(bào)警裝置以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等模塊，提升了住宅環(huán)境的智能化程度，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效契合了用戶對(duì)高品質(zhì)居住體驗(yàn)的需求，還依靠技術(shù)創(chuàng)新達(dá)成了家居管理的便捷化與個(gè)性化，為獨(dú)居老年群體提供了切實(shí)的生活保障。借助環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化呈現(xiàn)功能，該系統(tǒng)讓用戶可精準(zhǔn)掌握并優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，營(yíng)造更健康安全的生活空間，從宏觀角度看，本研究成果對(duì)促進(jìn)智能家居技術(shù)普及、推動(dòng)社會(huì)科技融合創(chuàng)新以及提升居民生活品質(zhì)等方面都有關(guān)鍵的實(shí)踐價(jià)值與社會(huì)效益。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀在當(dāng)下經(jīng)濟(jì)不斷持續(xù)發(fā)展以及技術(shù)迅速快速革新的大背景之下，現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)于智能化居住環(huán)境的需求呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，這為智能家居產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造出了廣闊的市場(chǎng)空間，學(xué)者于勇[4]指出，隨著居民生活品質(zhì)的提高，構(gòu)建智能化生活環(huán)境已經(jīng)成為社會(huì)普遍的需求，這個(gè)領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)潛力，而且也受到房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商的高度關(guān)注。XZhang采用STM32系列微處理器作為核心控制單元的趨勢(shì)變得日益明顯，ZJie它卓越的性能表現(xiàn)以及優(yōu)異的能耗控制特性為智能家居系統(tǒng)的研發(fā)提供了新的技術(shù)路徑，ZhangX與JieZ[5]針對(duì)傳統(tǒng)智能家居服務(wù)器存在的局限性，創(chuàng)新性地基于STM32F407VGT6微處理器構(gòu)建了嵌入式智能家居控制系統(tǒng)，并且成功移植了C/FanYangOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。QiWei在如今強(qiáng)調(diào)能源效率與環(huán)境保護(hù)的背景下，智能家居產(chǎn)品的成本控制與功耗優(yōu)化顯得十分關(guān)鍵，YangF與WeiQ[6]依靠采用STM32單片機(jī)架構(gòu)，開(kāi)發(fā)了有多模式控制功能的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)成本與能耗的雙重優(yōu)化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度整合為智能家居發(fā)展開(kāi)辟了新方向，提升了系統(tǒng)的智能化水平與遠(yuǎn)程管控能力。ZhaiY等學(xué)者[7]研究說(shuō)明，在信息化進(jìn)程加速的現(xiàn)代社會(huì)，人們對(duì)安全、舒適且可控的智能家居環(huán)境需求持續(xù)增長(zhǎng)，于是他們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于阿里云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居解決方案，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控核心，整合了火災(zāi)報(bào)警、智能門(mén)禁、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)功能模塊。在智能安防領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)研發(fā)工作時(shí)，日本索尼公司身為行業(yè)里的領(lǐng)軍企業(yè)，成功研制出一款集成了光學(xué)變焦以及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能攝像設(shè)備，達(dá)成了用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)的目的[8]，同一時(shí)期，韓國(guó)的三星和LG這兩大企業(yè)集團(tuán)依靠無(wú)線寬帶通信技術(shù)，先后推出了各自品牌的智能家居安防解決方案，這些系統(tǒng)在保障用戶人身與財(cái)產(chǎn)安全上呈現(xiàn)出了一定效能。1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀移動(dòng)通信技術(shù)迅速發(fā)展，智能終端廣泛應(yīng)用，林玩杰基于智能手機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)漸成提升用戶交互體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)路徑，李水峰毛立夫林玩杰等學(xué)者搭建了一套基于Android平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)，此系統(tǒng)以STM32F103微控制器作為核心處理單元，集成DHT11溫濕度傳感器來(lái)采集環(huán)境參數(shù)，借助I/O端口達(dá)成照明設(shè)備控制，采用OV7670攝像頭配合JPEG壓縮算法完成視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸[9]林建華林二妹。在無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用方面，研究顯示ZigBee與GPRS技術(shù)融合應(yīng)用能提高智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制性能與運(yùn)行穩(wěn)定性，林建華等研究者提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案整合這兩種無(wú)線通信技術(shù)，錢(qián)俊實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居電器設(shè)備的綜合管控[10]，從技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)來(lái)講，智能家居系統(tǒng)正從專用技術(shù)向互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)轉(zhuǎn)型，這一轉(zhuǎn)變提升了系統(tǒng)兼容性，也改善了用戶體驗(yàn)。錢(qián)俊指出，信息技術(shù)與日常生活深度融合重塑傳統(tǒng)生活模式，其中基于藍(lán)牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)為用戶提供便捷遠(yuǎn)程操控能力，肖榆瀞柯瑋翔有效保障設(shè)備運(yùn)行安全可靠[11]，在控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，STM32系列控制器因處理性能出色成為智能家居系統(tǒng)理想選擇，肖榆瀞等研究者開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)依靠STM32主控芯片實(shí)現(xiàn)了安防監(jiān)控、家電控制等核心功能模塊集成[12]。杜鑫凱魏雯為優(yōu)化控制效能，趙展杜鑫凱等學(xué)者提出基于ARM架構(gòu)的STM32智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案從硬件電路和軟件算法兩個(gè)維度做了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)優(yōu)化[13]。1.4研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)1.4.1研究主要內(nèi)容本研究設(shè)計(jì)了一套智能家居系統(tǒng)，其有環(huán)境感知以及設(shè)備調(diào)控功能，該系統(tǒng)會(huì)對(duì)室內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng)度、可燃?xì)怏w濃度以及人體活動(dòng)等環(huán)境參數(shù)展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)成了家居設(shè)備的自動(dòng)化控制，提升了居住環(huán)境的安全性與舒適度，本系統(tǒng)的核心研究?jī)?nèi)容包含以下關(guān)鍵方面：本研究一開(kāi)始就針對(duì)智能感應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)探討，著重考察溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度、火焰特征以及人體紅外信號(hào)等多源環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，為保證系統(tǒng)擁有快速響應(yīng)和高精度識(shí)別的核心功能，要系統(tǒng)性研究各類傳感器的選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體包含溫濕度傳感模塊、火焰探測(cè)單元、紅外人體感應(yīng)裝置、光照強(qiáng)度檢測(cè)組件以及煙霧濃度監(jiān)測(cè)單元等關(guān)鍵部件。還要對(duì)上述傳感技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)工況與復(fù)雜環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)進(jìn)行全面測(cè)試與評(píng)估。