智能家居模型系统设计

本科学生毕业论文 2014 年 X 月 XX 日 论文题目 智能家居模型系统设计 学 院 电子工程学院 年 级 2010 级 专 业 通信工程 姓 名 张晓锋 学 号 20103516 指导教师 刘勇 I 摘要 关键词 II Abstract Key words 目录 摘要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 1 课题背景 1 1 1 2 研究的目的与意义 1 1 2 智能家居的概况及国内外研究现状 2 1 2 1 国外智能家居控制系统发展状况 2 1 2 2 国内智能家居控制系统发展状况 3 1 3 本文研究内容 3 第二章 智能家居模型系统整体设计 5 2 1 引言 5 2 2 系统总体设计图 5 2 3 系统设计方案 6 2 4 本章小结 6 第三章 智能家居模型系统硬件设计 7 3 1 引言 7 3 2 主控制部分电路 7 3 2 1 控制芯片电路 8 3 2 2 12864 液晶显示模块电路 9 3 2 3 SYN6288 语音模块电路 10 3 2 4 CC1101 无线模块 10 3 2 5 GSM 模块 11 3 2 6 蓝牙模块 12 3 3 传感器节点部分电路 12 3 3 1 传感器节点控制芯片电路 13 3 3 2 红外检测传感器电路 14 3 3 3 火焰传感器检测电路 14 3 3 4 烟雾传感器电路 15 3 3 5 电源模块电路 16 3 4 本章小结 16 第四章 智能家居模型系统软件设计 17 4 1 引言 17 4 2 ICCAVR 编译软件 17 4 2 1 智能家居模型系统控制部分软件架构 17 4 2 2 传感器节点报警信号的采集 18 4 2 3 传感器节点定时器的实现 19 4 2 4 传感器节点串口通信的实现 20 4 3 App Inventor 在线编译器 22 4 4 Altium Designer 硬件板卡设计软件 23 4 5 本章小结 25 第五章 智能家居模型系统功能测试 26 5 1 引言 26 5 2 系统运行状态测试 26 5 3 系统报警功能测试 27 5 4 手机软件连接测试 27 5 5 系统远程控制功能测试 29 5 6 本章小结 29 结论 30 参考文献 31 致谢 32 智能家居模型系统设计 1 第一章 绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 1 1 1 课题背景 随着科学技术的飞速发展 人们生活水平的不断提高 普通的家庭住房已经远远 不能满足人们的生活需求 为了使人们居住的环境更舒适 更方便 更安全 智能家 居便应运而生了 嵌入式系统 自动控制和通信技术等已经深入到起千家万户 深刻 地改变了人们的生活方式 极大的提高了各行各业的生产效率 为整个社会创造了巨 大的财富 然而带给我们普通个人与家庭的好处却少之又少 传统的居住环境并没有 因为这个信息时代的到来而产生改变 加之各种各样的家用电器产品日益增多 生活 水品虽然有所提高 但随之而来的安全问题和分散控制给人们带来了极大的不便 居 民住宅几乎变成了这个信息时代的孤岛 在这样的种种情况下 人们开始越来越关注 自己的居住环境 更加注重居住环境的安全性 舒适性 将各种各样的家用电器产品 有机的结合为一个整体 并可以通过它远程对家用电器进行智能化控制与管理 实现 智能化的新型住所 智能家居是一个新的生产业 现在正处于婴儿期与成长期的临界点上 整体的市 场消费观念并没有形成 但是随着智能家居的进一步普及与推广 培养消费者的使用 习惯 它的市场潜力是巨大的 产业前景一片光明 正是由于这个原因 国内许多优 秀的企业越来越重视对智能家居行业的研究 一些国内的智能家居品牌诞生了 他们 将成为智能家居产业的领头军 智能家居控制系统作为智能家居的核心 他的功能设计必将推动着整个智能家居 市场的发展 整个系统在保证功能同时 提高系统的集成化 简化用户的使用方法 将智能家居更平民化 普及化是未来智能家居的发展趋势 我想智能家居控制系统的 最终成果是将家中所有的设备都有效结合在一起 让我们能够真真正正的享受一个温 馨舒适的家庭生活 