基于语音识别的家居智能监控系统.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于语音识别的家居智能监控系统学生姓名： 学 号：专 业：测控技术与仪器班 级： 指导教师： 95基于语音识别的家居智能监控系统摘 要智能家居系统大体而言可分为高层的信息娱乐网络和底层的数据采集与网络控制，在底层以微控制器为核心作为智能家居网络结点是目前智能家居的主要实现方式，语音识别技术在我国的研究成果也不是很高，但是用语音识别技术来与家居智能控制相结合是非常创新的。本设计是采用at89c52单片机为核心控制器的智能家居监控系统，系统通过无线nrf905作为信息传输媒介，将语音识别软件收到的具体指令发送至现场对单片机进行控制，从而控制家居的动作；同时现场单片机将数据通过无线发送至主控单片机，通过pc界面实时监控家居各模块的运行状态。该系统的功能模块分为：语音控制窗帘模块、温度检测模块、火焰检测模块和防盗报警模块。通过c#编程，在microsoft speech sdk的基础上实现对家具的智能监控，在pc机界面上直观的看到家居所有情况。关键字：单片机；语音识别； nrf905；温度检测；防盗报警speech recognition-based smart home monitoring systemabstaractgenerally speaking the smart home system can be divided into high-level information and entertainment network，the underlying data collection and network control in the bottom to the microcontroller as the core as a smart home network node，this is the main achievement of smart home way，the speech recognition technology inour research is not very high，but the voice recognition technology to the home intelligent combination of the control is very innovative. the design is using at89s52 mcu core controller intelligent home monitoring system， the system through wireless nrf905 as information transmission medium，that specific instructions received by the voice recognition software is sent to the scene to control the mcu to control the actions of home；at the same time the scene scm data through the wireless sent to the host microcontroller，real-time monitoring via a pc interface home run of the module state. the functional modules of the system is divided into，the voice control the curtains module temperature detection module，the flame detection module，and burglar alarm module. on the basis of the microsoft speech sdk， c # programming，intelligent monitoring of the furniture intuitive interface of the pc，see the home in all cases.keywords: scm；speech recognition；nrf905；temperature detection；burglar alarm目 录摘 要iabstaractii第一章 引言11.1 智能家居概述11.2 智能家居的发展现状21.3 智能家居的功能及意义31.4 speech sdk简介31.4.1 语音识别引擎接口41.4.2 语音合成引擎接口41.5 语音识别的发展历史及应用领域51.5.1 国外研究历史及现状51.5.2 国内研究历史及现状6第二章 智能家居监控系统的方案设计82.1 系统实现过程分析82.2 单片机最小系统板设计82.2.1 主控模块92.2.2 现场控制模块102.2.3 无线通信模块112.2.4 电源模块122.2.5 