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首先，本文模拟现实家居生活对户型进行3D建模，场景主要包括客厅、卧室、阳台以及厨房四个区域，各区域布置了不同的智能功能。其次，本次毕业设计采用的主控芯片是STM32F407VET6单片机，这款芯片是基于Cortex-M4内核的，外加MQ-2型烟雾气敏传感器、DHT11温湿度传感器、火焰传感器、雨滴传感器和其他用于对环境进行监视的传感器。在本次毕业设计中实现的主要家居环境功能包括：智能门锁、智能安防、智能窗帘等模块，并采用ESP8266WiFi模块作为无线通信模块，实现各个模块间的相互通信，同时与6818开发板进行通信。本次硬件设计采用模块化的思想进行电路的设计。最后，对智能家居模型整体进行搭建并对硬件进行实体调试。路部分，并经过测试验证电路正确。
早在20世纪80年代初，因为科学家们对模拟技术、多传感器技术、通讯技术的一直深入研究发展，智能家居这个新型观念就在北美洲被人们进行研究，但很长一段内详细的实现案例没有具体呈现。随着二十一世纪的到来，智能家居控制系统设计及其相关的技术发展非常迅猛，其功能也趋于多元化、人性化、智能化。一方面，这是一个高度信息化的时代，集成电子、网络通信、传感器控制、嵌入式等各种技术的不断融合，使得越来越智能化、信息化的社会成为新的发展趋向，更多人性化、科技化的电子产品因而涌入人类的家居环境中。另外一个现象则是：随着全球经济的快速发展、人类日常生活环境的加快变化、人类对生活质量的期望及需求的上升，一个安全、健康、便捷、舒适并且智能化的新型家居环境已经成为未来家居生活的发展趋势，由此智能家居的市场便水到渠成地出现。
智能家居这个领域的研究是结合着计算机技术、信息集成技术、电磁感应技术、家用电器模块化技术等多种先进技术手段相互融合实现的，是在传统家居住宅环境的基础上把家居环境中的家庭用电的器具、安防设备等集中在一个主控制器上进行信息集合以及系统化控制管理，从而构造出一个人性化、智能化的日常住宅环境系统，使得我们可以在任何时间任何地点对住宅环境系统进行远程操控。智能家居的发展趋势及其宗旨是为人类创造出一个更加科技化、安全性更高、十分便捷以及符合环保概念的生活环境，图1.1为现在智能家居系统方案实现的结构组成图。
人类对智能家居的钻研时间最开始是在19世纪80年代，最初开展的国家主要是在美国、英国、加拿大、德国等家用电器产品相关技术发展比较成熟的国家。全世界第一座智能大厦早在1984年就出现在美国的民间，就奠定了美国在智能家居系统研究领域的前沿地位。在此之后，日本、英国、加拿大、澳大利亚等发达国家也效仿美国对智能家居提出了各式各样的相对应解决计划，并对智能家居控制技术的标准进行了统一的制定，在智能家居的发展过程中必须按照此标准进行研究发展，这就对关于智能家居产品的全面宣传和发展起到了非常重要的推动效果。
随后几十年内，互联网等各项技术的不断发展并逐渐被运用到智能家居系统中，使得智能家居居住环境变得更加科学化、人性化、先进化的方向发展。像微软、谷歌、苹果等知名企业都争先恐后地投入智能家居控制系统的研究行列中，就在1999年，虽然微软实施的“维纳斯计划”在很短的时间内以失败收场，但微软仍然十分看好智能家居系统及智能家居电阻产品行业的发展前景。就在2003年，微软联合Intel、Sony、SAMSUNG等十几家电子通信领域的大企业成立了“DigitalHomeWorkingGroup”，也就是数字家庭工作组，他们主要致力于对家居环境系统的通信连接协议建立统一规范的标准。随后便涌现了一系列的智能家居产品及智能家居系统，如微软的“梦幻之家”、三星SUHD智能电视、苹果的HomeKit、X-10系统（美国）、EIB系统（德国）等。
从各大数据统计可以得知美国在智能家居行业市场的覆盖率、美国居民的消费率已经是呈现全球领跑趋势，这很大程度上得益于美国在相关技术上的先进性。如图1.2及图1.3所示，市场调研公司Statista于2018年公布的两份报告揭示了智能家居行业的发展前景。据统计数据显示，截至2018年全世界只有百分之七点七的居民在自己的生活环境中引入智能家居产品，而只是在美国已经有着百分之十五的居民在日常生活中用到智能家居产品，与此同时的另外一个结果就是美国在智能家居行业的整体收益有200亿美元之高。