智能家居模型系统设计 2 1 1 2 研究的目的与意义 智能家居模型系统设计的目的在于设计并制作一个集智能家庭安防 家电与灯光 自动控制的模拟系统 控制对象为模拟的家庭环境 可以实现家庭的安防报警 远程 布防 远程撤防 家电与灯光的远程控制等 并能够将家中的信息采集并发送出去 为了完成上述研究目标 本设计的具体设计目标为 1 家庭安防 实现家庭门或窗闯入检测 并进行声光报警 2 家庭室内人员闯入的红外无线检测 进行一定范围区域内的人员出现的检 测 并进行声光报警 3 家庭的报警信息能够传送至远程控制端 远程控制端能够及时的看到报警 信息 4 智能家居系统的无线布防与撤防 如家人回到家中 将智能家居系统撤防 离开家的时候 将智能家居系统布防 使系统处于工作状态 5 家庭灯光的无线控制 如模拟三种场景 会客模式 亮度明亮 影院模式 亮度很暗 睡眠模式 亮度适中 6 家庭家电的远程控制 通过远程控制端对家里的灯光 家用电器等的控制 1 2 智能家居的概况及国内外研究现状 要想实现对智能家居控制系统的操控 从而达到远程控制智能家居控制系统以及 家里的家用电器 需要解决的一个关键性问题是组建和接入家庭网络 从网络连接方 面来看 组建家庭网络的工作主要分为两大部分 一方面是在家庭范围内组建各种智 能家居的子系统控制网络 另一方面是这个组建的家庭控制网络与玩不互联网等网络 能够结合在一起 形成一个智能家居网络一体化的网络平台 最终的目标是是家庭中 的各个子系统能够互相连接 通过无线网络语外界环境进行通信 建立一个低成本的 高效率的智能家居网络控制系统是现如今世界智能家居系统 未来发展的一个重要的问题 近年来 国际上许多比较大的公司都提出了许多自己的 解决方案 但是在这个领域到目前为止还没有一个成熟的国际性的标注 各个公司都 是在研究属于自己品牌标准的智能家居控制系统 智能家居模型系统设计 3 1 2 1 国外智能家居控制系统发展状况 1984 年 在美国建立的世界上第一栋智能楼宇 城市空间建筑 开启了智 能家居控制系统的大门 此后 加拿大 德国 日本 新加坡等经济发展比较发达的 国家也相继提出了各种各样的智能家居控制系统方案 但是由于市场经济和策略目标 的不同 一直没有形成一个同意的国际化标准 一直到 20 世纪九十年代初开始 家庭 网络的技术逐渐发展了起来 在国际上比较有影响力的智能家居系统有 美国的 LonWorks 和 X 10 系统 德国的 EIB 系统 新加坡的 8 X 系统以及日本的 HBS 系统 目前应用比较多的系统如表 1 1 所示 表 1 1 国外目前应用比较多的智能家居控制系统 型号产地特点优点缺点 X 10美国使用输电线路实现设备控制无需布线造价比较高 8X新加坡总线集中控制家居设备集中控制灵活性不够 不易扩展 EIB德国有线集中控制方式集中控制安装复杂 造价较高 1 2 2 国内智能家居控制系统发展状况 我国是在 2000 年开始才引进了智能家居控制系统的概念 1999 年 我国建设部 制定了 居住小区智能化建设要点与技术导则 该导则将我国的智能化小区分为三个 星级标准 其中最为基本的系统包括家庭安全防护 智能设备管理以及网络通讯三个 方面 智能家居在我国经历了将近十年的起步阶段 由于投入的资金不足以及开发水 平不够成熟 所以发展非常缓慢 但是随着国家对智能化建筑行业的不断重视以及开 发技术水平的不断提高 已经开始出现了一些智能化产品 比如远程抄表系统 门禁 管理系统 楼宇对讲系统以及医疗救助系统等控制系统 但是这些系统都是分散的 不能实现统一的管理和控制 安装起来也不是很方便 国能的一些知名品牌 比如联 想 海尔 海信等也推出了自己的智能家居产品 但是由于缺乏统一的标准和协议 这些产品并没有真正的进入普通百姓的家中 1 3 本文研究内容 本论文的研究目的是设计并制作一个智能家居模型系统 整个系统包括家庭安防 智能家居模型系统设计 4 远程监控家庭信息 远程智能家电控制等 本论文的各个章节主要内容如下 第二章对整个智能家居模型系统的功能进行了分析后 完成了智能家居模型系统 总体设计 确定了智能家居控制系统的总体方案 第三章从硬件方面入手 对智能家居模型系统的总控制系统以及各个报警信号采 集节点的电路进行了设计 