本研究圍繞系統(tǒng)動(dòng)力裝置展開(kāi)詳細(xì)分析，依據(jù)設(shè)計(jì)需求挑選繼電器作為核心驅(qū)動(dòng)元件，此元件能有效帶動(dòng)風(fēng)扇、加濕器以及水泵等終端設(shè)備，并且運(yùn)用舵機(jī)機(jī)構(gòu)達(dá)成窗戶的精準(zhǔn)控制，當(dāng)系統(tǒng)察覺(jué)到環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，所選用的驅(qū)動(dòng)裝置可提供足夠的動(dòng)力輸出，保證達(dá)成溫度調(diào)節(jié)、濕度控制、火災(zāi)撲救以及空氣流通等多種功能。在驅(qū)動(dòng)元件選型階段，著重關(guān)注性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助降低設(shè)備能耗以及提升機(jī)械傳動(dòng)效率，切實(shí)改進(jìn)了窗戶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效能。本研究著重剖析程序控制系統(tǒng)的關(guān)鍵作用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，此系統(tǒng)作為程序架構(gòu)的核心模塊，承擔(dān)著指令傳輸、信號(hào)接收以及動(dòng)力調(diào)控等核心功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)進(jìn)程中，元器件的選型十分關(guān)鍵，這直接關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及功能可擴(kuò)展性，研究還需要分析控制算法的優(yōu)化策略以及輸入輸出接口的配置方案。對(duì)同類元器件的性能參數(shù)以及可靠性指標(biāo)展開(kāi)全面比較分析，同時(shí)綜合考量實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景里的成本效益相關(guān)因素，此項(xiàng)研究最終挑選出在性價(jià)比跟耐久性方面都有著出色表現(xiàn)的元器件以及配套材料。本研究重點(diǎn)剖析用戶界面以及交互設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，這對(duì)用戶體驗(yàn)有著決定性的作用，展開(kāi)來(lái)說(shuō)，要針對(duì)顯示設(shè)備的特性以及操作界面展開(kāi)系統(tǒng)性的分析，并且憑借重構(gòu)交互邏輯來(lái)達(dá)成設(shè)計(jì)方案的適應(yīng)性調(diào)整，以此契合不同用戶群體的個(gè)性化需求。1.4.2論文結(jié)構(gòu)第一章屬于緒論部分，借助廣泛的文獻(xiàn)綜述以及實(shí)地調(diào)研，較為全面地闡述了本設(shè)計(jì)的研究背景與學(xué)術(shù)價(jià)值，之后憑借對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品展開(kāi)了詳細(xì)的評(píng)價(jià)論述，最后對(duì)本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容做了概括性的說(shuō)明。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)這一章節(jié)里，首先針對(duì)程序可實(shí)現(xiàn)的主要功能做了一番概述，接著按照功能所有的特性把它劃分成了若干個(gè)模塊化單元，然后根據(jù)各個(gè)功能模塊之間存在的相互關(guān)系繪制出了系統(tǒng)架構(gòu)框圖，最后經(jīng)過(guò)對(duì)核心元器件性能參數(shù)展開(kāi)綜合評(píng)估并完成選型，確定了最為優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本研究的第三章主要圍繞系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開(kāi)，先是對(duì)各個(gè)功能模塊的電路結(jié)構(gòu)做了較為細(xì)致的闡述，接著又對(duì)各模塊的電路工作原理進(jìn)行了深入剖析，基于此剖析了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)辦法。第四章主要關(guān)注系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，圍繞軟件架構(gòu)里各功能模塊的運(yùn)行流程展開(kāi)了較為細(xì)致的分析以及精心的設(shè)計(jì)工作。第五章著重圍繞系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)展開(kāi)，先是對(duì)測(cè)試工作的核心目標(biāo)以及所運(yùn)用的具體測(cè)試方法給予闡述，接著針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用功能以及各個(gè)功能模塊，著手展開(kāi)詳細(xì)的測(cè)試用例分析，最后依據(jù)測(cè)試結(jié)果得出對(duì)應(yīng)的結(jié)論。本研究的第六章是全文的總結(jié)部分，它系統(tǒng)地歸納了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以及論文撰寫(xiě)過(guò)程里取得的主要成果，還對(duì)已經(jīng)完成的研究?jī)?nèi)容做了概括性的闡述，并且針對(duì)當(dāng)前研究存在的局限性，提出了未來(lái)有可能的改進(jìn)方向與拓展空間。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1方案設(shè)計(jì)本研究構(gòu)建了一套集成化智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)運(yùn)用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要囊括主控單元、環(huán)境感知模塊、人機(jī)交互界面、狀態(tài)指示單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)通信組件，其中以單片機(jī)為基礎(chǔ)的核心控制模塊，一方面承擔(dān)著系統(tǒng)調(diào)度中樞的功能，另一方面達(dá)成了對(duì)外設(shè)設(shè)備的協(xié)同控制以及數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。環(huán)境感知模塊借助多模態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度參數(shù)、光照強(qiáng)度、煙霧濃度、火焰狀態(tài)以及人體活動(dòng)信號(hào)，并且把采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)安全閾值進(jìn)行動(dòng)態(tài)比對(duì)，以此來(lái)評(píng)估家居環(huán)境的安全狀況，人機(jī)交互模塊設(shè)有功能按鍵，可支持用戶開(kāi)展安全參數(shù)配置、設(shè)備狀態(tài)手動(dòng)調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)工作模式切換等操作，提升了系統(tǒng)的交互性與可操作性。本系統(tǒng)借助多傳感器協(xié)同監(jiān)測(cè)機(jī)制達(dá)成環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)控，當(dāng)光照傳感器檢測(cè)到環(huán)境照度低于預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)激活LED照明模塊，要是煙霧濃度超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)控制舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬開(kāi)窗動(dòng)作來(lái)提高通風(fēng)效果，當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到高溫狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)立刻啟動(dòng)散熱風(fēng)扇實(shí)施降溫處理。若濕度傳感器識(shí)別到空氣濕度過(guò)低，繼電器控制模塊將模擬加濕器工作以提升環(huán)境濕度，而且系統(tǒng)配備紅外熱釋電人體檢測(cè)模塊，當(dāng)探測(cè)到人員進(jìn)入，蜂鳴器報(bào)警裝置會(huì)馬上觸發(fā)聲光警示。該系統(tǒng)的顯示模塊借助實(shí)時(shí)掃描程序信息流的方式，達(dá)成了對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)讀取目的，憑借基于WIFI無(wú)線通信協(xié)議構(gòu)建上下位機(jī)雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，保障了系統(tǒng)交互有實(shí)時(shí)性與可靠性，圖2.1將本方案的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖完整呈現(xiàn)出來(lái)。圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖從圖表呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可看出，通信模塊達(dá)成了用戶對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控功能，此系統(tǒng)把MQTTServer用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪?，先是接收下位機(jī)采集到的各類環(huán)境參數(shù)，接著把這些實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到上位機(jī)平臺(tái)，該模塊還有支持用戶自定義環(huán)境參數(shù)閾值、切換安防系統(tǒng)工作狀態(tài)、調(diào)整運(yùn)行模式以及遠(yuǎn)程操控執(zhí)行設(shè)備等功能。圖2.2細(xì)致地展示了本研究里上位機(jī)系統(tǒng)的功能架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。