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设计说明书

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基于单片机的智能家居控制系统设计

摘要

随着智能家居理念快速普及,室内温湿度、烟雾、有害气体、明火火情是影响居家居住安全与舒适度的关键指标。传统居家安防与环境管控大多依靠人工察觉,存在环境隐患发现滞后、缺少多类危险事件同步监测、无法自动告警、缺少远程管控手段等缺陷,依靠人工观察难以实现居家环境安全全天候动态监测。本文提出一种基于 STM32F103C8T6 单片机与 WiFi 物联网模块的智能家居控制系统设计方案。系统集成温湿度采集、烟雾检测、有害气体检测、火焰明火探测、本地人机交互、WiFi 无线数据上云、自定义安全阈值、云端手机端远程管控、声光报警、继电器灭火执行等核心功能。通过 DHT11 温湿度传感器、MQ2 烟雾传感器、MQ1355 有害气体传感器、火焰传感器实时采集室内温湿度、烟雾浓度、有害气体浓度以及明火火情信号,将采集参数与用户预设各项安全阈值自动比对;当温度超出设置上下限、烟雾浓度超限、有害气体浓度超标、检测到明火,上述任意一种危险条件触发时,设备即时触发本地声光报警,OLED 界面同步显示 danger 危险标识,同时闭合灭火继电器;无危险条件时屏幕显示 safe 安全标识。系统搭载独立按键,支持本地对温度、烟雾、有害气体各项阈值自定义调节,同时可以手动控制灭火继电器通断,搭配 OLED 显示屏实时本地展示全部环境测量数据;同时通过 WiFi 通信模块将实时监测数据同步上传至手机端,用户可通过手机移动端随时随地查看室内环境状态,并且能够远程修改各项报警阈值、远程操控灭火继电器。本系统有效解决传统居家安防人工监测效率低、安全隐患预警不及时、无法远程管控的痛点,实现居家环境多源安全参数全天候自动采集、危险事件实时声光报警、本地手机端双重阈值配置与继电器控制,大幅提升家庭居住环境智能化安防管控水平,具备良好的家居配套应用价值与推广前景。

关键词:智能家居控制系统;STM32 单片机;环境安全监测;气体检测;火焰探测;WiFi 远程管控

Abstract

With the rapid popularization of smart home concepts, indoor temperature and humidity, smoke, harmful gas and openfire flame are key indicators affecting residential safety and living comfort. Traditional home security and environment control mostly rely on human observation, which has drawbacks such as delayed detection of hidden dangers, lack of synchronous monitoring for multiple hazard events, absence of automatic alarm and remotecontrol means. It is difficult to realize allweather dynamic monitoring of home environmental safety by manual observation. This paper proposes a design scheme of smart home control system based on STM32F103C8T6 microcontroller and WiFi IoT module. The system integrates core functions including temperaturehumidity collection, smoke detection, harmfulgas detection, openflame detection, local humancomputer interaction, WiFi wireless data uploading to cloud, customizable safety thresholds, mobileterminal remote management and control, soundlight alarm and fireextinguishing relay execution. DHT11 temperaturehumidity sensor, MQ2 smoke sensor, MQ135 harmfulgas sensor and flame sensor are adopted to collect realtime indoor data of temperaturehumidity, smoke concentration, harmfulgas concentration and openfire signals. The collected parameters are automatically compared with various safety thresholds preset by users. If any hazardous condition occurs, including temperature out of preset upperlower limits, excessive smoke concentration, excessive harmfulgas concentration or detected open fire, the device will immediately trigger local soundlight alarm, display “danger” mark on OLED screen and close the fireextinguishing relay. When no hazard exists, the screen shows the “safe” mark. Equipped with independent keys, the system supports local custom adjustment of thresholds for temperature, smoke and harmful gas, as well as manual control of fireextinguishing relay. The OLED display screen shows all measured environmental data in real time locally. Meanwhile, realtime monitoring data are synchronously uploaded to mobile terminals through WiFi communication module. Users can check indoor environmental status anytime and anywhere via mobile phones, modify each alarm threshold remotely and control the relay remotely. This system effectively solves the pain points of low efficiency of manual home security monitoring, untimely early warning of potential safety hazards and the lack of remote control. It realizes allweather automatic collection of multisource home environmental safety parameters, realtime soundlight alarm for dangerous events, dual threshold configuration and relay control both locally and on mobile phones. It greatly improves the intelligent security management level of household living environment, and has favorable supporting application value and promotion prospects for civil households.

Keywords: Smart Home Control System; STM32 Microcontroller; Environmental Safety Monitoring; Gas Detection; Flame Detection; WiFi Remote Control

    

基于单片机的智能家居控制系统设计

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.2.3 研究现状总结

1.3 研究目标

第2章 系统方案设计

2.1 整体方案设计

2.2 主要器件选型

2.2.1 主控芯片选型

2.2.2 温湿度传感器选型

2.2.3 MQ2 烟雾传感器选型

2.2.4 MQ135 有害气体传感器选型

2.2.5 红外火焰传感器选型

2.2.6 继电器执行模块选型

2.2.7 显示与人机交互模块选型

2.2.8 声光报警模块选型

2.2.9 ESP8266 WiFi 无线通信模块选型

2.2.10 电源与辅助调试模块选型

2.3 器件选型总结

第 3 章 硬件电路设计

3.1 主控模块电路

3.2 DHT11 温湿度检测模块电路

3.3 MQ2 烟雾传感器模块电路

3.4 MQ135 有害气体传感器模块电路

3.5 红外火焰传感器模块电路

3.6 OLED 显示模块电路

3.7 按键设置模块电路

3.8 声光报警模块电路

3.9 5V 灭火继电器执行模块电路

3.10 ESP8266 WiFi 无线通信模块电路

3.11 电源供电与辅助调试电路

第4章 系统程序设计

4.1 编程软件介绍

4.2 系统主流程设计

4.3 OLED显示屏子流程设计

4.4 独立按键子流程设计

4.5 温湿度检测模块子流程设计

4.6 烟雾检测模块子流程设计

4.7 空气质量检测模块子流程设计

4.8 火焰检测模块子流程设计

4.9 声光报警模块子流程设计

4.10 WiFi模块子流程设计

4.11 继电器模块子流程设计

第 5 章 系统仿真测试

5.1 仿真测试环境与方案

5.2 居家环境多参数采集仿真测试

5.3 多条件阈值判断与险情联动仿真测试

5.4 人机交互功能仿真测试

5.5 WiFi 通信与远程控制仿真测试

5.6 仿真测试小结

第 6 章 系统实物测试

6.1 整体实物测试

6.2 环境传感器采集模块功能测试

6.3 OLED 显示模块功能测试

6.4 独立按键模块功能测试

6.5 声光报警与继电器联动模块功能测试

6.6 WiFi 无线通信与手机远程功能测试

6.7 整体实物测试小结

第 7 章 总结与展望

7.1 总结

7.2 未来展望

参考文献

附录

附录一:原理图

附录二:PCB

附录三:主程序

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