完成了整个智能家居模型系统的硬件结构设计 第四章从软件方面入手 设计并完成了智能家居模型系统的总控制系统以及各个 节点采集信号的程序 然后使用 Altium Designer 软件设计并制作了传感器节点 PCB 板卡 最后使用 App Inventor 制作了智能家居模型系统手机控制软件 第五章从系统的运行状态 系统的报警功能 系统的软件控制功能以及系统的远 程控制等方面对整个智能家居模型系统进行测试 完成整个智能家居模型系统设计工 作 智能家居模型系统设计 5 第二章 智能家居模型系统整体设计 2 1 引言 系统的总体设计需要从系统的功能 总体规划 模块设计等方面入手 决定着整 个系统以后的升级等 本章主要针对智能家居模型系统的功能进行分析 设计模型的 整体规划方案 各个节点模块的摆放位置等 最终确定智能家居模型系统的整体方案 2 2 系统总体设计图 本智能家居模型系统的总体设计图如图 2 1 所示 整个模型分为六个部分 分别 是卧室 厨房 车库 活动室 客厅以及卫生间 图中 1 号节点为房门报警信号采集 2 号节点为窗户报警信号采集点 3 号节点为客厅报警信号采集点 4 号节点为厨房火 警报警信息采集点 5 号节点为车库门报警信息采集点 6 号节点为 LED 模块 用来 模拟室内灯光 7 号节点为小风扇模块 用来模拟家用电器的控制 总控制以及一些 相关的模块放在卧室 卧室 活动室 客厅 厨房 卫生间 车库 1 2 3 4 6 7 控制系统 5 图 2 1 智能家居模型系统总体设计图 智能家居模型系统设计 6 2 3 系统设计方案 本系统采用两块 ATmega128 单片机作为控制芯片 一块芯片作为主控芯片 一块 芯片作为辅控芯片 主控芯片负责通过 CC1101 模块采集各个传感器的报警信号 得 到报警信号后 迅速找出报警位置 并向辅控芯片发送报警信号 辅控芯片接到报警 信号后 启动 SYN6288 语音模块播报报警信息 启动报警灯闪烁 进行声光报警 报 警系统发出响亮的报警声 同时连接在辅控芯片上的 GSM 模块也会向设定的手机发 送报警信息 远程接收报警信号 以便及时处理紧急情况 GSM 模块也可以向智能家 居模型系统发送控制信息 远程操控家里的系统布防 撤防以及各种家电的控制 本 系统还提供基于安卓的智能家居系统控制软件 可以非常方便的对系统进行近距离的 控制 比较适合青年人进行操作 为了使老人和孩子也可以进行简单的操作 本系统 还设计了简单的遥控器控制 操作非常方便 另外 在系统中加上了语音识别模块 在家中可以方便的控制家里的一些家用电器 实现家居智能化 2 4 本章小结 针对智能家居模型系统设计这个课题 本章从系统的功能 总体规划 模块设计 等方面入手 完成了智能家居模型系统总体设计 确定了整个智能家居模型系统总体 设计方案 为后面智能家居模型系统硬件和软件设计确定了研究方向 智能家居模型系统设计 7 第三章 智能家居模型系统硬件设计 3 1 引言 本系统设计的智能家居模型系统旨在建立一个智能家居的嵌入式系统 系统的总 体的硬件设计可以分为三大部分 主控制部分 传感器节点部分和功能子模块 主控 制部分采用 ATmega128 单片机作为控制芯片 传感器节点部分采用 ATmega16 单片机 作为控制芯片 主控制部分外接的功能子模块有 LCD12864 液晶显示模块 蓝牙模 块 GSM 通信 CC1101 无线通信模块 SYN6288 语音模块等 传感器节点部分外接 的功能子模块有红外检测传感器 火焰传感器 烟雾传感器 LED 模块 继电器模块 语音识别模块等 本章会对上述硬件部分详细介绍 3 2 主控制部分电路 1997 年 ATMEL 公司在挪威的设置中心的 A 先生和 V 先生利用了 ATMEL 公司 的 Flash 新技术共同研发的基于 RISC 精简指令集的高速 8 位单片机 称之为 AVR 单 片机 AVR 单片机开发的门槛是比较低的 只需要一个下载器或者 JTAG 仿真器就可 以进行程序的下载与仿真等试验 而且 AVR 单片机价格比较低廉 其内置的高质量 Flash 程序存储器擦写非常方便 支持 ISP 和 IAP 非常有利于产品的开发 调试 生 产等 另外 AVR 