智能家居控制系统设计论文.doc
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智能家居控制系统设计
智能家居控制系统设计
摘要:
智能家居系统设计的原则是方便用户操作、功能实用、外观美观大方。
系统要有吸引来宾的外观和功能,能体现用户高人一等的生活品味。
同时要化繁为简、高度人性化、注重健康、娱乐生活、保护私密。
本文基于容易实现,方便操作,贴近使用的设计理念,采用AT89S5X单片机为控制核心,运用包括防盗报警、温度、亮度、空气烟雾等多种检测系统,并通过GSM模块TC35发送到用户手机中,用户也可以通过短信来控制家电。
本文描述了整个设计的软、硬件部分,具体实现了远程控制。
关键词:
智能家居;单片机;TC35;环境检测
TheDesignofIntelligentHomeFurnishingControl
Abstract:
Principleofintelligenthomefurnishingdesignsystemisuser-friendly,functionalandpractical,beautifulappearance.Systemtoattractguestappearanceandfunction,canreflecttheuserregardoneselfheadandshouldersaboveotherslifetaste.Atthesametimetosimplify,highlypersonalized,payattentiontohealth,life,theprotectionofprivacy.Inthispaper,basedontheeasyimplementation,convenientoperation,closertothedesignideaofusing,usingAT89S5Xmicrocontrollerascontrolcore,includingtheuseofanti-theftalarm,temperature,light,airsmokeandotherdetectionsystem,andthroughtheGSMmoduleTC35senttotheuser’smobilephone,usersalsocanbeviaSMStocontrolhomeappliances.Thispaperdescribesthesoftware,hardwarepartofthedesign,thespecificrealizationofremotecontrol.
Keyword:
IntelligentHome;Microcontroller;TC35;EnvironmentalMonitoring
目录
智能家居控制系统设计 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章绪论 1
1.1智能家居的概念 1
1.2物联网的出现 1
1.3智能家居发展历史 2
1.4智能家居研究的目的及意义 3
1.5本系统设计主要任务 3
1.6本章小结 4
第2章总体方案设计 5
2.1系统总体设计与分析 5
2.1.1系统工作流程部分 5
2.2传感器信号采集设计与分析 5
2.2.1温度传感器 5
2.2.2防盗传感器 6
2.2.3信号采集设计与分析 6
2.3本章小结 6
第3章硬件电路设计 7
3.1最小系统模块 7
3.2串口模块 7
3.3GSM芯片TC35模块 8
3.3.1TC35模块介绍 8
3.3.2控制TC35的AT指令 9
3.4温度传感器模块 10
3.5空气烟雾传感器模块 11
3.6GSM模块的接口与设计 13
3.6.1TC35模块组成 13
3.6.2TC35模块通信电路 13
3.6.3TC35模块与MCU连接方式 13
3.7防盗门磁传感器模块 14
3.8LCD模块 15
3.9AD模块 16
3.9.1ADC0808介绍 16
3.9.2A/D转换电路 17
3.9报警模块 18
3.10排风扇控制电路 19
3.11系统电源电路 19
3.12本章小结 20
第4章软件设计 21
4.1系统主程序设计及流程图 21
4.2报警子程序设计及流程图 22
4.3显示服务子程序 22
4.4TC35发送短信子程序 23
4.5本章小结 24
第5章结束语 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
III
第1章绪论
1.1智能家居的概念
智能家居(SmartHome)是以家为平台,兼备建筑、自动化,智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。
家居智能化技术起源于美国,最具代表性的是X-10技术,通过X-10通信协议,网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。
因其布线简单、功能灵活,扩展容易而被人们广泛接受和应用。
至今,X-10技术产品的销售已超过两亿个,仅在美国一个国家,便有超过600万个家庭在使用。
自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑,相反,成了帮助主人尽量利用时间的工具,使家庭更为舒适、安全、高效和节能。
智能家居是现代社会最热门的话题之一,它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制,使其能够按照人们的设定工作运行,而不论距离的远近。
智能化与远程控制是智能家居的两大特点。
目前,已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究
随着网络技术的发展,特别是无线网络的发展,网络化智能家居系统可提供遥控、家电(空调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段,使生活更加舒适、便利和安全。
