《基于單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程家電開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9500字（論文）》

基于單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程家電開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著智能處理器芯片技術(shù)、傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷改良，對(duì)各類家居智能化的研究順勢(shì)而行，智能家居在當(dāng)今社會(huì)屢見(jiàn)不鮮也必不可少。為了適應(yīng)高速發(fā)展的社會(huì)新需求，本文對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了大致研究，尋求從更深層次解放人們雙手，減少無(wú)謂的精力及資源浪費(fèi)。隨著嵌入式平臺(tái)處理器的發(fā)展，在近年來(lái)的智能化系統(tǒng)中得到了更大的推廣，智慧家庭設(shè)備、智能機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)在屢見(jiàn)不鮮，物聯(lián)網(wǎng)的大力推行將處理器和無(wú)線通信緊密相連，在未來(lái)的AI更新型的高科技應(yīng)用會(huì)有更深入的提升。本文主要針對(duì)智能家居的無(wú)線遠(yuǎn)程家電監(jiān)控的需求背景，擬設(shè)計(jì)一款依托單片機(jī)為載體的可遠(yuǎn)程監(jiān)控和電器設(shè)備控制的系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)家居控制不智能的問(wèn)題，具有很強(qiáng)的推廣意義。整個(gè)系統(tǒng)由STM32單片機(jī)作為核心控制單元，功能模塊有ESP8266wifi模塊、OLED12864液晶顯示模塊以及模擬家電的2組繼電器模塊。利用了C語(yǔ)言完成系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，借助開(kāi)放的機(jī)智云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。經(jīng)過(guò)調(diào)試，本設(shè)計(jì)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)家居家電狀態(tài)顯示以及手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制的功能。關(guān)鍵詞：智能家居；STM32單片機(jī)；繼電器；wifi無(wú)線模塊目錄TOC\o"1-3"\h\u832摘要 III3817引言 165751緒論 2158521.1國(guó)內(nèi)外調(diào)研 2125421.2設(shè)計(jì)方案論證 2286961.2.1主控器的選擇 37101.2.2無(wú)線通信方案選擇 4204731.2.3顯示屏的選擇 5146162系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 6108202.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6135912.2OLED顯示模塊 735292.3無(wú)線wifi模塊 770762.4繼電器驅(qū)動(dòng)電路 8245573系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 10267383.1開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 10127913.2主程序的設(shè)計(jì) 10170553.3液晶顯示程序的設(shè)計(jì) 11178413.4機(jī)智云遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì) 12264454系統(tǒng)功能測(cè)試 13256484.1硬件電路連接測(cè)試 13250424.2整機(jī)聯(lián)合測(cè)試 1432703結(jié)論 158772參考文獻(xiàn) 17引言互聯(lián)網(wǎng)在近十年內(nèi)的發(fā)展速度有目共睹，而互聯(lián)網(wǎng)在各行各業(yè)都衍生了新的產(chǎn)物并滲透全球市場(chǎng)。智能家居是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)典型產(chǎn)物，充分適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和人們的需求。目前市場(chǎng)上普遍流通的智能家居產(chǎn)品有感應(yīng)燈具照明系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)溫系統(tǒng)、智能窗簾系統(tǒng)、家庭影院、防火防盜系統(tǒng)等，大多通過(guò)定時(shí)控制、紅外感應(yīng)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)手段進(jìn)行操控、聯(lián)網(wǎng)、上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能功能。單片機(jī)微控器起源于上個(gè)世紀(jì)七十年代，功能結(jié)構(gòu)單一，控制器體積大，時(shí)至今日，單片機(jī)體積越來(lái)越來(lái)，功能也越發(fā)多樣性、智能化，被廣泛地應(yīng)用于家居系統(tǒng)各大領(lǐng)域。