单片机还具有高速 低功耗 保密性能好 I O 接口功能强 内部 资源丰富等特点 不愧为八位单片机中的佼佼者 主控制部分是整个智能家居模型系统的核心部分 也是整个系统的重中之重 因 此主控制部分采用两块 ATMEL 公司 ATmega128 单片机作为控制芯片 一块芯片作为 主控芯片 一块芯片作为辅控芯片 主控芯片负责通过 CC1101 模块采集各个传感器 的报警信号 得到报警信号后 迅速找出报警位置 并向辅控芯片发送报警信号 辅 控芯片接到报警信号后 启动 SYN6288 语音模块播报报警信息 启动报警灯闪烁 进 行声光报警 报警系统发出响亮的报警声 同时连接在辅控芯片上的 GSM 模块也会 向设定的手机发送报警信息 远程接收报警信号 以便及时处理紧急情况 GSM 模块 也可以向智能家居模型系统发送控制信息 远程操控家里的系统布防 撤防以及各种 家电的控制 本系统还提供基于安卓的智能家居系统控制软件 可以非常方便的对系 统进行近距离的控制 比较适合青年人进行操作 为了使老人和孩子也可以进行简单 智能家居模型系统设计 8 的操作 本系统还设计了简单的遥控器控制 操作非常方便 另外 在系统中加上了 语音识别模块 在家中可以方便的控制家里的一些家用电器 实现家居智能化 智能 家居模型系统总控制部分的总体框架如图 3 1 所示 主控制 ATmega128 辅控制 ATmega128 蓝牙模块 四键接收器 CC1101无线模块 12864液晶显示模块 SYN6288语音模块 GSM模块 电源模块 图 3 1 智能家居模型系统控制部分框架图 3 2 1 控制芯片电路 智能家居模型系统控制芯片使用的是 ATMEAL 公司生产的高性能 低功耗的 8 位 AVR 单片机 ATmega128 单片机 该单片机的最小系统电路包括 CPU 电源电路 复位电路 晶振电路 其电路图如图 3 2 所示 12 Y1 7 3278M 22PC1 22PC2 S1 RST C3 104 R1 10K VCC1 PEN 1 PE0 RXD0 PDI 2 PE1 TXD0 PDO 3 PE2 XCK0 AIN0 4 PE3 OC3A AIN1 5 PE4 OC3B INT4 6 PE5 OC3C INT5 7 PE6 T3 INT6 8 PE7 IC3 INT7 9 PB0 SS 10 PB1 SCK 11 PB2 MOSI 12 PB3 MISO 13 PB4 OC0 14 PB5 OC1A 15 PB6 OC1B 16 PB7 OC2 OC1C 17 TOSC2 PG3 18 TOSC1 1PG4 19 RESET 20 VCC 21 GND 22 XTAL2 23 XTAL1 24 PD0 SCL INT0 25 PD1 SDA INT1 26 PD2 RXD1 INT2 27 PD3 TXD1 INT3 28 PD4 IC1 29 PD5 XCK1 30 PD6 T1 31 PD7 T2 32 PG0 WR 33 PG1 RD 34 PC0 A8 35 PC1 A9 36 PC2 A10 37 PC3 A11 38 PC4 A12 39 PC5 A13 40 PC6 A14 41 PC7 A15 42 PG2 ALE 43 PA7 AD7 44 PA6 AD6 45 PA5 AD5 46 PA4 AD4 47 PA3 AD3 48 PA2 AD2 49 PA1 AD1 50 PA0 AD0 51 VCC 52 GND 53 PF7 ADC7 TDI 54 PF6 ADC6 TDO 55 PF5 ADC5 TMS 56 PF4 ADC4 TCK 57 PF3 ADC3 58 PF2 ADC2 59 PF1 ADC1 60 PF0 ADC0 61 AREF 62 GND 63 AVCC 64 Thermal Pad 65 U1 ATmega128 RESET RESET GND 0 1uFC4 GND 图 3 2 ATmega128 单片机最小系统 智能家居模型系统设计 9 3 2 2 12864 液晶显示模块电路 智能家居模型系统使用一块 12864 液晶显示屏显示系统的运行状态 从一开始的 系统名称 制作者信息到系统启动工程中的提示信息 