摘 要

Abstract ІІ

1绪论 1

1.1背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

2系统总体设计方案 3

2.系统的需求分析 3

2.2设计方案的提出与选择 3

2.2.1通信技术方案的提出与选择 3

2.2.3单片机的选型 4

2.2.4手机终端的选择 4

2.2智能家居控制系统总体与分析 4

3硬件电路设计 6

3.1硬件总电路图设计 6

3.2 STM32单片机最小系统电路设计 6

3.2.1电源电路 6

3.2.2复位电路 7

3.2.3晶振电路 8

3.2.4程序下载接口 9

3.3继电器模块电路 9

3.4WiFi模块电路 10

3.5温湿度传感器模块电路 10

3.6电源模块电路 11

4云服务器的设计 12

4.1数据库的总体设计 12

4.2数据字典 12

4.3数据库E-R图设计 16

4.4数据库的连接 18

5客户端的设计与实现 19

5.1与服务器的数据传输原理 19

5.2微信小程序平台开发者流程 20

5.3微信小程序的基本功能设计 20

5.4微信小程序的页面设计 22

5.5账号登录系统的设计 24

5.6家电以及环境管理系统的设计 24

5.7家电控制系统的设计 25

5.8火灾报警系统的设计 26

6单片机部分的软件设计 27

6.1与服务器的数据交互原理 27

6.2检测温湿度的设计 29

6.3家电的控制设计 30

7系统功能测试 31

7.1系统的管理功能测试 31

7.2系统的控制家电功能测试 35

7.3小结 38

8总结与讨论 39

参考文献 40

致谢 41

摘 要

目前，随着人们的生活水平质量得到大幅度地提高，人们在生活上逐渐开始使用一些自动化、智能化的家庭用具，为了方便人们能够更好的控制这些智能家具，智能家居控制系统开始走向人们的生活。在科学技术飞速发展的今天，为了满足市场的需求，本设计集智能化与控制管理为一体，设计了一个小巧，功能齐全的智能家居系统。本课题用STM32单片机作为智能化家居的核心控制系统，设计了一个微信小程序作为客户端，而且设计了一个云服务器系统用来连接单片机与小程序客户端。通过微信小程序客户端来向单片机发送指令，单片机进行响应，实现了对家庭电器的控制。并且本课题利用了温湿度传感器等对家庭环境温湿度等信息进行了收集，通过WiFi模块上传到了微信小程序端，实现了对家庭环境信息的实时收集及监控。本智能家居能够实时准确反映出家庭环境信息的变化，而且能够精准地控制某些家用电器，如电灯、空调、洗衣机等。本智能家居系统的设计能够满足人们的日常生活需要，而且微信小程序客户端非常的简洁，安全，快捷，在后续的开发升级中也较为方便。在设计的过程中也遇到了诸多问题，比如温湿度信息不能上传到客户端等，通过后续的努力逐渐克服了这些问题，

实现了对智能家居系统的基本功能设计。

关键词:智能家居；传感器；微信小程序

Abstract

At present, with the improvement of the quality of people's living standards, people gradually begin to use some automatic and intelligent household appliances in their lives, in order to facilitate people to better control these intelligent furniture. Smart home control system began to move towards people's life. With the rapid development of science and technology, in order to meet the needs of the market, this design integrates intelligence and control management, and designs a small and fully functional smart home system. In this paper, STM32 single chip microcomputer is used as the core control system of intelligent home, a applet of WeChat is designed as the client, and a cloud suit is designed. The server system is used to connect single chip microcomputer and applet of WeChat . Through the applet of WeChat to send instructions to the single-chip microcomputer, the single-chip microcomputer to respond, to achieve the control of home electrical appliances. In this paper, the temperature and humidity sensor is used to collect the information of family environment temperature and humidity, which is uploaded to applet of WeChat through WiFi module, and the real-time collection and monitoring of family environment information is realized. The smart home can accurately reflect the changes of home environment information in real time, and can accurately control some household appliances, such as electric lights, air conditioners, washing machines and so on. The design of this smart home system can meet the daily needs of people. Life needs, and the applet of WeChat is very simple, safe, fast, in the subsequent development and upgrading is also more convenient.In the process of design, there are also many problems, such as temperature and humidity information can not be uploaded to the client, and so on, through the follow-up efforts to gradually overcome these problems.And the basic function design of the intelligent home system is realized.

