基于单片机的智能家居系统设计

基于单片机的智能家居系统设计

陈蒙生 陈振生 赵青青

人民电器集团有限公司 浙江温州 325604

摘要：目前，智能家居产品存在安全性不足、功耗较高、价格昂贵等缺点，为了克服这些不足，本文设计了基于单片机的智能家居系统。该系统采用基于ATMEGA328芯片的Arduino nano开发板实现智能门锁功能，采用ESP32芯片实现智能窗帘和智能开关的功能。系统基于Arduino IDE开发平台完成程序设计，采用WiFi作为系统设备通信方式用于连接手机端与系统，利用Blinker平台作为媒介完成APP对系统的控制，以实现对住宅的智能控制。

关键词：单片机；智能家居；设计

1 硬件设计

1.1 系统方框图

图1为智能家居的系统结构。系统主控以ATMEGA328为核心，主要实现智能门锁功能，网络通信由ESP32芯片提供，主要实现智能窗帘和智能开关功能。通过主控芯片对窗帘、门锁和照明设备进行控制，利用手机连接WiFi控制设备的开关。

1.2 硬件设计

硬件设计分为智能门锁、智能窗帘和智能开关3个功能模块，分别使用了AS608指纹识别模块、一路继电器控制门锁模块、4*4键盘模块、步进电机模块、GY30光照传感器模块、DHT11温湿度模块、四路继电器控制设备模块和LCD1602显示模块。

在智能门锁功能部分中，将Arduino nano开发板与AS608指纹识别模块相连，可实现指纹添加、删除和识别等功能。指纹模块再配合一路继电器工作，识别指纹通过则开锁，不通过则显示警报。4*4键盘模块用于输入门锁密码，LCD1602显示模块用于配合键盘模块工作显示门锁状态。在智能窗帘功能部分中，步进电机模块在系统中起到模拟窗帘的作用，用步进电机正反转模拟窗帘开关。GY30光照传感器模块和DHT11温湿度模块用于检测外界光照强度和温湿度，并实时在显示器和APP界面显示当前的光照强度和温湿度，并配合步进电机模块模拟窗帘自动开关。LCD1602显示模块与温湿度模块、光照传感器模块和步进电机配合，可实时显示温度、光照强度和窗帘开关的状态。在智能开关功能部分，只需用四路继电器模块分别控制客厅灯、卧室灯、热水器和插座设备。在自动模式下，会根据设定的光照强度进行自动开关，与智能窗帘相互配合实现智能家居的智能开关功能。

图1 系统结构 

2 软件设计

2.1 智能门锁程序

智能门锁具有按键开门、密码开门、指纹识别开门、手机WiFi开门、修改用户管理员密码、添加指纹以及删除指纹多个功能。开门密码和管理员密码初始化为1234，指纹开门需要主动添加指纹，在使用按键输入时可按下*键随时取消当前操作。系统通电后会自动进入主界面，等待输入密码，用户输入4位开门密码后，如果密码正确则开锁，如果密码错误则显示错误次数，错误次数达到5次需要等待1分钟后才可以继续输入。开门后错误次数会自动清零，输入密码过程中可随时按下*键取消操作，此次输入密码不计入错误次数。

在主界面时，先按#键再输入管理员密码后会进入管理员菜单模式。管理员菜单分为5个选项，通过按键输入选择不同的选项。1选项为修改用户密码，进入后输入两次所要修改的用户密码则修改成功；2选项为修改管理员密码，进入后输入两次所要修改的管理员密码则修改成功；3选项为添加指纹，进入后输入所要添加的指纹编号，就会显示等待识别手指，两次识别手指后则添加成功；4选项为删除指定指纹，进入后输入所要删除的指纹编号，则会自动删除所选指纹；5选项为删除所有指纹，进入后需要在3秒内按下开门按键进行确认，确认后则会自动删除所选指纹，没按下确认会取消此操作。用户将手指放在传感器后系统会自动识别指纹，将采集的指纹与已添加的指纹进行对比，符合则开门，不符合则显示警告。智能门锁的程序流程如图2所示。

图2 智能门锁的程序流程 

2.2 智能窗帘程序

智能窗帘拥有手动按键开关、手机WiFi开关和自动感光开关功能。智能窗帘模块还可以检测光照强度和温湿度，并实时在显示器和手机界面显示。手动按键开关控制窗帘时，会实时改变手机界面里窗帘的开关状态，手机WiFi控制开关和手动按键可以相互配合控制，窗帘开关状态也会在显示器里显示。在手机端打开自动感光开关功能后，可以根据设定的光照强度进行自动开关，当高于设定光照强度时会自动关闭窗帘，低于设定光照强度时则会打开窗帘。感光模块还可以配合智能开关模块自动开关灯。图3为智能窗帘的程序流程。

图3 智能窗帘的程序流程 

2.3 智能开关程序

智能开关模块分为4个开关，分别为客厅灯、卧室灯、热水器以及插座，分别用继电器控制4个开关设备。智能开关模块可实现手动按键开关、手机WiFi控制开关和自动开关灯功能，APP界面控制设备为开关控制，打开设备界面开关会打开，而手动开关为按键开关，按下会改变设备开关状态，并反馈到APP中，改变APP界面的设备状态，手动按键与WiFi控制开关相互配合实现智能化。自动开关灯是根据设定光照强度自动开关卧室灯和客厅灯，需要在手机端打开自动开关按键，与智能窗帘模块相互配合，当光照强度低于设定值时会自动打开客厅灯和卧室灯，高于设定值时会自动关闭客厅灯和卧室灯，卧室灯自动开关的设定值和客厅灯会存在差异。图4为智能开关的程序流程。

3 结语

智能家居系统实现了智能门锁、智能窗帘和智能开关3部分功能，对智能家居系统进行了多方面的功能性测试，在测试的过程中都达到了期望的效果。智能家居系统具有便于操作、信息准确、智能化程度较高等优势，具有一定借鉴意义，也可供相关从业人员参考。

图4 智能开关的程序流程 

参考文献

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