圖2.2系統(tǒng)上位機(jī)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)圖2.2系統(tǒng)模塊方案選擇2.2.1主控芯片選擇在系統(tǒng)主控芯片選型這當(dāng)中，對(duì)于單片機(jī)的挑選要要進(jìn)行謹(jǐn)慎認(rèn)真的思考權(quán)衡，當(dāng)下市場(chǎng)里可用來(lái)選擇的單片機(jī)型號(hào)數(shù)量不少，其中像51系列以及32系列等這些主流產(chǎn)品是最為常見(jiàn)的。51系列單片機(jī)作為單片機(jī)領(lǐng)域的入門(mén)級(jí)別產(chǎn)品，有著簡(jiǎn)化的內(nèi)部架構(gòu)這一特征，該系列器件在開(kāi)發(fā)環(huán)境上存在局限，只能適配Keil開(kāi)發(fā)平臺(tái)且沒(méi)有操作系統(tǒng)支持，這種兼容性不足增加了開(kāi)發(fā)的復(fù)雜程度，從硬件架構(gòu)方面來(lái)看，其單一的內(nèi)核設(shè)計(jì)致使外設(shè)操作流程繁雜，頻繁進(jìn)行底層接口操作增加開(kāi)發(fā)難度，還可能造成器件物理?yè)p傷，這讓該系列產(chǎn)品更適合用于有底層硬件控制需求的特定應(yīng)用場(chǎng)景。相較于傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)而言，32系列單片機(jī)于系統(tǒng)架構(gòu)以及性能表現(xiàn)方面有了提升，它內(nèi)部的資源更豐富些，有較高的主頻頻率，以及容量更大的ROM和RAM存儲(chǔ)器，引腳接口也更豐富，外設(shè)配置也更完善，就產(chǎn)品定位來(lái)講，32系列單片機(jī)面向高端應(yīng)用領(lǐng)域，可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。該系列單片機(jī)有優(yōu)異的兼容性，能提供多樣的內(nèi)核版本選擇，還支持多種主流操作系統(tǒng)，其控制機(jī)制靠程序編碼達(dá)成，不用頻繁拆卸與組裝外設(shè)，操作流程簡(jiǎn)便又靈活，而且32系列單片機(jī)在系統(tǒng)可靠性與安全性方面性能優(yōu)勢(shì)突出。依據(jù)上述分析并綜合考量系統(tǒng)需求特性，選用STM32系列單片機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)，該系列芯片可依靠編程達(dá)成庫(kù)函數(shù)調(diào)用，精準(zhǔn)地完成溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度、火焰檢測(cè)以及人體感應(yīng)等多維度數(shù)據(jù)的采集與處理，在STM32系列的眾多型號(hào)里，STM32F103C8T6憑借其優(yōu)良的集成度、較大的存儲(chǔ)容量以及較高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，成為工程實(shí)踐中的優(yōu)先選擇方案。如圖2.3所示，該型號(hào)芯片的各項(xiàng)性能參數(shù)完全契合本畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心控制需求[14]。圖2.3STM32F103C8T6芯片圖2.2.2顯示屏方案選擇本系統(tǒng)所運(yùn)用的硬件輸出設(shè)備即顯示模塊，要契合顯示內(nèi)容清晰程度高、信息展示較為全面以及有動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)效果等基礎(chǔ)要求，在硬件設(shè)計(jì)范疇，常見(jiàn)的顯示器件主要囊括LED、LCD以及OLED等多種類型[15]，基于此情況，本研究將著重探討以下兩種可行的技術(shù)方案。液晶顯示器作為一種典型的平板顯示設(shè)備，是依據(jù)液晶態(tài)物質(zhì)的分子排列特性，借助施加電場(chǎng)改變其光學(xué)性質(zhì)來(lái)達(dá)成圖像顯示功能的，這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用的是相對(duì)傳統(tǒng)的顯示原理，存在一些固有缺陷，比如器件厚度比較大、顯示對(duì)比度不夠、響應(yīng)延遲明顯以及界面切換滯后等情況，隨著顯示技術(shù)不斷迭代更新，這類顯示屏已經(jīng)難以契合當(dāng)前市場(chǎng)需求，正在逐漸退出主流應(yīng)用領(lǐng)域。近些年來(lái)，有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏已經(jīng)成為了硬件系統(tǒng)里被廣泛應(yīng)用的核心輸出裝置，這種顯示技術(shù)是由多層有機(jī)半導(dǎo)體材料組成的，可呈現(xiàn)出色彩鮮明且畫(huà)質(zhì)細(xì)膩的視覺(jué)表現(xiàn)，和傳統(tǒng)顯示設(shè)備相比，OLED顯示屏有和用戶操作同步的快速響應(yīng)特性，在運(yùn)行效率以及使用壽命方面也有著一定優(yōu)勢(shì)。綜合以上各方面的考慮，本系統(tǒng)最后選用了0.96寸OLED顯示屏來(lái)當(dāng)作數(shù)據(jù)輸出的終端設(shè)備，這樣的設(shè)計(jì)達(dá)成了家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化展示的目的，使得用戶可以直接地觀察到各項(xiàng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況，具體的硬件連接以及顯示效果可以參照?qǐng)D2.4。圖2.40.96寸的OLED顯示屏圖2.2.3傳感器方案選擇為達(dá)成家庭安全的智能化保障目的，本系統(tǒng)借助多傳感器融合技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)具體包括溫濕度、光照強(qiáng)度以及煙霧濃度等環(huán)境指標(biāo)，還集成了火焰探測(cè)功能與非法入侵檢測(cè)功能，以此構(gòu)建起全方位的安全防護(hù)體系[16]。溫濕度檢測(cè)方案：DS18B20傳感器是一種數(shù)字溫度檢測(cè)裝置，憑借±0.5°C的高精度測(cè)量能力以及快速響應(yīng)特性聞名，在環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用價(jià)值，不過(guò)該傳感器在功能方面存在明顯局限，它不能實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度參數(shù)的同步檢測(cè)，這一缺陷致使其難以契合本系統(tǒng)對(duì)多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。該傳感器更適合單一溫度檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。DHT11是一款帶有溫濕度檢測(cè)功能的復(fù)合型傳感器，在環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值，它的優(yōu)勢(shì)在于可以同時(shí)采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，還擁有信號(hào)校正輸出功能，不過(guò)和DS18B20傳感器相比，DHT11在性能指標(biāo)方面有明顯短板，它的溫度測(cè)量精度是±2°C，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2秒，這些技術(shù)問(wèn)題致使其在測(cè)量準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性上表現(xiàn)不好。依據(jù)家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能需求的分析，溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集成為了核心功能模塊，有研究說(shuō)明，在家庭應(yīng)用場(chǎng)景里，±2°C的溫度測(cè)量偏差不會(huì)給安全監(jiān)測(cè)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響，而且2秒級(jí)的響應(yīng)延遲在實(shí)際應(yīng)用中可被視作可接受的范圍，雖然DHT11傳感器存在一定的技術(shù)局限，不過(guò)它的綜合性能依舊可以契合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。相比之下，DS18B20傳感器由于缺少濕度檢測(cè)功能而存在較為十分突出的局限性，經(jīng)過(guò)圖2.5所展示的對(duì)比分析，本研究最后選用DHT11傳感器作為家庭環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)的核心傳感單元。圖2.5DHT11傳感器圖火焰檢測(cè)系統(tǒng)屬于關(guān)鍵安全監(jiān)測(cè)技術(shù)范疇，借助紅外傳感機(jī)制達(dá)成對(duì)家庭明火的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該系統(tǒng)核心組件有紅外傳感電路以及信號(hào)處理電路，憑借捕捉火焰燃燒時(shí)生成的特定紅外輻射特征，達(dá)成對(duì)火災(zāi)隱患的精準(zhǔn)識(shí)別并進(jìn)行預(yù)警，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)有毫秒級(jí)響應(yīng)速度，可及時(shí)探測(cè)火焰異常，有效提高家庭環(huán)境的防火安全等級(jí)。這種基于紅外輻射檢測(cè)的技術(shù)方案已然發(fā)展成熟，于預(yù)防家庭火災(zāi)等安全事故方面呈現(xiàn)出出色的可靠性與實(shí)用性。圖2.6火焰?zhèn)鞲衅鞅狙芯窟\(yùn)用HC-SR501紅外熱釋電傳感器搭建人體檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)達(dá)成非法入侵行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此有效提高家庭防盜安全性能，該傳感器的核心工作原理是向室內(nèi)空間發(fā)射紅外線波，當(dāng)有入侵者時(shí)，目標(biāo)物體會(huì)反射紅外信號(hào)，傳感器接收端憑借捕捉反射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)，如圖2.7所示，該技術(shù)方案有諸多優(yōu)勢(shì)：紅外傳感有良好的穿透性和環(huán)境適應(yīng)性，其高靈敏度能保證在不同環(huán)境條件下都可實(shí)現(xiàn)可靠的人體感應(yīng)檢測(cè)。