智能家居控制系统
简介
基于STM32的智能家居控制系统，通过嵌入式软硬件电路设计与物联网通信相结合，实现了对室内环境数据的实时采集与云端显示。用户可以借助手机APP或者Web网页在远程对相关的设备进行开关控制。
简介：基于STM32的智能家居控制系统，通过嵌入式软硬件电路设计与物联网通信相结合，实现了对室内环境数据的实时采集与云端显示。用户可以借助手机APP或者Web网页在远程对相关的设备进行开关控制。开源协议
：GPL 3.0
描述
项目简介
基于STM32的智能家居控制系统，通过嵌入式软硬件电路设计与物联网通信相结合，实现了对室内环境数据的实时采集与云端显示。用户可以借助手机APP或者Web网页在远程对相关的设备进行开关控制，同时在硬件端的TFT彩屏上可以实时显示日期、时间、室内环境数据等信息。该系统不仅具备一定的可玩性，同时还具有相当可观的实用价值。
项目参数
- 本项目使用STM32F103C8T6微处理器作为整个系统的主控。STM32依靠ADC等外设实现通过传感器对室内环境数据的采集，利用SPI接口实现数据在屏幕上的显示，最后借助UART接口和GPIO实现数据到物联网云服务器的上传以及设备的控制。
- 本项目采用ESP12-F作为物联网通信模组。该模块基于ESP8266芯片设计，支持标准的WiFi协议以及完整的TCP/IP协议栈，同时具备高可靠性以及低功耗的特点。该模组引出了ESP8266自带的UART、ADC、PWM、SPI等外设资源，在本项目中，ESP12-F模组通过自身的TCP/IP协议栈，同时借助本地局域网作为一个MQTT客户端接入物联网云平台，利用UART与STM32进行数据交互，将相关的数据上传至物联网云平台并将用户的控制指令发送给STM32，从而实现用户在云端对室内环境的监控以及对相关设备的远程控制。
- 本项目采用1.8寸TFT彩色显示屏进行数据的可视化展示，该显示屏采用ST7735驱动芯片，具备128×160的分辨率，通过SPI串行接口与STM32单片机进行通信。该显示屏具备控制接口简单，功耗低，显示清晰，刷新快等优点，被广泛用于血氧仪，智能手环，门锁等智能产品。
原理解析（硬件说明）
STM32主控电路
STM32主控电路如图4所示，该部分电路包括STM32芯片的最小系统电路，晶振电路以及按键复位电路。除此之外，增加了一个用户按键和用来指示状态的两颗LED灯。STM32采用3.3V供电，3.3V和GND之间利用10uF和0.1uF两种不同容值的电容实现电源滤波。同时，将按键通过10K电阻上拉至3.3V，使按键按下时，PA0引脚的输入为低电平，并且给按键并联一个0.1uF的电容，实现按键的硬件消抖，从而减小误触发的概率。状态指示LED分别连接到STM32的PC13和PA7引脚，相关引脚输出高电平时，点亮对应的LED。
ESP12-F物联网通信电路
物联网通信电路如图5所示，该部分电路以ESP12-F模组为核心，根据模组用户手册给出的外围电路参考建议，将EN引脚通过10K电阻上拉到3.3V，同时将IO15引脚下拉到GND，RST复位引脚通过10K电阻上拉到VCC，同时连接到模组的复位按键，引出模组的TXD0、RXD0引脚到双排针，同时通过单排针以及跳线帽控制IO0的上下拉状态（如图中的H2和H3所示）。当需要给模组更新程序固件时，调节IO0的跳线帽排针，使引脚处于下拉状态，通过串口给模组烧录固件；当正常运行时，调节跳线帽使IO0处于上拉状态，同时短接TXD0和STM32的RXD1，以及RXD0和STM32的TXD1，使双方能够建立串口通信，ESP12-F从报文中解析相应的数据，并将其上传到物联网云平台。
电源电路
本项目采用DC5.0接头供电，供电电压为12V，降压电路如图6所示，分为两级，第一级通过PW2335开关降压芯片（如图6中的U19所示）使12V输入转换为5V输出，用来驱动继电器的正常工作，第二级采用RT9193线性稳压器（如图6中的U22所示），将5V转换为稳定的3.3V输出，用来驱动STM32以及ESP12-F的稳定工作。PW2335是一种高效率的DCDC降压芯片，其最大输出电流达到3A，能够满足整个项目的供电要求；RT9193是一种常用的线性稳压器，具有体积小，输出纹波小，输出电流大的优点，因而被广泛应用于各种嵌入式系统中。
TFT液晶显示屏接口电路如图7所示，该显示屏采用3.3V供电，显示屏的SCL、SDA、RES、DC、CS、BL接口分别于STM32的PB9、PB8、PB7、PB6、PB5、PB4引脚连接，STM32通过上述GPIO模拟SPI通信的时序来实现屏幕显示的控制。其中SCL作为SPI总线的时钟信号输入端，SDA作为SPI总线的数据信号输入端，RES作为屏幕的复位信号输入端，DC用来控制写入的是数据还是命令，当DC为高电平时表示写数据，DC为低电平时表示写命令，CS作为SPI总线的片选信号输入，低电平有效，BL作为屏幕的背光控制引脚，默认高电平。
继电器驱动电路
继电器电路如图8所示，继电器由AO3400场效应管进行控制，继电器的型号是SRD-05VDC-SL-C，如图9所示。
在图8所示的继电器驱动电路中，当场效应管的栅极输入为高电平时，场效应管的漏极与源极之间导通，继电器的COM端与NO端吸合，同时指示灯亮起；当栅极输入为低电平时，漏极与源极直接截止，COM端复位，指示灯熄灭，通过场效应管与继电器的搭配，实现了弱电隔离控制强电的效果。
本项目的PCB设计布局如图10所示，为了PCB的美观以及节省元器件所占用空间，采用0603的小封装阻容的同时，将STM32主控芯片以及蜂鸣器放在TFT屏幕的下方，传感器接口、ESP12-F通信模组以及继电器和接线端子均放置在PCB的边缘。