Key Words :Smart home;sensor;applet of WeChat

1 绪论

1.1 背景及意义

伴随着科学技术的进步，人们的生活工作逐渐开始追求智能化。因此，越来越多的智能化产品开始出现在我们的生孩中，智能教育、智能交通、智能家居等等。本文着重于智能家居的开发这一部分^[1]。

家居智能化对我们的学习生活质量有着很大的提高，能够让我们在还没有到家的时候，就能够远程的通过智能家居控制端对电脑，电视，热水器，电灯，门窗等等许多家用电器及家具进行控制。这极大地提升了人们的生活舒适度^[2]。

另外，智能家居也可以实现对家庭环境及各种电器状态的监控，这样可以及时发现潜在危险，比如煤气泄漏、发生火灾等等^[3]。利用各种传感器可以实现对家庭环境的温度、湿度、甲烷浓度等等实现可视化数据化的监控。人们的生活工作安全也有了显著的提高^[4]。

因此，本课题提出了一个基于手机与单片机的智能家居控制系统的设计^[5]。通过本系统对家庭的各种水电、温度、湿度、门窗、灯光等方面进行监控和数据化管理，并且能够实现对部分家电或者家居的智能化控制^[6]。

本课题通过微信小程序来实现对家居的智能化控制和监控^[7]。微信小程序在近几年十分流行，相比于手机APP，它更加地简单化，随时使用，随时关闭^[8]。家庭环境的一些数据则存储在云端数据库中，相比于传统数据库来言更加灵活便捷高效^[9]。

1.2 国内外研究现状

在很久之前人们便有了智能家居的想法，直到二十世纪末期第一个智能家居大厦在美国出现之后，智能家居才开始进入到人们的视野中^[10]。

欧美国家在智能家居方面的研究进行的比较早。早在上世纪末就已经出现了许多较为成熟的智能家居产品^[11]。比尔盖茨的“未来之屋”是比较著名的智能家居系统，不过建设需要的资金达到数亿美元，普通人难以企及。苹果、谷歌、亚马逊在智能家居的语音控制系统上面有着较大的研究。并且开发出了Siri、Echo等智能语音控制产品^[12]。在欧洲则有英国的智能家居示范街道。房屋的住户可以通过网络远程控制家庭的灯光、空调等等电器。而且还可以对冰箱进行智能化管理，当食物不够时，就会提醒住户去购买。亚洲地区来说，日本和韩国在智能家居方面也颇有建树，日本由于老年化严重，其机器人产业较为发达。其中，老年人助理机器人，家庭服务机器人等等比较受欢迎，实现对血糖血压体重等的智能测量与监控，通过分析数据，对于身体健康做出合理的建议。还有某些智能家居系统能够实现智能化做菜等功能。韩国是智能家居则在安防问题上面下了很大功夫，其在家庭中安装了许多摄像头，通过网络将监控信息实时传达给用户，在发现危险的情况下，必要时还可以报警。

国内对于智能家居产品的概念和认知出现比较早，大约在1994年就有智能家居的代理商出现，主要卖给居住在国内的外国人。不过对于其真正的研究比较晚，它依然属于一个兴起不久的产业。到了21世纪初期才逐渐有公司进行此领域的深入研究和开发。海尔、华为、小米等等互联网或者传统家居企业逐渐加大了对这方面的投入，从小的方面来看，智能手表，智能音箱天猫精灵，小米扫地机器人、智能手环等等电子电器产品慢慢出现在了人们的生活中，为人们的生活带来了新的体验。从大的智能化家居平台来看，美的的M-Smart和海尔的U-home产品也是国内比较成熟的智能产品。从智能家居产业的分布来看，是从沿海或者省会等发展较好的城市如广州、上海、深圳、杭州逐渐向内地去发展的^[13]。智能家居的市场规模也在逐年扩大，为了解决养老压力，一些专门为方便老年人生活的智能家居也在进一步研发之中^[14]。智能家居的研究也逐渐从单个的零散的智能电器、智能语音控制等方面向一个整体的智能家居平台系统迈进，实现真正的家庭智能化^[15]。

1.3 本文研究内容

本文主要研究了智能家居的控制以及管理。通过单片机、微信小程序、云服务器端、数据库等方面构成了一个基本的智能家居原型。

第一章：绪论主要介绍了智能家居的背景和意义，对国内外的智能家居发展进行了讨论，最后介绍了本文的研究方向及安排。

第二章：论述了系统的总设计过程和方案选择。

第三章：本章主要对硬件电路模块进行了介绍和分析。

第四章：对云服务器和数据库的相关原理进行了分析，完成了对数据库的设计。

第五章：介绍了客户端与云服务器的数据传输原理，完成了对微信小程序客户端的设计。

第六章：对单片机部分设计软件的设计。

第七章：对整个系统的测验，证明了设计的可行性，展示了设计的完成情况。

第八章：对本文的总结与展望。

2 系统总体设计方案

2.1 系统的需求分析

智能家居控制系统，是信息技术和各种传感器技术以及智能家电的出现，相互结合的基础上而建立的。它将家里的各种电器设备例如电灯、电视、电脑等通过网络连接在一起，构建了一个整体的环境系统。它实现了通过智能终端就可以检测家庭环境变化与控制部分电器的美好愿望。它进一步解放了人们的双手，与传统的有线家居控制系统相比较。

基于手机的智能家居控制系统具有更大的灵活性，更低的成本，更良好的可升级更新性。不过目前市场上面的电器种类繁多，差异性也大，对智能家居控制系统的要求也愈发提高，这也是一个不小的挑战和苦难。

本课题研究的智能家居控制系统具有很高的灵活度，它实现了通过手机微信小程序系统实时监测家庭的环境温湿度等变化，能够控制家庭的电器等功能。在后续系统的升级更新上也较为容易，抗干扰能力也强，而且价格相对低廉。本控制系统的核心技术就是stm32为主控器，通过esp8266wifi模块实现与单片机的连接，收集传感器的信息，控制单片机，从而实现控制家电的目的。