圖2.7紅外熱釋電圖在環(huán)境光照強(qiáng)度檢測(cè)方案里，選用基于光電效應(yīng)原理的GL5506型光敏電阻當(dāng)作核心傳感元件，這種器件擁有十分突出的負(fù)阻特性，它的電阻值會(huì)隨著入射光強(qiáng)的提高而呈現(xiàn)出反比例的變化態(tài)勢(shì)，該傳感器擁有100毫瓦的低功耗特性，并且有不錯(cuò)的性價(jià)比以及高靈敏度，可達(dá)成光照強(qiáng)度變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)。就如同圖2.8所展示的那樣，該光敏電阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且擁有便捷的系統(tǒng)集成特性。圖2.8GL5506光敏電阻圖本研究運(yùn)用的煙霧濃度檢測(cè)方案是基于MQ-2傳感器的，這種傳感器擁有出色的煙霧敏感特性，其工作原理是要預(yù)先通電加熱，以此來(lái)保證測(cè)量精度，并且有寬電壓范圍的適應(yīng)性，從圖2.9可看出，該傳感器借助實(shí)時(shí)采集環(huán)境里的煙霧濃度數(shù)據(jù)達(dá)成監(jiān)測(cè)功能。圖2.9MQ-2傳感器圖2.2.4蜂鳴器選擇要達(dá)成家庭環(huán)境里的安全監(jiān)控功能，就要構(gòu)建一套依靠紅外熱釋電傳感器的報(bào)警系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能在檢測(cè)到人體信號(hào)的時(shí)候觸發(fā)即時(shí)報(bào)警機(jī)制來(lái)起到警示效果，在報(bào)警裝置進(jìn)行選型時(shí)，有有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器這兩種不一樣的技術(shù)方案可以選擇。有源蜂鳴器是一種帶有內(nèi)置震蕩源的報(bào)警裝置，它的工作原理是在通電之后借助內(nèi)部震蕩源產(chǎn)生特定頻率的聲波信號(hào)，以此來(lái)達(dá)成報(bào)警功能，這種器件有操作簡(jiǎn)便以及編程控制輕松的特點(diǎn)，同時(shí)還擁有較高的聲壓級(jí)輸出，這些特性讓它成為報(bào)警系統(tǒng)里性能不錯(cuò)的備選器件。無(wú)源蜂鳴器是一種沒(méi)有內(nèi)部震蕩源的電子元件，它憑借外部驅(qū)動(dòng)方波的頻率調(diào)節(jié)來(lái)發(fā)聲，在恒定電流信號(hào)作用下不能產(chǎn)生聲頻輸出，和有源蜂鳴器相比，無(wú)源蜂鳴器有成本優(yōu)勢(shì)，不過(guò)蜂鳴器整體價(jià)格基數(shù)低，兩者經(jīng)濟(jì)性差異在實(shí)際應(yīng)用中不突出，無(wú)源蜂鳴器在響應(yīng)特性上有明顯局限，它的信號(hào)轉(zhuǎn)換效率和實(shí)時(shí)性表現(xiàn)都比有源蜂鳴器差。依據(jù)上述所做的分析，本項(xiàng)研究最終選定有源蜂鳴器來(lái)充當(dāng)報(bào)警提示裝置，它的具體實(shí)現(xiàn)方案呈現(xiàn)于圖2.10當(dāng)中。圖2.10有源蜂鳴器圖2.2.5通信方式的選擇為達(dá)成用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，此項(xiàng)研究把移動(dòng)終端應(yīng)用程序當(dāng)作上位機(jī)系統(tǒng)的主要呈現(xiàn)形式，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)里，上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題相當(dāng)關(guān)鍵，基于此，本文著重探討了兩種無(wú)線通信技術(shù)方案，一種是基于ZigBee協(xié)議的短距離通信方案，另一種是采用WIFI技術(shù)的無(wú)線傳輸方案，這兩種技術(shù)方案可切實(shí)解決設(shè)備間的互聯(lián)互通需求。在無(wú)線通信技術(shù)范疇之中，ZigBee把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成為電磁波信號(hào)然后發(fā)送出去，接收端對(duì)電磁波信號(hào)做解碼處理，最后把數(shù)據(jù)顯示在終端設(shè)備上面，WIFI技術(shù)和ZigBee運(yùn)用的通信原理類似，不過(guò)二者在應(yīng)用場(chǎng)景方面有差別：ZigBee有較好的抗干擾特性、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能以及較快的響應(yīng)速度，更適合開(kāi)發(fā)成本承受能力強(qiáng)的大型工業(yè)場(chǎng)景[17]，相比之下，WIFI技術(shù)有和ZigBee差不多的通信性能，還適合移動(dòng)設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用，本研究最后采用WIFI通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件互聯(lián)。參照?qǐng)D2.11可看出，用戶可以借助移動(dòng)終端應(yīng)用程序隨時(shí)獲取家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且依據(jù)自身實(shí)際需求對(duì)系統(tǒng)參數(shù)閾值開(kāi)展個(gè)性化配置，同時(shí)還支持功能模式進(jìn)行靈活切換，另外也擁有短程遠(yuǎn)程操控各類智能家居設(shè)備的功能。圖2.11WIFI通信設(shè)備圖2.3性能需求分析在著手進(jìn)行智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究之際，同樣需要針對(duì)該系統(tǒng)展開(kāi)多方面的性能評(píng)估以及分析工作，系統(tǒng)性能指標(biāo)屬于衡量項(xiàng)目能否成功實(shí)施的關(guān)鍵因素，其關(guān)鍵程度不容小覷，本研究主要從以下幾個(gè)不同維度對(duì)系統(tǒng)性能展開(kāi)考察。于家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作里，本研究運(yùn)用了一個(gè)由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、GL5506光敏電阻、火焰?zhèn)鞲衅饕约凹t外熱釋電傳感器共同構(gòu)成的五傳感器陣列，當(dāng)中DHT11傳感器擁有±2°C的溫度測(cè)量精準(zhǔn)度，而火焰?zhèn)鞲衅骱图t外熱釋電傳感器的測(cè)量誤差都被控制在±1%范圍以內(nèi)。這樣的一種配置保證了系統(tǒng)可獲取到高精度的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，其測(cè)量誤差處于幾乎可以忽略不計(jì)的程度。在硬件選型之時(shí)，本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6當(dāng)作核心控制芯片，此微控制器擁有72MHz主頻的處理能力，還集成了20KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其出色的運(yùn)算性能可保障系統(tǒng)程序高效執(zhí)行，這種低功耗且高性能的處理器架構(gòu)能契合24小時(shí)不間斷運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，而且有著良好的能耗控制特性，特別適合智能家居等需要長(zhǎng)期無(wú)人值守的應(yīng)用場(chǎng)景。本研究開(kāi)發(fā)的智能家居系統(tǒng)，希望能夠達(dá)成人機(jī)友好交互的目標(biāo)，創(chuàng)新性地整合了按鍵模塊以及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊這兩種交互方式，采用雙模式設(shè)計(jì)以契合不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，這種設(shè)計(jì)為操作人員提供了多樣的選擇方案，提升了系統(tǒng)操作的便捷程度，使用戶可高效完成程序參數(shù)設(shè)置以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析等核心功能。本研究設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)有突出的可靠性，其硬件組件在兼顧經(jīng)濟(jì)性的情況下，擁有出色的運(yùn)行穩(wěn)定性以及靈活性，軟件層面運(yùn)用了成熟的JavaWeb開(kāi)發(fā)技術(shù)框架，而且以及優(yōu)化的空間，整體系統(tǒng)在軟硬件方面都呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性能。2.4本章小結(jié)對(duì)項(xiàng)目可行性以及技術(shù)路線展開(kāi)系統(tǒng)論證后，本研究先經(jīng)需求分析環(huán)節(jié)明確了功能性與性能指標(biāo)的具體要求，接著構(gòu)建起系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，這一系列工作為后續(xù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)以及工程實(shí)現(xiàn)奠定了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)依據(jù)定的設(shè)計(jì)方案，本研究全面且細(xì)致地達(dá)成了硬件電路架構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)工作，針對(duì)各個(gè)功能模塊，詳細(xì)地剖析了其電路工作的原理，并且精準(zhǔn)地繪制出了與之對(duì)應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖形，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙?duì)各模塊之間的數(shù)據(jù)通信機(jī)制進(jìn)行了規(guī)范化的定義。