基于51单片机的智能窗帘控制系统设计与实现

设计说明

随着新型移动物联网产业的兴起，智能硬件已逐步涉足健身运动，医疗保健，代步工具，家具娱乐等诸多方
面，智能家居的发展当属最引人瞩目，越来越多的家用电器产品，已经可以通过移动终端设备来进行智能化操控。
传统窗帘在生活和工作中非常的不便利，不能及时的满足人们对光照等因素的需求。智能窗帘，走进了人类的日常
生活中。本设计基于通过WiFi组网技术、嵌入式技术与传感器技术监测生活环境并将实时传输到手机端App实现对智
能窗帘控制系统的监测以及控制，为人类提供了非常便利的生活环境。
　　通过智能窗帘控制系统，可以对人类的生活环境进行监控，以此找出人类最适宜的生活环境，根据得到的数据
进行控制，实现日常生活中窗帘的智能化。
关键词：WiFi；智能窗帘控制系统；传感器

1 绪论

本设计针对目前我国智能窗帘的发展现状，以明确的目标，对智能窗帘控制系统进行了研究。将STC12单片机作
为核心控制，支持无线技术，辅以WiFi通信模块的智能窗帘控制系统。可根据语音关键词、室内温湿度及光照明亮
度、用户需求自动定时调节智能窗帘的开启和关闭[1]。由此，实现了用户在日常生活中对智能窗帘各方面的需求，
为人们构建更加方便舒适的生活环境。
1.1 研究背景及意义
1.1.1研究背景
　　随着新型移动物联网产业的发展，智能硬件逐渐进入健身运动、医疗保健、辅助工具、家具娱乐等多个领域。
智能家居的发展最受关注。越来越多的家电产品可以通过移动终端设备进行智能化操控。目前，对于智能窗帘来
说，绝大多数的家庭里在用的都是利用扣环钢丝来悬挂的手动式窗帘，只有极少数的家庭里用的是智能化的电动控
制式窗帘[2]。这主要是因为智能窗帘的价格比起传统的手工窗帘要贵的多。传统窗帘在生活和工作中非常的不便
利，不能及时的满足人们对光照等因素的需求，而且手动去开合窗帘比较浪费人们的时间。因此，智能窗帘在人们
的生活中有着更大的发展空间。
1.1.2研究意义
　　基于智能家居的发展趋势，本智能窗帘控制系统设计是根据当时温湿度、光线强度和语音控制等情况去自动开
通和关闭窗帘，能更好的满足舒适度，同时也方便用户使用，使之更智能化、便利化。为了实现智能窗帘功能模块
全、智能化水平高、造价成本低的要求。本智能窗帘控制系统充分利用了单片机成本低、可靠性好、功能多等优
点，助人们简化日常生活，可配合多种智能化场景需求，带给人们舒适体验。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
　　从二十世纪七十年代开始，欧美等发达国家就开始了有关智能家居的研究。随着物联网技术近年来的迅速成
熟，智能家居系统也进入了飞速发展阶段，智能水平明显提高。世界上最先开始相关研究的是美国的快思聪公司，
致力于新技术的革新和研究开发。美国科罗拉多州博尔德市开发了具有适应性功能的建筑。该系统能够对小区的外
部环境进行连续的监控，并对其进行观察、记录，并对其使用习惯、行为进行随机的动态规划，从而对其今后的行
为进行预测。二十一世纪，众多科技企业纷纷涌入。谷歌在2011年推出了 Android家庭智能住宅软件，该软件为
Android提供了更多的智能家居。微软团队在2012年推出了家用自动化系统和家用软件商店，以促进家用设备的智能
化和自动化，并于2013年在家用自动化系统中加入 Things实验室平台。用户可以通过比较简便的方式，从各种传感
器中获取数据。2014年，苹果推出了家庭 Kit智能家庭平台，并在2015年首次发布了终端产品。三星还于2014年发
布了智能家居平台，整合了智能手表、智能电视等接口支持该项目[3]。而在此基础上，国内外各大研究单位也都意
识到了这一发展的方向和发展前景，纷纷投入了大量的人力物力。但是，目前还没有一个全球范围内的智能家居标
准。从这一点可以看出，在国外，智能家居仍然处在一个快速发展阶段，必须引起足够的关注和深度的研究。
1.2.2国内研究现状
　　国内智能家居的发展也不断地进步，但由于发展时间较短，发展水平有限，尚未普及。例如，家电巨头海尔推
出的“u-home”智能家居系统和美丽的公司推出的“m-smart”开放平台[4]。清华同方应用建筑和家庭自动化技术
推出了e-Home数字家园数字解决方案。它包括三个方面：一是社区信息化，二是社区自动化，三是家庭自动化。目
的是为个人生活和工作提供许多方便，推动家庭向现代化和智能化方向发展。意诺科技以云技术推出 Panno系列产
品，通过物联网，将其具体应用于智慧家庭。智能家庭离不开物联网。无论使用者身在何处，都能随时了解家中的情况。这就意味着可以使用手机便利生活。在过去的几年里，国内的知名科技企业如美的，阿里巴巴，京东，华
为，小米，腾讯等都逐步踏入智能家居领域。以物联网云平台为中心，开发各类智能硬件产品，迅速占领物联网大
数据的流量入口。大多数的研发产品都是在智能家居中使用的。可以得出，国内的智能家庭领域正在迅速发展。
1.3研究内容
　　本次设计以STC12单片机为核心模块，用传感器将室内环境收集的信息通过无线传送到手机APP进行显示。通过
WiFi技术实现智能窗帘控制系统的信息传输、使用传感器采集室内环境信息、通过手机APP的显示实时信息并对电机
进行控制，从而实现对窗帘开合的科学管理。
　　首先通过了解智能窗帘控制系统的研究背景、研究目的及研究意义。其次设计智能窗帘控制系统的整体思路和
整体功能，包括硬件设计和软件设计。当整体设计完成后，对于整体设计进行完善修改。最后对各模块设备进行测
试，查看智能窗帘控制系统的运行状况，判断各部分模块能否正常工作。

