一、系统概述

本设计以STM32F103C8T6为主控，集成多传感器采集、设备控制、无线通信、人机交互与安全报警功能，实现环境监测、智能控制、远程管理一体化的智能家居系统。系统支持温湿度、光照、空气质量等参数监测，灯光、窗帘、空调等设备控制，通过Wi-Fi/蓝牙与手机APP交互，具备低功耗、高可靠性、易扩展特点，适用于家庭、办公室等场景。

二、系统架构与硬件设计

1. 系统架构

2. 核心硬件选型

模块	型号/参数	功能
主控	STM32F103C8T6（72MHz，64KB Flash，20KB RAM）	传感器采集、设备控制、通信协议处理
温湿度	DHT11（单总线，±2℃/±5%RH）	监测环境温湿度
光照	BH1750（I2C，0-65535 lx）	监测光照强度，自动调节灯光
空气质量	MQ-2（模拟输出，可燃气体检测）	检测天然气、液化气泄漏
烟雾	MQ-135（模拟输出，烟雾检测）	检测烟雾浓度，火灾预警
执行器	继电器（灯光控制）、SG90舵机（窗帘）、红外发射管（空调）	控制灯光、窗帘、空调开关/模式
通信	ESP8266-01S（Wi-Fi，UART）	连接云平台，与手机APP通信（MQTT协议）
显示	0.96寸OLED（SSD1306，I2C，128×64）	显示环境参数、设备状态、时间
报警	有源蜂鸣器+红色LED	异常时声光报警（烟雾/燃气/入侵）
电源	5V/2A适配器+AMS1117-3.3V	系统供电（主控/传感器3.3V，执行器5V）

3. 关键电路设计

（1）传感器接口

• DHT11（温湿度）：数据脚接STM32的PA0（单总线，需4.7kΩ上拉电阻）；

• BH1750（光照）：SCL=PB6，SDA=PB7（I2C1）；

• MQ-2/MQ-135（气体）：模拟输出接STM32的PA1/PA2（ADC1通道1/2）。

（2）执行器接口

• 继电器（灯光）：控制脚接PB0（GPIO输出，高电平吸合）；

• SG90舵机（窗帘）：信号脚接PB1（PWM输出，20ms周期，0.5-2.5ms脉宽）；

• 红外发射管（空调）：通过PA3（PWM输出38kHz载波）驱动，模拟空调遥控器。

（3）通信接口

• ESP8266（Wi-Fi）：TX=PA9（USART1_RX），RX=PA10（USART1_TX），波特率115200bps，VCC=3.3V（需加100μF电容滤波）。

三、软件设计（C语言实现）

1. 开发环境

• IDE：STM32CubeIDE（V1.13.0）

• 库：STM32 HAL库（V1.11.0）、FreeRTOS（多任务调度）、MQTT客户端（paho.mqtt.embedded-c）

• 协议：MQTT（与云平台通信）、AT指令（ESP8266配置）、单总线（DHT11）

2. 主程序流程（FreeRTOS多任务）

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include "dht11.h"
#include "bh1750.h"
#include "mq2.h"
#include "esp8266.h"
#include "oled.h"
#include "servo.h"
#include "relay.h"

// 系统状态
typedef struct {
  float temp;          // 温度(℃)
  float humi;          // 湿度(%RH)
  uint16_t light;      // 光照(lx)
  uint16_t mq2_val;    // 燃气浓度(ppm)
  uint16_t mq135_val;  // 烟雾浓度(ppm)
  uint8_t light_status;// 灯光状态(0:关,1:开)
  uint8_t curtain_status;// 窗帘状态(0:关,1:开)
} SystemState;

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();  // 72MHz主频
  MX_GPIO_Init();        // GPIO初始化
  MX_I2C1_Init();        // I2C1（BH1750、OLED）
  MX_USART1_Init();      // USART1（ESP8266）
  MX_ADC1_Init();        // ADC1（MQ-2、MQ-135）
  MX_TIM2_Init();        // TIM2（舵机PWM）
  
