3 智能家居硬件设计

通过技术可行性分析，确定本次课题设计的功能是STM32采集温湿度数据，并在LCD屏幕上显示温度和湿度；采集烟雾数据实现报警功能；采集指纹实现指纹开锁功能；语音播报模块在系统中充当提示工具；通信模块实现用户与单片机之间的远程交互。
3.1 总体设计
根据课题设计功能描述，设计智能家居系统，此系统主要架构通过STM32采集温湿度数据上报给机智云，并使用LCD显示温湿度；指纹模块控制门的开、关；采集烟雾值监控家居环境；APP端显示温湿度，可控制门、窗帘和LED灯。如图3-1是智能家居系统架构图。

图 31智能家居系统架构图
根据图3-1，最终确定本次实验用到的外设模块分别为DHT11温湿度模块、MQ2烟雾模块、AS608指纹模块、LCD模块(JXL12864)、语音播报模块(JQ8900)、LED灯、ESP8266通信模块以及步进电机。
结合功能需求和系统架构图，可将整个系统使用的硬件分为四个模块，分别为灯光模块、环境模块、门控模块、窗帘控制模块。表3-1列举出各模块所需外设。
3.2 模块硬件设计
3.2.1 通用模块硬件设计
根据表格3-1可得知，系统模块所需外设中有两个通用模块，分别为通信模块和语音播报模块。语音模块在系统中起辅助功能，通信模块功能是与机智云通信的介质。
表 31 系统模块所需外设
系统模块 涉及到的外设模块
灯光模块 LED JQ8900语音播报 ESP8266 按键
环境模块 DHT11温湿度 JQ8900语音播报 ESP8266 MQ2烟雾 LCD
门控模块 步进电机 JQ8900语音播报 ESP8266 指纹模块 按键
窗帘控制模块 步进电机 JQ8900语音播报 ESP8266

JQ8900语音播报模块支持MP3、WAV硬件解码，支持FAT文件系统。JQ8900拥有24位DAC输出，并且其内部采用DSP硬件解码。并且控制模式多样，不仅支持按键控制，而且支持串口指令模式。程序员可以通过串口发送相关指令达到语音的多样化控制，如顺序播放、循环播放、指定播放等功能。图3-2是JQ8900与STM32连接的原理图。

图 32 JQ8900应用原理图

4 智能家居软件设计

智能家居逻辑由以下几点构成：
灯光模块设计：用LED灯模拟家庭灯光，用户通过APP控制LED的亮灭，开或关灯操作完成后语音提示当前灯光状态。
环境模块设计：MQ2烟雾传感器检测厨房CO是否泄漏，如果浓度超标开启警报灯，将警报信息上传机智云，并播报警报信息，当警报信息处理后用户可通过按键关闭警报灯。
利用定时器每小时采集一次温湿度数据，将温湿度数据上报机智云并且显示在LCD屏幕上，并且判断温度是否在10℃-29℃之间，如果不在此范围则播报相应的提示信息，同样判断湿度是否在30%-70%之间，如果不在此范围则播报相应的提示信息。
门控模块设计：通过按键、指纹、APP控制门的开/关。当使用按键开门时，程序首先判断门的状态，实现开门或关门操作，并将门的状态上报机智云；APP也能够控制门的开启和关闭；指纹识别只能实现开门功能，当指纹识别成功时，语音提示验证成功，并且判断门是否打开，如果门关闭则执行开门操作；如果门已打开则语音提示门已打开；如果指纹识别失败则提示验证失败，不进行开门操作。
窗帘控制模块设计：APP可以通过百分比来控制窗帘打开程度，操作完成后语音提示操作完成。
APP：本次实验中使用机智云官方提供的APP，通过为ESP8266配网后，APP能够根据云端下发数据点创建视图，视图以云端的数据点为准。
4.1 模块软件设计
4.1.1 通用模块软件设计
本次智能家居应用设计是基于机智云平台开发的，如果要实现远程控制，就必须要实现工程接上机智云平台。实验中用ESP8266模块作为桥梁接入机智云，因此需要对ESP8266进行配网，配网模式有多种。
通信模块与STM32使用串口通信，为保证能够配网成功，就必须保证ESP8266与STM32之间的串口通讯是正常的，STM32与ESP8266之间的串口设置波特率为9600bps、无硬件流控制、无奇偶检验、1个停止位，数据发送格式为大端模式。
通信数据包格式分为：包头+包长度+命令+包序号+ Flags+有效负载+校验和。作为发送方除了包头，如果其他数据出现0xFF，需在0xFF后添加0x55，作为接收方遇到0xFF后将0xFF后面的0x55移除。STM32每隔一段时间将会上报当前状态，其数据包格式为：包头+包长度+命令+包序号+flags+校验和。图4-1是发送方的代码实现。

图 41发送方代码实现
机智云官方提供两种方式为ESP8266配网，通过串口发送SoftAP(0x01)或AirLink(0x02)指令,让ESP8266进入配网模式，配网成功后STM32可通过ESP8266对接机智云。
语音播报模块利用是利用串口发送指令控制指定语音播放，语音命名格式为四位数，如“0001.mp3”。一个完整的数据包共5个或6个字节。4-2图是播放特定语音的函数流程图。

图 42语音播报流程图

5 系统测试

系统测试流程分为以下几个步骤：
（1）灯光模块测试：用APP下发数据测试，控制灯光亮灭，同时聆听语音播报内容，检测播报内容是否正确。
（2）环境模块测试：DHT11温湿度模块，首先利用串口打印温湿度数据，确认DHT11温湿度读取函数是否编写正确，然后下载系统程序，将温湿度数据显示在LCD上，并上报机智云。观察LCD内数据与APP端数据是否一致。
（3）门控模块测试：测试按键、指纹、APP同时对门进行操作，观察是否出现冲突。
（4）窗帘模块测试：首先测试窗帘全部收拢时的计数值，然后测试APP能否实现百分比控制窗帘。
5.1 灯光模块测试
图5-1是APP端画面，图5-2是用APP点亮的客厅灯。测试过程中发现，如果频繁切换LED灯状态，LED和语音播报能够快速响应，做到系统的实时性。在频繁改变LED状态的过程中语音播报会打断上条正在播放的语音，做到实时播报。

图 51 APP开启LED灯

图 52 客厅灯
5.2 环境模块测试
MQ2烟雾传感器测试：用香烟测试MQ2烟雾传感器的温湿度灵敏度，当遇到浓烟时触发警报，此时语音播报警报信息，同时开启警报灯，并将警报信息上传机智云，APP端会弹出警报信息。如图5-3是烟雾报警灯开启状态，图5-4 APP弹窗显示警报信息。

图 53 烟雾报警灯

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