电子系统设计——基于stm32的OneNET智能家居远程控制系统

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随着科学技术的发展，人们的生活方式发生着巨大改变，基于物联网技术实现的智能家居使我们的生活变得更加方便快捷。本次设计结合现代生活的具体需求，设计出一套基于物联网技术的智能家居电子系统设计。本系统是基于stm32F103C8T6开发板, 使用 Keil5 软件对系统程序开发， 并进行编程、仿真和调试， 实现满足系统所需控制功能。主要实现对光照强度、温湿度等信息的实时监测，将相关温度、设备状态信息等实时显示在LCD屏上，通过esp8266 wifi模块进行联网可实现远程数据传输，同时通过蓝牙进行stm32单片机之间的通信。该系统有自动和手动两个模式，可自由选择，方便灵活智能，根据采集的信息可实现自动控制。利用OneNET云平台，使用HTTP传输协议，编辑应用实现手机端和电脑端的远程控制显示，操作界面美观方便，便于使用。此外，我们还搭建了红外发射模块，可根据要求开关空调并设定对应温度。
1.1 技术背景

随着物联网技术的发展，家居的网络化、智能化已成为现实。智能家居已经走进人们的生活，为众多家庭带来巨大的便利。智能家居是以家庭住宅为基础，利用网络通讯、综合布线、安全防范、自动控制等技术将电子产品接入网络，构建物物相连的家庭网络系统，从而实现人们对家居设备的远程控制。智能家居以物联网为基础搭建，旨在提高生活的安全与舒适性，提高生活效率。随着近年来网络技术的发展，物联网、智能家居的概念成为了人们关注的焦点。智能家居系统通过物联网将家中的各种电子设备连接起来，组成一个小型网络，达到智能控制等功能。基于物联网的智能家居系统与普通家居相比，不仅能满足人们正常的生活需求，而且实现了家居设备的自动化、智能化，使得人们能够获得大量交互信息，随时随地进行远程控制，甚至可以为能源费用节约资金，给人们的日常生活带来安全和便利。
1.2 设计任务及要求

① 测量温湿度和光照强度等家庭环境数据，并显示在显示屏上；
② 可实时监测相应温湿度数据；
③ 通过wifi模块进行联网，实现远程控制；
④ 通过蓝牙模块实现互联；
⑤ 通过单片机编程，模块化结构设计，设计系统原理图和PCB电路图以及完成系统的硬件与软件的调试，实现智能控制。
1.3 设计难点

设计难点：
难点一：尽管我们对智能家居很熟悉，但如何利用wifi模块联网进行远程控制仍是一个挑战，通过课后查阅相关资料和讲解视频，逐渐对传输协议有了一定的认识，并选择较为简单的HTTP协议进行实践，对于报文的构建和上传和接收进行编程进而实现自动收发数据的功能。
难点二：定时器的使用，通过使用stm32的四个定时器，来对查询开关状态，发送温湿度数据，定时打开和关闭服务器连接合理的控制，做到相互协调，互不干扰。
难点三：红外模块的设计。目前市场的红外模块都无法实现实验室格力空调的解码及编码（经过测试），并且网上的资料并不是很全面，无法实现开关空调的功能。想要实现通过红外模块来控制空调的开关需要自己设计一个电路，并且解码遥控器的红外编码。
难点四：通过蓝牙来实现物联。智能家居一个重要的特点就是通过物联网来进行控制。而我们这个系统实现物联的方式就是通过蓝牙。一个主机蓝牙最多可以和七个从机蓝牙组建网络，通过主机蓝牙设定通讯地址，主机蓝牙就能和相应地址的从机蓝牙进行数据交换。
1.4 实现功能&具体工作内容

实现功能：
1. 测量温湿度和光照强度，实时显示相应温湿度数据.
2. 可通过蓝牙进行stm32单片机之间的通信；
3. 利用OneNET云平台以及WIFI模块，编辑应用实现手机端和电脑端的远程控制显示，可远程下达命令，实现远程控制；
4. 红外发射模块，可根据要求开关空调并设定对应温度；
具体工作内容：
1. 各个模块程序的编写。包括温湿度传感器（SHT30）、光敏传感器（BH1750）、LCD显示屏、两个蓝牙模块之间的通讯；
2. 通过ESP8266 WIFI模块联网以及OneNET云平台实现远程控制。程序的编写以及交互界面的制作
3. 红外发射电路的搭建以及控制程序的编写；
4. 硬件电路的制作。PCB的制作及焊接。