  // 创建FreeRTOS任务
  xTaskCreate(Task_Sensor, "Sensor", 128, NULL, 3, NULL);    // 传感器采集（优先级3）
  xTaskCreate(Task_Control, "Control", 128, NULL, 2, NULL);  // 设备控制（优先级2）
  xTaskCreate(Task_Comm, "Comm", 256, NULL, 4, NULL);        // 通信（优先级4）
  xTaskCreate(Task_Display, "Display", 128, NULL, 1, NULL);  // 显示（优先级1）
  
  vTaskStartScheduler();  // 启动调度器
  while (1);
}

3. 关键模块实现

（1）传感器数据采集（Task_Sensor）

void Task_Sensor(void *pvParameters) {
  SystemState sys_state = {0};
  DHT11_Data dht_data;
  uint16_t bh1750_data[2];
  
  while (1) {
    // 1. 温湿度（DHT11，1秒1次）
    if (DHT11_Read(&dht_data) == HAL_OK) {
      sys_state.temp = dht_data.temp;
      sys_state.humi = dht_data.humi;
    }
    
    // 2. 光照（BH1750，1秒1次）
    BH1750_ReadLight(&bh1750_data[0]);  // 连续高分辨率模式
    sys_state.light = bh1750_data[0];
    
    // 3. 燃气/烟雾（MQ-2/MQ-135，ADC采样，1秒1次）
    sys_state.mq2_val = MQ2_Read();
    sys_state.mq135_val = MQ135_Read();
    
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 1秒周期
  }
}

（2）设备控制（Task_Control）

void Task_Control(void *pvParameters) {
  SystemState *sys_state = get_sys_state();  // 获取系统状态（全局变量）
  
  while (1) {
    // 1. 灯光控制（光照<50lx自动开灯）
    if (sys_state->light < 50 && !sys_state->light_status) {
      Relay_On();  // 开灯
      sys_state->light_status = 1;
    } else if (sys_state->light > 200 && sys_state->light_status) {
      Relay_Off();  // 关灯
      sys_state->light_status = 0;
    }
    
    // 2. 窗帘控制（时间控制：早8点开，晚8点关）
    if (get_current_hour() == 8 && !sys_state->curtain_status) {
      Servo_SetAngle(90);  // 开帘（90°）
      sys_state->curtain_status = 1;
    } else if (get_current_hour() == 20 && sys_state->curtain_status) {
      Servo_SetAngle(0);   // 关帘（0°）
      sys_state->curtain_status = 0;
    }
    
    // 3. 报警（燃气>1000ppm或烟雾>500ppm）
    if (sys_state->mq2_val > 1000 || sys_state->mq135_val > 500) {
      Buzzer_On();
      LED_On();
    } else {
      Buzzer_Off();
      LED_Off();
    }
    
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 500ms周期
  }
}

（3）Wi-Fi通信（Task_Comm，MQTT协议）

void Task_Comm(void *pvParameters) {
  SystemState *sys_state = get_sys_state();
  char mqtt_msg[128];
  
  // 1. 初始化ESP8266（连接Wi-Fi）
  ESP8266_Init("AT+CWJAP=\"SSID\",\"PASSWORD\"\r\n", 5000);  // 替换为Wi-Fi账号密码
  ESP8266_ConnectMQTT("mqtt.aliyun.com", 1883, "client_id", "username", "password");  // 阿里云MQTT参数
  
  while (1) {
    // 2. 发布环境数据（主题：/home/sensor）
    sprintf(mqtt_msg, "{\"temp\":%.1f,\"humi\":%.1f,\"light\":%d,\"mq2\":%d,\"mq135\":%d}",
            sys_state->temp, sys_state->humi, sys_state->light, sys_state->mq2_val, sys_state->mq135_val);
    ESP8266_Publish("/home/sensor", mqtt_msg);
    
    // 3. 订阅控制指令（主题：/home/control）
    char *cmd = ESP8266_Subscribe("/home/control");
    if (cmd != NULL) {
      if (strstr(cmd, "\"light\":1")) Relay_On();
      else if (strstr(cmd, "\"light\":0")) Relay_Off();
      free(cmd);
    }
    
