基于STM32单片机的智能家居系统设计与实现

第一章 引言

随着物联网技术的发展，智能家居已从单一设备控制向多设备联动、场景化服务演进。传统智能家居方案多依赖专用网关或昂贵的嵌入式平台，存在成本高、兼容性差、二次开发难度大等问题。基于STM32单片机的智能家居系统，凭借STM32丰富的外设接口（ADC、SPI、I2C、UART等）、高性能处理能力（72MHz-180MHz主频）及低功耗特性，可实现多设备集成控制、环境自适应调节及远程交互，兼顾成本与扩展性。本设计以STM32为核心，整合环境监测、设备控制、安防报警、人机交互等功能，构建“感知-决策-执行”的闭环系统，满足家庭场景下的智能化需求。该系统不仅适用于普通家庭的智能化改造，还为物联网、嵌入式系统等领域的实践教学提供典型案例，助力学习者掌握多模块协同、无线通信、智能控制算法等核心技术。

第二章 系统总体设计

本系统采用“分布式感知+集中式决策+联动式执行”的架构，核心目标是实现家居设备的智能化控制、环境参数的实时监测及异常状态的快速响应。系统分为硬件与软件两部分，整体架构如图1所示。

2.1 硬件组成

以STM32F103ZET6单片机为核心，包含六大模块：

• 环境感知模块：采集温湿度（DHT11）、光照强度（BH1750）、有害气体（MQ-4燃气传感器、MQ-2烟雾传感器），全面感知室内环境；
• 设备控制模块：通过继电器控制空调、灯光、插座等强电设备，步进电机驱动窗帘，PWM信号调节LED亮度与色温；
• 安防模块：门窗磁传感器检测开合状态，PIR红外传感器监测人体入侵，异常时触发声光报警；
• 人机交互模块：2.4英寸TFT触摸屏实现本地操作（场景切换、参数设置），LD3320语音模块支持语音指令（如“打开客厅灯”）；
• 无线通信模块：ESP8266 WiFi模块实现与手机APP（基于阿里云IoT平台）的远程通信，支持数据上传与指令接收；
• 电源模块：12V直流供电，经DC-DC转换为5V（继电器、电机）与3.3V（STM32、传感器），确保各模块稳定工作。

2.2 软件架构

基于Keil MDK开发环境，采用FreeRTOS实时操作系统实现多任务调度，主要模块包括：

• 数据采集任务：周期性（1s）读取传感器数据，经滤波处理后存储至全局变量；
• 智能决策任务：根据环境参数与预设规则（如“光照＞5000lux时自动关窗帘”“燃气浓度＞500ppm时关闭阀门并报警”）生成控制指令；
• 设备控制任务：解析决策指令，驱动继电器、电机等执行机构，同步更新设备状态；
• 通信任务：通过WiFi模块与云端/手机APP交互，上传环境数据与设备状态，接收远程控制指令；
• 交互任务：响应触摸屏操作与语音指令，切换工作模式（手动/自动）、调整场景参数（如“睡眠模式”关闭主灯、开启夜灯）。

2.3 工作流程

系统上电后初始化各模块，进入自动模式：环境传感器实时采集数据，智能决策模块根据预设逻辑生成控制指令（如温湿度过高时启动空调）；用户可通过触摸屏、语音或手机APP手动干预（如切换“离家模式”关闭所有设备、启动安防）；若安防模块检测到异常（如门窗被撬、燃气泄漏），立即触发蜂鸣器+LED报警，并通过APP推送预警信息。

第三章 硬件电路与软件实现

3.1 硬件电路设计

3.1.1 核心控制电路

STM32F103ZET6作为主控，其PA0-PA3连接ADC通道，采集MQ-4、MQ-2的模拟信号；PB0-PB2通过I2C接口连接DHT11（温湿度）、BH1750（光照）；PC0-PC7连接8路继电器模块，控制灯光、插座等设备；PD0-PD3连接ULN2003驱动板，驱动步进电机控制窗帘；PE0-PE2连接PIR红外、门窗磁传感器，检测安防状态。

3.1.2 通信与交互电路

• WiFi模块：ESP8266通过USART2（PA2-TX、PA3-RX）与STM32通信，波特率115200，支持AT指令配置连接阿里云IoT平台；
• 语音模块：LD3320通过SPI接口（SCK-PC10、MOSI-PC12、MISO-PC11）与STM32连接，预存“打开灯”“关闭窗帘”等10条指令；
• 触摸屏：2.4英寸TFT-LCD通过FSMC接口（地址线A0、数据线D0-D15）与STM32连接，支持触摸操作与图形化显示（环境参数、设备状态）。