串口通信132.3 智能家居监控系统模块化设计13第三章 智能家居监控系统硬件设计153.1 直流电机驱动电路设计153.1.1 直流电机的工作原理153.1.2 直流电机驱动芯片l298简介153.1.3 直流电机硬件电路设计163.2 通风模块硬件设计173.2.1 温度传感器ds18b20概述173.2.2 通风模块硬件电路设计183.3 防盗报警模块硬件设计203.4 无线通信模块电路设计21第四章 智能家居监控系统软件系统设计234.1 主控模块程序设计234.1.1 主要实现功能分析234.1.2 主控模块系统流程图234.2 现场控制模块程序设计244.2.1 现场控制模块功能分析244.2.2 现场控制模块程序流程图244.3 温度检测及通风模块软件设计254.3.1 ds18b20测温数据的读取程序设计254.3.2 ds18b20温度读取流程294.4 无线nrf905模块程序设计304.4.1 shockburst tx 发送流程304.4.2 shockburst rx 接收流程314.4.3 节能模式及spi时序314.4.4 无线nrf905程序流程图32第五章 上位机界面设计365.1 c#及.net简介365.1.1 c#的发展历程365.1.2 .net的发展及应用375.2 上位机登录界面的开发过程385.2.1 登录界面简介385.2.2 登录界面设计过程385.3 主界面的开发过程435.3.1 具体代码添加475.3.2 数据的读取及显示47第六章 语音识别功能的设计与实现486.1 speech sdk 5.1的工作原理486.2 语音识别的具体应用49总结50参考文献51附录a 单片机最小系统版原理图及pcb图52附录b 实物图55附录c 现场控制源程序56附录d 主控程序76附录e 上位机主程序87附录f 上位机数据读取及显示代码92致谢94内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引言智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（united techno1ogies building system）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（conneticut)哈特佛市（hartford）的cityplacebuilding时，才出现了首栋的智能型建筑，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。1.1 智能家居概述20世纪80年代初， 随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了home automation住宅自动化概念。80年代末，通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国称为smart home，也就是现在智能家居的原型。最终完整的定义为: 智能家居(smart home)是利用先进的电子技术、网络通讯技术和综合布线技术等，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起的系统。智能家居不仅具有传统的居住功能，并且通过在家中建立的通讯网络，实现对家庭中的各种与信息相关的设备、家用电器及保安装置，进行集中的或远程的监控和管理，使人们的生活更加安全、便利、舒适和符合环保。目前智能家居系统总体包括照明控制系统、家居安防系统、环境控制系统、电器控制系统、电话远程控制系统、智能化协同工作系统等。其目标就是：“将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术(hbs)连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调”。智能家居主要包括以下内容：（1）家居布线系统：家庭智能化的实现，第一步就要进行家庭布线家居布线系统把电话、有线电视、电脑网络、影音系统、家庭自动化控制系统的布线统一规划、布局、集中管理，通过家居综合布线可以实现自动化的控制。（2）家居安防系统：家居安防系统可以有效的利用技防手段来实现安全防范。家居安防系统主要指防盗报警。（3）家庭自动化系统：家庭自动化的主体是家电、照明等电气设备的控制。家庭自动化系统能够通过集中或者分布式控制家庭内部照明或者家电，家居自动化系统是将来智能家居的主要发展方向。1.2 智能家居的发展现状在我国智能家居引起越来越多的关注，随着人民生活水平的提高，人民对于居住环境智能化、舒适程度等要求会越来越高，这给智能家居的发展提供了很大的市场空间。由于我国的居住模式和发达国家存在很大的差别，我国人口众多，城市多以密集型住宅为主，这造成了国内外在智能家居的发展和技术上存在了很大的差别。国内智能化更多的注重于整个小区智能化的建设。最早从做对讲开始，并且逐渐由过去的非可视对讲过渡到目前的以黑白可视对讲为主流，同时一些集成了安防功能、抄表功能、短消息等功能的对讲产品出现并在一些地区应用。