3.1單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)意法半導(dǎo)體所推出的32位微控制器系列之中的STM32，采用的是ARM公司研發(fā)的Cortex-M內(nèi)核架構(gòu)[18]，在其命名里，“M”代表的是微電子學(xué)領(lǐng)域，此系列產(chǎn)品乃是在傳統(tǒng)51單片機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新后所取得的成果，依靠自身出色的性能優(yōu)勢(shì)，有效化解了51架構(gòu)所存在的技術(shù)瓶頸，成為當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首選平臺(tái)。在硬件資源層面，STM32系列整合了像USART、I2C以及SPI等多種標(biāo)準(zhǔn)通信接口，這樣高度集成化的設(shè)計(jì)讓它可很方便地達(dá)成與各類傳感器以及外設(shè)的互聯(lián)，并且支持多設(shè)備并行接入，該系列產(chǎn)品還有低功耗特性、型號(hào)多樣以及開(kāi)發(fā)便捷等技術(shù)特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)涉及智能家居、運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域，充分呈現(xiàn)了嵌入式技術(shù)在當(dāng)代社會(huì)各行業(yè)中的基礎(chǔ)性支撐作用。STM32單片機(jī)作為一款主控芯片，因其尺寸緊湊且占地面積小，在各種應(yīng)用場(chǎng)景里都表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，這款芯片采用逆時(shí)針排列的引腳布局，左下角帶有圓形標(biāo)記的引腳被規(guī)定為引腳1，這些引腳可連接多種傳感器以及外圍設(shè)備，它的主要功能有對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)換、計(jì)算以及編碼處理，還可以對(duì)連接的設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。從根本上來(lái)說(shuō)，該芯片是產(chǎn)品的核心控制單元，其作用如同人體的大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)，圖3.1呈現(xiàn)了本智能家居系統(tǒng)中單片機(jī)模塊的具體電路設(shè)計(jì)方案。圖3.1單片機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)3.2傳感器模塊電路設(shè)計(jì)3.2.1DHT11傳感器電路本研究運(yùn)用DHT11傳感器來(lái)采集濕度數(shù)據(jù)，此傳感器主要是由電容式感應(yīng)模塊以及數(shù)字信號(hào)處理單元所組成，電容式感應(yīng)模塊覆蓋溫度敏感元件和濕度敏感元件，其中溫度敏感元件選用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，它的阻值和環(huán)境溫度呈現(xiàn)出反比關(guān)系，借助監(jiān)測(cè)電阻值的變化便可達(dá)成環(huán)境溫度的測(cè)量，濕度敏感元件借助吸濕膨脹效應(yīng)來(lái)改變自身阻值，這個(gè)阻值變化直接體現(xiàn)環(huán)境濕度水平。DHT11傳感器內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，提升了溫濕度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性與精確度，在電路設(shè)計(jì)方面，該傳感器采用三引腳結(jié)構(gòu)，3.3V電源接入引腳3，引腳1連接地線形成回路，引腳2作為數(shù)據(jù)端口采用單總線協(xié)議與單片機(jī)PA5口進(jìn)行雙向通信，能傳輸溫濕度數(shù)據(jù)，也能接收控制指令。為保證信號(hào)穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)引腳配置了上拉電阻，在空閑狀態(tài)時(shí)維持高電平狀態(tài)，具體電路連接方式可查看圖3.2所示原理圖。圖3.2DHT11傳感器電路設(shè)計(jì)3.2.2火焰?zhèn)鞲衅麟娐繁狙芯窟\(yùn)用基于火焰光熱特性的紅外傳感技術(shù)來(lái)開(kāi)展火焰檢測(cè)工作，經(jīng)由剖析不同燃燒狀態(tài)以及燃料類型情況下火焰輻射的光譜特征和強(qiáng)度差異，設(shè)計(jì)出有光敏轉(zhuǎn)換功能的火焰?zhèn)鞲衅?，該傳感器的核心部件可以有效地捕捉火焰發(fā)射出的紅外輻射，并且把它轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)給予輸出。如圖3.3所展示的電路原理圖，系統(tǒng)運(yùn)用5V直流供電，其中引腳1作為模擬信號(hào)輸出端，將檢測(cè)到的火焰強(qiáng)度信息依靠單總線通信方式傳送到單片機(jī)PA6端口，達(dá)成完整的信號(hào)采集與處理回路。圖3.3火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩O(shè)計(jì)3.2.3紅外熱釋電電路本研究運(yùn)用SR602型紅外熱釋電傳感器來(lái)檢測(cè)人體信號(hào)，其工作原理是依據(jù)人體作為恒溫?zé)嵩闯掷m(xù)向外輻射紅外線的這一物理特性，該傳感器里面的紅外探測(cè)元件可對(duì)特定空間范圍內(nèi)的紅外輻射開(kāi)展掃描，當(dāng)人體進(jìn)入到探測(cè)區(qū)域的時(shí)候，傳感器內(nèi)部的感應(yīng)元件會(huì)和人體散發(fā)的紅外輻射產(chǎn)生相互作用，憑借反射特定波長(zhǎng)的紅外線并且把它轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，以此來(lái)達(dá)成人體存在狀態(tài)的識(shí)別。就如圖3.4展示的電路連接示意圖那樣，該傳感器的電源正極接入5V直流電源，電源負(fù)極進(jìn)行接地處理，信號(hào)輸出端在沒(méi)有人體感應(yīng)的時(shí)候維持高電平狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到人體存在時(shí)就輸出低電平信號(hào)到單片機(jī)PA7端口。圖3.4紅外熱釋電電路設(shè)計(jì)3.2.4MQ-2傳感器電路本研究運(yùn)用MQ-2型半導(dǎo)體氣敏傳感器開(kāi)展煙霧濃度檢測(cè)工作，此傳感器的核心部分是特殊半導(dǎo)體敏感元件，其電阻特性會(huì)隨著環(huán)境煙霧濃度的變化而出現(xiàn)明顯改變，展開(kāi)來(lái)說(shuō)，在清潔的空氣中半導(dǎo)體材料呈現(xiàn)出高阻抗?fàn)顟B(tài)，當(dāng)接觸到煙霧分子時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在半導(dǎo)體表面形成導(dǎo)電層，使得電阻值下降的程度與煙霧濃度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在電路設(shè)計(jì)方面，傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)四線制連接方式：第4引腳接入5V直流電源，第3引腳連接系統(tǒng)地線構(gòu)成供電回路，第1引腳作為模擬信號(hào)輸出端，借助單總線傳輸機(jī)制把煙霧濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)傳送到單片機(jī)PA0端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完整的電路連接示意圖可在后文圖示部分查看。圖3.5MQ-2傳感器電路設(shè)計(jì)3.2.5GL5506光敏電阻電路本研究選用GL5506型光敏電阻作為光照強(qiáng)度傳感部件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，即當(dāng)入射光子能量激發(fā)半導(dǎo)體材料里的載流子時(shí)，會(huì)讓器件電阻值產(chǎn)生變化，展開(kāi)來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有光照的狀況下，該器件呈現(xiàn)出高阻抗特性，而當(dāng)受到光照時(shí)，因?yàn)楣馍d流子的作用，其電阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度提高而呈反比例下降態(tài)勢(shì)。為了優(yōu)化傳感器響應(yīng)特性，電路設(shè)計(jì)采用了典型的分壓式偏置結(jié)構(gòu)，如圖3.6所示，5V直流電源接入器件正極，接地端連接引腳3，模擬信號(hào)輸出端依靠PA4接口與微控制器相連，達(dá)成光強(qiáng)-電壓信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換與傳輸。圖3.6光敏電阻電路設(shè)計(jì)3.3顯示模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)挑選0.96英寸OLED顯示屏當(dāng)作輸出終端設(shè)備，其具體的電路架構(gòu)如圖3.7所示，這個(gè)顯示模塊主要是由電源供電單元、驅(qū)動(dòng)控制單元以及數(shù)據(jù)傳輸單元組成：電源電路借助VCC接口給模塊供應(yīng)工作電壓，運(yùn)用TFT驅(qū)動(dòng)技術(shù)的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)控制像素點(diǎn)發(fā)光，時(shí)鐘控制電路也就是SCL與單片機(jī)PA12端口相連接，用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)間顯示，數(shù)據(jù)通信電路即SDA則連接到單片機(jī)PA11接口，達(dá)成程序數(shù)據(jù)的可視化展示。