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                基于单片机的无线智能家居环境远程监控系统设计

                添加时间:2021/07/03 来源:未知 作者:乐枫
                本文主要从用户端实现包括智能家居环境安保检测以及室内环境质量检测及空 气净化三个方面进行设计,另一方面从远程服务器端实现用户数据存储及远程异地操 作,基于 Wi-Fi 通讯技术与 Internet 网的无线解决方案,利用移动服务 APP 实现对智 能家居环境的远程
                以下为本篇论文正文:

                摘 要

                  在互联万物的时代,智能家居市场吸引着各类制造商、投资家的青睐,小米、华 为等各大公司也纷纷布局其中,回顾 2019 年,智能扫地机器人、智能音箱等智能产 品迅速出现在各大智能产品市场,这些产品的升级主要围绕着 APP 客户端,云助手 以及机器学习方面展开,产品之间却没有形成系统,网关协议彼此不兼容,不能实现 互联,操作性差。随着 5G 时代的到来,如何能够避免智能家居链接设备面窄,耗电 量大、标准化不统一等缺陷,构建健全的智能家居生态体系,实现智能家居全屋智能 化,使得家居安全远程监控以及家用电器智能化管理和调控更加精准、便捷是接下来 需要落实发力方向。

                  本文主要从用户端实现包括智能家居环境安保检测以及室内环境质量检测及空 气净化三个方面进行设计,另一方面从远程服务器端实现用户数据存储及远程异地操 作,基于 Wi-Fi 通讯技术与 Internet 网的无线解决方案,利用移动服务 APP 实现对智 能家居环境的远程监控。本设计采用 Wi-Fi 技术的网关实现对系统控制,充分利用了 智能家居环境的 WI-FI 资源,改善了系统可移动性的困扰;以 STM32 芯片为核心控 制器,windows PC 端作为控制终端,单片机通过串口连接 WI-FI 网关实现数据采集。

                  不论你在何方,打开移动服务 APP,即可实时监控数据和控制;在家居环境检测范围 内有非法出入住宅、火灾发生,或各种气体浓度超标情况下,给用户 windows PC 端 发出警报提示,保证家居安全,同时,可远程控制负离子净化设备实现对室内环境进 行净化;在室内环境全面智能化监测方面,实现家居舒适度检测即家居温湿度检测, 并通过无线通信方式实现数据交互,同时采用负离子空气净化设备对空气进行净化、 除尘、灭菌,改善室内环境质量。

                  关键词:智能家居;单片机;Wi-Fi 通讯技术;远程控制系统

                Abstract

                  In the era of connected things, the smart home market has attracted the favor of various manufacturers and investors, and major companies such as XIAOMI and HUAWEI have also laid out one after another. In 2019, smart products such as smart sweeping robots and smart speakers quickly appeared in various In the large smart product market, the upgrade of these products mainly revolves around APP clients, cloud assistants and machine learning. However, there is no system formed between the products. The gateway protocols are incompatible with each other, cannot be interconnected, and have poor operability. With the advent of the 5G era, how to avoid the shortcomings of smart home connected devices, large power consumption, and inconsistency in standardization, build a sound smart home ecosystem, realize smart home smart homes, make home security remote monitoring, and The intelligent management and regulation of household appliances are more accurate and convenient. The next step is to implement the force.

                  This article is mainly designed from the user side to achieve three aspects: smart home environment security detection, indoor environmental quality detection and air purification. On the other hand, it implements user data storage and remote remote operation from a remote server. It is based on Wi-Fi communication technology and the Internet. Network wireless solution, using mobile service APP to achieve remote monitoring of smart home environment. This design uses a Wi-Fi technology gateway to achieve system control, making full use of the WI-FI resources of the smart home environment, and improving the system's problems of mobility. With the STM32 chip as the core controller and the Windows PC end as the control terminal, The single chip microcomputer is connected to the WIFI gateway through the serial port to realize data collection. No matter where you are, you can open the mobile service APP to monitor data and control in real time. In case of illegal entry and exit of a house, fire, or various gas concentrations exceeding the standard in the detection environment of the home environment, an alarm prompt will be issued to the user's windows PC terminal to ensure that Home safety. At the same time, remote control of negative ion purification equipment can be used to purify the indoor environment. In terms of comprehensive intelligent monitoring of the indoor environment, it implements home comfort detection, that is, home temperature and humidity detection, and realizes data exchange through wireless communication.At the same time, negative ion air is used. Purification equipment purifies, removes dust, and sterilizes air to improve indoor environmental quality.

