智能家居交互控制系统的设计

0引言

在传统家居环境下,人们对各种设备的控制往往受到空间和时间的限制,操作方式比较烦琐并且效率不高[1—2]。随着技术的飞速发展,智能家居交互控制系统应运而生,它可以有效解决这些问题。在安全防护层面,智能家居交互控制系统集成了烟雾报警器、天然气传感器、温湿度传感器等多种传感设备,通过传感器间的联动,搭建起全方位家庭安全防护网络。当检测到烟雾浓度超标、燃气泄漏等异常情况时,系统会立即触发声光报警,有效降低风险,切实筑牢家庭安全防线[3—4]。

1 系统总体设计

在智能家居系统中,烟雾传感器、天然气传感器、光照传感器、温湿度传感器及空气质量传感器承担着环境检测与安全防护的核心功能,为设备控制和用户安全保障提供关键数据支持[5—6]。通过搭建集成化控制平台,统一安全管理各类家居设备,从而实现设备集中操控,大幅提升用户家居安全系数,保障用户居住安全[7]。

烟雾传感器通过检测环境中烟雾颗粒浓度来识别火灾隐患,一旦检测到烟雾浓度超过安全阈值,便会立即触发声光报警装置;天然气传感器基于半导体或催化燃烧原理工作,其内部敏感材料与天然气发生化学反应,从而识别天然气是否泄漏;光照传感器可以感知环境光线强度变化, 自动调节灯光亮度;温湿度传感器能够同步检测环境温度与湿度数据;空气质量传感器主要用于检测空气中PM2.5和甲醛等污染物浓度,在室内环境中,该传感器实时检测空气质量,一旦发现污染物浓度超标,便会触发声光报警装置,提醒用户改善家中空气质量[8]。

2 系统硬件设计

因STM32F103C8T6在性能、开发便捷性和成本上的高性价比,智能家居控制系统设计选择其作为核心控制器。传感器有MQ—2烟雾传感器、MQ—4天然气传感器、MQ—135空气质量传感器、DHT11温湿度传感器和光敏电阻GL5528。光敏电阻基于光电效应工作,便于单片机判断光线明暗。烟雾传感器、天然气传感器和空气质量传感器等输出模拟信号经过分压电路后接入单片机ADC通道,将模拟量转换为数字量,判断是否超标。温湿度传感器主要是通过单片机连接IO口,按照设定的协议传输温湿度数据,单片机解析后获取环境温湿度信息。OLED显示屏经I2C协议与单片机相连,用于显示实时温湿度、烟雾浓度、光照强度、空气质量信息;当传感器数据异常时,显示异常报警提示。

智能家居交互控制系统总体设计框图和设计总原理图分别如图1和图2所示。

3 系统软件设计

3.1 系统总功能实现

该系统以STM32单片机为核心,首先进行系统初始化及温湿度、烟雾、天然气、空气质量、光敏等传感器模块初始化I随后进入循环检测流程,各传感器分别检测环境参数并与预设阈值比较,若参数超标则触发声光报警,同时通过OLED显示屏实时显示异常数据,并一直循环检测,实现对家居环境的实时检测与智能响应。系统总功能实现流程图如图3所示。

3.2温湿度传感器模块的功能实现

DHT11传感器通过其集成的芯片将采集到的输出的模拟信号转换为数字信号,转换后的数据值反映了环境的温湿度情况,用输出的数据值和设定的阈值进行比较,判断是否在安全范围内,如正常就继续检测循环,如不正常就触发相应报警装置,发出警报,通知用户有安全危险。温湿度模块流程图如图4所示。

3.3烟雾传感器模块的功能实现

MQ—2烟雾传感器通过其集成的芯片将输出的模拟信号转换为数字信号,转换后的电压值反映烟雾浓度,当环境中烟雾浓度变化时,传感器阻值改变,输出对应模拟信号就会发生变化。如果结果正常就继续检测循环,如果不正常就触发声光报警装置,发出警报。烟雾传感器模块流程图如图5所示。

3.4 天然气传感器模块的功能实现

单片机通过ADC采集传感器输出的模拟电压值代表天然气浓度,如果比所设定的浓度阈值高,就触发声光报警装置,如果比所设定的浓度阈值低,则继续循环检测,直到检测到高于浓度阈值的模拟电压值,并显示在OLED屏幕上。天然气传感器模块流程图如图6所示。

3.5 空气质量传感器模块的功能实现

该传感器内部有电阻丝,在空气相对较好的地方取基准值,计算出基准的电阻值,然后采集实验需要的空气进行浓度计算,再分级判断不同的气体浓度,将浓度与设定的阈值进行比较,高于阈值的将信号传输给声光报警装置,未高于阈值的再进行循环检测,并显示在OLED屏幕上。整个流程通过状态机管理,在保障实时响应的同时,维持低功耗运行,满足家庭环境持续检测需求。空气质量传感器模块流程图如图7所示。