二十世纪初，只有极其少数的家电大规模企业深入智能家居领域发展，逐渐开始投身于智能家居产品的研发中，这些企业主要集中在长三角地区以及珠三角地区。在国内企业对智能家居行业摸索过程中，中国市场源源不断地涌入了许多的外国企业，如施耐德、罗格朗等智能家居品牌。另外，在国内政府出台的各项政策的支持引导下，投身于智能家居行业的企业开始注重智能家居相关技术的研究和运用，而不是一味地从国外引进。据2010-2019年中国智能家居行业专利申请数量统计显示（如图1.4），可以清晰看出中国智能家居行业的最近十年内的发展状况。2014年可以说是一个分水岭，此后智能家居相关技术的发展迎来了爆发期，并且推出了许多智能化、人性化的智能家居产品。此后，越来越多的企业注意到智能家居行业在中国的巨大市场，他们的毫不犹豫地投身于这一领域。这些年来，国内各大家电企业都提出自己的智能家居控制系统方案，许多与智能家居相关的国内“知名品牌”纷纷涌现，如智能家居中央控制系统的领军企业——快思聪、全世界智能化家用电器产品的研究制作地——海尔U-home、国内最具知名度智能家居品牌——安居宝等。
家居行业的智能化俨然成为一种时代发展的潮流，一个完整的日常家居环境的控制操作系统往往需要提供包括灯光控制模块、安防报警控制模块、橱窗控制模块等丰富多彩的功能，目前已经有不少成熟的智能家居产品。碍于在一开始我国智能家居行业的开展就比其他许多国家要迟，因此国内智能家居的发展以及相关技术的研发依然处于萌芽没多久的时期，受到许多因素的约束，而且由于没有统一的标准、费用髙昂、操作复杂、性能单一等原因，使智能家居在我国始终难以遍布人们生活中。
本次毕业设计论文中各个章节的具体编写如下：第一章为对智能家居行业进行了解的绪论内容，主要是介绍了一下智能家居目前在全球的研发开展状况、国内外研究现状、研究意义、研究目的以及其发展趋势。接下来一章的内容则介绍的是本次设计中整体实现方案的设计，首先对总体设计的方案进行介绍，再介绍选用的远程控制界面开发板GEC6818以及主控芯片STM32F407，最后对智能家居场景模型建模进行介绍。第三章介绍的是本次设计中系统硬件的设计，主要介绍的是本次设计主控芯片以及各个外加硬件电路的设计及其原理图。第四章为硬件调试与分析，主要是首先对蓝牙辅助调试的说明，并对各个硬件实物调试的结果进行展示。第五章为总结与展望，主要是剖析本次智能家居控制系统设计中的成果以及不足。最后则是总结对本次设计有参考价值的参考文献的编写，以及对在本次设计过程中通过帮助的老师及队友进行感谢。
本次设计采用GEC6818实现对智能家居控制系统的远程界面的操作，此开发板主要应用了十层板的工艺设计，这使得其具有可靠的稳定性，该平台搭载的处理器是S5P6818，这是一款三星在市场环境的需求下推出的Cortex-A53系列处理器，具有高性能、八内核的特点，1.4G赫兹是其可以达到的极限主频率，其主要的作用是用于在嵌入式Linux操作系统的驱动以及高端应用的研发。如图2.3所示，GEC6818开发平台有着十分充足的外围设备，其中主要包USB接口、音频输入输出口、HDMI接口等。
Cortex-M4处理器内部结构框图如图2.4所示，其在硬件结构上采用了运行速率高达80MHz的ARM浮点内核，该内核是基于Harvard结构的三级流水线结构，它是一款高速嵌入式存储器(其内部存在高达256KB的闪存和高达32KB的SRAM)。M4使用的指令集是指令效率高、性能强的Thumb-2，它有着指令长度可变的16位和32位混合指令，不需要ARM代码及Thumb-2代码的结合使用，这就很大程度上降低使用者的编程及后期的维护工作量。另外，NVIC也是M4处理器组成的重要结构，其主要作为系统控制空间，其特点是可编程而且寄存器位于存储器映射，并提供了多个中断屏蔽寄存器，当异常产生后，NVIC会比较其中已经失常的以及当前正在执行的优先级。
综合性能及成本的因素，本次智能家居系统控制系统设计采用的是由英国ARM公司生产的一款主要以Cortex-M4为核心的32位低功耗型ARM微处理器STM32F407VET6，该款微处理器的芯片主要频率为168MHz，其主要参数如下：具有196K的RAM空间和512K的FLASH存储；通用IO口多达82个；具有的定时器有3种：分别为2个32位的、12个16位的以及2个电机控制的定时器；3个12位的ADC转换单元、16个12位ADC通道以及2个12位DAC通道；通信口十分丰富，有3个SPI、2个I2S、3个I2C、1个SDIO接口、6个UART和2个CAN。因为STM32F407VET6的优势如表2.1所示，所以选择其作为本次设计的主控芯片.
