物联网的家庭传感器网络组网设计毕业论文

本科毕业论文（设计） 题 目 物联网的家庭传感器网络组网设计 学生姓名 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 年 月 日 教学单位 学生学号 200995014013 编 号 II 物联网的家庭传感器网络组网设计 摘要 本系统在正常工作时，用户通过手机发送指令，指令被 GSM 模块接受并将指令传送给单片机，单片机处理信号发出控制指令通过继电器等控制电路的通断、电动机的正转反转等达到控制家用电器设备的效果。 本系统是基于全球移动通信系统进行设计的。系统采用 GSM模块进行短信收发，以 STC89C52RC 单片机系统为控制核心，进行信息的反馈和远程控制，从而实现远程报警、远程控制等功能。 关键词 :GSM模块 单片机 III The networking design of home sensor based on the Internet of things Abstracts When this system works in good condition, the users could send messages through cell phone or telephone .the GSM module accept the instructions and send it to the microcontroller. The SCM processes signals, send the orders out and control the on-off switch or the forward/reversal of the electromotor to control household appliances. This system is designed on the basis of the global mobile communication system. The system, which with the core of STC89C52RC SMS,sends and receives messages by using GSM module. It can realize the functions of remote alarm, remote control through giving information feedback and controlling appliances remotely. Key words: GSM module singlechip IV 目 录 1.前言 . V 2.系统的总体设计方案与主要功能 . VI 2.1系统的总体设计方案 . VI 2.2系统主要功能 . VII 3.1传感器单元硬件设计方案 . VIII 3.2控制系统单元硬件设计方案 . IX 3.3 GSM 模块 方案 . IX 3.4电源模块方案 . X 4 硬件电路设计 . XI 4.1 GSM与单片机硬件连接 . XI 4.2执行机构电路 . XI 5 系统软件设计 . XIII 5.1系统流程图 . XIII 5.2 AT 指令 . XIV 6.各模块核心程序 . XV 6.1GSM 模块收发程序 . XV 6.2 烟雾传感器模块核心代码： . XXII 6.3 DS18B20 核心代码： . XXIII 6.4 ADC0809 功能核心代码 . XXVII 结论 . XXX 参考文献 . XXXI 谢 辞 . XXXII V 1.前言 随着经济的快速增长 ，快节奏的生活状态得人们越来越注重生活的质量和品位，人们对舒适，方便，高效的生活环境的渴望愈来愈强烈。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已经成为当今世界的一个热点问题。目前国内外各种类型的智能家居产品越来越多，但其中大部分是基于电话网的安防控制系统，并且只是应用于高档住宅。一般的普通民众都无法接受其高昂的价格。并且目前国内固定电话的用户正在急剧减少，手机用户的数量在飞速增长。所以一种价格低廉且功能齐全的基于 GSM 模块的的家居智能控制系统就将应运而生。 本系统介绍的家居智能控制系统采用 GSM 模块进行短 信收发，以 STC89C2RC芯片为控制核心，实现远程控制、信号采集、远程报警等功能。 VI 2.系统的总体设计方案与主要功能 2.1 系统的总体设计方案 G S M 模 块短 信 收 发红 外 传 感器外 部 驱 动电 路各 类 家 用电 器单 片 机 控 制系 统烟 雾 传 感器温 度 传 感器R S 2 3 2 串 口 图 1 系统总体结构框图 系统的总体结构框图如图 1所示。