为了保证电源能够正常工作，且能够承受较大的电流，电源部分12V输入以及5V输出均采用填充处理，并且在电源芯片下方添加散热孔，最大程度地使得电源系统产生的热量能够快速地散发出去。
最后，PCB顶面进行3.3V铺铜，底面进行GND铺铜，尽可能保证电源走线的宽度尽可能的大，同时，继电器与接线端子的接线也采用加粗处理，保证这部分能够承受大功率电器工作时的大电流，最后，对于ESP12-F模组，为了保证信号的稳定性，对模组板载的PCB天线下方区域进行挖空处理，使其不含有任何金属成分，最大限度地杜绝整个系统对WiFi信号的干扰。
PCB在四个角预留M3螺丝孔，方便后期能够更好地固定到电器控制箱中。
软件代码
STM32主控的程序设计
STM32主控的程序设计在ARM-MDK进行，采用HAL库的框架进行开发。这部分程序设计的主要内容有串口通信、ADC模拟量采集、GPIO的输入输出。
串口通信的程序设计主要是为了解析ESP12-F模组以及GPS模块发过来的数据报文，采用DMA+空闲中断的方式进行数据接收，以最大限度地降低通信过程中的丢包情况，DMA+空闲中断的程序设计如程序1所示。
程序1：
void USART1_IRQHandler(void)
{
HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
uint32_t temp;//获取DMA当前还有多少未填充
if (USART1 == huart1.Instance)//判断是否为串口1中断
{
if(RESET!=__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_IDLE))
{
__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);//清除中断标志
HAL_UART_DMAStop(&huart1);//停止DMA接收
temp = __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);
Rx1DataLen = 1024 - temp; //计算串口接收到的数据个数
memcpy(ReceiveBuff_Huart1,Rx1Data,strlen((char *)Rx1Data));
Rx1DataLen = 0;//接收数据长度清零
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, Rx1Data, 1024);
}
}
}
在程序1中，在串口中断服务函数中通过DMA的方式将数据存入ReceiveBuff_Huart1缓冲区，在main.c中对ReceiveBuff_Huart1进行解析，主要解析的内容有ESP12-F获得的日期以及时间数据、天气预报的信息以及来自云平台对4个继电器的控制指令，解析完毕后清空字符串，这部分的程序设计如程序2所示。
程序2：
if(ReceiveBuff_Huart1[0]!='\0')
{
if(strstr((const char *)ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"DATE")!=NULL)
{
DateProcess();
}
if(strstr((const char *)ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"TIME")!=NULL)
{
TimeProcess();
}
if(strstr((const char *)ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"WTH-D")!=NULL)
{
dWeatherProcess();
}
if(strstr((const char *)ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"WTH-N")!=NULL)
{
nWeatherProcess();
}
if(strstr((const char *)ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"LOW")!=NULL)
{
hTempProcess();
}
if(strstr((const char *)ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"HIG")!=NULL)
{
lTempProcess();
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY1=1")!=NULL)
{
RELAY(1,1);
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY1=0")!=NULL)
{
RELAY(1,0);
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY2=1")!=NULL)
{
RELAY(2,1);
}
if(strstrReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY2=0")!=NULL)
{
RELAY(2,0);
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY3=1")!=NULL)