2 总体设计

2.1系统总体设计思路
　　以单片机作为STC12作为主控制核心。使用光敏阻值传感器、DTH11温湿度传感器和语音识别传感器对室内环境
信息进行采集。通过ESP8266WiFi模块作为信息传输，将采集来的室内环境信息传输到手机APP。以LCD1602显示屏和
手机APP对采集来的室内环境信息进行实时监测。以按键和手机APP控制电机工作。通过设置室内环境物理量的阈
值，亦可在自动模式下控制电机工作。设计思路如图2-1所示：
图2-1 设计思路图
2.2 Android技术
　　Android是基于Linux内核的自由和开放源的操作系统。主要用于智能手机和平板电脑等移动设备，由美国
Google公司和开放手机联盟主导开发[5]。Android系统组成由下到上可分为四层五个方面，分别是：Linux内核层
(Linux Kernel)、系统运行库层(Libraries)、Android Runtime、应用程序框架层(Application Framework)和应用
程序层(Applications)[6]。Android Studio是基于IntelliJ IDEA，为App的开发提供技术支持。支持Windows、
Mac、Linux等操作系统。
2.3 WiFi技术
　　WIFI是无线局域网(WLAN,wireless local area network)目前最流行的一种技术，其特点是基于IEEE802.11系
列协议。1997年推广出IEEE802.11，两年之后补充了：IEEE802.11a和IEEE802.11b协议。802.11a使用相对较少，而
彻底改变了无线局域网的是802.11b的推出，使人们在一定距离内移动上网成为现实；2003年6月推出了802.11g，工
作频段为2.4GHZ，提高了WiFi的传输速率，使WiFi技术成为人们关注的对象；目前最新的标准为2009年得到IEEE批
准的IEEE802.11n。工作频段为2.4GHZ与5GHZ。
　　随着科技的日益进步，WiFi技术在各个领域得到广泛应用。凭借其简单的操作就可以实现一定距离内的网络连
接，得到用户以及开发商的广泛使用，迅速占据市场。WiFi技术不同于红外线技术，有强大的穿透性，适合用于智
能家居设备中，用户通过WiFi技术可以随意在卧室，厨房等地方控制其他房间的设备。同时WiFi安装简单，操作方
便，很大程度上节约了成本[7]。

