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【摘  要】

随着互联网技术的高速发展，智能家居逐渐走进人们的生活，但是当前智能家居市场依然存在很多问题，针对目前许多家庭对于家居生活环境和安全环境的需求，本文设计一款基于“微信管家”的智能家居监控系统，该系统采用互联网＋WiFi以及社交网络技术，将家庭环境中的温度、湿度、光照强度、粉尘浓度等数据，通过传感器传输至主控制器，主控制器对相关数据进行显示，并通过WiFi通信和局域网传递至云服务器中的数据库，用户可通过微信公众平台对服务器进行实时访问和环境数据的查看，并且可以通过微信公众平台实现对电灯、空调等家用设备的智能控制。

【关键词】智能家居；微信平台；远程监控；WiFi技术；互联网

0  引言

随着人工智能的发展，人工智能给我们带来了许多便捷，在我们的日常生活中也发挥着越来越重要的作用。其中，智能家居也是现在人工智能话题中的一个热点内容，从刚开始的概念提出，到现在家家户户都开始使用智能家居，人们对于智能家居的接受度和满意度也不断提高。智能家居致力于为人们提供更加温馨的生活和居住环境，随着近几年的发展，虽然智能家居已经逐步普及到人们的生活之中，但是由于智能家居系统是一个相对比较复杂的系统，由于受多领域、多项技术的限制，现在传统的智能家居功能都比较简单，实用性不强，且系统普遍存在着成本高、控制平台不统一、操作和监控系统复杂、不符合人们的使用习惯等问题，为了解决目前智能家居行业所存在的问题，基于社交应用的智能家居控制系统应运而生[1]。

微信是当前应用最为广泛的社交应用程序之一，微信公众号的开发也是近几年的一个热点内容。微信具有平台技术成熟、用户群体庞大、操作简单方便等优点，对于目前的智能家居而言，微信无疑是一个时尚便利的终端应用[2-3]。所以本文结合物联网技术、无线通信技术和微信新媒体的轻应用，推出一款基于“微信管家”的智能家居监控系统，增加环境监测的模块，可以通过微信公众号实现对家庭环境信息的实时动态监控，并把数据及时反馈给用户，同时，用户可以通过微信公众号发出指令，进而控制智能家用设备来提供一个舒适的生活环境。本系统的实现能很好地提高人们生活品质和质量，并且能够给人们的居住环境提供便利，给人们带来更智能、更便捷、更舒适的新生活。

1  系统总体方案设计

1.1 系统总体结构设计

智能家居环境监控系统以主控芯片为核心，结合其他外设功能模块电路来完成系统的设计。本系统为了更好地实现对家庭环境的远程监控和对智能家电的远程控制，采用STM32单片机作为核心控制器，外接各个模块电路，通过USB接口烧录各个功能模块的程序，从而构建人、环境、家电设备三者之间的联系，主要外接模块有温湿度检测模块、光照强度检测模块、粉尘浓度检测模块、继电器模块、电源模块、WiFi模块等。整个系统设计所需要的基础数据都是由外接功能模块测量来实现。所设计的每一个模块都有指定功能，主控制器通过局域网连接微信公众号与用户产生联系，从手机微信公众号获取相关指令，然后经串口通信与控制模块来对物联网家电设备下达指令，同时也将监测到的家庭环境数据以同样的方式逆向传输给微信公众号，用户通过公众号可以实时获取家中的环境数据，从而获得更加舒适的生活体验。为了使家居系统更加智能化，系统可对室内光照、温度、湿度、粉尘烟雾浓度等控制调节，实现自动调节及报警功能。同时，用户也可以通过微信公众号发送相关指令来控制智能电器的开关从而调节环境温度，营造更加适宜的家居环境。系统设计框图如图1所示。

1.2系统流程构架设计

主控制器接收检测模块的各项数据，再经过WiFi模块将环境信息的相关数据传输至服务器，最后上传至微信公众平台的相关网页端，从而使用户可以实时查询相关数据，当数据超过所设定的最高数值则会触发相关报警，微信用户也可以将指令发送至服务器，服务器对指令数据打包后，通过WiFi模块传送给主控制器，主控制器再通过继电器模块控制相应的家电。