{
RELAY(3,1);
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY3=0")!=NULL)
{
RELAY(3,0);
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY4=1")!=NULL)
{
RELAY(4,1);
}
if(strstr(ReceiveBuff_Huart1,(const char *)"RELAY4=0")!=NULL)
{
RELAY(4,0);
}
Rx1BufferClear();
}
在程序2中，DateProcess()、TimeProcess()、dWeatherProcess()、nWeatherProcess()、hTempProcess()、lTempProcess()分别为从报文中解析日期、时间、昼夜天气以及最低与最高气温的函数。继电器的操作函数为void RELAY(int Number,int State)，该函数有两个参数，Number参数为继电器的编号，取值为1到4，State参数为1时代表打开继电器，为0时代表关闭继电器，RELAY函数的具体定义如程序3所示。
程序3:
void RELAY(int Number,int State)
{
if(State)
{
switch(Number)
{
case 1:
HAL_GPIO_WritePin(RELAY1_GPIO_Port,RELAY1_Pin,GPIO_PIN_SET);
break;
case 2: HAL_GPIO_WritePin(RELAY2_GPIO_Port,RELAY2_Pin,GPIO_PIN_SET);
break;
case 3: HAL_GPIO_WritePin(RELAY3_GPIO_Port,RELAY3_Pin,GPIO_PIN_SET);
break;
case 4:
HAL_GPIO_WritePin(RELAY4_GPIO_Port,RELAY4_Pin,GPIO_PIN_SET);
break;
default:
break;
}
}
else
{
switch(Number)
{
case 1: HAL_GPIO_WritePin(RELAY1_GPIO_Port,RELAY1_Pin,GPIO_PIN_RESET);
break;
case 2:
HAL_GPIO_WritePin(RELAY2_GPIO_Port,RELAY2_Pin,GPIO_PIN_RESET);
break;
case 3:
HAL_GPIO_WritePin(RELAY3_GPIO_Port,RELAY3_Pin,GPIO_PIN_RESET);
break;
case 4:
HAL_GPIO_WritePin(RELAY4_GPIO_Port,RELAY4_Pin,GPIO_PIN_RESET); break;
default:
break;
}
}
}
ADC模拟量采集的程序如程序4所示，这部分的代码主要是将MQ2传感器检测到的烟雾浓度以模拟电压的形式采集出来，其返回的结果为0.00-100.00之间的浮点数。
程序4：
float Read_Smoke_Data(uint32_t Channel)
{
float Data=0.00;
uint16_t Int16Data;
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = Channel;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
Int16Data=(uint16_t)HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
Data=((Int16Data*3.30)/4095.00)/3.30;
return Data*100.00;
}
GPIO的输入输出程序设计一方面是为了控制继电器，另一方面是模拟单总线通信的时序，从而读取DHT11传感器的温湿度值，DHT11传感器的读取如程序5所示。
程序5：
void DHT11_ReadData(float *Temperature,float *Humidity)
{
uint8_t Buffer[5];
uint8_t i;
DHT11_Start();
if(DHT11_Check()==0)
{
for(i=0;i<5;i++)
{
Buffer[i]=DHT11_ReadByte();
}
if(Buffer[0]+Buffer[1]+Buffer[2]+Buffer[3]==Buffer[4])
{
*Humidity=(float)Buffer[0]+(float)Buffer[1]/10;
*Temperature=(float)Buffer[2]+(float)Buffer[3]/10;
}
}
}
STM32将继电器的工作状态，采集到的传感器数据以及GPS经纬度数据发送到ESP12-F的同时，通过TFT显示屏直观地显示给用户，TFT显示屏的数据显示如程序6所示。
程序6：
void LCD_ShowString(u16 x,u16 y,const u8 *p,u16 fc,u16 bc,u8 sizey,u8 mode)
{
while(*p!='\0')
{
LCD_ShowChar(x,y,*p,fc,bc,sizey,mode);
x+=sizey/2;
p++;
}
}
ESP12-F模组的程序设计