现如今的社会发展状况存在着各地区发展不平衡、城市房价过高、人们对住房家居环境的要求不一样等一系列问题，大城市中年轻人的身影占了很大一部分比例，由于生活压力大部分城市家居环境都是以小户型形式呈现。本次智能家居户型采用的是一居室的日常居民房间设置，在VR智能室内设计平台酷乐家对户型进行具体设计，具体如图2.5以及图2.6所示，场景主要包括四个区域，分别是客厅、卧室、阳台以及厨房。此模型便于后期对于实物的搭建，并明确了每个功能的用处。
本次设计基于当代大部分家居环境将各区域布置了不同的智能功能，如图2.7所示，客厅布置了颜色可控的智能照明模块、窗帘模块以及OLED屏幕显示屋内环境模块；厨房则是安防监控的主要区域，包括烟雾气敏传感器、DHT11数字温湿度传感器、火焰传感器；阳台有智能晾衣杆模块以及雨滴检测模块；智能门禁本次设计有三种模式，分别是远程控制门锁、刷门禁卡开门以及密码输入开门；可控亮度的智能照明则安排在卧室以及厨房两个区域。
本文设计的是基于嵌入式的智能家居控制系统的设计，采用的是基于STM32F407VET6芯片的开发板，智能家居控制系统设计中硬件设计部分是系统设计的地基，也是本次毕业设计中一个极其重要的组成，其设计极大程度上影响着智能家居控制系统具体模块能否实现。本次设计硬件电路主要由主控芯片硬件电路以及外设模块硬件电路构成，其中，主控芯片硬件电路的总体实现结构思路如图3.1所示，主要包含STM32单片机及其扩展的外围模块电路。
如图3.4显示了本次系统主控芯片硬件电路使用的电源电路的示意图，我们采用的是基于AMS1117-3.3芯片的电路，它的主要功能是实现5V及3.3V的电压转换，是一种正向的、精密的、低压降的低功耗稳压器，可以用于稳定电源电压和输出电压。对于本次系统给主控芯片电路供电的设计，采用的是由5V的电源适配器给中央控制模块供电，而对于STM32F407VET6单片机正常工作电压稳定在3.3V的实现：电路通过AMS1117-3.3，以及其输入端、输出端都接上电解电容以及高频电容，以此来平稳电压以及清除高频干扰。
为保证本设计的正常进行，在智能家居系统设计的过程中，调试是对于整个系统性能考察中极其重要的一个步骤，对于一段能够实现最终功能的程序来说，它总是需要经过反反复复的调试过程的。鉴于STM32F407主控芯片本身是具有SWD接口的，所以在设计电路时便将JTAG和SWD共用接口，这样就不用担心两种模式切换时出现错误，TAG电路一旦接上，调试模式一样可以转换为SWD模式，如图3.8所示，该电路为JTAG调试电路模块标准原理图，表3.1为其主要引脚定义表。对于本次设计中软件调试采用的是通过J-Link模块进行调试，J-Link的SWD总共只需要4根线便可实现，即正电源线根数据传输线/JTCK），这样MCU的接口就得到更多的解放，与此同时调试时，模式也可以随时切换。
本次设计采用两种照明模式，其中一种采用的是通过对PWM信号的占空比控制普通led灯的亮度。另一种是引用RGB灯光控制模块，RGB灯可以通过编程对红（R）、绿（G）、蓝（B）三种原色之间相互交集成像组成其他颜色的灯光。本次设计采用的是WS2812模块，其电路原理图如图3.9所示，它是一个智能化的外部控制的LED，单个元件即可称作是一个独立像素点。像素点的内部包括着智能信号整合的驱动电路、高压可控编程部分、精密内部振荡器，这就十分有效地确保了像素点光的颜色统一。另外，其实现不同颜色转换的实现方式相对简单可控，主要通过编程控制PWM信号的占空比来分别控制RGB三种原色灯的灯光大小。