再到每一个传感器节点的报警 信息都可以一一显示出来 让使用者可以实时看到整个系统的运行状态 12864 液晶显示屏是一个 128 64 点阵的液晶显示模块 该模块可以显示汉字和图 形 其内置 8192 个中文汉字 128 个字符以及 64 256 点阵显示 RAM 可以直接接 CPU 提供 8 位并行接口和串行接口两种连接方式 本系统采用的是串行连接方式 串行连接方式下的引脚定义如表 3 1 所示 表 3 1 串行方式下 12864 液晶屏引脚定义 引脚号引脚名称电平状态功能 1VSS0V电源地 2VDD 5V电源正 3 0V 5 5V 3V0 对比度 亮度 调节 4CSH L片选端 高电平有效 5SIDH L串行数据输入端 6CLKH L串行同步时钟 上升沿时读取 SID 数据 15PSBL串行方式选择端 17RESETH L复位端 低电平有效 19AVDD背光源电压 5V 20KVSS背光源负端 0V 12864 液晶显示模块与单片机的链接方式分为串行连接和并行连接两种方式 本 系统使用的是串行连接方式 编程时需要将 15 号 PSB 引脚设置为低电平 液晶显示 屏与单片机的连接电路如图 3 3 所示 图 3 3 12864 液晶显示屏电路图 智能家居模型系统设计 10 3 2 3 SYN6288 语音模块电路 在智能家居模型系统中采用了 SYN6288 语音模块 语音模块会将系统启动的信息 以及各个传感器节点的报警信息合成为语音信息播报出来 报警信息合成后会发出响 亮的报警声 SYN6288 语音合成模块是一款性价比比较高的 效果比较自然的一款中高端语音 合成芯片 通过一部串口接收待合成的文本 实现文本转换成语音的功能 它的特点 是体积小 硬件接口简单 性价比极高 另外 SYN6288 语音合成模块对文本的识别 比较智能 能智能识别多音字 电话 年份等特殊字符 语音合成效果自然流畅 SYN6288 语音合成模块电路图如图 3 4 所示 VDDPP 10 VSSPP 8 VSSPP 12 VDDIO1 6 VSSIO1 7 VDDIO2 20 VSSIO2 17 REGOUT 22 CVDD 21 CVSS 18 VDDA 26 VSSA 23 NC 13 NC 14 VDDIO0 2 VSSIO0 1 VSSIO0 3 VSS 16 BP0 9 BN0 11 Res 5 Ready Busy 4 RST 19 RXD 28 TXD 27 NC 15 XIN 24 XOUT 25 U1 SYN6288 0 1 F C4 C1 C8 0 1 F C10 0 1 F C2 C7 0 1 F C5 0 1 F C3 VDD GND GND VDD VDD GND GND GND VDD GND VDD BP0 BN0 BUSY TXD 0 1 F C6 1M R1 R4 1K R5 1K R3 VDD GND Q1 RXD GND VDD 20p C9 20p C11 12 16MHZ Y1 GND 1K R2 LED1 VDD BUSY 2 1 P2 5 4 3 2 1 P1 BP0 BN0 VDD RXD TXD GND BUSY J1 PJ 321 BP0 GND BN0 图 3 4 SYN6288 语音模块电路图 3 2 4 CC1101 无线模块 CC1101 无线收发模块使用的是 TI 公式生产的 CC1101 低功耗的无线通信芯片 发射功率可调 最大发射功率 10mW 该模块工作于 433MHz 频段 该频段为免费 ISM 频段 模块式基于 FSK 的调制方式 采用高效的前向纠错编码技术和信道交织编 码技术 提高了数据抵抗随机干扰和抗突发干扰的能力 在信道误码率为 10 2时 可 以得到的实际误码率为 10 5 10 6 在直线可视情况下 天线的放置高度大于 2 米 9600bps 可靠传输距离大于 100 米 1200bps 传输距离最大可以达到 200 米 模块还提 供透明的数据传输接口 能适应任何标准的或者非标准的用户协议 可以自动过滤掉 空中产生的假数据 使用非常方便 CC1101 无线模块目前支持三种接口 分别是 TTL 接口 485 接口和 USB 接口 智能家居模型系统设计 11 