2.2 设计方案的提出与选择

本基于手机与单片机的智能家居控制系统在设计之初，就考虑到了单片机的选型问题，无线通信的技术的选择问题，以及手机终端的选择问题，下面我们就这三个方面来细细诉说。

2.2.1通信技术方案的提出与选择

数据通信一般分为有线通信和无线通信两种，有线通信出现时间较早，技术更加成熟，不过其局限程度也大。它需要通过缆线，布线很麻烦，而且后期的更新换代更加困难，安装和维护成本也比较高。无线通信利用的是电磁波而不是缆线。它具有布线简单，更新容易，安装和维护费用也低，还具有可移动性。所以本设计采用了无线通信的方式。无线通信又分为蓝牙、ZigBee、wifi技术等好几个不同分类。我们来做详细分析。

蓝牙技术兼容性比较强，数据传输也比较快，设备之间的数据传输快捷，不过它的缺点也是显而易见的，那就是功耗比较高，在局部通信的情况下，只能建立在部分设备，还有就是它的通信协议较为复杂，芯片成本也比较高。

ZigBee技术具有很多的优势，比如传输较快，功耗低，成本低，时延比较短，安全性能高，它的缺点就是传输距离比较短。对于本系统来说不为适合。

Wifi技术就比较适合本系统，首先它的应用层面广，家庭大多都会配备家庭wifi。它也更加简单快捷，技术应用也相对容易，设备部署容易，传输范围广，传输速度也比较快，当然它的安全性问题还需要加以解决。因为本设计是一个基础的智能家居控制系统，因此我选择了以wifi技术为核心的无线传输技术。

2.2.2单片机的选型

智能家居的设计还需要考虑到单片机的选型问题。目前阶段比较流行的单片机就是STM32F系列和51系列单片机。51单片机是我们在学校学习课程时候所学到的单片机，它在嵌入式编程中较为基础，电路也比较简单，芯片也比较便宜。但是它是一款8位处理器，在处理一些复杂的例如视频，控制运动发面就会比较迟缓。

本系统选择的STM32F103VCT6系列单片机，它的内外设很丰富，可以进行自由的配置，他还有可供编程的I/O端口，每个端口都对应了32位的配置寄存器。此外它的处理频率高达百兆赫兹，性能远远高于51单片机。它还拥有12位模数转换器，12通道DMA控制器，12位的D/A转换器等等。本系统也可以运用51单片机，不过了为了后面系统升级拥有更多的可能性，我选择的性能更加优秀的STMF103系列单片机。

2.2.2手机终端的选择

因为我本人用的是安卓系统的手机，在一开始想的就是采用Android studio开发的移动APP，后来在接触到微信小程序之后，了解了微信小程序更加的简单。本系统追求的就是快捷和便宜。相比较移动APP来言，微信小程序不需要下载，现在人们普遍运用微信，只需要简单地在微信操作就可以实时监控家里的环境变化，以及控制部分家电。所以最终选择了微信小程序来作为移动的控制和检测终端。

2.2 智能家居控制系统总体与分析

采集的数据信息，以stm32F106为控制核心，通过esp8266wifi模块和https超文本协议上传到云端，将这些状态再传输到微信小程序端，实现了通过手机就可以检测到家里电器的开关情况以及温湿度等的环境变化。用户还可以通过微信小程序来控制家里的家电的开关情况。从而实现了整个系统对于家庭的环境检测以及对部分家电可以实现控制的目标。如图2.1：

图2.1 智能家居总体设计

3 硬件电路设计

3.1 硬件总电路图设计

本章从硬件模块的角度，依次介绍本课题所使用的各种模块电路。硬件电路图如图3.1。

图3.1 硬件电路设计

3.2 STM32单片机最小系统电路设计

我们搭建最小系统，来使得stm32能够正常的工作，下面我们就来简单介绍一下。

3.2.1电源电路

STM32系列单片机都采用3.3V供电。其中需要接电源的引脚为VBAT、VDDIO1、VDDIO2、VDDIO3、VDDIO4、VDDIO5、VDDA和VREF。VBAT主要是给RTC供电，可以使用一块纽扣电池为RTC提供电源。当不需要使用RTC的时候，VBAT可以接到VDD上。VDDIO1、VDDIO2、VDDIO3、VDDIO4、VDDIO5分别是给GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE供电的。当这几个GPIO需要不同电压的时候，可以通过对应的VDDIO给它们提供不同的电压。我们通常使用就直接接VDD 3.3V就可以了。VDDA是单片机的模拟供电接口，主要为单片机内部的模拟部分比如ADC，DAC供电。在使用要求不高的情况下，也可以直接接在VDD 3.3V上。VREF主要是给芯片内部ADC提供参考电压，通常需要接一个高精度的电源以提高ADC的准确度。由于我们的系统中没有使用ADC，所以我们也直接接在VDD上面，如图3.2。

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