ESP8266系列无线模块以其极低的开发费用实现最大的功能，是高性价比的WiFiSOC模组，它主要支持STA/AP/STA+AP三种工作模式，这三种工作模式的区别表3.3所示。由于其内部高度集成了包括有TR开关、RFbalun、电源内部套装等，使得其易于集成应用在其他的项目设计中。在实现系统开发的过程中可以编写独特的ROM，主要得益于ESP8266模块的特点，设计者可以做到系统内部的数据传输功能以及操作创建起自己命名的WiFi共享网络，并可以通过AT指令的设置对各个模块进行调试，这极大程度上方便了开发者对系统的检测。
本次系统设计中需要实现对家居环境的温度以及湿度信号进行获取及反馈，我们选择的是DHT11模块，该模块是一种整合传感器，可以实现对温度以及湿度信号同时感应和信号收集，其内部已经含有早就校准数字信号输出的温湿度。相比于同样是单总线的只能测温度的功能，本次设计采用的传感器能够实现对温度和湿度两种信号同时进行检测，只不过DHT11的测量范围低于DS18B20，其温度以及湿度检测幅度分别为：0~50摄氏度、20%~90%RH，但这范围是符合本设计的要求的。此外，DHT11具有电路简单、性价比高、感应灵敏等优点，在本次毕业设计中此模块的电路图如图3.11所示。
智能安防模块是智能家居系统中保障家居环境安全最重要的一部分，如图3.13所示，本次系统设计采用的是MQ-2传感器实现安防功能，它是一款烟雾气敏传感器，其常用于对苯、液化气体、氢气、烟雾等气体的检测，是一个多功能的低成本气体探测器。此模块应用到的是在家居环境空气中有着超小电导率的透明导电材料——SnO2，是一种可用作高灵敏度传感器制作材料的重要的半导体。MQ-2使用寿命长、稳定性稳固、反应时间短，长期工作性能良好，而且驱动电路简单。
火焰传感器模块KY-026，用作许多火灾信号及红外信号的接收。该模块感应外部的火焰的实现是通过内部特制的红外线，这使得火焰的信号转换成电平信号的高低，从而传送至终中央处理芯片，芯片可以根据相应的信号做出报警状态。其对火的光谱十分敏感，可以监控家居环境中是否有火苗，或者是否存在波长在760至1100纳米幅度内的疑似火苗，可用于智能家居系统中用做火焰报警等用途，在本次智能家居控制系统设计中其电路原理图如图3.15所示。
FC-37雨滴传感器模块在智能家居系统中由于智能晾衣杆的模块，如图3.17所示，它在本次智能家居控制系统设计中的主要用途是检测是否下雨，并转成数字信号和AO输出，其采用双面材料的同时用镀镍处理了其平面，这样就使得其具有很好的抗氧化性能以及导电性性能。当雨滴传感器模块通电时，模块表面的电源指示灯灯亮起表示其处于工作状态，在雨滴感应板上没有雨水的情况下开关指示灯不亮，此时DO引脚的输出为高电平；若在雨滴感应板上滴上雨水时，开关指示灯将由灭到亮且DO引脚为低电平，若将感应板上雨水擦去，则回归到高电平状态、开关灯灭掉。
如图3.20所示，舵机是一个将直流电机、电机控制电路、齿轮组等集合成一个外壳内的伺服系统，便于使用者安装以及控制。本次智能家居控制系统设计中智能窗帘、智能晾衣杆、智能门锁三个模块的结构实现主要是通过舵机控制，采用的是简单的机械结构，一共用到三个SG90的180度舵机以及一个SG90的360度舵机。其中通过360度舵机的正转及反转实现窗帘的开关，智能门锁用一个180度舵机控制，智能晾衣杆是需要用到两个180度舵机同时控制。
电路板反馈转动位置反馈舵盘转动转动齿轮减速电机转动控制电路板控制信号本次设计关于舵机的电路图如图3.21所示，控制舵机只需要三根线，其中电源正负线V正常工作，主要是供给内部电机转动消耗。剩下的一根线是PWM信号控制线主控芯片相连，其主要的工作过程为：舵机模块的有着可以获取主控芯片传输过来信息的电路板，舵机模块以此来根据接收的信息操作电机的工作，从而带动着舵机内部齿轮转动并经过降低速度，最后传输到舵盘输出。舵机总体工作的步骤如图3.22所示。