                  Keywords: Smart home; MCU; Wi-Fi communication technology; Remote control system

                单片机

                目录

                  1 绪论

                  1.1 课题研究背景及意义

                  在进入 20 世纪 90 年代后,数字化通信技术取得了空前的发展并迅速渗透到各个 行业。物联网的产品服务在环境;,公共安全,智能消防、工业检测等领域的发展 迅速,让人们看到了物联网的巨大吸引力,随后便遍及到我们生活领域的各个方面。 随着普通家庭的 Internet 网普及化,各类物联网衍生产品越来越多样化,人类生活品 质的不断提高及思想品味的提升,使得智能家居的安全性能、舒适及便捷性等优点深 受人们青睐,成为现代社会和家庭用户的新风尚,随之发展的智能家居的市场需求量 也在逐年增大[1~3].它已成为现代建筑设备通信化与规;⒄沟谋厝磺魇,能够满 足用户的高质量的生活需求。

                  在智能家居进入大众视野初期,智能家居的布控及使用仍是一个费时费力的过 程,往往在房屋建设和装修阶段就要进行,且价格相对昂贵,这也让很多想要尝试智 能家居的家庭望而却步[4].随着互联网应用技术和移动通信技术的迅猛发展,智能家 居的功能性、应用性等各个方面都有大幅度提升。从最初的繁琐的实体布线到如今的 无线网络监控系统,无线通信技术引领了智能家居的不断发展[5,10].

                  智能家居(smart home)以住宅为平台,利用嵌入式单片机为核心控制器来实现无 线通信、安全防范及自动控制技术的智能家居环境的系统集成,用以实现对智能家居 环境的远程安防监控,环境监测以及各个子系统的控制,构建了高效智能的住宅设施 与家庭安全的管理系统,家居智能性、安全性,便利性和舒适性等都有显著提高,有 效的提高了人们生活品质[8].自 2009 年被提出"感知中国"后,正式的将物联网列 入了国家新型战略产业,智能家居环境监控系统在我国迅速进入整合蜕变阶段,不可 避免的,在发展过程中存在一些问题,主要包括:

                 。1)智能化家居发展较晚,因此缺乏标准化规定。

                 。2)产品不稳定,出现彼此不兼容现象。

                 。3)价格昂贵,功能不健全。

                 。4)系统复杂,使用繁琐,不切实际。 因此,在兼顾以上存在问题而能够方便成本低廉的建立一个智能家居环境监控系 统有重要意义[13,15].随着 Wi-Fi 技术的控制方案不断优化及迅速发展,各有影响力的 芯片开发公司将发展的中心转移到价格低廉、功耗小、稳定性、可靠性上,智能家居行业也随之进入了发展的黄金时代[6,7].随着无线通信网络技术的普及化,居民已经 越来越信赖无线数据传输技术,传统的家居监控设计已经远远落后于目前的技术水 平。

                  1.2 国内外发展现状

                  1.2.1 国外发展现状

                  自 1984 年世界上第一座智能建筑在美国土地矗立后,智能家居的多样性方案在 经济发达国家迅速提出,并在美国、日本、新加坡等地被广泛的应用。 对于智能家居的发源地美国来说,智能家居市场更加注重产品的安全、舒适、健 康,不只是产品功能上的自动化,更加追求家的感觉描述。同时在美国智能家居产品 已十分普及,不再有智能家居产品的特别划分区,而是直接按照家居耗材、客厅、卫 浴等类别进行划分,价格也相对亲民。就目前而言,智能家居的核心技术及产业标准 大多由国外企业所掌握,如 KNX 协会、Z-wave 联盟等等,行业标准和协议也基本由 他们参与和制定[9,11].