3.1.3 报警与电源电路

报警模块由蜂鸣器（经PNP三极管驱动，连接PB12）与红色LED（连接PB13）组成，异常时同步触发；电源模块采用LM2596-5V与AMS1117-3.3V稳压芯片，分别为继电器、电机与STM32、传感器供电，输入端接12V车载电源接口。

3.2 软件实现

3.2.1 系统初始化

FreeRTOS初始化后创建5个任务：数据采集（优先级3）、智能决策（优先级4）、设备控制（优先级5）、通信（优先级2）、交互（优先级3），任务栈大小均为512字节。初始化GPIO、ADC、I2C、UART等外设，配置ESP8266连接WiFi与阿里云平台，注册设备三元组（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）。

3.2.2 数据采集与处理

• 模拟信号采集：ADC采集MQ-4、MQ-2输出的0-5V电压，通过公式“浓度（ppm）=（电压/5V）×满量程”换算（MQ-4满量程10000ppm），采用滑动平均滤波（10次采样取平均）降低噪声；
• 数字信号采集：I2C读取BH1750的光照值（lux），单总线读取DHT11的温湿度（℃、%RH），直接获取门窗磁与PIR的高低电平状态（高电平表示异常）。

3.2.3 智能决策逻辑

采用“规则库+场景模式”双驱动：

• 规则库：预设环境阈值（如温度＞26℃启动空调，湿度＞70%启动除湿）、联动关系（如开门时自动开灯，离家后关闭所有设备）；
• 场景模式：支持“回家”“睡眠”“离家”3种模式，通过触摸屏或APP切换：
  • 回家模式：开启客厅灯、窗帘打开50%、空调调至25℃；
  • 睡眠模式：关闭主灯、开启夜灯、窗帘全关、空调静音；
  • 离家模式：关闭所有设备、启动安防监测。

3.2.4 通信与交互

• WiFi通信：采用MQTT协议与阿里云IoT平台通信，上报数据格式为JSON（如{"temp":25,"hum":50,"gas":300}），接收远程指令（如{"cmd":"light","status":"on"}）；
• 语音交互：LD3320识别指令后通过SPI发送识别码，STM32解析后执行对应操作（如识别码0x01对应“打开客厅灯”）；
• 触摸屏交互：基于GUI库实现界面显示，包含首页（环境参数+设备状态）、场景页（模式切换）、设置页（阈值调整），触摸事件通过中断处理。

第四章 系统测试与结果分析

在模拟家庭环境（15㎡房间）中进行功能、性能及稳定性测试，结果如下：

4.1 功能测试

• 环境监测：DHT11测量温度误差±0.5℃，湿度±3%RH；BH1750光照检测范围0-65535lux，误差±5%；MQ-4在燃气浓度500ppm时触发报警，响应时间＜1s；
• 设备控制：继电器开关灯光/插座响应时间＜0.2s；步进电机驱动窗帘从全开到全关耗时8s，定位误差≤2%；PWM调光支持1-100%亮度调节，无频闪；
• 交互功能：触摸屏操作响应时间＜0.3s，界面切换流畅；LD3320语音识别准确率90%（安静环境），支持1米内指令识别；手机APP远程控制延迟＜1s，数据更新周期1s；
• 安防报警：门窗磁触发后300ms内启动声光报警，同时APP推送“门窗异常”信息；PIR检测到人体移动时，联动开灯并记录时间。

4.2 性能测试

• 实时性：FreeRTOS任务切换时间＜1ms，多设备同时控制（如开灯+开空调+关窗帘）无卡顿；
• 通信稳定性：WiFi模块连续24小时通信，数据上传成功率99.8%，无断线重连失败；
• 功耗：系统待机功耗（仅传感器与STM32工作）＜50mA，满载功耗（所有设备启动）＜300mA，适配家庭供电。

4.3 稳定性测试

系统连续运行72小时，经历温度（10-35℃）、湿度（30-70%）变化及100次手动/远程操作，无死机、数据错乱或设备失控现象；电源电压在9-15V波动时，各模块工作正常。

第五章 总结与展望

本系统实现了智能家居的核心功能，基于STM32的硬件架构兼顾性能与成本，FreeRTOS的多任务设计提升了系统响应速度，WiFi与语音交互增强了用户体验。测试结果表明，系统功能完善、运行稳定，成本控制在300元以内，适合家庭场景应用。

改进方向可包括：引入BLE模块支持蓝牙mesh组网，扩展设备控制数量；集成AI算法（如基于历史数据的自适应调节）；增加电池供电模块，适配无线传感器节点。总体而言，该设计为中小型智能家居系统提供了可行方案，具有较强的实用价值与教学意义。





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