1.2物联网的出现
物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。
在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。
其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。
物联网概念的问世,打破了之前的传统思维。
过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开,一方面是机场、公路、建筑物,另一方面是数据中心,个人电脑、宽带等。
而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施,在此意义上,基础设施更像是一块新的地球。
故也有业内人士认为物联网与智能电网均是智慧地球的有机构成部分。
物联网把我们的生活拟人化了,万物成了人的同类。
在这个物物相联的世界中,物品能彼此“交流”,无需人的干预。
可以说,这是一个智能化的世界。
智能家居是物联网最生活化的应用之一:
窗帘可以自动感知光线而关闭;空调更“听话”了,天热它会把温度调低,太潮就会自动抽湿灯也知道节能了,房间里没人会自动灭掉。
如此等等,不一而足。
物联网的应用竟已经很广泛,遍及智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测等领域。
物联网繁多的应用,造就了一个庞大的产业链,从互联网、电脑、手机、天线等IT通讯领域,到智能卡、芯片、传感器、红外线产品等工业领域,再到冰箱、电视机等制造领域,环环相扣,商机巨大。
美国独立市场研究机构FORESTER预测,到2020年全球“物物互联”业务(即物联网业务),与“人与人通信”业务(即互联网业务)之比将达到30∶1。
专家预计,中国物联网整体产业在2015年将超过一万亿元规模,2050年传感器在生活中将无处不在。
可以想见,物联网发展到一定阶段,家中的电器可以和外网连接起来,通过传感器传达电器的信号。
厂家在厂里就可以知道你家中电器的使用情况,也许在我们之前就知道家中电器的故障。
某一天突然有维修工上门告诉家中空调有问题,我们还惊异地不相信。
1.3智能家居发展历史
随着信息技术的迅速发展,智能家居系统利用先进的计算机、网络通信、自动控制等技术,将于家庭生活有关的各种应用子系统有机的结合在一起,通过综合管理,让家庭生活更舒适、安全、有效、节能。
智能家居系统设计的原则是方便用户操作、功能实用、外观美观大方。
系统要有吸引来宾的外观和功能,能体现用户高人一等的生活品味。
同时要化繁为简、高度人性化、注重健康、娱乐生活、保护私密。
智能家居的发展分为三个阶段:
首先是家庭电子化(HomeElectronice)阶段,这个时期主要是面向单个的电器,家庭电器之间并没有形成网络,亦没有大的联系。
其次是住宅自动化(HomeAutomation)阶段,这个时期是面向功能的阶段,一部分的家庭电器之间形成了简单的网络,主要是为了实现某个特定单一的功能,例如单一的自动抄表功能。
最后是家具智能化(SmartHome)阶段,这个时期是面向系统的设计阶段,系统通过家庭分布总线把住宅内各种与信息相关的通信设备、家用电器、报警装置并到网络节点中进行集中监控、管理,保持家电与环境的协调,提供生活、工作、学习以及娱乐的各种优质服务,营造一种温馨舒适的家庭氛围。
智能家居控制系统提供高效、舒适的家居环境,确保住户的生命财产安全;集中或远程调节家居环境的温度、湿度以及风的速度等,同时检查空气成分,提高空气质量;调节音响,电视等娱乐设施,愉悦心情;合理利用太阳能和周遭环境的变化,尽可能的节约能耗,达到合理利用资源;提供现代化的通信、信息服务。
1.4智能家居研究的目的及意义
智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。
利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统,有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。
与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。
还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具,提供全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部保持信息交换畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性,甚至为各种能源费用节约资金。
系统的网络化功能可以提供遥控、家电(空调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。
使生活更加舒适、便利和安全。
因智能家居控制系统布线简单、功能灵活,扩展容易而被人们广泛接受和应用。
1.5本系统设计主要任务
本文利用AT89S5X、DS18B20、TC35modem和各类家居传感器设计制作一款智能家居控制系统样机。
(1)硬件部分
智能家居控制系统其硬件部分主要由四大部分构成,即控制单元、传感器数据采集系统、GSM模块TC35modem与接口和电源部分。
传感器数据采集系统、GSM模块TC35modem和控制单元完成报警等信号的处理和发送;电源部分则为各个部分提供工作电源。
(2)软件部分
软件设计部分主要由五大部分构成:
即数据采集与数据分析部分、GSM模块TC35modem接口程序部分、分析控制部分。
其中数据采集与数据分析部分需要作实时处理;GSM模块TC35modem接口程序部分和分析控制部分则是根据采集进行分时操作有利于提高系统效率。
1.6本章小结
本章主要介绍了智能家居的概念、发展背景与历史,智能家居研究的目的与意义。
