基于STM32设计的智能家居控制系统（华为云IOT+语音控制+环境检测）【玩转华为云】
1. 前言
如今的智能家居越来越深入人心，越来越受人们的欢迎。智能家居作为与人们日常生活息息相关的科技智能产物，可以给我们的生活带来舒适便利。随着物联网、云计算、无线通信等新技术的发展，智能家居得到了快速发展，能让用户利用智能手机来控制家中的设备，实现远程控制、场景控制、联动控制和定时控制等功能。在安全防护上，智能家居安防系统则够在原来的基础上提供立体化防护，帮助用户时刻守护住宅安全，更符合人们的安全需求。节能减排方面的也有积极作用。比如说，智能家居照明系统，它充分利用了自然光的照明作用，自动调节灯具的亮度，在保证室内明亮度的同时，将能耗降到最低，而对于洗手间、储藏室等地方，更是做到了人来灯亮、人走灯灭，一方面方便了用户的日常生活，另一方面也能防止用户忘记及时关灯而造成浪费。
2. 设计要求总结
设计题目：基于物联网的语音和环境检测的智能家居控制系统设计
第一种：控制方式需经结合语音命令控制, 控制开关门、灯、电视、开关空调、开关电扇、开关窗帘等。
第二种：控制方式是基于环境检测自动执行控制,根据环境检测结果控制相应的执行机构协作，比如: 当光照低于一定程度（比如低于5OLux)且有人在家里自动开灯，没人在家时自动关灯;如温度高于阈值并且有人在家时打开空调，没人在家时自动关闭等;如光照强度低于一定程度会自动关闭窗帘。电脑和手机APP两端云平台可以展示温湿度，光照等信息，还有各家居的状态，可以在云平台控制家居的开关，可以在云平台进行两种控制方式的切换。
技术选项总结：
（1）物联网平台采用华为云IOT：华为云IOT是华为旗下的物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，为智能硬件、智能家居产品提供完善的物联网解决方案。
（2）主控芯片采用：STM32F103C8T6
（3）语音控制芯片采用：LD3320 支持普通话识别。
（4）开关空调、开关风扇 采用继电器模拟：两个1路5V继电器控制
（5）开关窗帘采用步进电机模拟: 28BYJ4步进电机模拟
（6）室内照明灯（卧室、客厅）：2盏 3W大功率LED灯模拟
（7）环境光检测检测：BH1750数字传感器
（8）联网的WIFI ：选择ESP8266
（9）OLED屏幕：模拟电视显示
（11）温湿度检测：DHT11模块
其中：
（1）STM32主控芯片、语音控制芯片LD3320、室内照明大功率LED灯、环境光检测BH1750、ESP8266-WIFI 通过排母插在PCB板子上。
（2）步进电机UL2003驱动板、继电器 使用排针外接。
上位机运行效果：
3. 硬件选型
3.1 STM32F103C8T6
STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C。
3.2 语音识别模块: LD3320
3.3 ESP8266 -串口WIFI
3.4 LED灯-RGB灯
3.5 3W大功率LED灯
3.6 OLED模块
3.7 步进电机模块
3.8 继电器模块
3.9 杜邦线(母对母)
3.10 红外寻迹/循迹模块
3.11 温湿度-DHT11
3.12 BH1750光敏传感器
4. 华为云创建产品与设备
4.1 创建产品、配置产品模型
华为云官网: https://www.huaweicloud.com/
在产品选项框里找到华为云的IOT产品。选择设备接入 IoTDA
设备接入 IoTDA:
https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html
点击产品页面，先创建产品。产品一个项目的模型，产品下面可以创建多个具体的设备。
根据自己的实际产品信息填充。
创建成功。
查看产品的详情。
在详情页，创建产品的模型。这个产品的模型就是传感器数据的属性，根据自己上传的传感器数据实际创建。
创建自定义模型。
服务ID SmartHome 服务类型 SmartHome 服务描述 智能家居
添加属性。
接来来根据自己设备的实际情况添加属性即可。
所有的属性创建完毕，属性的名字可以使用中文。但是要注意，设备上传时，中文数据的编码要正确，否则会乱码。
4.2 创建设备
接在在左边选项页面选择设备，创建一个设备。
设备可以调用API在程序里自动创建也可以的。
地址: https://console.huaweicloud.com/iotdm/?region=cn-north-4#/dm-portal/device/all-device
单设备注册。
注册之后，保存设备信息，接下来生成MQTT参数需要。
{
"device_id": "62aead8b538e623c4287ef43_Smart_home_dev_1",
"secret": "12345678"
}
5. MQTT协议登录
5.1 MQTT服务器地址信息
华为云物联网平台的域名是: a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
华为云物联网平台的IP地址是: 121.36.42.100
端口号是 1883
5.1 MQTT订阅主题，发布主题
帮助文档：https://support.huaweicloud.com/iothub/index.html
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/messages/down
//订阅主题: 平台下发消息给设备
$oc/devices/62aead8b538e623c4287ef43_Smart_home_dev_1/sys/messages/down
格式: $oc/devices/{device_id}/sys/properties/report
//设备上报数据
$oc/devices/62aead8b538e623c4287ef43_Smart_home_dev_1/sys/properties/report
上属性的数据格式:
//上报的属性消息 (一次可以上报多个属性,在json里增加就行了)
{"services": [{"service_id": "SmartHome","properties":{"空调":1}}]}
5.2 MQTT参数生成
设备创建完成接来下生成MQTT登录账号、密匙，方便设备登录云端平台。
官网工具地址: https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