                  新加坡尼科(NICO)的智能家居系统采用主流 Lon Works 总线控制系统,其具 有功能强大、灵活性高等特点,居于世界前列。1988 年,由美国 Echelon 公司进行技 术开发,是一项具有革命性的建筑智能化控制技术[16~18],?榛纳杓平峁乖黾恿苏 个系统的稳定性,解决了由于主机问题而使系统无法运行问题。

                  1.2.2 国内发展现状

                  眼观国内,随着物联网技术及通信技术的迅速发展,各类智能家单品涌现。2012 -2014 年,以轻型智能与智能单品公司为主流的创新创业团队急剧增多。2014-2016 年,生态圈成为社会热词,随着互联网各大企业的密切关注,更多的互联网龙头企业 转战对生态圈的构建[12,14].智能?榈南吭龀,增加了传统企业对智能家居的好感, 望实现产品线的再升级。智能家居系统在功能方面的提升,也表明了我国总体的智能 家居系统发展环境的形势良好,城市的迅速发展也为智能家居系统的发展提供了更广 阔的平台,可发展空间更大,同时更多的企业对智能家居的研发重视起来,智能家居 的市场份额也在逐年上升。此外,政府给予智能家居更多支持,已成为物联网产业发 展的重点领域,并成为了城市化发展的重要环节。

                  1.3 智能家居存在的问题及本文研究内容

                  1.3.1 智能家居存在的问题

                  智能家居在设计最初,根据用户的家居生活需求,设计出实用而便利的控制系统, 给用户带来了有滋有味的生活体验感,在这之中,家居安全远程监控以及家电的智能 控制尤为受关注。然而初具规模的国内智能家居市场,智能家居的市场价格偏高,不 具普及性特点。智能家居单品的堆砌,无法形成系统;初次安装费用昂贵,后期维护 困难,且部分智能家居实用性较低;使用繁琐并且操作复杂,因此对于用户体验方面 有所影响[19~20]. 就用户端智能家居安保监测以及家庭数据检测系统方面,目前商家对智能家居系 统基本采用的是独立设计方案,智能家居系统相对封闭,与其他系统无法实现较良好 兼容。因此,规范性和统一性的智能家居网关协议尤为关键,而目前的智能家居市场 中,多数的系统协议只具有适配当前的系统能力。 就服务端的远程监控系统,传统的控制方式存在着极大的缺陷,并且执行步骤繁 琐,响应差,社会科技的发展推动着智能家居技术朝着更便利更全面的方向发展,因 此要求智能家居的远程监控技术向着无线化发展,然而,迄今为止智能家居的远程监 控技术并没有实现完全全方位的无线化,无线化程度仍有待提高。智能家居的远程监 控技术如何达到无线化是另一个技术难点。

                  1.3.2 本文研究内容

                  基于对目前市场的智能家居安防控制及目前无线通信技术的广泛应用和市场中 各类传感器?榈母慕驼,本文设计了基于物联网的无线设计方案来实现智能家 居环境的远程监控,实现针对家居安全的防火防盗功能检测与警报;对家居环境舒适 度即温湿度数据采集记录,终端显示家居环境实时温湿度;对家居环境空气质量进行 检测,并增添空气净化?,实现家居环境的空气净化功能。本文具采用有 Wi-Fi 网 关的组网方式,实现系统的控制及远程服务 APP 的数据传输功能。将家居环境所需 传感器连同空气净化装备通过 Wi-Fi 接入网关系统,Wi-Fi 探针技术的加入,使得智 能家居更具人性化,实现了在覆盖区域内,对用户信息的识别。利用现有的 Wi-Fi 产 品,Wi-Fi 空调、Wi-Fi 热水器、Wi-Fi 风扇等来替代传统的设备,很大程度上减少了 系统布线复杂问题。单片机技术的远程监控技术的传输采用多网合一形式,各种安保 防护系统采用统一的以太网互联。不仅在维护方面有利,而且提高了数据传输的可靠 性,也为系统从有线逐渐变为无线提高了可能性。