以及本系统的主要任务和使用的元件。
第2章总体方案设计
2.1系统总体设计与分析
本次设计以AT89S5X芯片为控制核心,温度,防盗,烟雾等传感器为环境信息采集源,制作一个物联网智能家居监控系统。
可以通过GSM通信来控制空调机组(如风机,加湿器,风阀等家用电器),实现了远距离,多角度对家电进行实时控制。
此外在本次设计中,采用多种传感器想结合,能够采集到室内的防盗,温度,亮度和空气烟雾或有毒气体等信息,并通过GSM上传给用户,使用户第一时间了解家里情况。
2.1.1系统工作流程部分
短信息发送TC35模块
RS232
51单片机信号分析处理
门窗磁信号
电压转换
温度传感器
排风扇控制
放大、整形
空气烟雾传感器
声光报警
LCD显示
图2-1系统工作流程
2.2传感器信号采集设计与分析
2.2.1温度传感器
温度器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材,它工作可靠、体积小巧,温度是把温度信号转换为电信号,电路设计时可以在背后设计专用的卡口以便地固定在墙体或者天花板上,使用时通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器,监视各个房间内温度高低从而判断有无火灾的发生。
2.2.2防盗传感器
防盗报警的防护区域分成两部分,即住宅周界防护和住宅内区域防护。
住宅周界防护是指在住宅的门、窗上安装门磁开关,在对外的玻璃窗、门附近安装玻璃破碎探测器;住宅内区域防护是指在主要通道、重要的房间内安装被动红外探测器或被动红外/微波双技术探测器。
当家中有人时,住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)设防,住宅内区域防护的防盗报警设备(红外探测器或被动红外/微波双技术探测器)撤防。
当家人出门后,住宅周界防护的防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)和住宅内区域防护的防盗报警设备(被动红外探测器或被动红外/微波双技术探测器)均设防。
当有非法侵入时,家庭控制器发出声光报警信号,并短信通知家人及小区物业管理部门。
另外,通过程序可设定报警装置的等级和报警器的灵敏度。
2.2.3信号采集设计与分析
传感器是将外界信息转换成电信号的装置,其中的电信号包括数字信号和模拟信号,数字信号可以通过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理,模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量,再经过单片机或微型计算机进行数据处理,实现实时测控。
2.3本章小结
本章主要介绍了本系统的总体设计方案,温度传感器、可燃气体泄漏传感器、防盗传感器的使用,和用单片机或微型计算机进行数据处理,实现实时测控。
第3章硬件电路设计
3.1最小系统模块
AT89S5X芯片共40引脚,1~8脚是通用I/O接口(p1.0~p1.7),9脚rst复位键,10、11脚RXD串口输入、TXD串口输出,12~19脚:
p3接口(12,13脚INT0中断0、INT1中断1,14,15:
计数脉冲T0T116,17:
WR写控制RD读控制输出端),18,19脚:
晶振谐振器,20脚接地线,21~28p2接口高8位地址总线29:
psen片外rom选通端,单片机对片外rom操作时29脚(psen)输出低电平30:
ALE/PROG地址锁存器31:
EArom取指令控制器,电源+5V。
如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统
3.2串口模块
串口采用MAX3232芯片,MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
主要特点有:
1、符合所有的RS-232C技术标准
2、只需要单一+5V电源供电
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力,能够产生+10V和-10V电压V+、V-
4、功耗低,典型供电电流5mA
5、内部集成2个RS-232C驱动器
6、内部集成两个RS-232C接收器
本设计中串口通信部分主要功能是连接单片机和GSM模块TC35的通信。
单片机通过232串口给GSM模块发指令,使其发送包含室内信息的短信给用户,用户发送控制命令给GSM模块,GSM模块也通过此串口将指令送给单片机处理。
图3-2RS232通信电路图
3.3GSM芯片TC35模块
3.3.1TC35模块介绍
TC35模块性能指标
特性说明
信息传送内容:
语音和数据
电源:
单电源3.3V~5.5V
频段:
双频GSM900MHz和DCS1800MHz(Phase2+)
发射功率:
2W(GSM900MHzClass4)1W(DCS1800MHzClass1)
音频接口:
模拟信号
通讯接口:
RS232(指令和数据的双向传送)
SIM卡操作电压:
3V/1.8V
串口通讯波特率:
300bps...115kbps
自动波特率范围;4.8kbps...115kbps
图3-3TC35模块驶入图
3.3.2控制TC35的AT指令
单片机通过232串口发送AT指令给TC35模块,来实现读取短信和发送短信。
(1)RS232串口连接
由于TC35T自带RS232串口线,故只需将其连接到单片机串口即可。
在程序中选择相应的串口,将端口参数设置为:
速率—4800、奇偶校验位—无、数据位—8、停止位—1、流量控制—硬件。
(2)连接测试
单片机发送“AT”然后回车,回返回“OK”表明单片机与TC35T已连接成功,TC35T能够正常工作。
这时就可以测试各类AT命令。
当测试命令“AT+CMGS=?
”时,如果返回“OK”标明TC35T支持该指令。
该指令的完整语法如下:
如果此时TC35T处于PDUMode(即“AT+CMGF?