ClientId 62aead8b538e623c4287ef43_Smart_home_dev_1_0_0_2022061905
Username 62aead8b538e623c4287ef43_Smart_home_dev_1
Password 1052c27bd7ccce57b316005a677f50291cf4a50fc90e0bb1c33dee6beda1ae53
5.3 MQTT客户端模拟登录测试
MQTT客户端下载地址:
https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/18784012
在MQTT工具里填上MQTT的登录参数，主题发布、订阅信息进行登录测试。
然后打开设备页面，可以看到设备已经在线了。
并且在设备页面详情里可以看到刚才上传的数据。
主题发布时，一次可以上传多个状态。
例如:
{"services": [{"service_id": "SmartHome","properties":{"空调":1,"风扇":1,"电视":0,"卧室灯":1}}]}
6. LD3320语音识别模块编程
下载程序示例。 将开发板的串口通过USB转TTL模块连接电脑即可。
波特率是9600，语音识别时，想要说小杰，唤醒语音识别，然后再说出指令，唤醒语音识别就，模块上有一个红色的LED灯会亮。
当前支持的指令如下：
小杰，开卧室灯
小杰，关卧室灯
小杰，开客厅灯
小杰，关客厅灯
小杰，打开电视
小杰，关闭电视
小杰，打开风扇
小杰，关闭风扇
小杰，打开窗帘
小杰，关闭窗帘
小杰，打开空调
小杰，关闭空调
7. STM32设备端开发
7.1 程序下载
7.2 原理图
7.3 硬件接线
本设计的硬件接线说明:
（1）OLED显示屏接线:
D0----(SCK)------------------->>PB14
D1----(MOSI)------------------>>PB13
RES—(复位脚低电平有效)-------->>PB12
DC--(数据和命令控制管脚)------>>PB1
CS--(片选引脚)---------------->>PA7
GND--------------------------->>GND
VCC--------------------------->>3.3V或者5V
（2）ATK-ESP8266 WIFI接线
PA2(TX)--RXD 模块接收脚
PA3(RX)--TXD 模块发送脚
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）
（3）LD3320语音识别模块接线说明
GND----GND
VCC---3.3V
PB11----LD3320语音模块_TX
PB10----LD3320语音模块_RX
（4）开关空调：1路5V继电器控制
PA6------LED
（5）开关风扇：1路5V继电器控制
PA4------LED
（6）开关窗帘采用步进电机模拟: 28BYJ4步进电机模拟
ULN2003接线:
IN-D: PB5 d
IN-C: PB4 c
IN-B: PB3 b
IN-A: PB2 a
+ : 5V
- : GND
（7）卧室照明灯：一盏3W大功率LED灯模拟
PB8------LED
（8）客厅照明灯：一盏3W大功率LED灯模拟
PB9------LED
（9）环境光检测检测：BH1750数字传感器
SDA-----PB7
SCL-----PB6
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）
（10）温湿度传感器: DHT11
VCC--VCC
GND---GND
DAT---PA5
（11）红外寻迹/循迹模块
VCC--3.3V
GND---GND
DAT---PA8
（--）板载LED灯:低电平亮
LED1--PC13
BEEP2--PC14
（--）板载按键:
KEY1--PA0 按下为高电平
7.4 核心代码
连接华为云服务器采用ESP8266WIFI，加上MQTT协议实现数据通信。标准的ESP8266本身不带MQTT协议栈，也就是说ESP8266默认是没有MQTT协议相关的指令，不能直接通过指令连接MQTT服务器通信，但是也可以自己烧写第三方的SDK，用于支持MQTT指令。 我这里的代码是自己实现的MQTT协议，包括我的其他物联网相关的文章里，只要用到ESP8266的都是自己写的MQTT协议，也就是在代码里实现了MQTT协议栈，使用ESP8266普通的TCP相关的指令就可以完成数据传输，不依赖于ESP8266的SDK版本，任何ESP8266都可以直接使用，为的就是方便移植，通用–通用-通用。
ESP82+STM32实现的MQTT协议栈工程在这里，如果需要带完整MQTT协议工程的可以去这里下载。
这份工程里实现了ESP8266与华为云IOT平台实现数据交互，数据通信，也就是登录、主题发布、订阅，心跳包等操作。
https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/58012912
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "timer.h"
#include "oled.h"
#include "fontdata.h"
#include "esp8266.h"
#include "app.h"
#include "mqtt.h"
#include "iic.h"
#include "bh1750.h"
#include "dht11.h"
#include "motor.h"
/*
本设计的硬件接线说明:
（1）OLED显示屏接线:
D0----(SCK)------------------->>PB14
D1----(MOSI)------------------>>PB13
RES—(复位脚低电平有效)-------->>PB12
DC--(数据和命令控制管脚)------>>PB1
CS--(片选引脚)---------------->>PA7
GND--------------------------->>GND
VCC--------------------------->>3.3V或者5V
（2）ATK-ESP8266 WIFI接线
PA2(TX)--RXD 模块接收脚