從宏觀來(lái)看，智能家居系統(tǒng)的發(fā)展取決于幾大影響因素，如政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)市場(chǎng)需求情況、技術(shù)發(fā)展進(jìn)程等因素。歸根結(jié)底智能建筑控制、智能環(huán)境采集等方案都是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的硬件基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在硬件設(shè)備上搭建各種環(huán)境采集類別的傳感器裝置，可布置一組或多組傳感器裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)更高精度的環(huán)境參數(shù)采集，隨著無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和水平的提升，傳感器都具備了無(wú)線的功能，更大的推動(dòng)了智能家居環(huán)境采集的無(wú)線布置，大力度的減少此前繁雜的接線[3]。隨著嵌入式平臺(tái)處理器的發(fā)展，在近年來(lái)的智能化系統(tǒng)中得到了更大的推廣，智慧家庭設(shè)備、智能機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)在屢見(jiàn)不鮮，物聯(lián)網(wǎng)的大力推行將處理器和無(wú)線通信緊密相連，在未來(lái)的AI更新型的高科技應(yīng)用會(huì)有更深入的提升[5]。本課題的目的就是為了尋求從更深層次解放人們雙手，減少無(wú)謂的精力及資源浪費(fèi)，使得人們?cè)诩业臅r(shí)光是真正意義的休息和享受。

1緒論1.1國(guó)內(nèi)外調(diào)研智能家居起源很早，自從第一棟代表著智能化建筑在1984年美國(guó)被建造出來(lái)，此后的幾十年間，針對(duì)智能家居改善方案的被不斷的提出和優(yōu)化，瑞典等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家由于民眾的高接受度，已經(jīng)逐步在新建的樓盤小區(qū)等建筑物上應(yīng)用起來(lái)，實(shí)現(xiàn)很多無(wú)人化的智能控制。日本作為亞太地區(qū)電子技術(shù)水平最發(fā)達(dá)的國(guó)家，同樣已大力度的推廣智能化設(shè)計(jì)，絕大多數(shù)辦公大樓早已實(shí)現(xiàn)智能燈控、門禁以及遠(yuǎn)程控制的場(chǎng)景，即便日本的高齡化嚴(yán)重，但由于各類智能便捷設(shè)備的存在，年紀(jì)大的工作人員也可減少辦公維護(hù)的精力支出。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大力開(kāi)發(fā)房地產(chǎn)，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的研討會(huì)上也逐漸增加了很多智能公司的身影，例如華為、海爾、小米等國(guó)內(nèi)知名一線電子設(shè)備廠商。在政府辦公大樓、各地市的行政服務(wù)中心、大型商場(chǎng)超市都已出現(xiàn)各類智能化產(chǎn)品，極大程度的減少管理和維護(hù)者的精力。同樣在智慧小區(qū)內(nèi)，包含智能門禁、人臉識(shí)別驅(qū)動(dòng)電梯等的應(yīng)用司空見(jiàn)慣，相信隨著研發(fā)水平的不斷提高，智能家居的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來(lái)越廣，并且優(yōu)化跨度也會(huì)愈發(fā)的大，未來(lái)會(huì)有更多此可無(wú)法想象的智慧家庭、智慧辦公的應(yīng)用方式出現(xiàn)，值得去思考和實(shí)現(xiàn)。就目前市場(chǎng)而言，已經(jīng)有很多人有購(gòu)買智能開(kāi)關(guān)的需求，目前市面上現(xiàn)有的智能開(kāi)關(guān)有語(yǔ)音開(kāi)關(guān)、紅外線感應(yīng)、APP遠(yuǎn)程控制等等。1.2設(shè)計(jì)方案論證通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品的方案解析及對(duì)近些年高校大賽的獲獎(jiǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行學(xué)習(xí)，總結(jié)出當(dāng)前智能家居系統(tǒng)市面上占比最大的實(shí)現(xiàn)方案如下圖2.1所示，整體系統(tǒng)框架一般為本地控制端集端和遠(yuǎn)程監(jiān)控端組成，其中本地端由主控搭載傳感器及外圍功能電路構(gòu)成，遠(yuǎn)程監(jiān)控端則多樣化，例如PC端的上位機(jī)、移動(dòng)端的手機(jī)app應(yīng)用以及最新技術(shù)云平臺(tái)。本次系統(tǒng)的整體框架如圖2-1所示。圖2-1結(jié)構(gòu)圖以下擬對(duì)幾組最具代表性的產(chǎn)品系統(tǒng)方案進(jìn)一步說(shuō)明和優(yōu)劣勢(shì)差異比較，最終選取適用于本系統(tǒng)的主控核心處理器部件。1.2.1主控器的選擇方案一：選用STC89C52型號(hào)的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)本次系統(tǒng)的主控制單元。51系列單片機(jī)給電子智能化產(chǎn)業(yè)開(kāi)啟了新的篇章，應(yīng)用可拓展至家庭、辦公、工業(yè)等各類場(chǎng)景下，鑒于其優(yōu)良的可靠性和功能穩(wěn)定性一直深受用戶和電子從業(yè)者的追捧。