本系统主要有两条控制主线并同时工作。

1.各个检测模块→主控制器→WiFi通讯模块→云服务器→微信公众平台→用户

这条控制主线在系统的运行期间一直工作，主要将检测模块测量的实时数据以一定的时间间隔传输到微信公众平台，将其显示在微信公众号相关的网页端，供用户实时查询并作出相应的控制操作。

2.用户→微信公众平台→云服务器→WiFi通信模块→主控制器→继电器模块→智能电器

这条控制主线是为已关注该系统的微信公众号的微信用户服务的，用户通过微信公众号的网页端查询家庭环境的实时数据，也可以通过网页端发布指令，经云服务器、无线通讯模块接收，然后由主控制器进行相关的数据处理，进而通过继电器控制空调、灯等家电使用。

2  系统硬件设计

2.1 主控制器

为提高整个系统的应用性能，本文采用STM32F411RCCUX单片机作为系统的主控芯片，再结合各个硬件模块实现整体功能。较传统常规的单片机来说，STM32F411RCCUX单片机具有更优良的数据信息处理能力和更完善的外观设计，具有较低的成本和较小的功耗，具有超高性能和高速的处理速度。综上所述，采用此款单片机可满足智能家居设计的各项要求。此外，为了降低干扰，提高系统运行的可靠性，主控器采取多种隔离和保护措施，系统运行更高效，能很好实现与WiFi模块良好的数据传输，并且此款单片机兼容性表现出色，后期设计也可以更为灵活多样。

2.2  WiFi模块设计

本文采用ESP8266 模块实现信息传输，此模块主要负责在局域网中进行近距离无线通信，首先与主控制器建立串口通信，再通过AT指令配置WiFi热点，连接到局域网，然后跟同一个局域网中的服务器进行无线通讯，传输检测到的数据和发布的指令。ESP8266模块为安信可的WiFi通信模块，主要支持 STA、AP、STA+AP 3种工作模式和AT指令集，AP作为一个热点，可使电脑搜索WiFi网络时可直接搜到；STA可直接接入现有的WiFi网络；AP+STA即是一个热点，又可以连入WiFi网络，并且此模块内置有32位MCU，只要搭建简单的外围电路，则有比原来更强的阻抗匹配、更稳定的输出信号和更高的抗干扰能力，同时增强版的IO端口也更多，功能更强大[4]。通过WiFi模块，可以组建一个小型的通信网络，即在同一WiFi模块下可实现任意设备与WiFi模块相连接。

2.3  温湿度检测模块设计

根据本系统设计需求，旨在采集家庭环境中温湿度的数值，更好地调整用户居住环境舒适度，因此本文采用的模块是集测量温湿度于一体，含有已校准数字信号输出的传感器DHT11，此模块体积小，功耗较低，具有一定的可靠性和准确性，可以提供实时温度和湿度，而且它采用单总线控制，可以直接输出数字信号，这也极大减小了电路的复杂程度和体积。本次所使用的接口为B6、B7口，通过B6、B7端口和MCU端引脚线连接，从而构建检测模块与单片机的连接，实现温湿度数据的传输。

2.4  继电器模块设计

继电器模块有三个端口，分别为常开端、常闭端和公共端。系统选用2路5V的继电器模块，用来控制灯和风扇的使用。一路继电器一般都有6个引脚，一端有VCC电源正极、GND电源负极、IN信号输入端三个接口，另一端有NC常闭端、COM公共端和N0常开端端三个接口。其中，在无任何操作的情况下，NC端和COM端相当于处于接通状态，可接到N0接口，然后通过信号输入引脚IN来控制继电器开关，从而达到控制作用。

2.5  烟雾传感器模块设计

本文选择对烟雾等气体灵敏度较高的MQ-2型烟雾传感器，主要可以检测家庭常见的 CO、CH 4 等多种厨房或者家用电器使用不当产生的可燃性危险气体。它的主要工作原理是，可燃气体浓度上升导致气敏元件的导电率增加，从而使得输出电阻变小，之后通过气敏元件与空气中可燃气体的占比的变化，监测室内的空气质量。本次所使用的接口为A1口，将A1端口和MCU端引脚线连接，通过编程将传感器所测得的数据进行A/D转换后上传和显示。