由于可视对讲的发展迅速，一些厂家的宣传，给人造成了一种错误的观念，小区只要做了可视对讲或者综合布线就称的上智能化小区。随着对智能家居的认识越来越深入，人们逐渐意识到智能化的真正主体是家居的智能化，更多的体现在家庭内部自动化。所以上个世纪90年代后期，一些企业开始引入国外的智能家居技术和产品在国内推广，还有一些大的集团公司也看好该领域，通过各种途径介入，促进整个行业迅速发展。智能家居是it技术（特别是计算机技术）、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。由社会背景之层面来看，近年来信息化的高度发展，通信的自由化与高层次化，业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加，在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通信技术的成长，也促成了智能家居的诞生。智能家居是一个多功能的技术系统，国内目前的产品比较杂乱，但从实现控制的方式来看基本上采用总线制、电力线载波、无线等方式，在网络连接方面基本上采用总线制联网、电话联网或者通过以太网方式来实现。国内智能家居基本由以下几个方向演变而来：传统的可视对讲、家庭防盗产品生产厂家也有一定的电子开发、生产等经验，在其原有产品基础上增加控制功能和其他一些功能，来实现家庭自动化，这些公司有一定的工程、设计院等关系和网络，并利用原对讲产品市场来推广产品。传统的家电企业、it企业看好该领域，这些企业结合其在家电控制领域、it领域的优势开发出智能家居的产品，能更好地和家电结合在一起，他们利用自己的渠道优势和市场影响力，积累多年的管理经验、生产经验和良好的售后服务、企业信誉来打开市场。1.3 智能家居的功能及意义智能家居（smart home）频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如：电子家庭（electronic home）、e-home、数字家园（digital family）、家庭自动化（home automation）、家庭网络（home net/networks for home）、网络家居（network home）、智能化家庭（inte1ligent home）等等几十种，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。1.4 speech sdk简介微软的speech sdk是是微软提供的软件开发包，其中包含了语音识别和合成引擎相关组件、帮助文档和例程，它是个语音识别和合成的二次开发平台。我们可以利用这个平台，在自己开发的软件里嵌入语音识别和合成功能，从而使用户可以用声音来代替鼠标和键盘完成部分操作，例如：文字输入、菜单控制等，实现真正的“人机对话”。speech sdk是基于com的视窗操作系统开发工具包。这个sdk中含有语音应用程序接口（sapi），微软连续语音识别引擎（mcsr）以及串联语音合成（又称文本到语音）引擎（tts）等等。图1.1 sapi框架图sapi 中还包括对于低层控制和高度适应性的直接语音管理，训练向导，事件，语法，编译，资源，语音识别管理以及文本到语音管理，其结构如图1.1所示。在图1.1中，语音框架主要靠sapi运行来实现应用程序与语音引擎之间的协作，而sapi提供各种接口实现不同的语音功能，sapi使得应用程序和语音引擎之间高度紧密的结合，实时处理各种语音引擎在底层工作中的细节。本系统会同时使用到speech sdk的语音识别引擎和tts合成引擎因此，对这两个引擎的相关控制命令介绍如下。1.4.1 语音识别引擎接口(1)识别上下文(1sprecocontext)接口：是主要的语音识别程序接口，主要用于发送和接收与语音识别相关的消息通知，创建语法规则对象。(2)语音识别引擎(1spreeognizer)接口：用于创建语音识别引擎的实例。sapi拥有两种不同的语音识别引擎类型，一个是共享的语音识别引擎 (sharedrecognizer)。由于它可以与其他语音识别应用程序共享其程序资源，所以在大多数场合中被推荐使用。需要建立一个采用共享语音识别引擎的识别环境(isprecocontext)。一个是独占(1nprocrecognizer)的引擎，它只能由创建的应用程序使用，而共享引擎可以提供多个应用程序使用。(3)语法规则(isprecogrammar)接口：定义引擎需要识别的具体内容，创建、载入和激活识别用的语法规则。(4)识别结果(ispvoice)接口：用于获取识别的结果，包括识别的文字，识别的语法规则等。1.4.2 语音合成引擎接口语音合成(ispvoice)接口：主要功能是实现文本到语音的转换。它的作用如使用ispvoice：speak来从文本数据生成语音，从而使电脑会说话。当处于异步工作时，可以使用ispvoiee：cetstatus来获得发音状态及文本位置等。在接口中，有许多成员函数，通过这些成员函数可以实现对发音频率、发音音量等合成属性进行调整。