STC89C52有40pin管腳，片內(nèi)有8K字節(jié)的Flash可用于功能編譯，受其結(jié)構(gòu)封裝等限制，C52單片機(jī)為8位處理器，在對(duì)處理要求不高的功能設(shè)計(jì)上仍是游刃有余，由于是首個(gè)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的單片機(jī)型號(hào)，因此在開(kāi)發(fā)工具的便利度和問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)的全面性等上面會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)非常適宜。方案二：選擇16位的MSP430處理器，該處理器是TI公司在單片機(jī)初期重點(diǎn)推出的具有精簡(jiǎn)指令集和超低功耗特征的一款產(chǎn)品，尋址方式多樣化大大的提升了處理器的運(yùn)算能力和速度，配置了25MHz晶振電路，指令周期可縮短至40ns，即便是在復(fù)雜算法的應(yīng)用背景下仍表現(xiàn)的毫不費(fèi)力，由于芯片內(nèi)部電壓采用1.8-3.6V的低壓，無(wú)論是運(yùn)行還是待機(jī)均處于極低的電流，成就了最具特色的超低功耗優(yōu)點(diǎn)，但其劣勢(shì)也很明顯，程序指令的空間占用情況比傳統(tǒng)單片機(jī)要大的多，在片內(nèi)本不大的存儲(chǔ)空間利用上帶來(lái)隱患，另外由于使用者的數(shù)量占比遠(yuǎn)不如51等傳統(tǒng)單片機(jī)，在很多設(shè)計(jì)和應(yīng)用案例上的經(jīng)驗(yàn)很難尋覓，無(wú)形提高了學(xué)習(xí)門檻，MSP430的優(yōu)劣勢(shì)都很明顯，市面上主要的應(yīng)用還是從其低功耗特性上出發(fā)，在需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的工業(yè)場(chǎng)景上使用的最多。方案三：選用ARM嵌入式32位微處理器的ESP32單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主控功能，由于總線位數(shù)上的優(yōu)勢(shì)，單個(gè)周期指令可以同時(shí)觸發(fā)32位數(shù)據(jù)操作，處理速度和效率上同比51等單片機(jī)大幅提高，ESP32的接口和片內(nèi)外設(shè)可支持豐富的功能，ESP32的芯片型號(hào)種類多，在管腳數(shù)碼、存儲(chǔ)容量等多個(gè)配置項(xiàng)上進(jìn)行區(qū)分，便于使用者選用適合的參數(shù)配置芯片，在以上芯片優(yōu)化的前提下其芯片的定價(jià)一直處于一個(gè)合理價(jià)位，強(qiáng)大的技術(shù)總結(jié)和分享文檔使得大批51單片機(jī)用戶轉(zhuǎn)投到32系列門下，ESP32單片機(jī)在近年來(lái)的智能化系統(tǒng)中得到了更大的推廣，智慧家庭設(shè)備、智能機(jī)器人等新興產(chǎn)業(yè)在屢見(jiàn)不鮮，更凸顯了ESP32開(kāi)發(fā)系統(tǒng)在各應(yīng)用場(chǎng)景下的超強(qiáng)兼容性和穩(wěn)定可靠。物聯(lián)網(wǎng)的大力推行將ESP32單片機(jī)和無(wú)線通信緊密相連，在未來(lái)的AI更新型的高科技應(yīng)用上有其一席之地。通過(guò)對(duì)三組主控芯片的發(fā)展和優(yōu)缺點(diǎn)比對(duì)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)需求和難度等級(jí)進(jìn)行方案篩選，首先考慮主控方案的成熟度和設(shè)計(jì)難度，是否有豐富的經(jīng)驗(yàn)案例和技術(shù)總結(jié)務(wù)必是前提條件，因此本次設(shè)計(jì)暫不考慮選擇MSP430處理器。其次針對(duì)設(shè)計(jì)需求的外設(shè)種類和復(fù)雜程度選擇可支持快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行的處理器，偏向ESP32處理器方案，最后成本評(píng)估，STM32單片機(jī)的性價(jià)比是最高的，且不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成經(jīng)濟(jì)困擾。最終本次主控處理器的選擇為STM32處理器。1.2.2無(wú)線通信方案選擇方案一：采用HC-06藍(lán)牙模塊作為系統(tǒng)的無(wú)線通訊載體。藍(lán)牙模塊固定收發(fā)頻率的電磁波，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和音頻兩組關(guān)鍵信息的無(wú)線傳輸，其造價(jià)成本低，工作功耗極低，即便是用3.3V的紐扣電池仍可實(shí)現(xiàn)3年以上的工作周期，因此被廣泛利用在手持、車載和小型智能電子設(shè)備上。但由于傳輸距離受限，在長(zhǎng)距應(yīng)用場(chǎng)景上就無(wú)法滿足功能需求，且藍(lán)牙協(xié)議不同設(shè)備可能存在多種協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)出現(xiàn)丟失的不兼容現(xiàn)象。方案二：采用ESP8266無(wú)線wifi作為系統(tǒng)的無(wú)線通訊載體。Wifi是可以將各類型終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)在一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的技術(shù)工具，可支持多組設(shè)備任何組合方式的連線，通訊距離可達(dá)100米，廣泛應(yīng)用在家居電子產(chǎn)品上，隨著智慧家居技術(shù)的不斷深入，家電設(shè)備增加智能化的實(shí)現(xiàn)前提均少不了wifi模塊，與此同時(shí)ESP8266的成本僅為5人民幣，在系統(tǒng)滿足性能的同時(shí)保持非常具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，逐步擴(kuò)大在無(wú)線模塊領(lǐng)域的市場(chǎng)占比。