PA3(RX)--TXD 模块发送脚
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）
（3）LD3320语音识别模块接线说明
GND----GND
VCC---3.3V
PB11----LD3320语音模块_TX
PB10----LD3320语音模块_RX
（4）开关空调：1路5V继电器控制
PA6------LED
（5）开关风扇：1路5V继电器控制
PA4------LED
（6）开关窗帘采用步进电机模拟: 28BYJ4步进电机模拟
ULN2003接线:
IN-D: PB5 d
IN-C: PB4 c
IN-B: PB3 b
IN-A: PB2 a
+ : 5V
- : GND
（7）卧室照明灯：一盏3W大功率LED灯模拟
PB8------LED
（8）客厅照明灯：一盏3W大功率LED灯模拟
PB9------LED
（9）环境光检测检测：BH1750数字传感器
SDA-----PB7
SCL-----PB6
GND---GND 地
VCC---VCC 电源（3.3V~5.0V）
（10）温湿度传感器: DHT11
VCC--VCC
GND---GND
DAT---PA5
（11）红外寻迹/循迹模块
VCC--3.3V
GND---GND
DAT---PA8
（--）板载LED灯:低电平亮
LED1--PC13
BEEP2--PC14
（--）板载按键:
KEY1--PA0 按下为高电平
*/
//物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "dev1"
#define MQTT_UserName "507546"
#define MQTT_PassWord "version=2018-10-31&res=products%2F507546%2Fdevices%2Fdev1&et=1680445911&method=md5&sign=qgaS0NCoxqSnIFZGL%2Fz81Q%3D%3D"
//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC "$sys/507546/dev1/#" //订阅
#define POST_TOPIC "$sys/507546/dev1/dp/post/json" //发布
//设置连接的路由器信息
#define CONNECT_WIFI "DS小龙哥" //将要连接的路由器名称 --不要出现中文、空格等特殊字符
#define CONNECT_PASS "12345678" //将要连接的路由器密码
#define CONNECT_SERVER_IP "183.230.40.96" //服务器IP地址
#define CONNECT_SERVER_PORT 1883 //服务器端口号
char mqtt_message[100];
//WIFI发送数据存储区域
char data_buff[500];
u8 esp8266_state=0;
double Longitude=120.196517; //经度
double latitude=30.194493; //纬度
float bh1750=0;
u8 dht11_temp;
u8 dht11_humidity;
u8 sw1=0;
u8 sw2=0;
u8 sw3=0;
u8 sw4=0;
u8 sw5=0;
u8 sw7=0;
/*
主函数: 程序执行的入口
*/
int main(void)
{
u8 dian_shi=0; //1表示电视开 0表示电视关
u8 mode=0; //0 表示手动模式 1表示自动模式
u32 i=0;
u8 key_val;
u32 TimeCnt=0;
u32 wifi_TimeCnt=0;
JTAG_Set();
USART1_Init(115200); //串口1的初始化
USART2_Init(115200); //串口-WIFI
TIMER2_Init(72,20000); //超时时间20ms
USART3_Init(9600); //串口-语音模块
TIMER3_Init(36,20000); //超时时间20ms
//板载按键初始化
KEY_Init();
//板载LED灯初始化
LED_Init();
//外接LED初始化
LED2_Init();
//BH1750的IIC接口
IIC_Init();
//初始化DHT11
DHT11_Init();
//步进电机初始化
Moto_Init();
//初始化
APP_Init();
printf("正在初始化OLED...\r\n");
OLED_Init(0xc8,0xa1); //OLED显示屏初始化--正常显示
OLED_Clear(0x00);//清屏
printf("正在初始化ESP8266..\r\n");
for(i=0;i<5;i++)
{
if(ESP8266_Init()==0)
{
esp8266_state=1;
break;
}
else
{
esp8266_state=0;
printf("ESP8266硬件检测错误.\n");
}
}
if(esp8266_state)
{
printf("准备连接服务器....\r\n");
//非加密端口
printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(CONNECT_WIFI,CONNECT_PASS,CONNECT_SERVER_IP,CONNECT_SERVER_PORT,1));
//2. MQTT协议初始化
MQTT_Init();
//3. 连接服务器
for(i=0;i<5;i++)
{
if(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord)==0)
{
esp8266_state=1;
break;
}
esp8266_state=0;
printf("服务器连接失败,正在重试...\n");
delay_ms(500);
}
printf("服务器连接成功.\n");
//3. 订阅主题
if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
{
printf("主题订阅失败.\n");
}
else
{
printf("主题订阅成功.\n");
}
}
........