当用户家里有盗贼出入或者门窗没有关好，发生火灾或者煤气泄漏，温度低于或者高于预设温度时相应的传感器发出信号，此时数据采集模块将传感器发出的信号转换成数字量，然后送给单片机控制系统进行计算和分析后，通过 RS232串口将数据传 送给 GSM 模块将家里即时信息发送到用户手机上，同时单片机控制系统将控制启动相应的执行机构，如打开启动报警器，打开照明灯，打开电磁阀，打开空调等等。当 GSM 模块接受到用户短信指令后，将其转换成数字量，通过串口送给单片机系统分析指令的意思，然后开启相应的家电设备，比如提前打开灯，电视，热水器，或者空调，实现远程控制功能。 智能家居系统各单元的组成与功能简介： 1. 传感器单元：传感器单元主要包括有红外传感器、烟雾传感器、温度传感器等，主要是对家中各指标进行检测，例如烟雾浓度，温度高低等，并将这些离散量装换成数字量送给 控制系统单元。 2. 控制系统单元：控制系统单元主要有 STC89C52芯片和外部必要的复位、电源电路等构成。主要是对传感器单元和 GSM 模块传送过来的数据进行分析和 VII 计算，从而发出正确的指令。 3. GSM模块单元： GSM全称为全球移动通讯系统。是用户与系统通讯连接的最重要的单元。 4. 电源模块：采用 UPS供电，保证系统能在断电的情况下能正常运行。 2.2 系统主要功能 1. 远程 控制功能： 该系统能 接收 并识别 用户发送来的控制命令并由单片机 处理，来实现不同家电工作及停止功能。 2. 远程报警功能：在用户住宅出现异常情况时，比如 火灾 、盗贼入侵、门窗未关好等，系统 会自动发送报警短信给预先设定手机号码的用户 ，同时启动现在相关的执行机构，如启动报警器等 。 3. 永不断电功能：系统采用 UPS电源供电， 在断电时可继续工作 ， 可以 在断电情况下监控家里安全信息， 克服了停电时不能报警等缺点。 VIII 3.硬件技术方案 硬件的技术方案包括传感器单元硬件设计方案，控制系统单元硬件设计方案， GSM 模块单元硬件选择方案，电源模块硬件选择方案。 3.1 传感器单元硬件设计方案 本系统传感器单元包括红外传感器、烟雾传感器、温度 传感器和 A/D 转换模块。 1. 红外传感器采用主动红外探测器，主动红外探测器由红外发射机，红外接收机和报警控制器组成。红外发送端和接收端之间有一道红外光束，当人体穿越此光束时，必将部分或全部遮挡红外光束，接收端输出电信号的强度会发生变化从而启动报警控制器发出报警信号，同时发报警短信信息给用户。 2. 烟雾传感器采用 MQ-2，它是一种电阻控制型的气敏器件，其阻值随被测气体的浓度（成分）而变化。气敏器件又是一种“气 电”传感器件，它将被测气体的浓度（成分）信号转换成相应的电信号。其响应时间 5s,恢复时间 30s。探测液化 气的浓度在 300ppm-5000ppm。足以满足本系统设计要求。 DS18b201 2 3GNDDQVDD 4. A/D转换模块，主要采用 ADC0809芯片，其主要是将各传感器采集回来的数据转 换成数字量送给 STC89C52RC单片机进行计算和分析。 0809具有 8路模拟输入端口，地址线（ 23-25脚）可决定对哪一路模拟输入作 A/D 转换， 22脚为地址锁存控制，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。 6脚为 AD 转换启动控制，当输入电平由低到高再到低后 A，就开始 A/D 转换。 7脚为 A/D 转换 结束标志，3. 温度传感器采用 DS18B20，它是一种可编程的温度传感器，其内置 EPROM,限温报警功能，最高分辨率 12位，检测温度为 -55 +125，在 -10 +85时精度为 0.5。其外观图 2所示。 1号引脚接地， 2号数据输入 /输出引脚， 3号引脚当工作在寄生电源时，改引脚接地。由于 DS18B20可以由数据线本身提供电源，因此与单片机连接是需要一根数据线和一根地址线。（ 郑峰 .51单片机应用系统典型模块开发大全 P369） 图 2 3 引脚T0-92DS18B20 IX 当 A/D 转换结束时， 7脚输出高电平。 9脚为 A/D 转换数据输出允许控制，当OE 脚为高电平时， A/D 转换数据从端口输出。 3.2 控制系统单元硬件设计方案 控制系统单元主要由 STC89C52RC 芯片及其复位和电源电路组成。 8位STC89C52RC单片机是 STC公式开发的一款增强型的 51单片机芯片。具有低功耗，运行稳定，存储空间大等特点。用户应用程序空间为 8KB。