由于本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)在任意位置與家居中的設(shè)備互聯(lián)，若使用藍(lán)牙根本無(wú)法完成此需求，結(jié)合智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，本次設(shè)計(jì)還是選用ESP8266wifi模塊來(lái)作為無(wú)線通信功能模塊，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1.2.3顯示屏的選擇方案一：選擇一組或多組LED數(shù)碼管來(lái)完成系統(tǒng)的顯示界面需求。LED數(shù)碼管顯示器包含有8個(gè)高亮的LED燈。通過(guò)控制1個(gè)或多個(gè)LED燈的亮滅，就可以組成0-9數(shù)字的形狀。其優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)碼管顯示數(shù)字非常直觀，使用無(wú)毒材料制成，環(huán)保且堅(jiān)固耐用，使用壽命較長(zhǎng)，但其缺陷也很顯著，無(wú)法滿足多內(nèi)容和復(fù)雜字符的需求，受限于此LED數(shù)碼管方案大多僅用來(lái)顯示數(shù)字界面。方案二：選擇LCD1602A液晶屏來(lái)完成系統(tǒng)的顯示界面需求。LCD1602A液晶顯示屏可顯示的信息種類較為多樣，包括數(shù)字、英文字符與圖形符號(hào)，顯示容量16*2個(gè)字符，完全滿足本設(shè)計(jì)的需要。并且由于它的顯示程序簡(jiǎn)潔，硬件電路結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜，僅需要對(duì)為數(shù)不多的控制線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，按照規(guī)格書(shū)中的液晶點(diǎn)亮?xí)r序邏輯圖即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。方案三：選擇OLED12864液晶屏來(lái)完成系統(tǒng)的顯示界面需求。OLED液晶屏在同等數(shù)據(jù)顯示的前提下尺寸可制作的比LCD小，在越來(lái)越考慮集成化小型化的新設(shè)備上有取代LCD的趨勢(shì)，例如OLED12864僅為0.96寸，非常的小巧便攜。OLED由于存在自發(fā)光特性，即便在環(huán)境光照較強(qiáng)的情況下仍能實(shí)現(xiàn)較好的視覺(jué)效果，OLED的控制電路也很簡(jiǎn)單，管腳數(shù)目為7pin，僅需要一組數(shù)據(jù)管腳即可實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的通訊，不需要大幅占用IO口資源，在近些年的電子大賽和教學(xué)設(shè)計(jì)上應(yīng)用的非常廣泛。通過(guò)對(duì)上述三種液晶方案的分析，考慮到本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需顯示的內(nèi)容為多組數(shù)據(jù)，且應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)涉及到強(qiáng)光情況，綜合考慮成本和效果，選用方案三OLED12864來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整顯示，同時(shí)提高用戶的體驗(yàn)感。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)實(shí)質(zhì)上屬于一種微型計(jì)算機(jī)，利用其內(nèi)部編程進(jìn)行智能化的操縱和處理。單片機(jī)的基本組成主要包括控制器、存儲(chǔ)器、并行I/O口、時(shí)鐘電路與時(shí)序這四個(gè)部分。做為單片機(jī)的主要控制核心，控制器的作用主要是在系統(tǒng)正常工作過(guò)程中，能夠?qū)纹瑱C(jī)傳達(dá)的指令進(jìn)行有效識(shí)別，同時(shí)依據(jù)命令所對(duì)應(yīng)的只是來(lái)對(duì)系統(tǒng)中的部件功能進(jìn)行控制，以此來(lái)保證單片機(jī)能夠根據(jù)指令完成規(guī)定的工作需求。指令從接收后都進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)工作。隨后利用指令譯碼器將其破譯，將相應(yīng)的結(jié)果傳輸至?xí)r序控制邏輯電路，再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息利用指令傳輸至其他部件，使單片機(jī)能夠進(jìn)行工作。整個(gè)系統(tǒng)在工作中始終持續(xù)的讀寫指令并驅(qū)動(dòng)后道電路響應(yīng)和控制。本次設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6型號(hào)的單片機(jī)，是主流的ARM平臺(tái)的控制器，其芯片管腳為40pin，主控芯片的用途在于內(nèi)部燒錄程序的執(zhí)行，調(diào)用和驅(qū)動(dòng)外圍功能模塊按照預(yù)設(shè)邏輯工作。STM32單片機(jī)的工作電壓為3.3V，電壓可寬泛至2.0V，仍能完成工作開(kāi)啟。