圖3.7數(shù)據(jù)輸出電路設(shè)計(jì)3.4報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)把內(nèi)置振蕩電路以及放大電路的有源蜂鳴器當(dāng)作報(bào)警模塊的關(guān)鍵元件，它的工作原理是：施加工作電流的時(shí)候，振蕩電路會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生特定頻率的聲頻信號(hào)，這個(gè)信號(hào)接著經(jīng)過(guò)放大電路來(lái)做增益處理，最后輸出可編程報(bào)警聲波，具體電路實(shí)現(xiàn)方案如圖3.8呈現(xiàn)，蜂鳴器正極接入5V直流電源，負(fù)極依靠限流電阻和三極管放大電路相連，并且和單片機(jī)模塊的PA8端口構(gòu)成信號(hào)傳輸通路，以此完成整個(gè)報(bào)警信號(hào)的驅(qū)動(dòng)以及傳輸進(jìn)程。圖3.8報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)3.5按鍵模塊電路設(shè)計(jì)該研究借助五位按鍵模塊達(dá)成系統(tǒng)功能的手動(dòng)控制，各個(gè)按鍵經(jīng)雙端口設(shè)計(jì)構(gòu)建成閉合回路，當(dāng)中I/O端口同單片機(jī)相連接，接地端口形成完備的電路通路，不同按鍵操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生不一樣的I/O電平狀態(tài)變化，I/O端口肩負(fù)著單片機(jī)與按鍵模塊間的物理連接功能，還作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵通道發(fā)揮作用。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)里，所有按鍵的I/O端口都和單片機(jī)PB5至PB9端口達(dá)成電氣連接，借此完成控制指令的傳輸與讀取，按鍵操作運(yùn)用觸發(fā)式機(jī)制，首次按壓執(zhí)行預(yù)設(shè)功能，再次按壓就取消對(duì)應(yīng)操作，相關(guān)電路設(shè)計(jì)方案可見(jiàn)圖3.9。圖3.9按鍵控制模塊電路設(shè)計(jì)3.6執(zhí)行模塊電路設(shè)計(jì)3.6.1LED燈電路在圖3.10所展示的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)里，發(fā)光二極管的工作原理是建立在半導(dǎo)體材料電致發(fā)光效應(yīng)基礎(chǔ)之上的，當(dāng)系統(tǒng)察覺(jué)到環(huán)境照度不夠充足、按鍵被觸發(fā)或者接收到上位機(jī)發(fā)出的指令時(shí)，電流會(huì)從LED的正極注入進(jìn)去，在PN結(jié)區(qū)域形成電子與空穴對(duì)的復(fù)合過(guò)程，產(chǎn)生可見(jiàn)光輻射來(lái)達(dá)成照明的功能。此電路選用單片機(jī)PC13端口當(dāng)作控制端，其輸出電平的狀態(tài)決定了LED的工作模式：在常態(tài)情況下端口輸出低電平，使得LED處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)有照明需求時(shí)端口輸出高電平，驅(qū)動(dòng)LED導(dǎo)通發(fā)光，在電路設(shè)計(jì)中LED的負(fù)極依靠接地回路構(gòu)成了完整的電流通路。圖3.10LED燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.6.2繼電器電路本研究把繼電器當(dāng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)使用，具體設(shè)置了三個(gè)繼電器，分別對(duì)風(fēng)扇、水泵以及加濕器等設(shè)備進(jìn)行控制，繼電器是單片機(jī)控制系統(tǒng)里的核心元件，它的工作原理依據(jù)電磁感應(yīng)效應(yīng)：當(dāng)控制信號(hào)經(jīng)由單片機(jī)I/O端口輸入時(shí)，繼電器內(nèi)部的線圈在通電情況下會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)銜鐵產(chǎn)生機(jī)械位移，使觸點(diǎn)的通斷狀態(tài)發(fā)生改變。如圖呈現(xiàn)的那樣，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的繼電器控制電路借助上述電磁-機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)制，在達(dá)到預(yù)設(shè)控制條件時(shí)，可精準(zhǔn)地達(dá)成執(zhí)行設(shè)備的開(kāi)啟與關(guān)閉控制功能。圖3.11繼電器電路設(shè)計(jì)3.6.3舵機(jī)電路在本研究里運(yùn)用舵機(jī)來(lái)構(gòu)建窗戶模擬裝置，此裝置于單片機(jī)控制系統(tǒng)中充當(dāng)方向調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可把輸入的電信號(hào)有效地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械位移輸出，舵機(jī)內(nèi)部整合了控制電路、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及位置檢測(cè)模塊，可依據(jù)預(yù)設(shè)指令達(dá)成輸出軸的精確且快速定位，在智能家居系統(tǒng)[19]、航空航天設(shè)備、船舶自動(dòng)化[20]以及機(jī)器人控制等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。該執(zhí)行器件有著出色的定位精度和運(yùn)行穩(wěn)定性，還支持包含PWM信號(hào)調(diào)制和串行通信等多種控制模式，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本研究選用串行通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)環(huán)境煙霧濃度超過(guò)閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)以模擬窗戶開(kāi)啟狀態(tài)，完成通風(fēng)換氣操作，相關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖3.12。圖3.12舵機(jī)電路設(shè)計(jì)3.7通信模塊電路設(shè)計(jì)ESP8266芯片身為通信系統(tǒng)里的核心部件，承擔(dān)著協(xié)議處理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵功能，它的工作機(jī)制主要呈現(xiàn)為上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)程，在信號(hào)發(fā)射的時(shí)候，這個(gè)模塊會(huì)把數(shù)字信號(hào)編碼成射頻信號(hào)，接著依靠天線來(lái)進(jìn)行無(wú)線傳輸，到了接收端，則要開(kāi)展信號(hào)解碼以及信息提取的操作。本系統(tǒng)所采用的WIFI通信模塊嚴(yán)格依照MQTT協(xié)議規(guī)范[21]，它的硬件連接配置如圖3.13所示：其中第7引腳負(fù)責(zé)供電工作，第2引腳達(dá)成接地功能，第1和第5引腳形成串行通信接口來(lái)完成數(shù)據(jù)交換，第8引腳作為復(fù)位端口用于模塊初始化操作。圖3.13ESP8266無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)3.8本章小結(jié)本研究第三章著重講述了基于STM32微控制器的硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，此架構(gòu)把環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)當(dāng)作核心功能，借助集成溫濕度、光照、煙霧、紅外以及火焰等多種模態(tài)傳感器達(dá)成環(huán)境感知，在通信方面，系統(tǒng)運(yùn)用Wi-Fi無(wú)線傳輸協(xié)議保證設(shè)備間可互聯(lián)互通以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路采用繼電器和舵機(jī)組合的方案，保障了家電設(shè)備控制的可靠性，還提升了能源利用效率。電源管理模塊采用高精度穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，給系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，在電路可靠性設(shè)計(jì)上，專門(mén)考慮了電磁兼容性優(yōu)化、過(guò)載保護(hù)機(jī)制以及模塊化布局方案，以此提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，整體硬件方案在低功耗設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成度與運(yùn)行穩(wěn)定性等方面做了優(yōu)化，完全契合智能家居系統(tǒng)對(duì)智能化、便捷操作以及安全性能的嚴(yán)格要求，為現(xiàn)代住宅智能化改造提供了可靠的硬件支撐平臺(tái)。