”返回“0”)
AT+CMGS=PDUisgiven<^Z/ESC>
如果短消息发送成功,则返回“OK”,并显示信息号:
+CMGS:
[,]
如果短消息发送失败,则返回如下信息号:
+CMSERROR:
如果此时TC35T处于TextMode(即“AT+CMGF?
”返回“1”)
AT+CMGS=[,toda]textisentered<^Z/ESC>
如果短消息发送成功,则返回“OK”,并显示信息号:
+CMGS:
[,]
如果短消息发送失败,则返回如下信息号:
+CMSERROR:
另外,由于使用的是TC35T,当有新的短消息到来时,需要TC35T产生提示,使用指令“AT+CNMI”。
该指令的完整语法如下:
AT+CNMI=[][,][,][,][,]
如果有新的短消息来到,则TC35T将自动返回下列提示:
+CMTI:
“SM”,
此时读出,然后用“AT+CMGR”指令即可读出短消息内容。
3.4温度传感器模块
温度采集选用了DS18B20温度传感器,其特点如下:
(1)在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2)测温范围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃。
(3)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定,实现多点测温。
(4)工作电源:
3~5V/DC。
(5)在使用中不需要任何外围元件。
(6)测量结果以9~12位数字量方式串行传送。
温度传感器DS18B20实物图如图3-4所示。
图3-4DS18B20实物图
本设计中,温度传感器主要测量室内的温度,根据温度大小来控制排风扇降温,同时若是采集到的温度过高,达到50度以上,则判断为室内起火,则报警,并通过单片机发送信息给用户。
同时将温度值显示到lcd液晶上。
电路图如图3-5所示。
图3-5温度采集电路图
3.5空气烟雾传感器模块
烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的,被广泛运用到各种消防报警系统中。
本项目中所需要的烟雾传感器MQ-2是一种体电阻控制性的气敏器件,其所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
当传感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-2电气参数如下所示:
(1)工作电压:
直流电压9~20V;
(2)静电功耗:
小于0.8W;
(3)输出电平:
高于5V/低于0V;
(4)检测面积:
10m2。
图3-6MQ-2烟雾传感器
MQ-2的传感器初试输出信号微弱,不适合远距离的信号传输,而且微弱的信号也不适合AD芯片进行检测。
所以在传送给单片机进行数据分析之前,设计了一个信号运算电路,把微弱的信号进行放大,方便后续电路的工作。
本项目当MQ-2气体传感器在10m2范围内探测烟雾或者其他易燃气体的浓度,将检测结果从传感器中输出经过LM324运算放大电路放大后从输出模拟信号送给ADC0808模数转换器,转换成数字信号送给单片机处理,单片机根据采样值,从而分辨是否室内发生火灾。
同时将烟雾值显示到lcd液晶上。
烟雾传感器电路图如图3-7所示。
图3-7烟雾传感器电路图
由LM324运算放大器构成一个10倍放大电路,把信号放大后送到单片机中。
由公式=1+/计算得放大倍数为
3.6GSM模块的接口与设计
GSM是GlobalSystemForMobileCommunications的缩写,由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准,GSM是全球移动通信系统(GlobalSystemforMobilecommunications)的简称。
它的空中接口采用时分多址技术。
自90年代中期投入商用以来,被全球超过100个国家采用。
GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。
本系统采用的GSM通信模块为TC35模块。
3.6.1TC35模块组成
Siemens公司的TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。
作为TC35的核心,基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
在不需要额外硬件电路的前提下,可支持FR、HR和EFR语音信道编码。
3.6.2TC35模块通信电路
数据通信电路主要完成短消息收发、与微机机通信、软件流控制等功能。
TC35的数据接口采用串行异步收发,符合ITU-TRS-232接口电路标准,工作在CMOS电平(2.65V)。
数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位,可以在300bps~115kbps的波特率下运行,支持的自动波特率为4.8kbps~115kbps(14.4kbps和28.8kbps除外)。
TC35模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。
3.6.3TC35模块与MCU连接方式
单片机与TC35一般采用串行异步通信接口,具有红外和通信电缆两种连接方式其中电平转换及串口通信功能以TI公司的MAX3232芯片为核心,通信速度可设定,通常为19200bps。
采用红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离,相互不干扰,接口各自独立,使用方便;缺点是通信距离较短,红外传播的方向性对接口相对位置有要求。
采用电缆连接时,数据传输的可靠性较好;其主要缺点是接口的电气参数不兼容,设计不当时就会对手机的通信质量产生影响。
这个单片机系统其实就是一个具有GPRS功能的GSM手机模块加上单片机控制系统,GSM手机模块主要是用来建立无线信道,接收和发出短消息。
单片机系统用来控制手机模块,并且对收到的短消息信息进行解释并执行,目前全国共有8种短消息格式包含从互联网平台发出的短消息。
本系统采用通信电
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