單片機(jī)內(nèi)部集成了一組時(shí)鐘電路可實(shí)現(xiàn)RTC計(jì)時(shí)功能，但一般情況下仍可以設(shè)計(jì)一組外部時(shí)鐘電路來(lái)提高時(shí)鐘信號(hào)的精度。芯片內(nèi)部的閃存和SRAM容量都可支持大量程序燒寫，本次選用的STM32F103C8T6的功耗僅為36mA，在同等配置下屬于最低等級(jí)。單片機(jī)電路原理圖如圖2-1所示。圖2-1單片機(jī)的原理圖單片機(jī)的最小系統(tǒng)由一組按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化功能的復(fù)位電路及產(chǎn)生維持RTC時(shí)鐘的晶振電路構(gòu)成，晶振電路即利用了一個(gè)產(chǎn)生固定且穩(wěn)定頻率的石英振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)適配電容來(lái)使得晶體可正常起振并持續(xù)穩(wěn)定，本次設(shè)計(jì)選用的是8M晶體，匹配電容C9、C11通過(guò)計(jì)算后選用22pF。當(dāng)系統(tǒng)正常供電后，晶振電路順利起振給單片機(jī)帶來(lái)時(shí)鐘信號(hào)，用于完成單片機(jī)控制指令工作的前提條件。2.2OLED顯示模塊由于人機(jī)交互的需求，本次設(shè)計(jì)通過(guò)OLED12864來(lái)呈現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，體現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)各電器工作狀態(tài)的名稱，使得用戶可一目了然的獲取終端系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行結(jié)果。因此如何合理展示數(shù)據(jù)就是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考量點(diǎn)。OLED12864液晶屏的尺寸大小為0.96寸，具有自發(fā)光的功能，在3.3V的正常供電下可點(diǎn)亮背光，屏幕的像素矩陣劃分為X軸方向8個(gè)頁(yè)地址，Y軸方向128個(gè)列地址，而每一單元均通過(guò)存儲(chǔ)寄存器上的對(duì)應(yīng)定位的0/1來(lái)映射，實(shí)現(xiàn)亮暗數(shù)據(jù)的切換。本次OLED12864使用IIC通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)。液晶屏管腳SCL為液晶屏的時(shí)鐘信號(hào)線，SDA是液晶屏的數(shù)據(jù)信號(hào)線，此兩根信號(hào)線與單片機(jī)管腳連接，單片機(jī)運(yùn)行完數(shù)據(jù)邏輯處理后實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)借助SCL和SDA傳輸?shù)絆LED12864液晶的個(gè)每一個(gè)寄存器上，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的直觀顯示，設(shè)計(jì)過(guò)程中務(wù)必遵循OLED12864的數(shù)據(jù)時(shí)序圖，按照所制定的邏輯規(guī)則進(jìn)行程序編譯。OLED12864液晶屏為4個(gè)管腳的器件，4腳為VCC電源腳，與5V電源線相連實(shí)現(xiàn)供電。3腳為GND接地腳，連接到地線上，2腳為SCL為時(shí)鐘信號(hào)線，與單片機(jī)管腳PA7直連，4腳為SDA是液晶數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的PA5連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，液晶顯示模塊的原理圖如圖2-2所示。圖2-2顯示模塊圖2.3無(wú)線wifi模塊為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，硬件電路上需要通過(guò)wifi模塊載體來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)，本次使用ESP826wifi模塊，該模塊的正常工作電壓為3.3V，其工作模式有3種分別為STA、AP及兩者共存方式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能滿足市面上所有主流技術(shù)如TCP、HTTP等，兼容性極強(qiáng)。本系統(tǒng)中單片機(jī)與ESP8266wifi模塊的連接控制方式為串口方案，使用AT指令配置對(duì)待發(fā)送和接收的無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)操作處理。ESP8266模塊的管腳本次使用到的主要是RXD和TXD兩組數(shù)據(jù)接收和發(fā)送信號(hào)。模塊的8腳為電源腳，與3.3V電源線相連實(shí)現(xiàn)供電。4腳為GND接地腳，連接到地線上。6腳為EN使能信號(hào)，本次設(shè)計(jì)直接與3.3V電源相連，始終保持高電平的工作狀態(tài)，1腳RXD為數(shù)據(jù)接收信號(hào)線，與單片機(jī)管腳PB10的TXD信號(hào)腳直連，5腳TXD為數(shù)據(jù)接收信號(hào)線，與單片機(jī)管腳PB11的RXD信號(hào)腳直連，實(shí)現(xiàn)指令的相互傳輸和識(shí)別，ESP8266wifi模塊的原理圖如圖2-3所示。圖2-3無(wú)線模塊原理圖2.4繼電器驅(qū)動(dòng)電路本由于本次系統(tǒng)需要完成對(duì)家電的智能開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)斷電和通電的動(dòng)作，此處設(shè)計(jì)以繼電器空載的模式來(lái)模擬控制設(shè)備工作狀態(tài)的切換，可通過(guò)繼電器上的LED工作狀態(tài)燈直觀的看出模擬設(shè)備工作與否。