片上集成 512字节 RAM，具有 ISP/IAP 功能，无需专用编程其，可直接通过串口下载用户程序，数秒即可完成。节约购买专用编程器的资金。具有 3个 16位定时 /计数器。最主要的是该芯片与 51芯片兼容，给使用者带来极大的便利。 3.3 GSM 模块 方案 本系统设计使用的 GSM 模块是 Siemens 公司的 TC35I。 TC35I 是西门子公式最新推出的无线模块。，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的 AT 命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发与设计， TC35I 的组成如图 3所示。 TC35I 模块主要由 GSM基带处理器、 GSM 射频模块、供电模块、闪存、 ZIF 连接器、天线接口 6部分组成。作为 TC35I 的核心，基 带处理器主要处理 GSM 终端的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备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。（ 郑峰 .51单片机应用系统典型模块开发大全 P559） R F 模 块G S M 基 带处 理 器F L A S H 存 储 器天 线 连 接 器电 源 模 块芯片连接器ZIFZ 40 图 3 TC35I 的组成框图 X 3.4 电源模块方案 本系统采用 UPS 进行供电，以保证在掉电情况下防盗报警功能依然能正常运行。不间断电源（ UPS）是当交流输入电源（俗称市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，是负载供电不受影 响的装置。其基本结构原理图如图 4所示 整 流器逆 变 器蓄电池市 电负 载 图 4 UPS 基本结构框图 当市电正常时通过整流器将交流电整流成直流点给蓄电池充电，同时通过逆变器又变换成交流电供给负载。当市电断电后，则蓄电池放出直流电通过逆变器逆变成交流电后，继续给负载供电。这样在有市电时供给负载的同时给蓄电池充电，当市电断电时，蓄电池则充当电源通过逆变给负载继续供电，实现不间断供电。 XI 4 硬件电路设计 本系统的硬件电路主要包括 GSM模块与 STC89C52RC芯片的连接 电路和执行机构电路。 4.1 GSM 与单片机硬件连接 GSM与 STC89C52RC 的硬件连接图如图 5所示。 T C 8 9 C 5 2R C 芯 片T X DR X D R X DT X DM A X 2 3 2芯 片G S M 模 块 图 5 GSM 与单片连接原理图 单片机与 GSM 模块的硬件连接 TC35I的数据接口采用串行异步收发， 数据接口配置为 8 位数据位、 1 位停止位、无校验位，可以在 300-115103 bps 的波特率下运行。 由于数据通信电路中 TC35I 数据接口工作在 CMOS 电平，而STC89C52RC芯片工作在 TTL点电平，所以 在 STC89C52RC芯片 和 TC35I 之间加入 TI公式的 电平转换 芯片 MAX232。实现串口通讯的功能。 4.2 执行机构电路 执行机构部分电路如图 6所示。 XII 图 6 执行机构部分电路图 本系统共有八路通过继电器通断实现对电器控制的执行机构电路。单片机管脚通过 10K限流电 阻与三极管基极相连，当相应的管脚呈高电平时，那么相对应的三极管就会导通，信号继电器线圈也就会通电吸合，从而实现家用电器的开关。当单片机管脚输出为低电平时，三极管失去导通电压关断，由于继电器线圈并联了一个续流二极管，此时继电器线圈产生的巨大的感应电流会通过续流二极管与线圈形成通路，最后电能将全部在线圈上消耗，从而感应电流就不会冲向三极管，保证了电路的稳定性和可靠性。 XIII 5 系统软件设计 5.1 系统流程图 开 始初 始 化是 否 接 受到 短 信 指 令启 动 相 应 电器Y E SNO检 测 传 感器 开 关G S M 发 送 操作 成 功 信 息进 入 中 断服 务 程 序N OYES关 中 断红 外 报 警烟 雾 报 警温 度 报 警启 动 报 警 器G S M 发 送 防盗 报 警启 动 报 警 器并 禁 止 空 调开 启G S M 发 送 火灾 报 警启 动 空 调G S M 发 送 高温 报 警中 断 返回Y E SY E SNONOYES中 断 服 务子 程 序结 束图 7 系统流程图 本系统的软件部分由 C语言编写， C语 言有较好的可阅读行和移植性，大大的方便了程序的编写。系统流程图如图 7 所示。首先对系统进行初始化，初始化包括串行通讯口的初始化，中断初始化， TC35I的初始化。