ESP12-F在整个项目所发挥的作用是非常关键的，这部分的程序设计使用Arduino IDE进行开发，ESP12-F通过本地局域网以及MQTT协议接入物联网云平台，解析串口收到的STM32发过来的数据报文，并将这些报文上传到云平台，同时，将用户的控制指令通过串口转发给STM32主控，除此之外，ESP12-F通过知心天气的API以及NTP授时服务器获取日期以及天气信息，一并通过串口发送给STM32。
STM32以Json的格式将数据封装好，发送给ESP12-F，ESP12-F通过检测串口是否有数据发送实现数据解析，这部分的程序设计如程序7所示。
程序7:
if (Serial.available())
{
String jsonString = Serial.readStringUntil('\n');
StaticJsonDocument<200> doc; // 确保大小足够
DeserializationError error = deserializeJson(doc, jsonString);
if (!error)
{
temperature = doc["Temperature"];
humidity = doc["Humidity"];
smoke = doc["Smoke"];
warning = doc["Warning"];
pressure = doc["Pressure"];
altitude = doc["Altitude"];
longitude = doc["Longitude"];
latitude = doc["Latitude"];
}
}
数据解析完毕后，调用AliyunIoTSDK::send(String Key,float Number)函数将数据上传到阿里云物联网平台，参数Key是平台中定义的数据模型名称，Number是对应的数值，这部分代码如程序8所示。
程序8：
AliyunIoTSDK::send("Temperature",temperature);
AliyunIoTSDK::send("Humidity",humidity);
AliyunIoTSDK::send("Smoke",smoke);
AliyunIoTSDK::send("Warning",warning);
AliyunIoTSDK::send("Pressure",pressure);
AliyunIoTSDK::send("Altitude",altitude);
AliyunIoTSDK::send("Longitude",longitude);
AliyunIoTSDK::send("Latitude",latitude);
定义Switch_CallBack()函数，ESP12-F在连接物联网云平台后与Switch_CallBack()绑定，当ESP12-F收到云平台的控制指令时，调用对应的Switch_CallBack()函数，在函数中向STM32发送对应的报文，实现用户的远程操作，这部分的程序设计如代码9所示。
程序9：
//Switch_CallBack()函数的绑定
AliyunIoTSDK::begin(ESPCLIENT,PRODUCT_KEY,DEVICE_NAME,DEVICE_SECRET, REGION_ID);
AliyunIoTSDK::bindData("Switch1",Switch_CallBack1);
AliyunIoTSDK::bindData("Switch2",Switch_CallBack2);
AliyunIoTSDK::bindData("Switch3",Switch_CallBack3);
AliyunIoTSDK::bindData("Switch4",Switch_CallBack4);
//Switch_CallBack()函数的具体定义
void Switch_CallBack1(JsonVariant Data)
{
int SwitchValue=Data["Switch1"];
Serial.printf("RELAY1=%d\r\n",SwitchValue);
}
void Switch_CallBack2(JsonVariant Data)
{
int SwitchValue=Data["Switch2"];
Serial.printf("RELAY2=%d\r\n",SwitchValue);
}
void Switch_CallBack3(JsonVariant Data)
{
int SwitchValue=Data["Switch3"];
Serial.printf("RELAY3=%d\r\n",SwitchValue);
}
void Switch_CallBack4(JsonVariant Data)
{
int SwitchValue=Data["Switch4"];
Serial.printf("RELAY4=%d\r\n",SwitchValue);
}
ESP12-F通过心知天气API，向服务器发送Http请求，从而获取特定区域的天气信息以及日期时间，获取完毕后进行解析，并按照特定格式进行封装，进而通过串口发送到STM32，这部分的代码如程序10所示。
程序10：
void HttpRequestWeather(String RequestInfo)
{
WiFiClient client;
StringhttpRequest=String("GET")+RequestInfo+"HTTP/1.1\r\n"+"Host:"+XZ_Host+"\r\n"+"Connection: close\r\n\r\n";