3系统硬件设计

3.1控制模块设计
3.1.1 STC12核心处理模块
　　在本设计中，主控制器采用的单片机型号为STC12C5A60S2，是具有高速、低功耗、超强抗干扰能力的新一代
8051单片机，指令码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D
转换(250K/S)，针对电机控制，可在强干扰场合工作[8]。工作电压为3.5V到5.5V，在-40℃到85℃温度范围之间使
用。电路原理图如下图所示：

图3-1 STC12电路原理图
具体引脚参数如下表所示：
表3-1 STC12的引脚参数
功能参数 数量 说明
主频 72MHZ
SRAM 1KB 静态随机存储器
FLASH 60K 文件存储介质（NOR、NAND）
GPIO 30个 通用输入输出端口
U(S)ART 3个 同（异）步通信
TIM 5个 定时器
ADC 1个 电压采集
I2C 1个 读写EEPROM
SPI 1个 读写串行Flash存储器
CAN 1个 总线接口技术
DMA 7个 直接存储访问
定时器 5个 3个通用16位定时器；2个高级PMW定时器
振荡器 3个
RC振荡器：出场调教的8MHZ以及带校准的40KHZ；
RTC振荡器：32KHZ；
晶体振荡器：4–16MHZ。
3.1.2 STC12最小系统电路
STC12最小系统电路图如下图所示：

图3-2 STC12单片机最小系统电路图
复位电路和晶振电路使用条件如下表所示：
表3-2 STC12电路使用条件表
　　复位电路
时钟频率<12MHZ 不连接C1,R1连接1K电阻直接接地
时钟频率>12MHZ 使用第二复位引脚RST2/P4.6
　　晶振电路
时钟频率>33MHZ 使用外部晶振
使用内部R/C时钟振荡器（5V单片机：11—17MHZ） XTAL1和XTAL2引脚浮空
3.2 数据采集模块
　　在本设计中，传感器模块负责室内环境信息的采集，通过数据传输到核心控制模块实现自动控制，所以传感器
是智能窗帘控制系统的重要输入检测模块，检测各种室内环境信息，转换为能够窗帘控制所需的物理量，传感器的
测量精度、控制精度与获取信息的正确性直接相关[9]。
3.2.1 温度检测
　　该模块采用DTH11芯片，DTH11温湿度传感器采用专用数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品极高可靠
性和优异的长期稳定性。传感器包括电阻型湿润元件和NTC温度测量元件，连接到高性能8位单片机[10]。本模块为4
针单排引脚封装。
具体引脚数据如下表3-3所示：
表33 DTH11引脚参数
　　
序号 引脚名称 注释
1 VDD 供电3—5.5VDC
2 DATA 串行数据，单总线
3 NC 空脚，悬空
4 GND 接地，电源负极
　　DTH11芯片对环境温度进行数据采集，通过输出高低电平控制电机的工作，当温湿度达不到预设阈值，输出低电
平，电机反转；高于预设阈值时，输出高电平，电机正转，。如下图所示为DTH11接线图：

图3-6 DTH11接线图
3.2.2光照检测
　　该模块采用BH1750FVI芯片，可以利用高分辨的特点探测较大范围内的光强度变化。光敏传感器的工作原理是利
用光敏元件将光信号转换为电信号，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长[11]。工作电
流为0.4mA，在0℃到70℃温度范围之间使用。
　　光照模块采用光敏传感器进行光照强度采集，通过输出信息，对电机进行控制，达到自动控制的目的。光照强
度检测是实现数据采集的重要模块，通过光照强度的不同，电机自动控制，实现遮阳，保温以及保证符合人们各自
作息的功能，为人类生活提供良好的生活环境。
光敏传感器模块引脚定义如表3-4所示：
表3-4 光敏传感器引脚说明
引脚名称 说明
DO 接PA0口，信号输出
GND 电源接地
VCC 电源接正极（5V）
3.2.3语音识别
　　该模块采用LD3320语音传感器，是基于ASR技术的非特定人语音识别的语音识别芯片。非特定人语音识别技术
ASR通过声音模型分析声音数据，构建数学模型，经过反复训练提取基本声音的详细特征，提取各基本之间的特征差
异[12]。把一系列的关键字通过软件编辑输入到芯片中，感应器就能识别人们说的关键词。LD3320包括内部已经集
成了16位A/D和D/A转换器，还有功放电路、麦克风、立体声耳机和单声道喇叭可以很方便地和芯片管脚连接[13]。
支持并行接口或SPI接口，并且输入主时钟频率从2MHz到34MHz，操作电压为3.3V。如下图3-8所示为LD3320语音传感
器实物图：