然后单片机对是否接受到短信指令和与传感器连接的 I/O 进行循环检测。当 GSM 接收到短信指令时，通过单片机的分析计算启动相应的电器，同时给用户发送操作成功的短消息，然后继续对传感器进行检测，如果没有传感器没有信号，则又返回继续对 GSM是否接收到短信指令进行检测，就这样循环进行检测。当家里发生险情或温度过高时，软件进入中断服务程序，对三个传感器分别进行判断， 然后进行相应的处理同时完成对报警信息的发送。 XIV 5.2 AT 指令 AT指令是以 AT 作首 ， 字符结束的字符串， AT指令的响应数据包在 中。每个指令执行成功与否都有相应的返回。 对 TC35I 的操作均采用 AT 指令，它包含了 GSM 语音和短信息的控制。 其指令格式为“ AT+XXXX”， 根据 AT 指令的GSM07.05 标准，发送和接收中文或中 /英文混合的短信息必须采用 PDU 模式，Text 模式只支持传送英文及数字信息。 根据本系统的要求采用 Text 模式。系统所用基本命令如下： a) 设置短消息发送格式（ 0-PDU， 1-文本 ） AT+CMGF=1； b) 发送短消息 (短消息内容为 “ OK”)AT+CMGS=1 5173236799(用户电话 )OKz（ z 表示 OK+z）； c) 本地中心号码设置 AT+CSCA=+8613800732500（湘潭） ； d) 读取短信息内容 AT+CMGR=1； e) GSM网络状态查询“ AT+CREG?”； f) 删除短息防止溢出 AT+CMGD=1； XV 6.各模块核心程序 6.1GSM 模块收发程序 单片机实现短信自动发送 进行短信发送的前提是短信内容的正确编码。经过以上对短信发送过程的分析，可以 通过单片机对其进行实现。下面是实现程序例程： /*- 函数名： PDU_SMS() 功能 ：发送短信 参数说明： SMS_Center 为短信中心号码 11位 SMS_Telenum为短信接收方的号码 11位 SMS_Context为短信的内容 -*/ int PDU_SMS(char *SMS_Center, char *SMS_Telenum, char *SMS_Context,char is_GB) int i,j； unsigned char len,time； char lens3； time=0； for(i=0；i300；i+) PDU_Codei=PDU_ti； /*-设置短信中心号码 -*/ for (i = 0, j = 0； i strlen(SMS_Center) / 2； i+) PDU_Code6+(j+) = SMS_Center2 *i + 1； PDU_Code6+(j+) = SMS_Center2 *i； XVI PDU_Code6+j+ = F； /在最后补上的 F PDU_Code6+j = SMS_Centerstrlen(SMS_Center) - 1； /*-*/ /*-设置接收号码 -*/ for (i = 0, j = 0； i 4) 9 ? (len 4) + 55: (len 4) + 48； PDU_Code45 = (len &0x0f) 9 ? (len &0x0f) + 55: (len &0x0f) + 48； /*-*/ /*-编码短信内容 -*/ if(is_GB=0)/如果不是 GB 码，短信内容为 ascii 码字符串 for (i = 0,j=0； istrlen(SMS_Context)；i+) szzh16(SMS_Contextj+,lens)； PDU_Code46+i*4 = 0； PDU_Code46+i*4+1 = 0； XVII PDU_Code46+i*4+2 = lens0； PDU_Code46+i*4+3 = lens1； PDU_Code46+i*4 = 0x1a； PDU_Code46+i*4+1 = 0xff； else /短信内容为 GB 码，如果要使手机能够显示，改到 UNICODE 编码 for (i = 0,j=0； istrlen(SMS_Context)；i+) szzh16(int)SMS_Contextj+,lens)； PDU_Code46+i*2 = lens0； PDU_Code46+i*2+1 = lens1； PDU_Code46+i*2 = 0x1a； PDU_Code46+i*2+1 = 0xff； /*-*/ if(PDU_HandShake() do PDU_EnablePDU()； if(is_GB=0) PDU_SetLength(Strlen(SMS_Context)*2)； else