if (client.connect(XZ_Host, 80))
{
client.print(httpRequest);
String status_response=client.readStringUntil('\n');
ParseWeatherInfo(client);
}
}
void ParseWeatherInfo(WiFiClient Client)
{
Const size_t capacity=JSON_ARRAY_SIZE(1)+JSON_ARRAY_SIZE(3)+JSON_OBJECT_SIZE(1)+JSON_OBJECT_SIZE(3)+JSON_OBJECT_SIZE(6)+3*JSON_OBJECT_SIZE(14)+860;
DynamicJsonDocument doc(capacity);
deserializeJson(doc,Client);
JsonObject results_0=doc["results"][0];
JsonArray results_0_daily= results_0["daily"];
JsonObject results_0_daily_0= results_0_daily[0];
const char* results_0_daily_0_date=results_0_daily_0["date"];
const char* results_0_daily_0_text_day=results_0_daily_0["text_day"];
const char* results_0_daily_0_code_day=results_0_daily_0["code_day"];
const char* results_0_daily_0_text_night=results_0_daily_0["text_night"];
const char* results_0_daily_0_code_night=results_0_daily_0["code_night"];
const char* results_0_daily_0_high=results_0_daily_0["high"];
const char* results_0_daily_0_low=results_0_daily_0["low"];
const char* results_0_daily_0_rainfall=results_0_daily_0["rainfall"];
const char* results_0_daily_0_precip=results_0_daily_0["precip"];
const char* results_0_daily_0_wind_direction=results_0_daily_0["wind_direction"];
const char* results_0_daily_0_wind_direction_degree=results_0_daily_0["wind_direction_degree"];
const char* results_0_daily_0_wind_speed=results_0_daily_0["wind_speed"];
const char* results_0_daily_0_wind_scale=results_0_daily_0["wind_scale"];
const char* results_0_daily_0_humidity=results_0_daily_0["humidity"];
JsonObject results_0_daily_1=results_0_daily[1];
const char* results_0_daily_1_date=results_0_daily_1["date"];
const char* results_0_daily_1_text_day=results_0_daily_1["text_day"];
const char* results_0_daily_1_code_day=results_0_daily_1["code_day"];
const char* results_0_daily_1_text_night=results_0_daily_1["text_night"];
const char* results_0_daily_1_code_night=results_0_daily_1["code_night"];
const char* results_0_daily_1_high=results_0_daily_1["high"];
const char* results_0_daily_1_low=results_0_daily_1["low"];
const char* results_0_daily_1_rainfall=results_0_daily_1["rainfall"];
const char* results_0_daily_1_precip=results_0_daily_1["precip"];
const char* results_0_daily_1_wind_direction=results_0_daily_1["wind_direction"];
const char* results_0_daily_1_wind_direction_degree=results_0_daily_1["wind_direction_degree"];