3.6 光敏传感器模块的功能实现

先进行系统初始化,然后进行光照检测,读取ADC转换出来的实验光照强度,将实验得到的光照强度值和设定的阈值进行比较,如果低于阈值就开启相应的声光报警,执行提高亮度操作,如果高于所设定的阈值,就维持现状,继续检测。光敏传感器模块流程图如图8所示。

3.7声光报警模块的功能实现

先进行系统初始化,然后配置IO口控制声光报警装置,循环检测传感器是否发出报警信号,如果有报警信息就触发声光报警装置,开启灯光和蜂鸣器,没有报警信号就继续检测。报警结束的机制是持续检测到数值在安全范围内, 自动关闭声光报警装置。声光报警模块流程图如图9所示。

4 实物测试

4.1 系统总功能实现

图10所示为智能家居交互控制系统的实物,STM32F103C8T6单片机作为核心控制单元,被置于电路板中央位置,四周有序分布各功能模块,DHT11温湿度传感器、MQ—2烟雾传感器、MQ—4天然气传感器、MQ—135空气质量传感器和光敏电阻传感器紧密排列。

4.2传感器模块测试

4.2.1温湿度传感器模块测试

温湿度模块检测到温度和湿度时会显示在屏幕上,如图11所示。图中“Hum”数值显示的是环境湿度,“Temp”显示的是环境温度。提高模块周围环境湿度,屏幕显示的湿度值从45%RH快速上升至74%RH,证实传感器响应快、反应灵敏。研究中系统湿度安全阈值设置的是55%RH,超过就会触发设备右下角的声光报警装置,图中湿度显示为74%RH,明显大于55%RH,所以在右下角的声光报警装置中,LED亮绿光,从湿度超标到触发报警的平均响应时间为2s左右,完全符合家居安防系统的实时性要求,验证了传感器数据采集的稳定性和可靠性。

4.2.2烟雾传感器模块测试

如图12所示,A3为烟雾传感器检测到烟雾时显示的数值,正常状态下在2 000左右,系统设置的阈值是3 000,检测到浓度大于3000时触发声光报警装置。

4.2.3空气质量传感器模块测试

图13中A4为空气质量传感器检测到危害气体时显示的数值,该模块设置的报警阈值是大于等于3 000时,图中显示数值为4383,大于3000,所以触发警报。整套系统经过长期运行测试,性能稳定可靠,为家庭空气安全提供了全天候智能守护。

4.2.4光敏传感器模块测试

选择光敏电阻GL5528作为智能家居光照传感器,其能够准确捕捉从明亮环境到黑暗角落的 自然光照的差异,阻值变化范围广,在明亮环境下阻值约为10kΩ,黑暗环境中可达1MΩ。如图14所示,只需要将光敏检测模块遮盖住,就会引起数值变小,触发声光报警装置,为家庭提供全天候光线检测。经过长期运行验证,系统性能稳定可靠。

5 结束语

本研究设计开发的智能家居交互控制系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制器,通过整合多种环境检测传感器构建了一套智能化家庭安全防护体系。在硬件设计方面,系统包含5个关键传感器模块:MQ—2烟雾传感器负责检测可燃烟雾浓度,MQ—4天然气传感器专用于检测燃气泄漏风险,DHT11温湿度模块实时感知室内环境舒适度,光敏电阻传感器可以检测室内光照强度,MQ—135空气质量传感器则持续监控空气中的有害物质,可以实现安全检测和危险报警的功能。在软件设计方面,通过编写传感器驱动程序,实现了对传感器数据的准确采集与处理。

本设计通过实物验证了系统设计的有效性,为智能家居安全防护提供了经济实用的解决方案。系统智能化水平的提升,使其能够真正应用于家庭场景,为用户提供安全、舒适、便捷的智能家居体验。

[参考文献]

[1]魏宏,杨明路.基于单片机的智能家居灯光控制系统设计[J].光源与照明,2025(5):36-38.

[2]冯亚军.基于单片机的智能家居控制系统设计与实现[J].集成电路应用,2023,40(12):11-13.

[3]李佳泽,徐嘉轩,王子旭,等.基于单片机的智能家居控制系统研究[J].数字通信世界,2024(9):48—50.

[4] 李晓红,付江豪.基于物联网的STM32单片机智能家居系统设计[J].电子制作,2023,31(17):23—25.

[5]原卓亮.基于语音识别的智能家电控制系统设计[J].电子技术,2022,51(5):12—14.

[6]李焕贞,孙茜.基于语音识别技术的智能机器人控制系统设计与应用[J].无线互联科技,2023,20(15):41—44.

[7]刘昊.单片机在智能家居控制系统中的应用与性能改进[J].造纸装备及材料,2024,53(2):82—84.

[8] 蔡秀兰,袁克凯,刘静,等.基于STM32F103单片机的智能家居控制系统设计[J].中国设备工程,2023(1):28—30.

《机电信息》2025年第19期第10篇