PDU_SetLength(Strlen(SMS_Context)； PDU_Send(PDU_Code)； for(i=0；i25；i+) XVIII delay(20000)； sbufcounter=0； counter=0； time+； /判断是否发送成功，如果不成功继续发送，最多 4次，如仍不成功，返回 0 while(strpos(sbuf+strlen(sbuf)-20,G)=-1&time4)； if(strpos(sbuf+strlen(sbuf)-20,G)=-1) return 0； else return 1； /成功的话返回 0 else sbufcounter=0； counter=0； return 0； 以上程序成功实现短信的发送。 单片机对短信的读取与解码 单片机可以通过 AT 指令对短信猫中的短信进行读取，并对读入的短信数据进行分析与解码。 读出的短信格式与发送时的短信编码大致是相同的 ， 下面给出相应的程序例程 。 读取某一条短信，并将其进行显示 ： /*- 函数名： LAD_SMS()(short for Load And Display the Short MessageS) 功能 :用户函数，读取第 n 条短信，并在 LCD 的 (x,y)位置显示出来 -*/ XIX unsigned char LAD_SMS(unsigned char n,unsigned char x,unsigned char y) unsigned char i,len,t； char temp5； char temp13； /IN_Draw_BlankorBlackRect(0,20,30,72,0)； szzh10(n,temp1)； /将 n 转为相应的字符串，如 n=21，则字符串为 21，用以与 AT 指令拼接。 t=85； clear_sbuf()； counter=0； send_s(AT+CMGR=)；/AT+CMGR 为读取短信的 AT 指令 send_s(temp1)；/上面所得的字符串 send(0x0d)； send(0x0a)； for(i=0；i10；i+) delay(10000)； /等待读取完毕 sbufcounter=0； /在收到的数据末尾附加 0 temp0=sbuf23； temp1=sbuf24； temp2=sbuf25； temp3=0； if(sbuf25!=0x0d) t+； for(i=0；i短信空 )； delay(50000)； return 0； XX len-=20； if(len90) /LCD_PutEng(5,96,MTL)； /LCD_PutChn(x,y,短信太长 )； delay(50000)； return 0； for(i=0；ilen；i+) temp0=sbuft+2*i； temp1=sbuft+2*i+1； temp2=0； sbufi=_hex_(temp)； /收到的短信内容是内存方式的显示表示，转为十六进制数 sbufi=0； Analysis_Pro()；/解码后的内容在 sbuf 中，此函数对其进行显示输出 delay(50000)； clear_sbuf()； counter=0； return 1； 检测新短信 ： /*- XXI 函数名： Check_New() 功能 :用户函数，检测有无 新的短信，如果有返回 1，否则返回 0 -*/ unsigned char Check_New() int i； send_s(AT+CMGL=0)； /AT+CMGL=0为读取新短信的 AT 指令 send(0x0d)； send(0x0a)； /发送回车 delay(10000)； /等待接收完毕 if(sbuf12=O) return 0xff； if(sbuf12=+) for(i=18；i23；i+) if(sbufi=,) sbufi=0； return atoi(sbuf+19)； /返回新短信的位置 删除某条短信 ： /*- 函数名： Delete() 功能 :用户函数，删除第 n 条短信 -*/ unsigned char Delete(unsigned char n) char t10； char t15； strcpy(t,AT+CMGD=)； /AT+CMGD 为删除短信的 AT 指令 szzh10(n,t1)； strcpy(t+8,t1)； XXII while(Send_AT_CMD(t)!