2.1.2 HTTP传输协议
HTTP是hypertext transfer protocol的首字母缩写，即超文本传输协议，HTTP协议是一个属于TCP/IP应用层的协议，它定义了Web浏览器和服务器之间的数据交换过程。当浏览器连接了Web服务器以后，必须遵循响应的数据通讯格式，而HTTP协议就定义了这种通讯格式。
HTTP协议使得浏览器访问服务器的过程更加高效，同时也减轻了服务器的工作负担，减轻了网络堵塞。它让计算机准确快速地传输超文本信息，不仅可以精确到所传输文档的某一个部分，甚至可以确定传输内容的显示顺序。HTTP不仅服务于Web访问过程中，同时在其他互联网硬件之间的通讯中也得到了广泛的应用，大大增强了各种资源的通讯扩展性。
下面简要介绍其工作过程：
一次HTTP操作称为一个事务，这个事务的工作过程可分为以下四步:
(1) 首先需要客户端浏览器和服务器建立连接。在浏览器地址栏输入-一个网址或者鼠标单击某个超链接，HTTP连接就建立成功了。
(2)连接成功后，客户端浏览器以相应的格式给Web服务器发送一一个请求: 请求行、请求头和请求体。
(3)服务器接收到客户端浏览器的请求之后，向浏览器发送相应的响应，格式为:一个状态行、若千响应头以及实体内容。
(4)客户端浏览器把服务器返回的响应信息展示给客户，同时客户机和服务器先前建立的连接断开。

2.2.1 红外模块原理
红外发射所有的脉冲信号均调制在载波上，载波频率通常为38K。载波是电信号去驱动红外发光二极管，将电信号变成光信号发射出去，这就是红外光，波长范围在840nm到960nm之间。需要遵循NEC协议规范。



图3-2：系统硬件结构图

4.2 运行过程及结果

4.2.1 系统操作说明
插上电源后会有一个开机动画，等待一会。开机成功后首先打开热点，提供电源，让单片机开始运行程序，稳定连接后，便通过wifi定时接受开关数据及指令和上传温湿度数据，选择自动模式，系统便根据编程设定内容实行自动控制，选择手动模式，便可通过云端进行远程控制，按下对应按钮和输入对应数据即可实现控制
自动模式：
当环境温度大于30℃时，打开空调，当环境温度低于25℃时，关闭空调。当光照小于100亮度等级时，led灯点亮，代表需要开灯来提供照明。反之则关闭led灯。
手动模式：
按下手动按钮后，便可自行选择打开空调，led灯和设定相应温度，不再受其他条件的干扰。
4.2.2 作品界面照片
下图为app效果图以及液晶屏界面图：



图4-1：app效果图  



   图4-2：液晶屏界面图

4.3 设计亮点

1. 亮点一：远程控制。可以远程实现空调的开关和温度设定，这既得益于wifi模块和oneNET云平台的稳定运行，使得数据能有及时有效的传送到单片机处，又得益于该系统的红外发射模块。
2. 亮点二：红外模块。自行设计了红外发射电路，并且利用空调遥控器测出了空调的红外编码，解算出了格力空调的红外编码规则。通过编写程序，实现了由单片机控制的红外模块。
3. 亮点三：开机界面的设计。系统开机时，LCD显示屏会有一个开机动画，增加了系统的美观性。
4. 亮点四：物联网的搭建。通过蓝牙模块实现数据互传，组建出由单片机控制的物联网（由于时间和器件的限制，目前只做了由一个主机蓝牙和一个从机蓝牙构建的网络）。



图6-2：样板1 pcb图

这是我们大三完成的电子系统设计，大家可以进行参考，有问题的话欢迎私信进行交流。
芜湖~~~