智能家居系统现在发展很快。人们希望生活更便利。各种家用设备需要连接起来。这些设备可以自动工作。它们能相互通信。用户可以通过手机控制设备。这样的系统需要硬件支持。硬件设计很关键。它决定了系统性能。本设计完成一个智能家居控制系统的硬件部分。

系统需要控制灯光。灯光控制很常见。晚上回家自动开灯。出门自动关灯。这样可以省电。系统需要控制窗帘。早上窗帘自动打开。晚上自动关闭。系统还要监控环境。比如温度太高自动开空调。湿度太低自动加湿。空气不好自动开净化器。这些功能都需要硬件。

硬件系统采用模块化设计。模块化设计好处多。每个功能一个模块。模块之间独立工作。一个模块坏了不影响其他模块。这样系统更稳定。维修也方便。模块之间通过总线连接。总线就像一条路。数据在总线上跑。所有模块共享这条路。

主控制器是系统的大脑。我们选择STM32单片机。这个单片机性能足够。它价格便宜。资料很多。开发容易。单片机有多个IO口。IO口可以连接其他设备。单片机有串口。串口可以连接无线模块。单片机还有AD转换功能。AD转换可以读取传感器数据。

传感器模块很重要。传感器是系统的眼睛。温度传感器测量室温。我们使用DS18B20。这个传感器精度高。它直接输出数字信号。连接很简单。湿度传感器测量空气湿度。我们使用DHT11。这个传感器同时测温度和湿度。它也是数字输出。光照传感器测量光线强度。我们使用光敏电阻。光敏电阻价格低。它的电阻随光线变化。需要配合电路使用。

执行模块负责动作。灯光控制使用继电器。继电器是一个开关。单片机给小信号。继电器控制大电流。这样安全。继电器连接灯泡。单片机输出高电平继电器吸合。灯就亮了。输出低电平继电器断开。灯就灭了。窗帘控制使用步进电机。步进电机可以精确控制位置。单片机发出脉冲信号。电机转动固定角度。这样窗帘可以停在任意位置。

无线通信模块实现远程控制。我们选择ESP8266模块。这个模块支持WiFi。它可以连接家庭路由器。手机通过互联网发送命令。命令传到路由器。路由器传给ESP8266。ESP8266再传给单片机。单片机控制执行模块。这样用户不在家也能控制设备。

电源模块给系统供电。整个系统需要5伏电压。部分模块需要3.3伏。我们使用220伏转5伏的电源适配器。这个适配器很常见。手机充电器就是这种。然后使用稳压芯片AMS1117。它把5伏转成3.3伏。这样所有模块都有合适电压。

电路设计使用AltiumDesigner软件。这个软件画电路图很方便。首先画原理图。原理图表示元件怎么连接。电阻、电容、单片机都画上去。线连起来表示电气连接。然后画PCB图。PCB图是实际电路板的样子。元件要摆放在正确位置。线不能交叉。线有宽度要求。电源线要粗一些。信号线可以细一些。最后交给工厂制作电路板。

焊接元件需要小心。先焊接单片机底座。底座是塑料的。直接焊单片机不好维修。焊接温度不能太高。太高会损坏元件。焊锡不要太多。太多可能短路。短路就是不该连的地方连上了。焊接完要检查。看看有没有虚焊。虚焊就是看起来焊上了实际没连通。用万用表测量通断。

程序编写使用Keil软件。程序用C语言写。C语言适合单片机。程序首先初始化。设置IO口方向。配置串口参数。开启定时器。然后进入主循环。主循环一直运行。它读取传感器数据。检查无线模块有没有新命令。根据命令和执行条件控制设备。

系统测试分步骤进行。先测试每个模块单独工作。给温度传感器加热。看读数会不会变。用手电筒照光敏电阻。看光照值变化。给继电器信号。听有没有咔嗒声。测试步进电机。看它转不转。然后测试模块之间通信。手机发送开灯命令。看灯会不会亮。设置温度阈值。超过阈值自动开风扇。最后长时间测试。看系统稳定不稳定。

测试中发现一些问题。有时无线连接会断开。检查发现是天线接触不良。重新焊接后问题解决。步进电机有时失步。原因是驱动电流不够。更换驱动芯片后正常。电源模块发热较大。增加散热片后改善。

本设计实现了基本功能。灯光可以远程控制。窗帘可以自动开关。环境可以自动调节。系统成本不高。普通家庭能够承受。安装比较简单。用户使用方便。系统还有改进空间。可以增加更多传感器。比如烟雾传感器。发生火灾可以报警。可以增加门磁传感器。有人非法进入可以通知主人。这些是以后的工作。

硬件设计需要考虑实际情况。元件要选常见的。这样采购方便。价格也便宜。电路要留出测试点。维修时方便测量。接口要标准化。不同厂家设备可以互换。结构要牢固。放在家里不能轻易损坏。

智能家居是未来趋势。好的硬件设计是基础。本设计提供了一个可行方案。这个方案经过实际验证。它工作稳定。成本可控。适合普通家庭使用。随着技术发展，智能家居会越来越普及。