可以直接连接到单片机 串行口 232 485 设备以及 PC 上 本系统使用的是串行口的 连接方式 将 CC1101 无线模块连接在主控芯片和各个传感器节点模块上 CC1101 无 线模块的引脚定义如表 3 2 所示 表 3 2 CC1101 无线模块引脚定义 引脚标号引脚定义说明连接方式 1SLEEP休眠此功能暂不具备 2RESET复位引脚可不连 3VCC电源正极2 7V 5 5V 之间 4RXD数据输入串口数据输入 5TXD数据输出串口数据输出 6GND电源负极GND 在本系统中 CC1101 无线模块的作用是将各个传感器节点采集到的报警信息通 过无线信道发送出去 然后连接在主控芯片上的无线模块接收到报警信号后 向 GSM 模块 12864 模块 SYN6288 模块等发送报警信息 或者主控芯片收到由 GSM 模块 或者蓝牙模块发送的控制信号后 主控芯片通过无线模块控制 LED 节点和继电器节点 来控制 LED 的亮灭以及小风扇的开和关 用来模拟家用电器的控制 3 2 5 GSM 模块 TC35 模块是由德国西门子公司生产的新一代的无线通信 GSM 模块 带有 RS232 通讯接口 可以非常方便地与 PC 机 单片机通讯 可以实现非常快速 安全 可靠 的数据 语音传输 传真以及短消息服务 TC35 模块的正常工作电压为 3 3V 5 5V 能在 900MHz 和 1800MHz 两个频段 功耗分别为 2W 和 1W 模块支持 AT 命令接口 支持文本和 PDU 格式的短消息等 模块还支持 2400bps 4800bps 9600bps 的非透明 传输模式 另外 TC35 模块还有电话簿功能 多方通话功能 漫游检测功能 常用的 工作模式有等电模式 IDLE 模式 TALK 模式等 TC35 模块通过使用独特的 40 引脚 ZIF 连接器 实现电源连接指令 语音信号 数据以及控制信号的双向传输 通过 ZIF 连接器以及 50 欧姆天线连接器 可以分别连接 SIM 卡的支架和天线 TC35 模块设计小巧 功耗较低 主要由 GSM 基带处理器 GSM 无线模块 闪 存 电源模块 天线接口以及 ZIF 连接器六部分组成 其结构框图如图 3 5 所示 作 智能家居模型系统设计 12 为 TC35 的核心 基带处理器主要处理 GSM 终端内部的数据和语音信号 并且涵盖了 蜂窝射频通信设备中的所有的模拟功能和数字功能 在不用外部硬件电路的支持下 可以使用 FR EFR 和 HR 语音通道的编码 天线插口 天线插口 GSM射频部分 GSM射频部分 40 芯 ZIF 连 接 器 40 芯 ZIF 连 接 器 GSM基带处理器 GSM基带处理器 Flash Flash 电源 ASIC 电源 ASIC 图 3 5 TC35 模块结构框图 3 2 6 蓝牙模块 蓝牙模块指的是集成了蓝牙功能的芯片的基本电路板 可以用于无线通讯网络 蓝牙模块大致可以分为数据传输模块和远程控制模块等 对于用户本身来说 蓝牙模 块只是半成品 蓝牙适配器才是成品 常见的蓝牙适配器一般是用于传输数据 蓝牙 模块根据它的协议可以分为 1 1 版 1 2 版 2 0 版 3 0 版和 4 0 版 通常后者是可以 兼容前者的 蓝牙技术作为可以取代数据型电缆的一种短距离无线通信技术 可以支持点对点 和点对多的通信 蓝牙模块的接口分为串行接口 数字型 I O 接口 模拟型 I O 接口 USB 接口 SPI 编程接口以及语音接口 目前市场上比较常见的蓝牙模块都是使用串 行接口 便于系统的调试等工作 在本系统中 蓝牙模块的主要作用是接收来自手机端的布防 撤防 灯光亮度 风扇开关等命令 接收到这些命令后 蓝牙模块先传给主控芯片 主控芯片通过 CC1101 无线模块将蓝牙模块接收到的信息发送给相应的节点 相应的节点收到信息 后作出相应的反应 3 3 传感器节点部分电路 传感器节点部分也是整个系统的一个重要组成部分 它需要采集的是各个节点的 智能家居模型系统设计 13 报警信号 以及控制每一个节点上面所连接的一些用电设备 所以传感器节点的稳定 性与可靠性是尤为重要的 本系统中的传感器节点采用的是 ATMEL 公司生产的 ATmega16 单片机 ATmega16 单片机虽然较 