智能家居系统如何用单片机实现？

基于单片机的智能家居系统设计方案

系统概述

本项目旨在设计一个低成本、高可靠性和可扩展性的智能家居系统，该系统以STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，通过各类传感器采集家居环境数据（如温湿度、光照强度），并控制执行器（如继电器、LED灯）实现自动化控制，用户可以通过OLED显示屏实时查看环境信息，并通过蓝牙模块（HC-05）与手机APP进行无线通信，实现远程监控和控制。

核心目标：

1. 环境感知： 实时监测室内温湿度、光照强度。
2. 自动化控制： 根据环境数据自动控制家电（如风扇、灯光）。
3. 人机交互： 通过本地OLED屏显示信息，通过手机APP进行远程操控。
4. 系统扩展： 硬件和软件设计具备良好的可扩展性，方便未来增加更多功能。

系统总体设计

1 系统架构图

系统采用“感知层-控制层-应用层”的三层架构。

graph TD
    subgraph 感知层
        A[温湿度传感器 DHT11] --> D{STM32 主控};
        B[光敏电阻/光照传感器 BH1750] --> D;
        C[人体红外传感器 HC-SR501] --> D;
    end
    subgraph 控制层
        D --> E[继电器模块 (控制灯、风扇)];
        D --> F[蜂鸣器 (报警)];
        D --> G[LED指示灯];
        D <--> H[蓝牙模块 HC-05];
        D <--> I[OLED显示屏];
    end
    subgraph 应用层
        H --> J[智能手机APP];
        I --> K[用户本地查看];
    end

2 核心控制器选型

• 选择：STM32F103C8T6
• 理由：
  • 高性能： 基于 ARM Cortex-M3 内核，主频高达 72MHz，计算能力强，足以处理多任务。
  • 丰富外设： 集成多个 UART、I2C、SPI、ADC、TIMERS 等外设，方便连接各种传感器和模块。
  • 高性价比： 价格低廉，社区支持庞大，资料丰富，是学习和项目开发的理想选择。
  • 足够I/O口： 拥有足够多的GPIO引脚，为未来扩展预留了空间。

硬件设计

1 主要元器件清单

2 硬件连接方案

以下是各模块与STM32的引脚连接示例（具体引脚可根据开发板实际布局调整）：

注意：

• I2C总线共享： BH1750和OLED都使用I2C通信，可以共享SCL和SDA线，但需注意总线上设备的地址不能冲突。
• 继电器模块： 继电器模块通常带有光耦隔离，控制端为5V TTL电平，可以直接由STM32的GPIO控制。
• 电源： 确保所有模块的供电电压和电流需求，必要时使用外部电源（如5V/2A适配器）为系统供电。

软件设计

1 开发环境

• IDE: Keil MDK (ARM) 或 STM32CubeIDE
• 编程语言: C语言
• 库/中间件: STM32 HAL库 (推荐) 或 标准库
• 调试工具: ST-Link/J-Link

2 软件架构设计

软件采用模块化设计,将不同功能封装成独立的模块，便于维护和扩展。

graph TD
    subgraph 主函数 main.c
        A[系统初始化] --> B[主循环 while(1)];
        B --> C[传感器数据采集];
        B --> D[逻辑判断与控制];
        B --> E[OLED数据显示];
        B --> F[蓝牙数据处理];
    end
    subgraph 驱动层
        subgraph DHT11驱动
            C1[DHT11_ReadData()];
        end
        subgraph BH1750驱动
            C2[BH1750_ReadValue()];
        end
        subgraph HC-SR501驱动
            C3[PIR_Read()];
        end
        subgraph 继电器/LED驱动
            D1[Relay_SetState()];
            D2[LED_SetState()];
        end
        subgraph 蓝牙驱动
            F1[UART_SendString()];
            F2[UART_ReceiveData()];
        end
        subgraph OLED驱动
            E1[OLED_Init()];
            E2[OLED_ShowString()];
            E3[OLED_ShowNum()];
        end
    end
    C --> C1;
    C --> C2;
    C --> C3;
    D --> D1;
    D --> D2;
    F --> F1;
    F --> F2;
    E --> E1;
    E --> E2;
    E --> E3;