繼電器器件內(nèi)部存在線圈，當(dāng)屬于斷路時(shí)線圈無(wú)電磁效果，繼電器觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，整個(gè)電路負(fù)載處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)為待機(jī)。當(dāng)屬于通路時(shí)，繼電器線圈產(chǎn)生電磁吸引力，完成電磁轉(zhuǎn)換，繼電器的可動(dòng)觸點(diǎn)被吸引后與固定觸點(diǎn)完成接觸導(dǎo)通，由于電磁力的存在觸點(diǎn)的接觸可一直保持，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載設(shè)備的工作驅(qū)動(dòng)控制。單片機(jī)的IO口與繼電器直連，單片機(jī)輸出的高低電平信號(hào)可使得繼電器開(kāi)關(guān)由斷路切換為通路。繼電器控制電路的電壓同樣為3.3V，與電源線相連實(shí)現(xiàn)供電。繼電器的1腳為固定觸點(diǎn)，3和2腳為可動(dòng)觸點(diǎn)，通過(guò)單片機(jī)的控制信號(hào)管腳的作用實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的切換。當(dāng)整個(gè)電路保持3.3V正常穩(wěn)定供電時(shí)，若此時(shí)需要對(duì)智能開(kāi)關(guān)持續(xù)通電的操作，單片機(jī)口會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)，將Q1三極管導(dǎo)通，從而控制LED指示燈亮起，繼電器開(kāi)啟工作，由于無(wú)實(shí)際外接負(fù)載的電器設(shè)備，只要LED燈亮起就可認(rèn)為已正常開(kāi)啟，當(dāng)需要斷電時(shí)單片機(jī)端口恢復(fù)成高電平，繼電器不工作，繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2-4所示。圖2-4繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，是在硬件載體正常供電的基礎(chǔ)上使用軟件編程來(lái)控制的，因此軟件程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵，本章節(jié)對(duì)各功能模塊的運(yùn)行進(jìn)行分析和繪制程序流程圖的方式來(lái)展現(xiàn)。3.1開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成硬件底層的設(shè)計(jì)和連接后，下一步就是應(yīng)用層的功能軟件設(shè)計(jì)，需要一個(gè)合適便捷的工具來(lái)進(jìn)行代碼編譯和運(yùn)行調(diào)試等設(shè)計(jì)步驟，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主程序和各子功能調(diào)用程序的模塊劃分和編寫，匯編語(yǔ)言是最早產(chǎn)生的一種軟件編程語(yǔ)言，隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)的改良，C語(yǔ)言出現(xiàn)完全替代掉繁瑣的匯編語(yǔ)言，現(xiàn)主流設(shè)計(jì)均采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)C語(yǔ)言的編譯工具也根據(jù)不同平臺(tái)開(kāi)發(fā)了例如keiluvison、IDE、MDK等代碼工具，甚至樹(shù)莓派的py語(yǔ)言也是在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。本次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的編程平臺(tái)選擇了擁有廣泛群眾基礎(chǔ)的keiluvision5，軟件的界面和操作便利性得到了很大的提升和改進(jìn)。在兼容性方面也很強(qiáng)大，可包容51全系列的單片機(jī)控制器產(chǎn)品、功耗極低的MSP430系列產(chǎn)品以及嵌入式平臺(tái)的STM32系列單片機(jī)處理器，軟件首先要建立一個(gè)工程文件，隨后分支建立第二級(jí)、第三級(jí)等子功能模塊調(diào)用函數(shù)的.C文件和.H文件，在主程序中實(shí)現(xiàn)庫(kù)函數(shù)和功能模塊函數(shù)之間的循環(huán)調(diào)用。模塊化的編譯方式在查找問(wèn)題時(shí)也顯得輕松，將范圍縮小至一個(gè)函數(shù)中，待每個(gè)函數(shù)都可執(zhí)行下去且無(wú)出現(xiàn)任何bug和錯(cuò)誤信息，則表明程序函數(shù)的編譯完成，可生成HEX文件下載至控制器內(nèi)，完成系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合。3.2主程序的設(shè)計(jì)主程序流程為系統(tǒng)上電后首先完成系統(tǒng)參數(shù)各配置項(xiàng)的初始化，系統(tǒng)調(diào)用液晶屏顯示程序，完成實(shí)時(shí)的內(nèi)容顯示。