在c#中，我们通过实现ispvoice接口的spvoice类来实现语音合成。具体步骤如下：(1)首先创建spvoice类的对象；(2)利用对象成员函数设置语音属性，如果不设置，则按默认方式处理；(3)调用对象成员函数speak函数来朗读指定文本speak函数需要两个参数，第一个参数指明需要朗读的文本。第二个参数指明发音方式。1.5 语音识别的发展历史及应用领域1.5.1 国外研究历史及现状语音识别的研究工作可以追溯到20世纪50年代at&t贝尔实验室的audry系统，它是第一个可以识别十个英文数字的语音识别系统。但真正取得实质性进展，并将其作为一个重要的课题开展研究则是在60年代末70年代初。这首先是因为计算机技术的发展为语音识别的实现提供了硬件和软件的可能，更重要的是语音信号线性预测编码（lpc）技术和动态时间规整（dtw）技术的提出，有效的解决了语音信号的特征提取和不等长匹配问题。这一时期的语音识别主要基于模板匹配原理，研究的领域局限在特定人，小词汇表的孤立词识别，实现了基于线性预测倒谱和dtw技术的特定人孤立词语音识别系统；同时提出了矢量量化(vq) 和隐马尔可夫模型(hmm) 理论。随着应用领域的扩大，小词汇表、特定人、孤立词等这些对语音识别的约束条件需要放宽，与此同时也带来了许多新的问题：第一，词汇表的扩大使得模板的选取和建立发生困难；第二，连续语音中，各个音素、音节以及词之间没有明显的边界，各个发音单位存在受上下文强烈影响的协同发音（co-articulation）现象；第三，非特定人识别时，不同的人说相同的话相应的声学特征有很大的差异，即使相同的人在不同的时间、生理、心理状态下，说同样内容的话也会有很大的差异；第四，识别的语音中有背景噪声或其他干扰。因此原有的模板匹配方法已不再适用。实验室语音识别研究的巨大突破产生于20世纪80年代末：人们终于在实验室突破了大词汇量、连续语音和非特定人这三大障碍，第一次把这三个特性都集成在一个系统中，比较典型的是卡耐基梅隆大学(carnegie mellon university)的sphinx系统，它是第一个高性能的非特定人、大词汇量连续语音识别系统。这一时期，语音识别研究进一步走向深入，其显著特征是hmm模型和人工神经元网络(ann) 在语音识别中的成功应用。hmm 模型的广泛应用应归功于at&t bell 实验室rabiner 等科学家的努力，他们把原本艰涩的hmm纯数学模型工程化，从而为更多研究者了解和认识，从而使统计方法成为了语音识别技术的主流。统计方法将研究者的视线从微观转向宏观，不再刻意追求语音特征的细化，而是更多地从整体平均（统计）的角度来建立最佳的语音识别系统。在声学模型方面，以markov链为基础的语音序列建模方法hmm（隐式markov链）比较有效地解决了语音信号短时稳定、长时时变的特性，并且能根据一些基本建模单元构造成连续语音的句子模型，达到了比较高的建模精度和建模灵活性。在语言层面上，通过统计真实大规模语料的词之间同现概率即n元统计模型来区分识别带来的模糊音和同音词。另外，人工神经网络方法、基于文法规则的语言处理机制等也在语音识别中得到了应用。20世纪90年代前期，许多著名的大公司如ibm、苹果、att和ntt都对语音识别系统的实用化研究投以巨资。语音识别技术有一个很好的评估机制，那就是识别的准确率，而这项指标在20世纪90年代中后期实验室研究中得到了不断的提高。比较有代表性的系统有：ibm公司推出的via voice和dragon system公司的naturally speaking， nuance公司的nuance voice platform语音平台，microsoft的whisper， sun的voicetone等。其中ibm公司于1997 年开发出汉语viavoice 语音识别系统，次年又开发出可以识别上海话、广东话和四川话等地方口音的语音识别系统viavoice98 。它带有一个32 000 词的基本词汇表，可以扩展到65 000 词，还包括办公常用词条，具有纠错机制，其平均识别率可以达到95 %。该系统对新闻语音识别具有较高的精度，是目前具有代表性的汉语连续语音识别系统。1.5.2 国内研究历史及现状我国语音识别研究工作起步于五十年代，但近年来发展很快。研究水平也从实验室逐步走向实用。从1987年开始执行国家863计划后，国家863智能计算机专家组为语音识别技术研究专门立项，每两年滚动一次。我国语音识别技术的研究水平已经基本上与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点与优势，并达到国际先进水平。中科院自动化所、声学所、清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、中国科技大学、北京邮电大学、华中科技大学等科研机构都有实验室进行过语音识别方面的研究，其中具有代表性的研究单位为清华大学电子工程系与中科院自动化研究所模式识别国家重点实验室。