3 核心功能代码逻辑（伪代码）

// main.c
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "dht11.h"
#include "bh1750.h"
#include "oled.h"
#include "bluetooth.h"
#include "relay.h"
// 全局变量
float temperature, humidity;
uint16_t light_value;
uint8_t pir_state;
int main(void) {
  // 1. 系统初始化
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  OLED_Init();      // 初始化OLED
  UART_Init();      // 初始化蓝牙串口
  DHT11_Init();     // 初始化DHT11
  BH1750_Init();    // 初始化BH1750
  PIR_Init();       // 初始化PIR
  Relay_Init();     // 初始化继电器
  // 2. 主循环
  while (1) {
    // 3. 数据采集
    DHT11_ReadData(&temperature, &humidity);
    light_value = BH1750_ReadValue();
    pir_state = PIR_Read();
    // 4. 自动化逻辑判断与控制
    // 规则1: 如果温度 > 28°C 且有人，则打开风扇
    if (temperature > 28.0 && pir_state == 1) {
        Relay_SetState(RELAY_ON);
    } else {
        Relay_SetState(RELAY_OFF);
    }
    // 规则2: 如果光照强度 < 100 (暗) 且有人，则打开灯
    if (light_value < 100 && pir_state == 1) {
        LED_SetState(LED_ON);
    } else {
        LED_SetState(LED_OFF);
    }
    // 5. 本地数据显示
    OLED_Clear();
    OLED_ShowString(0, 0, "Temp: ");
    OLED_ShowNum(50, 0, (int)temperature, 2);
    OLED_ShowString(80, 0, "C");
    OLED_ShowString(0, 2, "Humi: ");
    OLED_ShowNum(50, 2, (int)humidity, 2);
    OLED_ShowString(80, 2, "%");
    OLED_ShowString(0, 4, "Light: ");
    OLED_ShowNum(50, 4, light_value, 4);
    OLED_ShowString(90, 4, "lx");
    HAL_Delay(2000); // 刷新间隔
    // 6. 蓝牙数据处理
    if (UART_Data_Available()) {
        uint8_t cmd = UART_ReadByte();
        switch (cmd) {
            case 'F': // Fan On
                Relay_SetState(RELAY_ON);
                break;
            case 'f': // Fan Off
                Relay_SetState(RELAY_OFF);
                break;
            case 'L': // Light On
                LED_SetState(LED_ON);
                break;
            case 'l': // Light Off
                LED_SetState(LED_OFF);
                break;
            case 'S': // Send Status
                char buf[100];
                sprintf(buf, "T:%.1f,H:%.1f,L:%d\n", temperature, humidity, light_value);
                UART_SendString(buf);
                break;
        }
    }
  }
}

功能实现详解

1. 环境监测：

   • 温湿度： 通过DHT11的时序读取数据，STM32模拟单总线通信协议获取40位数据，校验后分解出温度和湿度值。
   • 光照： 使用I2C协议读取BH1750传感器的数字值，无需复杂的AD转换，精度高。

2. 自动化控制：

   • “人来灯亮/扇开，人走灯灭/扇关”： 结合PIR传感器和温湿度/光照阈值，实现人来后自动开启设备，人走后延时关闭。
   • 阈值控制： 设定温度、光照的上下限，当环境参数超出范围时，自动启动或关闭相应设备。

3. 远程控制 (蓝牙APP)：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 通信协议： 定义简单的ASCII码命令，如 'F' 开风扇，'f' 关风扇，'S' 请求状态。
   • 手机APP： 可以使用 Arduino Bluetooth Controller 或 Serial Bluetooth Terminal 等现成APP进行测试，也可以使用MIT App Inventor自己开发一个简单的图形化APP。
   • 数据交互： APP发送指令给STM32，STM32执行相应操作；STM32也可以主动将环境数据打包发送给APP。

4. 本地显示：

   使用I2C接口的OLED屏,通过SSD1306驱动芯片，将采集到的温湿度、光照等数据格式化后显示在屏幕上，方便用户直接查看。

系统扩展与未来展望

本系统具有良好的扩展性,未来可以从以下几个方面进行升级：

1. 增加更多传感器：

   • 烟雾/燃气传感器 (MQ-2): 实现火灾和燃气泄漏报警。
   • 门窗磁传感器: 监测门窗是否被非法打开。
   • PM2.5传感器: 监测室内空气质量。

2. 增加更多执行器：

   • 舵机: 控制窗帘、百叶窗的开合。
   • 步进电机: 实现更精确的机械控制。
   • RGB LED灯: 实现颜色可调的氛围灯。

3. 升级网络连接：

   • Wi-Fi模块 (ESP8266): 将蓝牙替换为Wi-Fi，接入家庭局域网和互联网，这样就可以通过外网IP或云平台（如阿里云IoT、腾讯云IoT）进行远程控制，实现真正的智能家居。
   • ZigBee/Z-Wave模块: 组建Mesh网络，实现低功耗、自组网的无线传感器网络，适合大面积、多节点的家居环境。

4. 引入人工智能：

   • 数据记录与分析： 记录长期的环境数据，分析用户习惯，实现更智能的自动化，学习”到用户通常晚上10点回家，则提前开启空调和灯光。
   • 语音控制： 集成语音识别模块（如LD3320）或通过Wi-Fi模块连接云语音服务（如阿里云、讯飞开放平台），实现语音控制。