安防报警以及环境监控功能在智能家居中起到监控作用，是必不可少的。本次设计中蜂鸣器在MQ-2烟雾传感器感应到有害气体、KY-026火焰传感器感应到火焰时发出警报声。另外，OLED屏幕主要作用有：对DHT11温湿度传感器获取到的温度及湿度信息实时进行反馈显示、对智能门锁进行监控（当输入密码或者IC卡号正确时显示“open”，错误时显示“error”）、对MQ-2以及KY-026进行监控（当发生火灾时显示“fire”）等等。蜂鸣器及OLED屏幕原理图如图3.23、图3.24所示。
由于整个控制系统硬件设计包括着多个不同工作电压的硬件电路，对此关于整个电路电源提供方式的设计合理性是需要着重考虑的。为防止外部强电以及芯片外设各个传感器电路对STM32主控芯片造成影响，本次设计采用220V-12V电压适配器将家庭用电的220V直流稳压成12V的直流电压输出，再用12V转3.3V以及5V两种电压的电源模块实现对主控芯片以及外设电路模块分别供电。其中5V电压主要单独供给主控芯片、4个舵机、蓝牙的调试模块，3.3V则主要为WiFi模块、各个传感器、led灯等其他外设模块供电。220V-12V变压器以及12V-3.3V/5V电源模块电路图如图3.25所示。
许多传感器模块在本次设计的整个系统中用到，在对各个模块单独或者整体进行逐一的测试过程中：对于雨滴传感器模块，主要通过晾衣架的收缩反应来检测其功能；对于烟雾传感器以及火焰传感器的调试，主要通过OLED屏幕以及蜂鸣器对报警进行检测；对于温湿度传感器，可以从OLED屏幕获取到温度以及湿度的准确数值，通过比较温度计和湿度计的实际显示值，可以从中获得误差比较，在测试过程中，在不同时间段随机获得5组数据进行比较。比较后的结果示于表4.3。由于对比结果可以看出，温度及湿度的误差范围在可以接受的范围内，故改模块测量数据具有可靠性。
此篇毕业设计论文具体实现了以下内容的设计：系统总体架构的设计，其中主要是关于家居环境3D模型的设计以及实物的搭建；根据本次设计需要实现功能以及低成本、低功耗、易于集成等原则，并对现在市场采用的功能、各界研究人员在期刊发表的关于智能家居实现的硬件模块等方面的进行研究，选择基于Cortex-M4核心的STM32F407VET6作为主控芯片，设计基于WiFi模块的无线收发模块作为通信模块；设计了家居系统外围环境检测模块电路、智能照明控制电路、WiFi模块电路、舵机控制模块电路、监控模块电路以及稳定电流的附加电源模块和变压器模块电路，主要包括MQ-2型烟雾传感器、DHT11数字传感器、FIRE传感器、ESP8266无线V电路电源模块等多个硬件；最后，结合蓝牙模块以及NetAssist网络辅助调试助手对智能家居系统整体硬件电路进行最终的调试验收工作。
毕业设计是对大学生学习生涯所学的关于专业积累的一次全面的、系统化的、输入的考查，毕业论文则是对毕业设计知识的深入学习、梳理、消化以及巩固。作为一名机械电子工程专业的学生，在本次毕业设计过程中，通过网上信息搜索、查找书籍资料、深入研究关于智能家居的相关知识，对该智能家居领域有了一定的认识，并实现设计出了一套简单小型的智能家居控制系统。虽然无论是在关于模型搭建、电路设计、硬件调试的过程中都遇到了许多的问题，但是通过一遍一遍地查资料、组员间的商讨、指导老师的指点，最终达到了预期的设计目标。本次毕业设计的研究对于我来说是意义非凡的一次经历。
大四下学期的寒假生活是一个特殊的寒假，因为疫情影响，本次毕业设计包含的工作几乎都是在家里完成的，这段时间内我对智能家居相关的很多知识都是自学的，在这过程中对大学所学习的理论知识进行了应用。另外，非常感谢同组的张铭和林静玲，由于我们是一个小组的，彼此工作内容有一定联系，谁有问题，我们都在微信群上互帮互助，有时候也会通过teamviewer进行远程连线，以此来解答彼此的疑惑。就此感谢在本次毕业设计过程中帮助过我的同学和老师，因为有你们，在家做的毕业设计才得以顺利进行。