ATmega128 单片机功能少 但是作为传感器节点是完全够用 的 传感器节点主要是由 ATmega16 单片机最小系统 传感器接口 CC1101 无线模 块接口 电源模块组成 传感器节点的结构图如图 3 6 所示 ATmega16单片机 最小系统 CC1101无线模块传感器接口 电源模块 图 3 6 传感器节点结构框图 3 3 1 传感器节点控制芯片电路 传感器节点控制芯片是 ATmega16 单片机 它是基于增强型的 AVR RISC 结构的 低功耗 8 位微控制器 由于其拥有先进的指令集和单时钟周期 ATmega16 单片机的 数据吞吐率可以高达 1MIPS MHz 从而可以缓解系统系统在处理速度和功耗问题之间 的矛盾 该单片机的最小系统电路包括 CPU 电源电路 复位电路 晶振电路 其 电路图如图 3 7 所示 PB0 XCK T0 1 PB1 T1 2 PB2 INT2 AIN0 3 PB3 OC0 AIN1 4 PB4 SS 5 PB5 MOSI 6 PB6 MISO 7 PB7 SCK 8 RESET 9 VCC 10 GND 11 XTAL2 12 XTAL1 13 PD0 RXD 14 PD1 TXD 15 PD2 INT0 16 PD3 INT1 17 PD4 OC1B 18 PD5 OC1A 19 PD6 ICP1 20 PD7 OC2 21 PC0 SCL 22 PC1 SDA 23 PC2 TCK 24 PC3 TMS 25 PC4 TDO 26 PC5 TD1 27 PC6 TOSC1 28 PC7 TOSC2 29 AVCC 30 GND 31 AREF 32 PA7 ADC7 33 PA6 ADC6 34 PA5 ADC5 35 PA4 ADC4 36 PA3 ADC3 37 PA2 ADC2 38 PA1 ADC1 39 PA0 ADC0 40 U1 ATMEGA16 D1 1N4148 1 KEY 10K R1 0 1uF C1 GND VCC RESETRESET 12 Y1 8 000MHZ 30pF C2 30pF C10 GND XTAL2 XTAL1 1 2 3 4 5 6 7 8 JP3 PA 1 2 3 4 5 6 7 8 JP4 PC 1 2 3 4 5 6 7 8 JP2 PB 1 2 3 4 5 6 7 8 JP5 PD 0 1uF C5 GND AREF RESET SCK MISO MOSI VCC GND XTAL2 XTAL1 RXD TXD AREF GND AVCC S1 S2 图 3 7 ATmega16 最小系统电路图 智能家居模型系统设计 14 3 3 2 红外检测传感器电路 在智能家居模型系统中 门窗的报警信号是非常重要的 本系统所采用的传感器 是利用红外线反射原理 利用红外线在不同的物体表面上具有不同的反射特性 红外 检测传感器电路如图 3 8 所示 当该节点接通电源后 TCRT5000 红外检测模块开始 工作 当红外光遇到不吸收红外光的东西时会发生漫反射 这样反射的光就会被红外 接收管接收到 而如果遇到黑色的介质或者没有介质反射红外光时 接收管不会收到 发射的红外信号 U1 TCRT5000 AR1 OPAMP GND R1 200K R4 100R VCC VCC R5 6 1K R2 9 1K R3 9 1K GND LM393 图 3 8 红外检测传感器电路图 如图 3 8 所示 当有介发射管发出的红外光反射回来时 红外接收管就会接收到 红外信号 此时电阻 R1 电平会被拉低 然后再经过 LM393 电压比较后输出低电平 当红外光没有被发射回来时 经过 LM393 电压比较器后就会输出高电平 通过调节电 阻 R1 的阻值大小来调节红外传感器的灵敏度 LM393 同相输入端的电压就会有所改 变 比较器的阈值电压就会有所改变 从而达到检测门窗的效果 单片机只需要时时 检测电压比较器的输出引脚电平即可 3 3 3 火焰传感器检测电路 目前 市场上的检测火警的报警器一般是利用烟雾传感器加上温度传感器来判断 是否有险情 但是往往不能检测到明火的险情 如果发生火灾 不能及时将报警信息 发送出去 对人的生命和财产安全造成危害 本系统中采用的 