图3-8 LD3320语音传感器实物图
　　模块左侧为咪头，也就是声音传感器，当环境中有关键词产生后，咪头就可将其转换为电压信号；咪头左侧有
个LED指示灯，当模块连接电源后，正常工作时该LED指示灯就会常亮；模块的左侧四个排针是RX、TX以及电路连接
的GND和VCC。如下图3-9所示为LD3320语音识别传感器原理图：
3.3 Wi-Fi模块设计
　　在本次设计中，采用ESP8266芯片完成了移动端与主控制器之间通信。可以通过WiFi终端实时查看光照强度、温
湿度以及设置自动开启和关闭。
　　ESP8266WiFi模块是由安信可科技开发的一种UART-WiFi（串口-无线）模块，不仅性能稳定，功耗低，而且可以
给WiFi协议栈提供可靠的支持。内部含有TCP/IP协议栈，可以完成串口与Wi Fi之间的转换，并且能够支持带有串口
通讯方式的设备较为简单的完成网络数据交换。
ESP8266模块引脚定义如表3-5所示：
表3-5 ESP8266模块引脚
　　
引脚名称 说明
VDD 电源（3.3V~5V）
GND 电源接地
TXD 串口发送脚，与单片机的RXD连接
TXD 串口接收脚，与单片机的TXD连接
RST 复位（低电平有效）
IO_0 固件烧写模式控制引脚，低电平有效
　　ESP8266模块工作模式有混合模式、AP模式和Smartconfig模式。在考虑使用环境和成本的情况下，本次设计采
用AP模式进行组网，AP作为中心节点。将Wi Fi模块作为服务器，单片机和手机作为客户端，连接Wi Fi模块进行相
互通信[14]。
　　通过RX、TX引脚与主控制器连接，再用CH_PD引脚与Ams117稳压器相连。ESP8266模块原理图如图3-11所示：
图3-11 ESP8266原理图
总的电路图

4系统软件设计

4.1系统开发环境
Keil软件是美国Keil公司研发的单片机C语言软件开发系统，Keil软件里面包括了C编译器、连接器、宏汇编、库管
理和一个功能比较强大的仿真器[15]。通过一个集成开发环境uVision将这些部分组合在一起方便操作。因此，本设
计选择Keil4作为开发调试环境。
4.2手机端App设计
4.2.1 App整体设计
　　本系统借助于E4A安卓程序开发软件，编译完成后生成一文件，将其下载至手机，即可得到一个APP作为智能窗
帘控制系统手机终端控制软件。借助这个软件便能实现对ESP8266模块进行连接，进而实现对步进电机的开启与关闭
和自动/手动模式的切换、温湿度及光强的检测。具体App工作流程如下图所示：

图4-1系统流程设计
4.2.2 App功能设计
　　在本次设计当中，手机App主要实现两个功能，第一个是对进行温湿度及光强的实时监测，方便了解家庭的日照
环境情况，第二个是开关按钮及模式切换设置，通过开关能够实现对步进电机的工作状态进行调节。具体工作流程
如下图所示：

图4-2 APP控制功能流程图
App功能实现核心代码如图所示：

图4-3 App核心代码
　　在打开手机App后首先设置网络连接，通过与ESP8266无线模块连接成功，进行数据传输，
　　在网络连接之后，App可以进行数据监测，同时App可以进行数据设置，发送数据到终端，实现自动控制，改变
步进电机的开合状态。如下图所示：
图4-5 App控制示意图
4.3 ESP8266 WiFi程序设计
数据通过串口实现通信设备与STC12单片机的通讯，流程图如图4-6所示：
图4-6 WiFi程序设计流程图

