基于单片机的智能家居系统设计

一、系统总体设计

基于单片机的智能家居系统以“便捷控制、节能高效、场景联动”为核心目标，整合家庭常用设备（灯光、窗帘、空调、安防设备等），实现自动化管理与远程交互，解决传统家居控制分散、能耗高的问题。系统采用分层架构：感知层通过温湿度、光照、人体感应等传感器采集环境数据；控制层以STM32F103单片机为核心，处理感知数据并执行控制逻辑，其高性能内核支持多设备并行管理；执行层包含继电器、电机驱动模块等，控制灯光开关、窗帘升降、空调启停等；通信与交互层通过WiFi模块（ESP8266）实现远程控制，搭配触摸屏与语音模块支持本地操作。设计注重兼容性，预留设备扩展接口，可接入扫地机器人、智能门锁等，适配不同户型家庭，同时通过场景化逻辑（如“回家模式”“睡眠模式”）提升用户体验，兼顾智能化与实用性。

二、硬件电路设计

系统核心控制单元选用STM32F103C8T6单片机，其丰富的GPIO接口与外设资源（I2C、UART、PWM）可满足多设备驱动需求，72MHz主频确保数据处理与指令响应的实时性。感知模块采用多类型传感器组合：温湿度检测用SHT30（精度±0.3℃/±2%），光照检测用BH1750（1-65535lx），人体感应用HC-SR501（检测距离5-7m），门窗状态用干簧管门磁，所有传感器信号经滤波处理后接入单片机ADC或IO口，确保数据稳定。

执行模块采用隔离驱动设计：灯光、插座通过继电器模块控制，窗帘电机用ULN2003驱动板实现正反转，空调通过红外发射模块模拟遥控器信号；继电器与单片机间加光电耦合器，避免强电干扰。通信模块选用ESP8266 WiFi模块，通过UART与单片机通信，支持连接家庭WiFi，实现与手机APP的数据交互。交互模块配备3.5英寸触摸屏（SPI接口），显示设备状态与环境参数，支持手动切换模式；语音模块采用LD3320，识别简单指令（如“开灯”“开空调”），提升操作便捷性。电源模块用220V转5V/12V适配器，为各模块供电，输入端加防雷击保护，确保安全稳定。

三、软件功能实现

系统软件基于STM32CubeIDE开发，采用模块化设计，包含数据采集、设备控制、通信协议、场景管理与人机交互模块。数据采集模块通过定时器中断（1秒周期）读取传感器数据，经滑动平均滤波后，存储于系统缓存，供控制逻辑调用；异常数据（如温湿度超限、门窗异常开启）触发优先级处理。

设备控制逻辑采用“自动+手动”双模式：自动模式下，根据环境参数动态调节设备——温度高于28℃启动空调制冷，光照低于300lx自动开灯，检测到人体活动时开启走廊灯（无人10分钟后关闭）；手动模式通过触摸屏或手机APP直接控制，指令经WiFi传输后，单片机解析并驱动对应设备，响应延迟≤500ms。

场景管理模块预设“回家”“睡眠”“离家”等模式，用户可自定义模式包含的设备状态（如“睡眠模式”自动关闭主灯、开启夜灯、拉上窗帘、空调调至26℃），模式切换通过按键、语音或APP触发。通信模块基于MQTT协议与阿里云平台通信，支持手机APP实时查看状态、发送控制指令；软件加入故障自检功能，设备异常时通过APP推送提醒，同时记录运行日志（存储最近7天数据）。

四、系统测试与验证

搭建100㎡模拟家庭环境测试平台，接入灯光（4路）、窗帘（2路）、空调、安防设备等，开展功能与性能测试。功能测试显示：自动模式下，温湿度调节响应时间≤3秒，光照感应开灯误差≤50lx，人体感应灯触发准确（无人后10分钟准时关闭）；场景切换无卡顿，“回家模式”启动时间≤2秒，设备联动正确。

性能测试表明：WiFi通信断网后10秒内自动重连，指令传输成功率99%；连续运行30天，系统无死机，传感器数据漂移≤1%；单设备控制功耗≤5W，较传统手动控制节能25%。实际使用场景中，用户通过手机APP远程提前开启空调，回家时室温已达舒适范围；安防触发时，系统同步推送报警信息，验证了实用性。

测试结果表明，系统实现了家居设备的智能化管理，操作便捷且节能效果显著。后续可增加AI学习功能，根据用户习惯自动优化场景参数，进一步提升智能化水平。





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