                  1.4 章节安排

                  第一章:绪论。阐述了智能家居环境远程监控系统研究的重要意义,详细介绍智 能家居国内外发展及目前智能家居存在问题,并基于上述提出问题,说明本文所研究 内容。

                  第二章:系统相关技术知识。分析系统的各个控制方案及本文所选择的最终方案, 介绍了系统实现的关键技术即 Wi-Fi 网关及 Wi-Fi 协议,Wi-Fi 探针技术的应用,及 KEIL MDK 平台的介绍。

                  第三章:系统的硬件设计。首先介绍了系统具体实现功能以及整体构架,针对系 统软硬件进行整体设计,并对无线网络传输技术以及与其他通信技术进行对比分析优 势。同时介绍了系统各?榈奈⒋砥鞯奶氐,并对各硬件?榻邢晗干杓坪褪迪, 给出相关的电路设计原理图,实现了硬件电路图的设计,包括单片机最小系统,传感 器检测?、人机界面等。

                  第四章:系统应用软件设计。

                  介绍了本系统设计的远程通信设计,本地软件设计, 包括安防保障的相关程序及高精度温湿度传感的软件流程图讲解等,Wi-Fi 探针的实 现,最后展示了目前完成的远程监控界面,为下一步完善系统做准备。

                  第五章:系统测试与分析。进行了系统功能测试,包括家居安全性能?椴馐约 家居舒适度性能?椴馐,并进行小区舒适度调查,给予合理意见,同时进行了系统 可靠性能测试,确保系统的可靠性能良好。

                  2系统相关技术介绍

                  2.1系统控制方案的选择

                  2.1.1以红外逼控为基础的控制

                  2.1.2基于蓝牙通信技术的控制 .

                  2.1.3基于ZigBee技术的控制

                  2.1.4以无线网络传输技术为基础的控制

                  2.2关键技术

                  2.2.1 Wi-Fi网关的构成要素

                  2.2.2 WiFi协议

                  2.2.3 WiFi探针技术

                  2.3 Keil MDK平台介绍

                  2.4远程控制技术

                  2.4.1 TCP协议概述

                  2.4.2 TCP协议客户端与服务端的通信

                  2.5本章小结

                  3系统的硬件设计

                  3.1智能家居系统的整体构架

                  3.2系统部件功能概述

                  3.2.1远程服务器

                  3.2.2 WiFi网关

                  3.2.3智能家居组件

                  3.2.4控制终端

                  3.3网关的硬件设计

                  3.4 STM32简介

                  3.4.1 STM32F103的总线系统组成

                  3.4.2 STM32功能介绍

                  3.5传感器组件

                  3.5.1人体红外传感器HC-SR501

                  3.5.2火焰传感器

                  3.5.3温湿度传感器

                  3.6室内空气质量检测及净化?

                  3.6.1环境空气检测?

                  3.6.2空气净化?

                  3.7控制系统?

                  3.8人机界面?