同步調(diào)用傳感器采集程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)以及智能開(kāi)關(guān)狀態(tài)的電壓、電流數(shù)據(jù)的獲取，隨后再調(diào)用無(wú)線通信程序，完成無(wú)線控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的接收和寫入，系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)解析后驅(qū)動(dòng)繼電器控制智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)切換，，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)主程序流程3.3液晶顯示程序的設(shè)計(jì)對(duì)于本次OLED液顯示的程序設(shè)計(jì)，主要是按照OLED12864的上電邏輯時(shí)序來(lái)編寫，操作首先首先對(duì)OLED12864液晶進(jìn)行初始化，對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，隨后延時(shí)5ms后進(jìn)入判斷當(dāng)前液晶的狀態(tài)是否忙，若清屏狀態(tài)下會(huì)顯示清屏（0x01），若判斷為未清屏，則會(huì)顯示關(guān)閉；隨后可寫入液晶指令數(shù)據(jù)，延時(shí)5ms后判斷數(shù)據(jù)是否顯示完成，如果未顯示完成，就需要重新顯示字符；如果顯示完成，就可以進(jìn)入下一個(gè)軟件程序。其整體流程如下圖3-2所示。圖3-2液晶顯示程序流程圖3.4機(jī)智云遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)設(shè)備與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互使用移植機(jī)智云GAgent的Wi-Fi模組建立橋梁，使本設(shè)備的數(shù)據(jù)與機(jī)智云互聯(lián)互通。配合機(jī)智云的開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)，使該終端具有良好的擴(kuò)展性。然后設(shè)計(jì)出各個(gè)功能的模塊的界面。主要工作流程：應(yīng)用程序啟動(dòng)后，后臺(tái)服務(wù)啟動(dòng)，與機(jī)智云取得連接，輸入用戶名密碼登錄進(jìn)入主界面，云會(huì)定時(shí)發(fā)送當(dāng)前的設(shè)備定時(shí)控制信息到本地控制端，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的，當(dāng)添加本地設(shè)備MAC后對(duì)顯示界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，添加了button控件，設(shè)計(jì)界面如圖3-3所示：圖3-3手機(jī)APP界面圖

4系統(tǒng)功能測(cè)試在以上軟硬件的設(shè)計(jì)完成后，需要安排實(shí)際的電路設(shè)備的功能調(diào)試，根據(jù)硬件原理圖所導(dǎo)出的電子物料清單進(jìn)行逐一購(gòu)買，購(gòu)物的物料需查看各規(guī)格書(shū)中對(duì)管腳定義的說(shuō)明后方可進(jìn)行下一步的焊接操作，避免管腳弄錯(cuò)導(dǎo)致的器件損毀更有甚至?xí)a(chǎn)生更多不良的后果。軟件的程序編譯需理清楚每一層的邏輯單元，在keil軟件上完成邏輯編譯和調(diào)試，運(yùn)行無(wú)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤時(shí)才可安排下載至單片機(jī)，可先使用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步驗(yàn)證，避免到真正器件電路上才發(fā)現(xiàn)異常，有可能使得造成經(jīng)濟(jì)損失，影響設(shè)計(jì)過(guò)程的自信心，因此系統(tǒng)調(diào)試是必不可少的步驟，此舉可在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)實(shí)物的功能進(jìn)行驗(yàn)證。4.1硬件電路連接測(cè)試在本次設(shè)計(jì)中選用的是PCB板來(lái)完成電路的連接，PCB板的尺寸需要根據(jù)所上器件的個(gè)數(shù)和形態(tài)進(jìn)行選擇，本次涉及的有單片機(jī)主模塊、外圍功能模塊及無(wú)線通信模塊。因此就必須通過(guò)杜邦線來(lái)連接外圍的功能模塊?？衫貌煌伾亩虐罹€來(lái)將對(duì)應(yīng)管腳的兩端連接起來(lái)，這樣可便于區(qū)分和檢查是否由連接錯(cuò)誤的情況。此時(shí)要注意管腳連接的杜邦線不允許過(guò)長(zhǎng)，也不允許重復(fù)交叉多圈，輕則可能會(huì)產(chǎn)生信號(hào)串?dāng)_。，最終系統(tǒng)的實(shí)物連接圖如圖4-1所示。圖4-1主控制板與外圍模塊接線圖本設(shè)計(jì)的硬件調(diào)試方案為功能模塊化測(cè)試方式，首先斷開(kāi)外部的所有功能模塊，確保單片機(jī)最小系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)異?？ㄋ阑驍嚯姴涣?，隨后逐個(gè)添加獨(dú)立的子功能模塊進(jìn)行性能測(cè)試，是否按照預(yù)期的功能實(shí)現(xiàn)，由于變更的內(nèi)容僅為新增的獨(dú)立功能子模塊，因此這樣有利于排查當(dāng)前的故障原因，更容易理順問(wèn)題的分析思路而不會(huì)被其他模塊干擾造成困惑，所有的功能模塊均添加并調(diào)試成功后，可以以整機(jī)完整功能進(jìn)行可靠性測(cè)試。