清华大学电子工程系语音技术与专用芯片设计课题组，研发的非特定人汉语数码串连续语音识别系统的识别精度，达到94.8%（不定长数字串）和96.8%（定长数字串）。在有5%的拒识率情况下，系统识别率可以达到96.9%（不定长数字串）和98.7%（定长数字串），这是目前国际最好的识别结果之一，其性能已经接近实用水平。研发的5000词邮包校核非特定人连续语音识别系统的识别率达到98.73%，前三选识别率达99.96%；并且可以识别普通话与四川话两种语言，达到实用要求。 中科院自动化所及其所属模式科技(pattek)公司2002年发布了他们共同推出的面向不同计算平台和应用的天语中文语音系列产品pattek asr，结束了中文语音识别产品自1998年以来一直由国外公司垄断的历史。第二章 智能家居监控系统的方案设计2.1 系统实现过程分析在此设计中，主要体现了无线收发一体化，即无线在始终的进行着收和发，这样能更好的实现实时性。主控通过at89c52单片机做控制，将数据通过串口发送至电脑上，通过上位机界面显示，在微软公司的语音识别包的基础上，以电脑为载体，可以通过语音来控制家中电器的工作，同时了解家中一切是否正常。这种方案的最大好处在于能够帮助一些行动不便的老人或者一些残疾人，在不需要走动的情况下了解家中安全状态，且可通过说话来直接控制家中电器的工作。如图2.1所示。图2.1 系统整体结构框图2.2 单片机最小系统板设计本设计采用自己设计的最小系统开发板，分为四个模块，主控模块、现场控制模块、通信模块、电源模块。下面分别介绍各个模块。2.2.1 主控模块该系统采用的是atmel公司生产的at89c52单片机为主控器。at89c52是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，at89c52单片机在电子行业中有着广泛的应用。在单片机的引脚外围固定的引脚，如vcc（40），gnd（20）已经正确固定到电源和地上。x1（18），x2（19）是接晶振的引脚已经外接到11.0592mhz和30pf的电容。rst(9)是单片机的复位引脚，通过rc回路，作为单片机的上电复位。作为p3口的第二功能端口，p3.0（10），p3.1（11）为单片机的通信引脚，和max232芯片连接。方便在下载程序时，只要上电复位即可完成下载的硬件操作。另外，为了提高p0口的驱动能力，在p0口的各引脚上接了上拉电阻5.1k到电源vcc=5v。采用一片max232，为rs232与ttl电平的转换，使得可以方面使用电脑的com口，对单片机进行程序的烧录。图2.2 主控模块晶振电路图2.3 复位电路另外，通过单片机驱动无线模块，无线模块在数据传输过程中起到了至关重要的作用，先简单介绍下主控单片机原理图，如果想让单片机正常工作，最重要的是晶振电路和复位电路了，其原理如图2.2和2.3所示。2.2.2 现场控制模块这个控制模块也是以at89c52为主体，通过读取无线接收到的数据或者通过将数据通过无线发送至主控，同时通过12864液晶显示器显示现场得到的数据。at89c52主体电路如图2.4所示。图2.4 at89c52主体电路12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，它具有屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。是比较常用的显示器，基本电路图如图2.5所示。图2.5 12864液晶显示原理图为了测试按键程序，我设计了1个按键，已备使用，电路图如图2.6所示。图2.6 按键原理图该模块还设计了一个蜂鸣器电路，蜂鸣器是用三极管8550来驱动的，如果单片机的输出信号为低电平给三极管的基极，三极管就会道通，蜂鸣器两端分别接到了高低电平，蜂鸣器响。电路图如图2.7所示。图2.7 蜂鸣器原理图 2.2.3 无线通信模块通信模块由无线nrf905来实现，本设计中采用的无线传输距离由资料数据显示为两百米，完全能够实现在家中的信息传递。设计电路如图2.8所示。图2.8 无线模块电路2.2.4 电源模块电源模块是为了整个系统版供电而设计的，此模块的设计采用的是外部直流电源供电，输出电压为5v，电流为1a。图2.9 电源模块原理图最关键的是无线模块的供电要求电压为3.3v左右，因此又设计了一个无线供电模块，分别如图2.9和2.10所示。图2.10 无线供电模块2.2.5 串口通信在单片机近距离通信中，用的最广的是串口通信，以max232为核心，通过单片机的程序驱动，从而实现单片机与上位机的通信，同时为了能够实现更远距离的通信，也可以选用max485，但必须用到电平转换。具体max232的串口通信电路如图2.11所示。图 2.11 串口通信电路图2.3 智能家居监控系统模块化设计所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统。根据模块化设计思路和整个系统所要实现的功能，可以讲此系统分为五大模块来设计：（1）门禁模块主控器采用矩阵键盘，矩阵键盘有按键按下时，被按下按键处的行线和列线被接通，使得开关之间接通，并且在液晶显示器上显示相应的数值，当输入密码正确时，主控器发出信号使得绿灯亮，并且控制电机转动，打开门，输入密码错误时，控制器输出为高电平，红灯点亮，电机不转动，再次输入新密码，当输入密码超过三次以上，就会产生报警信号。