                  3.9本章小结

                  4系统应用软件设计

                  4.1智能家居远程通信设计

                  4.1.1远程服务的建立

                  4.1.2家居环境的检测

                  4.1.3移动APP的界面设计

                  4.2智能家居的本地软件设计

                  4.2.1串口设置

                  4.2.2数据发送

                  4.2.3数据采集

                  4.3 WiFi探针的实现

                  4.4远程监控界面展示

                  4.5本章小结

                  5系统测试与分析

                  5.1系统功能测试

                  5.1.1家居安全性能?椴馐

                  5.12家居舒适度性能?椴馐

                  5.2系统可靠性检测

                  5.3本章小结

                结 论

                  科技的发展使得人们的生活体验越来越丰富多彩,Internet 网的出现颠覆了人们 以往的家居生活。智能家居在物联网时代推动下,已朝着舒适便携方向发展,将多种 技术应用之中,实现对智能家居环境的远程控制,保证家居环境的安全性及舒适性, 提高用户的生活品质。 本文的智能家居系统,主要基于 Wi-Fi 技术与 STM32F103 单片机结合实现,利 用远程服务器连接移动 APP 实现系统的远程控制。 首先根据对系统的整体方案设计,完成了所需器件的选型,并依据设计内容要求, 完成了硬件电路的设计,包括对智能家居环境的安全保障?榈姆阑鸱赖辽杓、家居 舒适度?榈奈率壬杓、室内空气质量检测及净化?樯杓,同时加入人机界面, 实现近距离的液晶显示及独立按键功能。

                  其次依据整体设计内容,实现系统的软件设计,包括对智能家居的远程通信 APP 设计,即完成对远程服务的建立和连接,利用 C#语言编程并通过 Wi-Fi 技术实现与 智能家居系统的数据交互;智能家居的本地软件设计即系统的硬件程序设计,采用 C 语言编程,实现对串口的设置、及数据发送任务,实现家居环境检测数据的采集;完 成了移动 APP 的实现。

                  最后通过单片机与 Wi-Fi ?榈牧,完成了智能家居环境检测系统的硬件实物 连接,并从两个方面对系统进行功能测试,一方面是系统功能测试,包括对智能家居 安全性能防火防盗测试及舒适度性能温湿度检测测试,测试结果表明功能均可实现, 并对一小区进行舒适度调查,提出合理意见;另一方面是对系统可靠性能测试,保证 智能家居系统的可靠性能良好,实验结果表明智能家居系统具备稳定可靠性。

                  根据对本文所研究内容分析,了解到本设计还有诸多可以改进的以及完善的部 分,对智能家居环境的远程监控,还可以再增添更多有趣的娱乐性功能,同时对用户 的移动 APP 制作有待更加美观,让智能家居环境监控系统带给用户更便捷而幸福的 体验。

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                致谢

                  时光荏苒,在内蒙古科技大学的学习时光充实面弥足珍贵,这段学习经历将给我- -生的成长学习带来重要影响。在即将离别之际,要特别感恩这两年中给与过我帮助的老师以及同学,有太多不舍和难忘回忆,相信怀揣着这份情感能够在未来的生活里带来别样的色彩。

                  在这里要特别感谢我的导师,从最初课题的选定,老师就给了我很多的参考意见,并在老师的耐心指导下,实现了对硕士论文设计的整体构架建立。对于在系统设计中遇到的诸多问题,老师也给予了很多重要指导,在系统设计中的硬件选型、硬件的电路设计阶段,同样在查阅资料和老师指导下,顺利完成了。特别的,在生活中,老师温文尔雅、平易近人、正义坦荡,教会了我很多珍贵的人生信条,这将值得一一生去学习,是我的人生导师。

                  同时,感谢在生活以及学习中给与我最多帮助的师兄弟、室友王欣欣、张佳琪、宋花以及温同学,因为有你们的陪伴,让学习的时光不在枯燥无味,让平淡的生活暖光四溢。在大家- -同学习中,师兄和师弟们分享了很多他们的学习经验、学习心得,让我受益匪浅:生活中的热心帮助,让人暖心感动。在这样的温暖氛围中,我收获到了远远比这两年时光更加珍贵的友谊以及情感。

                  光阴似箭,回想在校的时光,对于每- -位出现的人都给予最真挚的感谢。同时要感谢在系统设计中,所参考及引用过的各位学者文章,感谢在本领域的诸多研究人员与老师的辛勤付出。

                (如您需要查看本篇毕业设计全文,请您联系客服索。

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