基于機智云的智能私家車庫控制系統設計與實現

智能私家車庫控制系統的設計與實現

摘要：隨著人民生活質量的提升，我國家庭正逐步進入“一戶一車”的時代。傳統的開放式停車場已難以滿足人們對車庫安全性和智能化的需求。本文以STM32單片機為核心，結合DHT11傳感器用于環境溫濕度檢測，MQ2煙霧傳感器用于火災檢測，HC-SR04超聲波傳感器用于水位監測，esp8266作為WiFi通信模塊，通過機智云物聯網平臺開發的手機APP，實現對車庫內溫濕度、水位和火災等情況的實時監測。手機APP還支持遠程控制車庫門的升降及車庫燈的開關。

1 智能車庫硬件電路總體設計

本系統采用STM32單片機作為主控制器，采用步進電機控制車庫門的升降、LED模擬庫燈，分別設計溫濕度檢測、火災檢測、水位監測等電路。主控制器接收采集到的數據，然后利用WiFi模塊與無線網絡進行連接，使用手機App實現與服務器之間的通信。智能車庫控制系統的硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件原理框圖

1.1 溫濕度檢測電路

溫濕度檢測使用DHT11溫濕度傳感器。該傳感器是一款直接輸出數字信號的傳感器，利用數字采集和溫濕度傳感技術，完成溫度和濕度的復合檢測。其輸出信號使用單總線數字信號，可直接與單片機的IO口進行串行的數據讀取。因DHT11傳感器具有低功耗、體積小、響應速度快以及抗干擾能力強等特性，被廣泛應用于較苛刻的環境中。系統電路使用單片機的一個PA8口與DHT11傳感器的DATA端相連。

1.2 火災檢測電路

火災檢測采用MQ2氣體傳感器。火災檢測電路由MQ2煙霧傳感器和電壓比較器構成。當檢測氣體來臨時，MQ2傳感器的內部電阻發生變化，并輸出與煙霧濃度成比例的模擬電壓，經低通濾波器后，再通過電壓比較器輸出數字量0或1，表示火災的有或無。

1.3 水位檢測電路

采用HC-SR04超聲波傳感器測量水位。它使用IO觸發的方式，自動發射40 kHz方波信號，沒有遇到障礙物，即沒有信號返回時，IO輸出低電平（0）；遇到障礙物，即有信號返回時，IO輸出高電平（1）。其持續時間就是超聲波從發射到接收的時間。已知聲速為340 m/s，水位超聲波到地平面的距離為L，水平面到超聲波探頭的距離為X，超聲波從發射到接收信號的時間差為T，則水位高度H為：

1.4 WiFi通信電路

WiFi通信電路采用ESP8266模塊。該模塊可實現與單片機進行串口通信，也可以通過它接入互聯網，從而添加物聯網設備。ESP8266模塊只需將其Tx和Rx引腳連接至單片機的普通IO口，并將該IO口配置為串口的Tx和Rx,ESP8266模塊的Tx與串口Rx相連，Rx與串口Tx相連即可。

1.5 其他外設電路

1.5.1 門控系統

使用28BYJ-48型步進電機的順/逆時針轉動模擬庫門的開/關，28BYJ-48型步進電機使用ULN2003芯片驅動。驅動的工作原理是將電脈沖轉換為角位移。單片機IO口輸出脈沖信號，ULN2003接收到脈沖后，將驅動28BYJ-48型步進電機轉動一定角度。

1.5.2 照明系統

采用工作電壓為直流12 V，功率5 W的LED作為車庫照明燈，使用STM32的IO口接三極管放大后接繼電器，由繼電器控制車庫燈的亮滅。

1.5.3 報警系統

采用有源蜂鳴器作為報警系統，使用IO口和三極管驅動，通過置位IO口為高或低（1或0），控制三極管（NPN）的導通與截止，從而控制蜂鳴器報警或不報警。

2 物聯網系統的構建

2.1 物聯網方案設計

隨著物聯網技術的迅猛發展，其應用范圍不斷擴大，在提高工作效率、節省人工成本等方面起到了很大的作用。本系統主要采用的是機智云物聯網平臺。該平臺提供了智能家電、智能家居等產品的物聯網解決方案。在本方案中，STM32單片機通過ESP8266 WiFi模塊，與GAgent進行數據互傳，通過2.4 G網絡（路由器或手機熱點）接入互聯網后，利用機智云平臺與手機App實現數據通信，物聯網方案如圖2所示。

圖2 物聯網方案示意圖

其中，GAgent是可移植到ESP8266 WiFi模組中的，主要實現數據轉發的功能，實現設備、機智云和手機App之間的交互。其接入機智云平臺的流程分為三大步驟：（1）設備上電；（2）配置入網；（3）綁定設備。

2.2 機智云平臺

機智云平臺應運物聯網而生，是一個致力于物聯網產品開發的云服務平臺，包括智能硬件和軟件。其產品接入流程圖如圖3所示。機智云物聯網平臺面向個人和企業開發者，是智能家居產品開發的理想云服務平臺。

圖3 機智云物聯網平臺快速接入流程

2.3 手機App的設計

手機App的設計主要使用機智云平臺提供的Demo（樣板App),Demo可到機智云平臺的官網下載。根據上述產品接入流程，經注冊、創建數據點及虛擬調試等步驟，即可完成硬件設備與App的綁定。手機App界面如圖4所示。

圖4 手機app界面

3 下位機系統程序設計

3.1 主控芯片程序設計

在STM32單片機的主程序中，包含了各模塊函數的頭文件、數據定義類型、協議及函數初始化等。主函數設計為一個死循環，循環的內容是對車庫環境（溫濕度、災情等）的循環檢測，以及對發出控制命令（開啟報警，開/關門等）的循環檢測。程序流程圖如圖5所示。

圖5 主函數程序流程圖

3.2 溫濕度檢測模塊程序設計

溫濕度檢測模塊程序設計，采用STM32單片機IO口串行數據讀取，數據格式為8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗位。首先對DHT11進行初始化，判斷其是否存在，若數據正確即讀取數據。程序流程圖如圖6所示。

3.3 火災檢測模塊程序設計

火災檢測模塊程序設計，使用STM32單片機內部的12位ADC采集。該模塊的采集信號由IO輸入到MCU,ADC把模擬量轉化成數字量，再將數據轉換成煙霧濃度。程序流程圖如圖7所示。

圖6 溫濕度檢測程序流程圖

圖7 火宅檢測程序流程圖

3.4 水位檢測模塊程序設計

水位檢測模塊程序設計，利用STM32定時器定時，測量超聲波發射到接收所用的時間，從而根據聲速計算出所測水位是否超過預警值，若超出預警值則向手機發送水災報警信號。

4 測試結果

通過測試，本系統實現了車庫內部溫濕度、煙霧、水位等測試，測試數據可通過WiFi上傳至機智云平臺，手機App可以查閱機智云平臺存儲的車庫信息，也可以發送指令遠程控制模擬車庫門的升降。控制系統實物圖如圖8所示。

圖8 控制系統實物圖

5 結語

本文設計了一種基于物聯網的智能私家車庫控制系統。該系統以STM32單片機為核心，結合硬件檢測電路、WiFi通信和手機App，實現了通過手機App遠程控制車庫門的升降，并對外部環境參數（如溫濕度、煙霧、水位）進行智能檢測和報警。