=1)； delay(60000)； return 1； 6.2 烟雾传感器模块核心代码： uint AD_Conver(uchar port) uchar i； uint AD= 0； CLOCK = 0； CS= 0； EOC=1； port = 4； for (i = 0； i 12； i+) /注意 :在 12 个时钟周期的下降沿产生了数据输出 /在前 4 个时钟周期内 ,TLC2543 已经知道下一次将 if (DOUT)AD |= 0x01； /哪个通道做转换 ,在后 8 个时钟内就一直对此通道 DIN = (bit)(port & 0x80)； /进行采样 ,并保持到第 12个时钟周 期结束 ,此后才 CLOCK = 1； /开始进行 A/D转换 ,转换时间需要10us. _nop_()； _nop_()； _nop_()； /在第 4-8 个时钟周期内输入的是 XXIII 命令控制字 CLOCK= 0； _nop_()； _nop_()； _nop_()； /可根据需要输入 port = 1； AD =1； return AD； #endif 6.3 DS18B20 核心代码： void delay(uint z) /延时函数 uint x,y； for(x=z；x0；x-) for(y=110；y0；y-)； void dsreset(void) /DS18B20 复位，初始化函数 uint i； ds=0； i=103； while(i0)i-； ds=1； i=4； XXIV while(i0)i-； bit tempreadbit(void) /读一位数据函数 uint i； bit dat； ds=0；i+； /i+起延时作用 ds=1；i+；i+； dat=ds； i=8；while(i0)i-； return (dat)； uchar tempread(void) /读一个字节数据函数 uchar i,j,dat； dat=0； for(i=1；i=8；i+) j=tempreadbit()； dat=(j1)； /读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在dat 里 return (dat)； void tempwritebyte(uchar dat) /向 DS18B20 写一个字节数据函数 uint i； uchar j； bit testb； for(j=1；j1； if(testb) /写 1 ds=0； XXV i+；i+； ds=1； i=8；while(i0)i-； else ds=0； /写 0 i=8；while(i0)i-； ds=1； i+；i+； void tempchange(void) /DS18B20 开始获取温度并转换 dsreset()； delay(1)； tempwritebyte(0xcc)； /写跳过读 ROM 指令 tempwritebyte(0x44)； /写温度转换指令 uint get_temp() /读寄存器中存储的温度数据 uchar a,b； dsreset()； delay(1)； tempwritebyte(0xcc)； tempwritebyte(0xbe)； a=tempread()； /读低 8 位 b=tempread()； /读高 8 位 temp=b； temp0；i-) dis_temp(get_temp()； /获取温度并显示 deal(temp)； /进行温度处理 sprintf(buff,%f,f_temp)； /将浮点型温度格式化为字符型 for (i=10；i0；i-) dis_temp(get_temp()； /温度显示 comm(buff)； /串口发送数据 for(i=10；i0；i-) dis_temp(get_temp()； /温度显示 XXVII 6.4 ADC0809 功能核心代码 void control(uchar num1,uchar num2) uint i； uchar s,j； s=num1； for(i=6；i0；i-) p17=0； p15=s%2； s=s/2； p17=1； j=num2； for(i=8；i0；i-) p17=0； p15=j%2； j=j/2； p17=1； p16=1； p16=0； void init() /产生 500khz 信号 TMOD=0x01； TH0=(65536-1)/256； XXVIII TL0=(65536-1)%256；/取余 EA=1； TR0=1； ET0=1； void main() /uchar temp； uchar a1,a2,a3,adval； init()； start=0； oe=0； /P2=0xff； while(1) start=0； start=1； start=0； /w