浅谈老旧家电智能化改造控制系统

程 鹏

（内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010010）

智能家居是在互联网的影响下物联化的体现。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起进行统一控制。近年来，随着人们对美好生活要求程度的提高，智能家居处于大爆发的状态。而常用的家用电器也越来越多的披上了智能的外衣，大到电视、空调、冰箱，小到路由器、开关、插座。由于小型电器更换成本不高，所以可以不用考虑更换成本，但对于家中已有的大件老旧家电，由于购买时成本相对较高、安装复杂，中国人又有着节俭的传统美德，一般不会将完好的家电扔掉更换新产品，因此，对于老旧家电的智能化改造就成了一个必要的手段。

1 系统架构

该研究设计的老旧家电智能化改造控制系统，以STM32 开发板为主控模块，系统主要包括Android 手机客户端、Wi-Fi 通信模块、STM32 开发板、多种传感器以及电源模块。具体控制系统框架图如图1 所示。其中STM32主控模块对传感器采集到的亮度、温度、温度等数据与设置参数进行比较分析，对食物类别及数量信息数据进行存储，控制各功能模块及数据，从而达到智能家居控制，自动调节温度、湿度、亮度，按要求运行家电以及数据提示的功能。Android 手机与控制系统通过Wi-Fi 通信模块进行数据设置与传输，实现各家电运行情况及家中参数的远程监控[1]。

图1 控制系统框架图

该设计使用的STM32 开发板主处理器为STM32F103。STM32 开发板具有接口位置合理、灵活方便等特点。其接口可以进行各种外设实验，并且主芯片能够满足大数据存储的需求。

由于控制系统的各功能模块需要与手机App 进行数据传输，因此需要Wi-Fi 通信模块。Wi-Fi 通信模块能够及时、高效地进行数据传输。该设计使用了ATK-RM04 Wi-Fi通信模块为硬件，采用串口与STM32 开发板进行通信，能够转换无线网、以太网、串口。不需要改变STM32 开发板的任何配置。利用ATK-RM04 Wi-Fi 通信模块就可以通过Wi-Fi 与Android 手机进行连接。

考虑到室内温度、湿度会影响生活舒适度，还需要设置环境监测模块，采集亮度、温度、湿度等数据，在STM32 模板上串接温湿度传感器DHT11 及光敏电阻和红外传感器HC-SR501，分别用于检测室温、湿度和区域亮度及有无人情况。

使用STM32 开发板外接2 个LED 灯，模拟空调高低档位的切换。

使用HC-SR501 人体红外传感器模块来控制开发板显示屏的开关。

其余各数据均由Android 手机App 完成预设。

可通过Android 手机App 实时监测测量数据、预设数据和家电运行状态。

2 改造方案设计与开发实验

2.1 改造方案设计

该次改造的主要思路为利用太阳能作为STM32 控制系统的供电电源，利用STM32 主控模块通过传感器进行数据采集，通过液晶屏显示检测值，对温度、湿度、亮度（有人）进行预设值自动控制，利用Android 手机远程监测、显示和控制家电的运行情况[2]。

2.1.1 电能部分

采用外接电池，电池是控制系统的电能来源，电池主要依靠太阳能板充电使用，在太阳能板充电量不足时用外接电路补充。

2.1.2 STM32主控制块部分

主要对传感器返回的数据进行分析，并将检测数据显示在液晶屏上。最后，采用上位机和物联网进行通信。

2.1.3 动作部分

由继电器完成对各家电开启与关闭的控制。需要注意的是，STM32 主控模块对整个系统的性能有着直接影响，是时间控制和串行通信的关键。目前市面上有多种单片机，包括STM32、AVR、51 等，其中STM32 单片机的性能高于其他类型的单片机，作为一种大容量的32 位ARM微控制器，其具有高性能、低功耗、低电压运行等优势，同时保持高集成度，便于开发32 位产品系列，符合该次改造的要求，因此优先选择STM32 单片机。硬件的具体设计如下。