4系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)主流程設(shè)計(jì)本系統(tǒng)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)架構(gòu)，于main.c文件里開(kāi)展各功能模塊的初始化配置工作以及設(shè)備I/O端口的參數(shù)設(shè)定，把核心功能代碼給予封裝集成，系統(tǒng)啟動(dòng)之時(shí)，首先構(gòu)建上下位機(jī)之間的通信鏈路，接著激活各功能模塊使之運(yùn)行，環(huán)境監(jiān)測(cè)部分借助傳感器網(wǎng)絡(luò)達(dá)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，操作人員可依靠人機(jī)交互界面動(dòng)態(tài)配置環(huán)境參數(shù)閾值、設(shè)定報(bào)警觸發(fā)條件以及執(zhí)行策略，并且支持系統(tǒng)工作模式的靈活切換。采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)由單總線通信協(xié)議傳輸至主控單片機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與邏輯判斷后，可觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警裝置或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，系統(tǒng)主程序的具體執(zhí)行流程可見(jiàn)圖4.1。圖4.1程序總體流程圖4.2單片機(jī)模塊程序設(shè)計(jì)由STM32F103C8T6微控制器搭建的系統(tǒng)架構(gòu)達(dá)成了核心處理功能，此設(shè)計(jì)先是經(jīng)由MCU復(fù)位操作來(lái)完成初始化流程，接著進(jìn)入主程序main()函數(shù)去執(zhí)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集指令，系統(tǒng)運(yùn)用分布式設(shè)備通信機(jī)制，把控制命令傳送到傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，各個(gè)傳感單元依據(jù)此來(lái)啟動(dòng)溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度、火焰檢測(cè)以及人體紅外信號(hào)等多參數(shù)同步采集。微控制器針對(duì)傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與運(yùn)算分析，借助預(yù)設(shè)算法判斷環(huán)境異常狀態(tài)，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作或者驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，圖4.2具體呈現(xiàn)了該單片機(jī)模塊的軟件控制流程。圖4.2單片機(jī)模塊工作流程設(shè)計(jì)4.3顯示模塊程序設(shè)計(jì)顯示模塊的程序設(shè)計(jì)流程主要有關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下：首先要完成OLED顯示屏初始化配置，包括設(shè)定相關(guān)參數(shù)以及配置I/O端口，還要執(zhí)行全屏位顯示關(guān)閉操作，接著進(jìn)行程序數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)處理，憑借SDA接口實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，在獲取數(shù)據(jù)時(shí)同步做解碼與格式轉(zhuǎn)換操作，數(shù)據(jù)處理完成后，把結(jié)果輸出到OLED顯示屏進(jìn)行可視化展示。在文本顯示過(guò)程中，采用指針逐位移動(dòng)的技術(shù)方案保證顯示內(nèi)容完整，該模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程可見(jiàn)圖4.3。圖4.3顯示模塊軟件流程設(shè)計(jì)4.4報(bào)警模塊流程設(shè)計(jì)報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)選用蜂鳴器當(dāng)作聲光報(bào)警裝置，這個(gè)裝置借助控制開(kāi)關(guān)達(dá)成啟停功能，在系統(tǒng)初始化階段會(huì)完成對(duì)蜂鳴器的配置工作，當(dāng)沒(méi)有觸發(fā)預(yù)設(shè)報(bào)警閾值的時(shí)候，蜂鳴器會(huì)維持靜默狀態(tài)，一旦單片機(jī)經(jīng)由紅外熱釋電傳感器檢測(cè)到非法入侵信號(hào)，傳感器輸出的人體感應(yīng)信號(hào)符合報(bào)警觸發(fā)條件，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求并傳送到蜂鳴器控制端口，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出振蕩報(bào)警聲。圖4.4具體呈現(xiàn)了該模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖。圖4.4報(bào)警模塊軟件流程設(shè)計(jì)4.5傳感器模塊程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的傳感器模塊達(dá)成了家庭環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)的功能，可實(shí)時(shí)采集如溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度、火焰以及人體活動(dòng)等各類信號(hào)，并且借助信號(hào)調(diào)理電路完成放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理流程，展開(kāi)來(lái)說(shuō)，微控制器單元也就是MCU首先會(huì)針對(duì)各個(gè)傳感器開(kāi)展初始化配置工作，其中應(yīng)變電阻片會(huì)借助感知環(huán)境參數(shù)的變化產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)，各個(gè)傳感器內(nèi)部所集成的轉(zhuǎn)換電路會(huì)把這個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，之后經(jīng)由數(shù)據(jù)接口傳輸至MCU以便進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算與分析。圖4.5詳細(xì)呈現(xiàn)了該傳感器模塊的軟件算法實(shí)現(xiàn)流程。圖4.5傳感器模塊軟件流程設(shè)計(jì)4.6按鍵模塊程序設(shè)計(jì)按鍵控制機(jī)制的工作原理是依靠電平信號(hào)觸發(fā)機(jī)制，借助硬件電路和軟件檢測(cè)相互配合來(lái)達(dá)成功能控制，在系統(tǒng)初始化階段，首先要完成按鍵模塊的配置工作，把相關(guān)的I/O端口設(shè)定為輸入模式，并且配置下拉電阻，以此保證按鍵處于穩(wěn)定的未觸發(fā)狀態(tài)，在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)用實(shí)時(shí)輪詢機(jī)制不斷監(jiān)測(cè)按鍵狀態(tài)，依靠檢測(cè)I/O端口電平的變化來(lái)判斷按鍵動(dòng)作。展開(kāi)來(lái)說(shuō)，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，會(huì)與單片機(jī)形成導(dǎo)電回路，使得端口電平出現(xiàn)跳變，觸發(fā)預(yù)設(shè)的功能響應(yīng)，按鍵釋放之后，電路恢復(fù)為開(kāi)路狀態(tài)，端口電平自動(dòng)回到初始化設(shè)定的穩(wěn)定值，該控制邏輯的完整實(shí)現(xiàn)流程可查看圖4.6。圖4.6按鍵模塊軟件流程設(shè)計(jì)4.7執(zhí)行模塊程序設(shè)計(jì)在執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)中，繼電器充當(dāng)著核心控制元件的角色，它依據(jù)對(duì)火焰強(qiáng)度、溫度以及濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所獲取的數(shù)據(jù)，借助單片機(jī)的輸出引腳向繼電器傳遞控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)沿著預(yù)先設(shè)定好的電路路徑進(jìn)行傳導(dǎo)，當(dāng)繼電器接收到信號(hào)后，其內(nèi)部的線圈會(huì)激發(fā)出特定的電磁場(chǎng)，促使常閉觸點(diǎn)改變狀態(tài)，帶動(dòng)與它相連的水泵、風(fēng)扇以及加濕器等執(zhí)行裝置啟動(dòng)，最終達(dá)成火災(zāi)撲救、環(huán)境降溫以及濕度調(diào)節(jié)等功能方面的目標(biāo)，具體的控制流程可以參考圖4.7。圖4.7繼電器控制流程設(shè)計(jì)本研究運(yùn)用了LED照明補(bǔ)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程可詳細(xì)參考圖4.8，在系統(tǒng)初始化階段，LED會(huì)被默認(rèn)設(shè)置為低電平狀態(tài)，同時(shí)會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)其I/O口的工作狀態(tài)，一旦環(huán)境光照強(qiáng)度低于預(yù)先設(shè)定的閾值，單片機(jī)輸出引腳就會(huì)向LED發(fā)送高電平信號(hào)，以此觸發(fā)照明功能，當(dāng)LED被激活后，系統(tǒng)會(huì)引入延時(shí)控制機(jī)制，達(dá)成LED的動(dòng)態(tài)流動(dòng)照明效果。圖4.8LED燈驅(qū)動(dòng)流程設(shè)計(jì)本研究運(yùn)用舵機(jī)裝置來(lái)模擬窗戶的開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作，其工作過(guò)程可劃分成初始化定位以及控制執(zhí)行這兩個(gè)關(guān)鍵階段，在初始化階段的時(shí)候，舵機(jī)系統(tǒng)首先會(huì)執(zhí)行自檢程序，以此來(lái)驗(yàn)證電路系統(tǒng)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀況，接著依據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)完成初始角度的定位，構(gòu)建起后續(xù)控制操作的基準(zhǔn)參考體系。當(dāng)進(jìn)入控制執(zhí)行階段之后，舵機(jī)借助專用接收模塊把外部控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭商幚淼碾娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)解碼器完成信號(hào)的解碼以及格式的轉(zhuǎn)換，并且同時(shí)實(shí)施信號(hào)校驗(yàn)，以此來(lái)保證指令傳輸?shù)目煽啃?，解碼之后的目標(biāo)角度參數(shù)被傳送到控制電路，這個(gè)電路憑借實(shí)時(shí)對(duì)比當(dāng)前角度與目標(biāo)角度之間的差值生成控制指令，最終驅(qū)使電機(jī)執(zhí)行精確的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，具體的工作流程可見(jiàn)圖4.9所示。