（2）火焰检测模块火焰检测模块主要来探测家中是否有火灾发生，是通过检测火焰中的红外线来完成的。但与防盗模块是有区别的，主要体现在该模块的检测是比较灵敏的，因为加了一个电容，该电容的存在使得火焰传感器的输出电平变化更加迅速。（3）通风模块采用温度传感器ds18b20测量室内的温度，当测量到的室内温度值达到一定的上限值时，控制器向电机发出命令，使得电机转动，打开窗户，同时打开风扇；室内温度低于上限时，主控器控制风扇关闭，电机不转，当室内温度低于设定下限值，电机反转，窗户关闭。（4）光控照明模块该模块的存在使得家中光线强度始终处在一种比较稳定的范围内，白天有光照时，光敏电阻传感器对外部环境进行采光，此时阻值小，灯基本上都处于关状态，但遇到阴天会有个别的灯亮；天黑时，光敏电阻传感器阻值变大，此时通过ad转化判断得到输出电压较小，小于设置的值时，就会有灯打开，越黑打开的灯越多，具有节能的作用。（5）防盗报警模块防盗报警模块采用了红外对管来实现，将该装置安装在门上，当主人进入时会通过无线发送解锁指令给单片机，从而红外对管的输出点平不会发生变化，倘若不是主人进入，则会触发门上安装的红外对管传感器，此时红外接收管不会接收到红外信号，从而输出电平从低电平迅速变为高电平，当单片机检测到电平变化时，会马上通过无线发送至主控单片机，通过pc界面可以直观的看到是否有人进入。第三章 智能家居监控系统硬件设计3.1 直流电机驱动电路设计3.1.1 直流电机的工作原理直流电机由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。电机定子的外壳称为机座，有固定主磁极的作用。电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。直流电动机的基本工作原理：在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。由直流电动机的工作原理可以看出，直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。3.1.2 直流电机驱动芯片l298简介l298n是st公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46v；输出电流大，瞬间峰值电流可达3a，持续工作电流为2a；额定功率25w。内含两个h桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用l298n芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。l298引脚图如图3.1所示。图3.1 l298引脚图3.1.3 直流电机硬件电路设计本设计采用的直流电机工作电压为5v，结合直流电机驱动芯片l298的工作原理。此驱动模块不仅能够驱动直流电机，也能驱动步进电机，并且可以同时驱动两个电机。驱动电压可以在512v之间随意变化，当l298的选通端接高电平时即一端被选通，通过改变输入引脚的电平变化可以控制电机的正反转。该电路设计的创新之处在于光耦的接入，它完全实现了电路前面和后面电路的隔离，使得驱动电压可以在512v随意变化。设计出的电机驱动原理图如图3.2所示。图3.2 直流电机硬件电路3.2 通风模块硬件设计3.2.1 温度传感器ds18b20概述温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置，型号有很多，数字式温度传感器常用的有ds18b20、ds1820等。此设计采用的是ds18b20。ds18b20是dallas公司生产的一线式数字温度传感器，是世界上第一片支持“ 一线总线”接口的温度传感器， 在其内部使用了在板(on-board)专利技术。具有3引脚to92小体积封装形式；温度测量范围为55125，可编程为9位12位a/d转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个ds18b20可以并联到3根或2根线上，cpu只需一根端口线就能与诸多ds18b20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。ds18b20内部结构如图3.3所示，主要由4部分组成：64位rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器th和tl、配置寄存器。ds18b20的管脚排列中，dq为数字信号输入输出端，gnd为电源地，vdd为外接供电电源输入端。图3.3 ds18b20内部结构框图rom中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该ds18b20的地址序列码，每个ds18b20的64位序列号均不相同。