程序代码如下图4-7所示：

图4-7 WiFi程序代码图
4.4语音传感器程序设计
　　系统启动后要对STC12单片机初始化，然后再对语音传感器进行初始化。语音传感器程序设计如下图4-8所示：

图4-8 语音传感器程序设计流程图
程序代码如下图所示：

图4-9语音传感器程序代码图

5 系统测试

在本设计完成后，需要对各部分进行测试及完善，检查传感器在各种室内变量中能否正常工作、网络通信能否
正常连接，从而达到自动控制的目的。在试验中，STC12上连接温湿度传感器、光传感器及语音传感器。通过WiFi模
块进行无线传输与终端和手机客户端进行连接，控制电机开合。系统实物如下图所示：

图5-1实物图
5.1硬件测试
　　本节测试的主要内容为阈值设置及控制测试，分为三个测试部分为：温湿度阈值测试、光照阈值测试、语音测
试以及WiFi连接测试，通过对三个传感器进行阈值设置来验证能否控制电机正常运行。硬件测试项目如下表所示：
表5-1 硬件测试表
　　
测试项目 验证过程 测试结果
温湿度阈值
测试
湿度高于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
湿度低于设定阈值 电机待运行
光照阈值测
试
光照高于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
光照低于设定阈值 电机待运行
语音测试
检测到关键字且湿度高于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
未检测到关键字且湿度高于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
检测到关键字且湿度低于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
未检测到关键字且湿度低于设定阈值 电机待运行
检测到关键字且光照高于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
未检测到关键字且光照高于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
检测到关键字且光照低于设定阈值 电机工作，窗帘
关闭
未检测到关键字且光照低于设定阈值 电机待运行
通过Smart RF04EB仿真器将程序烧录到STC12芯片中，通电后观察协调器节点上的
WiFi连接测
试
WiFi模块指示灯不闪烁 WiFi连接失败
通过Smart RF04EB仿真器将程序烧录到STC12芯片中，通电后观察协调器节点上的
WiFi模块指示灯闪烁 WiFi连接成功
　　测试结论：通过对本次设计进行测试，在网络连接测试中，能够很快的形成WiFi网络，对窗帘环境信息进行采
集与控制。通过对App功能测试，能够实现及时的数据信息监测并进行阈值控制。通过调节不同的阈值，可以改变窗
帘开合情况，实现对窗帘环境的自动控制。
5.2App功能测试
表5-2 软件测试表
　　
App控制
手机App显示采集信息 显示各项数据信息
切换自动/手动状态
控制窗帘开合 打开或关闭窗帘
　　连接到网络之后，通过登录App会显示如下界面，可以实时监测到窗帘周围各种环境的数据，并能够对模式进行
切换，具体界面下如图所示：
图5-2App功能测试图

6 总结与展望

本次设计的目的和意义符合当前我国智能家居发展现状，基于WiFi技术，对于传统的家具窗帘进行改良，实现
便利生活，对于家庭自动化发展有很大的帮助。
　　本次的设计从研究背景和意义出发，结合当前国内外该系统的发展现状，查阅大量文献资料，发现如今人们都
在追求安全，健康以及舒适的生活环境，各大厂商也都极力进行技术突破来设计满足用户需求，发现这是一个值得
研究的方向。然后根据各方面需求结合各种技术，合理选择所用器件，提出“基于单片机+无线通信技术+传感器技
术+移动智能终端”的解决方案。并对系统中所应用的关键技术进行深入学习。
　　这些年随着通信技术的不断发展，物联网技术也在日新月异，这些对于智能窗帘控制系统的发展提供了良好条
件，在从前的基础上不仅可以实现简单的室内环境监测与控制，用户还可以按照自身的作息规律来定时开合。另外
我将继续查询资料学习更深入的知识，例如，可以在本系统中接入智能音箱，通过语音可以直接唤醒设备，类似于
天猫精灵，百度旗下的“小度”以及小米集团的“小爱同学”等。对于此功能的开发对于个人目前的能力而言，还
有很大的提升空间。同时以后可以根据不同的需求增加不同的传感器，使设备功能更加多样。相信在如今这样发达
的社会，会有越来越多的人才去钻研，并研发出更加智能的系统。