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(2000));  // 2秒周期
  }
}

（4）OLED显示（Task_Display）

void Task_Display(void *pvParameters) {
  SystemState *sys_state = get_sys_state();
  char disp_buf[16];
  
  OLED_Init();  // 初始化OLED
  while (1) {
    OLED_Clear();
    // 第1行：温湿度
    sprintf(disp_buf, "T:%.1fC H:%.1f%%", sys_state->temp, sys_state->humi);
    OLED_ShowString(0, 0, disp_buf);
    // 第2行：光照
    sprintf(disp_buf, "Light:%d lx", sys_state->light);
    OLED_ShowString(0, 2, disp_buf);
    // 第3行：燃气/烟雾
    sprintf(disp_buf, "MQ2:%d MQ135:%d", sys_state->mq2_val, sys_state->mq135_val);
    OLED_ShowString(0, 4, disp_buf);
    // 第4行：设备状态
    sprintf(disp_buf, "Light:%d Curtain:%d", sys_state->light_status, sys_state->curtain_status);
    OLED_ShowString(0, 6, disp_buf);
    
    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));  // 1秒刷新
  }
}

参考代码 32单片机智能家居系统设计 www.youwenfan.com/contentcss/160990.html

四、手机APP设计（Android示例）

1. 功能

• 实时监测：显示温湿度、光照、燃气/烟雾浓度；

• 设备控制：手动开关灯光、窗帘、空调；

• 报警推送：异常时接收推送通知（如燃气泄漏）；

• 历史数据：查看近7天环境参数曲线。

2. 通信协议

• 数据格式：JSON（与STM32通过MQTT交互）；

• 主题：

• 发布（STM32→APP）：/home/sensor（环境数据）；

• 订阅（APP→STM32）：/home/control（控制指令）。

3. 核心代码片段（Android Java）

// MQTT连接与数据接收
MqttAndroidClient client = new MqttAndroidClient(context, "tcp://mqtt.aliyun.com:1883", "android_client");
client.setCallback(new MqttCallback() {
  @Override
  public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
    if (topic.equals("/home/sensor")) {
      JSONObject data = new JSONObject(new String(message.getPayload()));
      float temp = data.getFloat("temp");
      float humi = data.getFloat("humi");
      // 更新UI显示
      runOnUiThread(() -> tvTemp.setText("温度：" + temp + "℃"));
    }
  }
});

// 发送控制指令（开灯）
String cmd = "{\"light\":1}";
client.publish("/home/control", new MqttMessage(cmd.getBytes()));

五、系统测试与优化

1. 测试指标

参数	指标	测试方法
温湿度精度	±1℃/±3%RH（DHT11）	对比标准温湿度计
光照测量范围	0-65535 lx（BH1750）	用照度计测试不同光照环境
燃气检测灵敏度	300-10000 ppm（MQ-2）	通入标准燃气，记录浓度-电压曲线
通信距离	≥10米（Wi-Fi，空旷）	手机与设备距离测试
续航时间	≥24小时（5V/2000mAh电池）	连续工作电流测试（平均50mA）

2. 优化方向

• 低功耗：STM32空闲时进入Stop模式（电流<10μA），传感器/执行器分时唤醒；

• 抗干扰：传感器信号加软件滤波（如中值滤波），通信数据加CRC校验；

• 扩展性：预留Zigbee接口（如CC2530），支持更多设备接入；

• 安全性：MQTT通信启用TLS加密，设备认证采用动态令牌。

六、总结

本设计基于STM32F103C8T6实现了低成本、高集成度的智能家居系统，通过多传感器融合实现环境智能感知，FreeRTOS多任务确保实时控制，Wi-Fi+MQTT实现远程管理，具备易开发、易扩展、低功耗特点。系统可进一步集成语音控制（如LD3320）、视频监控（如OV2640） 等功能，满足更复杂的智能家居需求。