圖4.9舵機(jī)驅(qū)動(dòng)流程設(shè)計(jì)4.8通信模塊程序設(shè)計(jì)本研究中所采用的智能家居系統(tǒng)通信模塊借助ESP8266設(shè)備達(dá)成，此設(shè)備實(shí)際上是一種擁有WIFI與串口協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的通信器件，系統(tǒng)上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互僅僅依靠USB串口來(lái)完成數(shù)據(jù)的傳輸，在通信進(jìn)程里，發(fā)送端的數(shù)據(jù)會(huì)被調(diào)制成為WIFI傳輸格式，而接收端會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的解調(diào)操作把它還原成常規(guī)數(shù)據(jù)格式，最終借助上位機(jī)手機(jī)應(yīng)用程序達(dá)成可視化呈現(xiàn)。圖4.10對(duì)該通信模塊的軟件處理流程進(jìn)行了詳細(xì)展示。圖4.10通信模塊軟件流程設(shè)計(jì)4.9本章小結(jié)在這一章節(jié)當(dāng)中，對(duì)系統(tǒng)從架構(gòu)設(shè)計(jì)一直到工程實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過(guò)程都做了詳細(xì)的闡述，采用模塊化開(kāi)發(fā)的方式，針對(duì)硬件平臺(tái)以及軟件算法開(kāi)展了協(xié)同優(yōu)化工作，以此保證各個(gè)功能組件都可嚴(yán)格地契合系統(tǒng)規(guī)格所提出的要求，實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果顯示，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)都達(dá)成了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)，這也就充分地驗(yàn)證了整體架構(gòu)有合理性，同時(shí)實(shí)施方案也有有效性。

5系統(tǒng)功能測(cè)試5.1仿真檢測(cè)5.1.1整體仿真設(shè)計(jì)Proteus軟件平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)仿真技術(shù)，借助構(gòu)建囊括智能終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及中央控制單元的虛擬模型，達(dá)成了對(duì)家居環(huán)境智能化管理進(jìn)程的模擬與驗(yàn)證，此仿真系統(tǒng)可全面呈現(xiàn)智能空調(diào)、智能風(fēng)扇以及智能管家等終端設(shè)備的協(xié)同工作情形，并且憑借場(chǎng)景模擬測(cè)試來(lái)評(píng)估系統(tǒng)整體性能。當(dāng)前系統(tǒng)還不有自動(dòng)檢測(cè)功能，需要依靠人工方式調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，這時(shí)LED顯示屏?xí)?shí)時(shí)反饋參數(shù)狀態(tài)，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)相關(guān)組件的運(yùn)行機(jī)制，具體仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖所示。圖5.1整體仿真圖5.2實(shí)物測(cè)試本系統(tǒng)的調(diào)試步驟如下表說(shuō)明：表5.1系統(tǒng)調(diào)試步驟說(shuō)明調(diào)試步驟步驟說(shuō)明系統(tǒng)硬件連接根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將單片機(jī)、傳感器、電源、顯示模塊等硬件組件正確連接到一起。確保所有連接線牢固可靠，沒(méi)有虛接或短路現(xiàn)象。檢查電源供電，確保穩(wěn)定供電給整個(gè)系統(tǒng)。單片機(jī)程序燒錄使用編程器或調(diào)試器將預(yù)先編寫(xiě)好的單片機(jī)程序燒錄到單片機(jī)中。確保燒錄過(guò)程無(wú)誤，程序正確加載到單片機(jī)中。傳感器校準(zhǔn)與測(cè)試對(duì)溫濕度傳感器、光敏電阻、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、紅外熱釋電進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。按照傳感器使用手冊(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，驗(yàn)證傳感器與單片機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸是否正常。預(yù)警閾值設(shè)定根據(jù)實(shí)際需求和安全標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定溫濕度、煙霧濃度、光照的預(yù)警閾值。將設(shè)定好的預(yù)警閾值寫(xiě)入單片機(jī)程序中。系統(tǒng)功能測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，包括數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等。測(cè)試過(guò)程中，檢查系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保各項(xiàng)功能正常工作。高溫預(yù)警功能驗(yàn)證在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，模擬一定強(qiáng)度的火焰、溫濕度、光照和煙霧濃度，以及有人或者無(wú)人的情況，驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠正確觸發(fā)預(yù)警功能、家居執(zhí)行功能。檢查預(yù)警響應(yīng)時(shí)間、預(yù)警級(jí)別顯示等是否符合預(yù)期要求。系統(tǒng)優(yōu)化與改進(jìn)根據(jù)調(diào)試過(guò)程中的測(cè)試結(jié)果和問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。優(yōu)化算法、改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)等方面，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。實(shí)物展示圖如下：圖5.6硬件實(shí)物圖5.3系統(tǒng)軟件測(cè)試本研究開(kāi)發(fā)的智能家居控制系統(tǒng)，將移動(dòng)終端應(yīng)用程序用作人機(jī)交互界面[22]，此應(yīng)用擁有環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、閾值設(shè)定、模式切換以及設(shè)備遠(yuǎn)程操控等核心功能，可達(dá)成家庭環(huán)境的全天智能化管理，用戶借助移動(dòng)終端與硬件系統(tǒng)相連后，應(yīng)用程序界面頂部區(qū)域會(huì)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)溫度、濕度、火焰強(qiáng)度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度以及人體感應(yīng)等多維環(huán)境參數(shù)，中部區(qū)域會(huì)給出溫濕度、光照及煙霧濃度閾值的配置選項(xiàng)，還支持手動(dòng)、自動(dòng)以及防盜這三種工作模式的切換。要注意，只有在系統(tǒng)處于手動(dòng)工作模式時(shí)，用戶才可借助滑動(dòng)界面控件對(duì)報(bào)警裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施遠(yuǎn)程操控，系統(tǒng)軟件界面的具體實(shí)現(xiàn)方案如圖5.7所示。圖5.7軟件實(shí)現(xiàn)界面圖其測(cè)試用例如下表5.2所示。表5.2系統(tǒng)硬件測(cè)試結(jié)果調(diào)試用例預(yù)期結(jié)果實(shí)際結(jié)果數(shù)據(jù)查詢模塊手機(jī)App與程序連接成功后，在首頁(yè)可以查看到家庭環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、火焰、煙霧濃度、人體感應(yīng)信號(hào)等手機(jī)App與程序連接成功后，在首頁(yè)可以查看到家庭環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、火焰、煙霧濃度、人體感應(yīng)信號(hào)等切換功能模式模塊手機(jī)App與程序連接成功后，在首頁(yè)可以選擇系統(tǒng)的工作模式，包括自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和防盜模式，當(dāng)切換到不同的工作模式時(shí)，程序會(huì)進(jìn)行不同的工作反應(yīng)手機(jī)App與程序連接成功后，在首頁(yè)可以選擇系統(tǒng)的工作模式，包括自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和防盜模式，當(dāng)切換到不同的工作模式時(shí)，程序會(huì)進(jìn)行不同的工作反應(yīng)控制設(shè)備模塊手機(jī)App與程序連接成功后，可以在界面滑動(dòng)按鈕，來(lái)控制蜂鳴器、風(fēng)扇、LED燈、加濕器、水泵、舵機(jī)的開(kāi)關(guān)手機(jī)App與程序連接成功后，可以在界面滑動(dòng)按鈕，來(lái)控制蜂鳴器、風(fēng)扇、LED燈、加濕器、水泵、舵機(jī)的開(kāi)關(guān)閾值設(shè)置模塊手機(jī)App與程序連接成功后，可以依次對(duì)光照、溫濕度、煙霧濃度的閾值進(jìn)行設(shè)置，并發(fā)送給單片機(jī)程序手機(jī)App與程序連接成功后，可以依次對(duì)光照、溫濕度、煙霧濃度的閾值進(jìn)行設(shè)置，并發(fā)送給單片機(jī)程序5.4本章小結(jié)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，本章先