64位rom的排的循环冗余校验码（crc=x8x5x41）。rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的。ds18b20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/lsb形式表达，其中s为符号位。例如125的数字输出为07d0h，25.0625的数字输出为0191h，25.0625的数字输出为ff6fh，55的数字输出为fc90h。ds18b20主要特性如下：适应电压范围更宽，电压范围：3.0v5.5v，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，ds18b20 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的双向通讯；ds18b20支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；ds18b20在使用中不需要任何外围元件， 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温度范围-55+125 ，在-1085 时精度为0.5；可编程的分辨率为9-12位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“ 一线总线”串行传送给cpu，同时可传送crc校验码， 具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。3.2.2 通风模块硬件电路设计通风模块实现的功能是当室内的温度高于设定值时从窗户自动打开，实现通风，同时打开室内的空调或者风扇，加快降温速度。温度的测量是采用数字温度传感器ds18b20，外围电路如图所示。当ds18b20正在执行温度转换或从高速暂存器epprom传送数据时，工作电流可达1.5ma，这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时cpp（寄生电源储能电容）无法提供。 图3.4 ds18b20接线图为了保证ds18b20有充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到eeprom操作时，必须给单总线一个上拉电阻，一般为10k的上拉电阻，根据距离远近可以适当调节阻值，距离近时减小阻值，但不能低于2.1k，否则ds18b20将无法复位。硬件电路如图3.4所示。在外部电源供电方式下， ds18b20工作电源由vdd引脚接人， 不存在电源电流不足的问题， 可以保证转换精度， 同时在总线上理论可以挂接任意多个ds18b20传感器， 组成多点测温系统。注意在外部供电的方式下， ds18b20的gnd引脚不能悬空， 否则不能转换温度， 读取的温度总是85。ds18b20测量的温度送入控制器，控制器相应的io口输出高低电平，如果用单片机输出的高低电平直接驱动直流电机，直流电机是不转动的，原因是根据直流电机的工作原理，电机转动需要很大的电流，而单片机io口输出的电流不足以驱动直流电机.单片机的io口可以控制三极管，三极管在此起的是开关作用，这样做的优点是可以用一个端口来控制电机驱动芯片，接线图如右图所示。当npn三极管8550，输入高电平时，三极管道通，在三极管和电阻之间取出来的电压应为低电平，当基极输入低电平时，三极管截止，此点取出来的电压则为高电平。这样就可以控制电机驱动芯片l298工作，使得l298输入端口接收到高低不同的电压信号，实现电机的正反转。具体的工作过程如下所述，如果测量的温度大于控制器设定的温度，控制器相应的端口输出高电平，npn三极管导通，l298输入端口为高电平，输入端口为低电平l298电机控制芯片因为两个输入端口接收到了高低电平，所以正传，窗户打开，同时led绿灯点亮，在此led绿灯代表的是空调或者是风扇的开关。当窗户移动到尽头时，接触到窗户框架安装的限位开关，此时l298输入端口因接地变为低电平，电机停转。同样的道理，温度传感器测量的温度低于设定值时，控制器相应的端口输出低电平，npn三极管截止，l298输入端口为低电平，输入端口为高电平，芯片的输入端口因为接收到了与刚才恰好相反的高低电平，电机反转，窗户关闭，led绿灯灭，红灯亮，表示空调或者风扇关闭，窗户关闭。 3.3 防盗报警模块硬件设计红外对管的结构：直径：3mm，波长：940nm，工作电压：1.2v，工作电流：20ma，测量距离：20cm。波段为红外光，受可见光干扰小。红外对管包括红外发射及接受，当红外接收管接收到红外信号时，引脚电平将会发生变化，通过检测输出端电平的变化，从而得知是否有人强行进入。（1）红外发射电路红外发射电路跟普通二极管的接法是一样的，不同之处在于发射的红外光线是肉眼看不到的，这也使得红外对管在防盗中能够做到神不知鬼不觉的效果，具体电路图如图3.5所示。图3.5 红外发射电路图（2）红外接收电路红外接收电路在灵敏度上来说应该做到反应迅速，这样在设计该电路的时候要特别注意在有红外信号接收时红外输出端的电平变化。