4.2整機(jī)聯(lián)合測(cè)試由于系統(tǒng)在數(shù)據(jù)顯示部分采用本地控制端和移動(dòng)端手機(jī)APP同步顯示的方式，顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為系統(tǒng)當(dāng)前家電的開(kāi)關(guān)狀態(tài)模式，整體來(lái)看內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單且清晰，因此本部分的關(guān)鍵功能調(diào)試主要就是本地控制端與云平臺(tái)的狀態(tài)準(zhǔn)確性比對(duì)，和下發(fā)指令時(shí)本地端是否按照正確的控制指令完成繼電器的工作狀態(tài)驅(qū)動(dòng)，針對(duì)本地端和移動(dòng)端數(shù)據(jù)的同步準(zhǔn)確性確認(rèn)，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)的軟件工程化開(kāi)發(fā)進(jìn)行可靠性測(cè)試。測(cè)試用例與測(cè)試結(jié)果如表4.1所示：表4.1測(cè)試用例與測(cè)試結(jié)果項(xiàng)目編號(hào)測(cè)試功能測(cè)試內(nèi)容測(cè)試結(jié)果1程序燒寫1.建立項(xiàng)目文件2.添加工程文件3.燒寫到單片機(jī)通過(guò)2采集功能1．查看液晶顯示的家電狀態(tài)數(shù)據(jù)是否正確顯示正常2．?dāng)嚅_(kāi)電源后重連，查看液晶端是否可刷新顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示正常3數(shù)據(jù)顯示1.系統(tǒng)開(kāi)啟后，同時(shí)查看采集端和云平臺(tái)是否可分別查看數(shù)據(jù)，是否正確。顯示正常且正確4控制功能1.查看繼電器的電源指示燈是否可亮暗切換顯示正常且正確5遠(yuǎn)程控制1.通過(guò)手機(jī)APP的按鈕是否可完成繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)切換驅(qū)動(dòng)正常

結(jié)論為了解決傳統(tǒng)家居電器需要人工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)啟關(guān)閉控制的問(wèn)題，此次論文的整體框架是以單片機(jī)STM32作為主控芯片，通過(guò)繼電器模塊模擬家電設(shè)備，液晶屏顯示組成智能家居系統(tǒng)，并且有效的利用了無(wú)線wiif通訊技術(shù)和機(jī)智云開(kāi)發(fā)平臺(tái)的資源，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程端手機(jī)APP實(shí)時(shí)指令控制，滿足了用戶的一切需求。本次課題需要實(shí)現(xiàn)的功能點(diǎn)基本都最終滿足，且有效控制了成本，物美價(jià)廉的產(chǎn)品應(yīng)具有非常大的市場(chǎng)推廣意義，從調(diào)試的結(jié)果來(lái)看本次系統(tǒng)功能聯(lián)合測(cè)試的準(zhǔn)確率可達(dá)精度較高的程度，但即便是存在千分之一的不良也會(huì)給消費(fèi)者帶來(lái)困擾，如若是特殊應(yīng)用場(chǎng)合則可能帶來(lái)無(wú)法估量的結(jié)果，因此實(shí)物系統(tǒng)必須確?？煽啃院头€(wěn)定性才符合一個(gè)可量產(chǎn)使用的產(chǎn)品，真正投入到市場(chǎng)消費(fèi)端，在未來(lái)的優(yōu)化和其他設(shè)計(jì)中要以此為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)零缺陷。參考文獻(xiàn)[1]基于單片機(jī)智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].寸家煒,常鳳筠,郭玉寶,韓鼎豪,陳明俊,孫凡竣,婁萬(wàn)鵬.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新.2019(27)[2]基于51單片機(jī)物聯(lián)網(wǎng)智能家居手機(jī)Wi-Fi控制開(kāi)關(guān)系統(tǒng)[J].史旭丹.科技資訊.2019(25)[3]探討單片機(jī)在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用[J].魏鑫,魏俊杰.中國(guó)新通信.2019(15)[4]張國(guó)偉.以STM32為核心的智能家電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技風(fēng),2018(13):7.[5]張文軒.基于人機(jī)交互的智能家電安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品.2017,04:129-130[6]董思喬,趙榮建,孫通.基于WIFI構(gòu)建的智能家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015,39(04):89-91.[7]劉亦非.智能家電手勢(shì)控制的專利技術(shù)分析[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2018,26(21):33.[8]章程.基于51單片機(jī)智能家電的設(shè)計(jì)[J].智庫(kù)時(shí)代.2019,30:282-288.[9]董萍.基于Linux的家庭智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2019，07:25-31.[10]何偉文.智能設(shè)備手勢(shì)控制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(30):288.[11]李建國(guó).基于單片機(jī)的智能家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算