2.1.3.1 常见家电模块

常见的家电模块包括中大型家电如冰箱、电热水器、空调等，还包括最常见的小型耗电设备如灯、路由器等，我们将通过对其加装控制器与接收器的方式，实现单个处理终端对多个耗电设备的节能改造。

2.1.3.2 STM32控制模块

该系统采用STM32 开发板对系统进行控制。STM32 单片机具有高性能、高速度的特点，特别是A/D 转换和串行口功能，主要控制所有传感器、计时器、以及各检测单元、液晶显示等硬件，并通过串行口通信和移动通信向上位机和手机发送检测数据。

2.2 实验改造单元及实现功能

2.2.1 对家用空调进行改造

在该次设计中，空调是改造的重点，因为老式空调没有自动设定温度以及变频等功能，所以用电量极大。首先我们对空调遥控器进行改造，加装接收器，实现手机操控。并通过温度传感器实时测量家中的温度，通过单片机进行分析，给遥控器发出指令，实现变频。

2.2.2 对家用热水器进行改造

因为家中老旧热水器没有电脑板植入，无法对温度区间进行控制，所以笔者改造热水器的位置是热水器的电源插座。笔者对热水器内水温下降10 ℃与上升10 ℃的时间进行了多次测量，通过接入继电器实现了对热水器的间歇供电，但考虑到日常用水的需要，我们使用单片机对时间进行设定，做到上班时间与晚上区别供电，实现节能功能。

2.2.3 对于家用照明的节能改造

我们对照明进行远程智能控制，改造方法同样是对开关加装继电器

2.2.4 家用冰箱的节能改造

对于冰箱我们选择单独STM32 开发板及屏幕作为总控制系统下的冰箱系统的控制单元，加装的智能冰箱食物管家至少可实现3 个功能。1）智能人体感应。2）厨房定时器。3）食物保质期与数量管理及提醒。

首先，使用HC-SR501 人体红外传感器模块来控制开发板显示屏的开关，做到人来即亮屏，人走即熄屏。其次，写入时间控制，利用开发板上的按键来实现厨房的便捷计时。最后，读取冰箱内的存储信息，通过提前储存的信息做到食物过期的智能提醒，以达到减少浪费的目的，并可以为用户推荐相关食谱。

改造后，老旧冰箱基本具有了现在主流人工智能冰箱的大部分功能

2.2.5 基于STM32的控制方式

该次改造研究的系统主要利用STM32 对改造后家电进行控制。单片机开启后，系统能够通过传感器对返回的数据进行分析，分析结束后反馈给家电上的执行单元，执行命令操作，从而实现上述功能，达到智能改造和节能的目的。

2.2.6 串口通信及移动通信的控制

显示器的所有值都可以通过PC 传输到上位机，并能够通过移动通信传输到手机上，实现液晶屏、主机和手机的多重显示，这有助于更好地控制与使用。

3 系统测试

基于STM32 开发板设计的智能家居控制系统，应用手机客户端App，Wi-Fi 模块、灯光模块、电器模块和温度模块等部件，实时了解和控制用户的家居情况。通过系统测试，验证了系统的稳定性和有效性。通过I/O 口，将单片机与Wi-Fi 模块、DHT11 温湿度传感器进行连接。程序代码写到STM32 单片机开发板上。打开手机App，输入IP 地址，连接Wi-Fi。成功接入后，检测灯光、视频、温湿度控制等情况。结果显示，系统运行良好，符合智能家居控制系统的设计要求。传感器具体工作示意图，如图2 所示。

图2 传感器工作示意图

4 结语

该研究基于STM32 开发板设计的老旧家电智能化改造控制系统，通过Wi-Fi 通信技术对环境检测模块、灯光照明模块、食物管理模块进行远程监控和设置，使旧家电基本具有智能家居的基础功能。并且操作简单、成本低廉，具有良好的实用性。经过改造，老旧家电被赋予了新的生命，大大降低了家电的淘汰率。