要特别注意的时红外接收管必须反接，这样才能正常工作。具体电路图如图3.6所示。在该电路上加了个电容，主要作用有在没有红外接收的时候，起到了稳定电压的作用，当有红外信号接收的时候，电容正负极相接，电容迅速放点，使得输出端从高电平迅速变为低电平。另外，10k的电阻是为了保护单片机芯片不会变大电流所烧坏。图3.6 红外接收电路图3.4 无线通信模块电路设计nrf905是挪威nordic vlsi公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6v，32引脚qfn封装(55mm)，工作于433/868/915mhz三个ism(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nrf905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， shockbursttm工作模式，自动处理字头和crc(循环冗余码校验)，使用spi接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dbm的输出功率发射时电流只有11ma，工作于接收模式时的电流为12.5ma，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nrf905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。 nrf905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。 nrf905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是shockbursttm接收模式和shockbursttm发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nrf905的工作模式由trx_ce、tx_en和pwr_up三个引脚决定.1shockbursttm模式与射频数据包有关的高速信号处理都在nrf905片内进行，数据速率由微控制器配置的spi接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nrf905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于nrf905工作于shockbursttm模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在shockbursttm接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(am)和数据准备好(dr)两引脚通知微控制器。在shockbursttm发送模式，nrf905自动产生字头和crc校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nrf905的shockbursttm收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。无线模块的设计中天线的设计是至关重要的，对于一个无线模块而言，良好的天线是能够准确接收的关键，具体设计电路如图3.7所示。图3.7 无线通信模块电路图第四章 智能家居监控系统软件系统设计4.1 主控模块程序设计4.1.1 主要实现功能分析在智能家居监控系统中，主控模块是非常重要的，首先要做到无线收发的一体化，同时要实时的将接收到的数据通过串口发送到上位机界面，然后通过上位机显示接收的数据的内容。其次在上位机有具体指令的时候，通过串口将数据发送至主控单片机，单片机通过判断及程序控制，通过无线nrf905将数据发送至现场控制单片机。4.1.2 主控模块系统流程图主控模块主要实现对现场单片机的控制及接收现场单片机发送的数据，通过语音识别软件来控制家中电器的工作。基本流程如图4.1所示。图4.1 主控模块程序流程图4.2 现场控制模块程序设计4.2.1 现场控制模块功能分析现场控制模块同样能实现无线nrf905的收发，这样能够保证既能接收主控单片机发出的指令并执行相应的动作，同时能够将数据发送至主控单片机。在现场控制单片机中主要实现以下几部分的功能：（1）温度检测模块温度检测通过ds18b20传感器检测，ds18b20温度传感器是美国dallas半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出北侧温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。温度传感器读取家中实时温度，经无线nrf905发送至主控界面显示。（2）红外防盗通过红外对管实现对开关门的实时监控，当不在允许范围时强行进入的时候就会发出报警，此时主要是送至单片机的电平发生了变化。（3）火焰判断通过火焰传