........
........
........
8. QT上位机软件开发
8.1 应用层下发的指令
为了更方便的展示设备数据，与设备完成交互，还需要开发一个配套的上位机，官方提供了应用侧开发的API接口、SDK接口，为了方便通用一点，我这里采用了API接口完成数据交互，上位机软件采用QT开发。
帮助文档地址: https://support.huaweicloud.com/usermanual-iothub/iot_01_0045.html
8.2 查询设备属性接口
设备属性就是设备上传的传感器状态数据信息，应用侧提供了API接口，可以主动向设备端下发请求指令；设备端收到指令之后需要按照约定的数据格式上报数据；所以，要实现应用层与设备端的数据交互，需要应用层与设备端配合才能完成。
应用层下发的指令：
帮助文档地址: https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html
接口的在线调试地址: https://apiexplorer.developer.huaweicloud.com/apiexplorer/debug?product=IoTDA&api=ListProperties
如果请求参数和返回值不清楚，写代码前，先使用在线调试接口体验一下，验证数据交互是否OK。
请求参数里比较总要的两个必填参数，是设备ID和服务ID，这两个参数在第3章节就介绍过如何获取了，在产品页面创建自定义属性时可以看到服务ID。
8.2 开发环境介绍
上位机软件采用Qt框架设计，Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。Qt是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。简单来说，QT可以很轻松的帮你做带界面的软件，甚至不需要你投入很大精力。
QT官网: https://www.qt.io/
8.3 主要的代码
下面代码里介绍了更新token、获取token、查询设备属性，上传设备属性等主要请求代码。
/*
功能: 获取token
*/
void Widget::GetToken()
{
//表示获取token
function_select=3;
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
//设置请求地址
QUrl url;
//获取token请求地址
requestUrl = QString("https://iam.%1.myhuaweicloud.com/v3/auth/tokens")
.arg(SERVER_ID);
//自己创建的TCP服务器,测试用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
//设置数据提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json;charset=UTF-8"));
//构造请求
url.setUrl(requestUrl);
request.setUrl(url);
QString text =QString("{\"auth\":{\"identity\":{\"methods\":[\"password\"],\"password\":"
"{\"user\":{\"domain\": {"
"\"name\":\"%1\"},\"name\": \"%2\",\"password\": \"%3\"}}},"
"\"scope\":{\"project\":{\"name\":\"%4\"}}}}")
.arg(MAIN_USER)
.arg(IAM_USER)
.arg(IAM_PASSWORD)
.arg(SERVER_ID);
//发送请求
manager->post(request, text.toUtf8());
}
//更新token
void Widget::on_pushButton_update_token_clicked()
{
GetToken();
}
//查询设备属性
void Widget::Get_device_properties()
{
//表示获取token
function_select=0;
QString requestUrl;
QNetworkRequest request;
//设置请求地址
QUrl url;
//获取token请求地址
requestUrl = QString("https://iotda.%1.myhuaweicloud.com/v5/iot/%2/devices/%3/properties?service_id=%4")
.arg(SERVER_ID)
.arg(PROJECT_ID)
.arg(device_id)
.arg(service_id);
//自己创建的TCP服务器,测试用
//requestUrl="http://10.0.0.6:8080";
//设置数据提交格式
request.setHeader(QNetworkRequest::ContentTypeHeader, QVariant("application/json"));
//设置token
request.setRawHeader("X-Auth-Token",Token);
//构造请求
url.setUrl(requestUrl);
request.setUrl(url);
//发送请求
manager->get(request);
}
//更新设备属性
void Widget::on_pushButton_update_device_clicked()
{
Get_device_properties();
}
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