El diseño se articula en capas de hardware y software para una gestión eficiente.

Arquitectura de Hardware por Capas

• Capa de Percepción: Un microcontrolador STM32 (ej. STM32F103C8T6 o STM32F407) actúa como cerebro, integrando sensores ambientales como DHT22/BH1750 (temperatura/humedad), LDR (luz) y PIR (movimiento), además de detectores de humo para la recopilación de datos.
• Capa de Transmisión:
  • Comunicación Corto Alcance: Módulos como ESP8266 (Wi-Fi), HC-05 (Bluetooth) o LoRa (ej. E22) facilitan la interconexión local.
  • Comunicación con la Nube: El protocolo MQTT se utiliza para enviar datos y recibir comandos remotos a través de plataformas como EMQX o servicios en la nube de IoT.
• Capa de Actuación: Módulos de relé controlan electrodomésticos (luces, climatización), drivers de motor operan persianas y zumbadores activan alarmas.

Arquitectura de Software

• Drivers de Bajo Nivel: La librería HAL de STM32 se encarga de la interfaz con sensores (I2C, UART, ADC) y módulos de comunicación.
• Middleware: FreeRTOS gestiona múltiples tareas concurrentes, como la adquisición de datos, la comunicación y la lógica de control.
• Capa de Aplicación:
  • Control Local: Pantallas OLED muestran datos en tiempo real, y la interacción se realiza mediante botones o comandos de voz.
  • Servicios en la Nube: Suscripción y publicación de temas MQTT permiten la monitorización y control remoto.

Monitorización Ambiental

• Integración de Sensores:
  • Temperatura y Humedad: DHT22 (precisión ±0.5℃, ±2%RH).
  • Luminosidad: BH1750 (interfaz I2C, precisión ±20%).
  • Gases: MQ-2 (detección de humo mediante muestreo ADC).
• Preprocesamiento de Datos: Se aplica filtrado de Kalman para reducir el ruido y detección de anomalías (ej. picos en la concentración de humo).

Control de Dispositivos

• Control de Relés: Aislamiento galvánico con optoacopladores para proteger el MCU. Soporte para modulación PWM para control de brillo o velocidad (ej. ventilador 0-3000 RPM).
• Accionamiento de Motores de Persianas: Uso de módulos como el L298N para controlar motores paso a paso y ajustar el ángulo de apertura/cierre.

Interacción con el Usuario

• Interfaz Local: Pantalla OLED de 0.96" (driver SSD1306) para visualización. Teclado matricial 4x4 para configuración de umbrales.
• Control Remoto:
  • Aplicación Móvil: Desarrollada con UniApp, permite ver datos en vivo y activar modos preconfigurados (ej. "Modo Hogar" enciende luces).
  • Comandos de Voz: Módulo ASRPRO interpreta comandos de voz (ej. "subir brillo"), con filtrado de palabra de activación.

Escenarios Inteligentes

• Lógica Basada en Umbrales: Activación de ventilador si la temperatura supera 30℃; encendido de LEDs si la luz es inferior a 50 lux.
• Tareas Programadas: Cierre automático de persianas a las 7:00 y encendido de iluminación del salón a las 19:00.

Consideraciones Clave del Circuito:

• Gestión de Energía: Alimentación de 3.3V para el STM32 mediante LDO. Suministro de energía a sensores a través del bus para minimizar interferencias.
• Aislamiento de Señal: Uso de optoacopladores (ej. PC817) en el control de relés para proteger el MCU de la fuerza contraelectromotriz.
• Medidas Anti-Interferencia: Filtros con perlas de ferrita en líneas de señal críticas y conexión a tierra única para planos digitales y analógicos.

Configuración del Entorno

• STM32CubeMX: Configuración del árbol de reloj (HSE+PLL) y periféricos (I2C, UART, ADC).
• Keil MDK: Creación del proyecto, integración de librerías HAL y FreeRTOS.

Implementación del Código Central

• Drivers de Sensores: ```c

  // Lectura de Temperatura/Humedad con DHT22 (Librería HAL) DHT22_StatusTypeDef status = DHT22_Read_Data(&temperature, &humidity); if(status == DHT22_OK) { printf("Temp: %.1f°C, Hum: %.1f%%\r\n", temperature, humidity); }

• Comunicación MQTT: ```c

  // Publicación de datos en plataforma IoT de Alibaba Cloud MQTT_Publish("home/sensor/temperature", "{"temp":%.1f}", temperature);

• Procesamiento de Comandos de Voz: ```c

  // Manejo de comandos del módulo ASRPRO if(strcmp(received_cmd, "open_light") == 0) { HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET); }

Integración con Plataformas en la Nube

• Alibaba Cloud IoT: Creación de productos y dispositivos, definición del modelo de cosas (temperatura, humedad, estado de interruptor).
• Visualización de Datos: Uso de DataV para crear paneles interactivos que muestren datos ambientales y estados de dispositivos en tiempo real.

Diseño de Bajo Consumo

• Modos de Reposo: Utilización del modo Stop (< 2μA) en inactividad, con despertadores programados por RTC.
• Muestreo Dinámico: Reducción de la frecuencia de muestreo de sensores durante períodos de baja actividad (ej. de 1Hz a 0.1Hz).

Mejora de la Fiabilidad

• Temporizador Watchdog: Previene bloqueos del programa mediante reinicios automáticos.
• Redundancia de Datos: Verificación cruzada de sensores (ej. DHT22 y DS18B20).

Expansión de Funcionalidades

• Predicción de Escenarios con IA: Entrenamiento de modelos con datos históricos para predecir comportamientos del usuario (ej. pre-activación del aire acondicionado).
• Integración de Seguridad: Cierre automático de válvulas de gas en caso de detección de humo y envío de alertas al móvil.

Pruebas Funcionales

• Monitorización Ambiental: Comparación con instrumentos profesionales (ej. medidor de T/H Fluke), manteniendo un error < 2%.
• Latencia de Control: Respuesta local a comandos < 100ms; respuesta remota < 500ms.

Esquemas de Despliegue

• Escenarios Domésticos: Una pasarela cubre 100m², con nodos distribuidos por habitación.
• Viviendas Grandes: Múltiples pasarelas formando una red (malla LoRa + backhaul 4G), permitiendo control interregional.

Este sistema proporciona una solución de control de hogar inteligente de bajo costo y alta fiabilidad basada en STM32, con capacidades de gestión local y remota.