3  系统软件设计

3.1 系统软件总体设计

系统上电开始，程序进入初始化，单片机初始化后接收所测得的环境数据，将接收到据上传至云服务器，系统把接收到的粉尘浓度、光照强度等数据与设定数据值相比较；如无法接收到数据，则再次检测；检测数据如果超过设定数值，则通过蜂鸣器发出警报，进而通过继电器模块控制电扇、灯等家具的开启，从而营造舒适的环境。程序流程图如图2所示：

3.2 数据采集发送设计

主控制器发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转化为高速模式，等待主机的开始信号结束后，DHT11开始发送响应信号，传输相应数据，并且触发一次信号采集，之后开始选择读取部分数据。DHT11接收到开始信号后触发一次温湿度采集，若接收不到开始信号则系统不会主动进行温湿度采集。本系统中所检测出的数据通过WiFi模块以GET方法发送到云服务器中，云服务器通过PHP脚本语言与SQL语句进行连接来实现数据的存储与管理，用户可以通过手动设置通信地址、端口以及添加信息到数据库，并且把它设置为永久保存。在每次通信时系统总会自动搜索数据库，取出所检测到的数据并和远程服务器进行通信。

3.3 WiFi通信设计

主机/从机始终保持连接状态，使用函数通过传入域名或者主机名来获取IP地址，函数调用失败则返回空值，修改STA 连接的AP和密码，在扫描函数里修改要连接的WiFi名称和密码，修改为真实存在的WiFi名称，WiFi连接上之后，开始调用函数进行域名解析，检测是否连接到WiFi，当WIFi任务被启动后，主控程序会进行周期性地检测，检测到的新数据会与手机中阈值设定的环境数值进行比较，从而分析命令并执行命令。当检测到的环境数据超过设定的环境数据时，则会执行报警程序。

3.4微信公众号设计

本系统采用手机客户端的微信软件作为用户终端，需要在微信公众号上注册一个订阅号，微信公众号在接收来自用户的指令时跳转至设定的网址链接，在公众号菜单栏之中配置相关链接。通过微信公众号可以发送相关指令到云服务器，服务器读取数据库中的数据通过网页端与微信公众号关联，发送指令的具体文字信息是由服务器端用PHP语言作为交互的脚本语言，并对客户端发送的指令进行解析与判断，预先建立一个知识库系统，用于实现对特定语句的回应。本系统的控制界面分为微信公众号界面和网页控制界面，用户可以在微信公众号的菜单栏中发送特定的内容，从而跳转至网页控制界面，界面中可以显示所测得的各项环境数据，并且用户可以通过界面中的开关来无线控制风扇、灯等智能家电的开启。

4 结论

针对传统家居控制的不足，研制出一套智能家居监测系统。该系统使用微信公众号作为用户与系统进行信息交互的平台，克服了市场上传统家居系统所使用APP移动端功能单一、用户群小、不易更新等缺点。在使用过程中，系统可利用网络和传感器以及控制电路对家居设备进行状态的采集以及远程控制，并且实时反馈给用户。系统设置多个功能监测模块，相对于市场上的产品来说测量信息更全面。本系统以智能化时代为背景，结合微信新媒体的轻应用技术，将微信平台与智能家居相结合，使家居监测系统更智能化、社交化，具有一定的实际应用价值。

【参考文献】

[1]李旺昆，柯远征，王立仕.基于STM32的智能家居环境监控系统的设计与实现[J].科技视界，2020（11）：27-29.

[2]高玉亚.基于微信平台的家居环境监控系统设计[D]. 哈尔滨理工大学，2019（6）：40-41.

[3]肖奇军，伍世豪，郑杰东，等. 基于微信公众号的智能家居系统[J]. 机电工程技术，2020，49（11）：58-60.

[4]邓怀俊，柳琳娜，张忠禺，等. 基于无线通信的智能家居设计[J]. 电子技术应用，2021，47（9）：39-42.

※基金项目： 2020年大学生创新创业训练计划项目研究 （项目编号202013644038）

闭斌双（1986-），男，硕士研究生，主要从事光纤通信、移动通信网络工作。

蒋红梅（1987-），女，桂林信息科技学院，硕士研究生，讲师，主要研究射频、无线通信方向。