const char* results_0_daily_1_wind_speed=results_0_daily_1["wind_speed"];
const char* results_0_daily_1_wind_scale=results_0_daily_1["wind_scale"];
const char* results_0_daily_1_humidity=results_0_daily_1["humidity"];
JsonObject results_0_daily_2=results_0_daily[2];
const char* results_0_daily_2_date=results_0_daily_2["date"];
const char* results_0_daily_2_text_day=results_0_daily_2["text_day"];
const char* results_0_daily_2_code_day=results_0_daily_2["code_day"];
const char* results_0_daily_2_text_night=results_0_daily_2["text_night"];
const char* results_0_daily_2_code_night=results_0_daily_2["code_night"];
const char* results_0_daily_2_high=results_0_daily_2["high"];
const char* results_0_daily_2_low=results_0_daily_2["low"];
const char* results_0_daily_2_rainfall=results_0_daily_2["rainfall"];
const char* results_0_daily_2_precip=results_0_daily_2["precip"];
const char* results_0_daily_2_wind_direction=results_0_daily_2["wind_direction"];
const char* results_0_daily_2_wind_direction_degree=results_0_daily_2["wind_direction_degree"];
const char* results_0_daily_2_wind_speed=results_0_daily_2["wind_speed"];
const char* results_0_daily_2_wind_scale=results_0_daily_2["wind_scale"];
const char* results_0_daily_2_humidity=results_0_daily_2["humidity"];
const char* results_0_last_update=results_0["last_update"];
String results_0_daily_0_date_str=results_0_daily_0["date"].as();
String results_0_daily_0_text_day_str=results_0_daily_0["text_day"].as();
int results_0_daily_0_code_day_int=results_0_daily_0["code_day"].as();
String results_0_daily_0_text_night_str=results_0_daily_0["text_night"].as();
int results_0_daily_0_code_night_int=results_0_daily_0["code_night"].as();
int results_0_daily_0_high_int=results_0_daily_0["high"].as();
int results_0_daily_0_low_int=results_0_daily_0["low"].as();
String results_0_last_update_str=results_0["last_update"].as();
}
注意事项
- DC-DC电路布局时留意填充区域。
- 装配完成后需要对其进行固定处理。
- 需要配置ESP-12F的正确工作模式。
- 外壳装配完成后需要对齐进行填缝防水处理。
- STM32使用MDK+CubeMx，ESP-12F使用Arduino框架，推荐vscode+PlateformIO的开发环境。
实物图
分别将程序烧录进STM32和ESP12-F，智能家居控制系统的硬件演示效果如图12所示。
在图12中，ESP12-F发送一次报文，其板载的LED会闪烁一次，TFT屏幕从上到下显示的信息分别为日期、时间、气压、海拔、温湿度、坐标以及烟雾浓度。当继电器工作时，对应的指示区域会由绿色变为红色。
智能家居控制系统的云端数据显示效果如图13所示，所有的数据均能够正常的上传并可视化展示出来。
实物图
本项目可以学习物联网开发，也可以当做毕设，后续的源代码会更新在评论区，有任何问题可以讨论：609550035。
设计图
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暂无BOM
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