JNHB1004 火焰传感器 智能家居模型系统设计 15 当传感器周围有火源产生时 火焰传感器会探测到空气中红外线强度的变化 如图 3 9 所示 这时 IS1 上面的电阻值会变小 相应的 电压比较器反相输入端的电压会降 低 从而使得输出端产生高电平 相反 当没有火情时 就会产生低电平 这样就达 到了检测明火危险的作用 R3 10K 1 2 4 53 U1 LM393R4 1K D1 LED0 R1 10K R2 10K C1 0 1uF GND VCC 12 IS1 OUT 图 3 9 火焰传感器电路图 3 3 4 烟雾传感器电路 虽然有了火焰传感器 但是烟雾传感器也是必不可少的 它可以检测到家里的煤 气情况 将火灾危险消灭在萌芽状态 烟雾传感器的电路图如图 3 10 所示 C2 0 1uF GND R1 47K R2 47K GND VCC C1 0 1uF GND VCC OUTA 1 INA 2 INA 3 GND 4 VCC 8 OUTB 7 INB 6 INB 5 U1 LM393 OUT AC IN 1 2 3 4 P1R4 1K R5 1K R6 1K R3 10K DS1DS2 VCC GND GND OUT AC A 1 A 1 B 2 B 2 34 MQx 图 3 10 烟雾传感器电路图 智能家居模型系统设计 16 3 3 5 电源模块电路 电源模块采用低压降的三端线性稳压芯片 78M05 外部输入电压为两节 18650 点 出串联 输入电压在 7 2V 左右 最后得到的输出电压为 5V 用来给单片机和各个模 块供电 其电路图如图 3 11 所示 其中电容 C6 和 C7 是为了滤除低频杂波 电容 C3 和 C4 是为了滤除高频杂波 最终得到稳定的直流电源 图 3 11 电源模块电路 3 4 本章小结 本章是智能家居模型系统硬件设计部分 主要对智能家居模型系统的主控制部分 传感器节点部分和功能子模块的硬件设计电路和各个接口做以分析 详细介绍了各个 模块的原理 组成部分 电路设计以及每一个接口的引脚定义等 设计并完成了各个 部分的硬件设施 为软件程序的编写打好坚实的基础 智能家居模型系统设计 17 第四章 智能家居模型系统软件设计 4 1 引言 在智能家居模型系统设计中 嵌入式硬件平台是非常重要的 但是整个系统的软 件设计也是必不可少的 有了软件的支持 整个嵌入式系统才能有条不紊地运行 在 整个系统的制作过程中 主要用的的软件有三款 ICCAVR 编程软件 App Inventor 在线编译器 Altium Designer 硬件板卡设计软件 下面将对这三款软件以及软件在智 能家居模型系统设计工作中的应用做以介绍 4 2 ICCAVR 编译软件 ICCAVR 是 ATMEL 公司推出的一款用于程序开发的 C 语言编译器 它是用符合 ANSI 标准的 C 语言来开发单片机程序的一个编译工具 功能齐全 使用方便 技术 支持比较全面 它主要有以下几个特点 1 ICCAVR 综合了工程管理器与编译器的集成工作环境 2 ICCAVR 是一个纯 32 位的程序 支持长的文件名 可以在 WIN95 WIN98 WIN ME WIN NT WIN2000 WIN XP 以及 WIN 7 环 境下运行 3 ICCAVR 的工程管理器可以直接生成 hex 格式的文件 支持大多数编程器 4 源文件会被全部组织到工程中去 整个文件的编辑和工程结构的构建都在 这个环境中完成 如果有语法错误 点击编译错误时 可以自动跳转到错 误处 ICCAVR 编译器在这个系统中的工作是完成系统中所有单片机的程序 包括主控 系统的软件结构 各个节点的信号采集等 4 2 1 智能家居模型系统控制部分软件架构 智能家居模型系统控制部分的软件架构如图 4 1 所示 图中给出了智能家居模型 系统控制部分的工作流程 在给系统通电后 系统会进行自检 自检的项目包括每一 智能家居模型系统设计 18 个传感器节点是否有报警信号 GSM 模块是否正常工作等 系统完成自检后 会提示 进入自动选择布防状态 五秒钟后系统自动进入布防状态 进入布防状态后 开始检 测各个传感器节点 GSM 模块 蓝牙模块等信息 如果发现报警信号 马上显示报警 信息 语音播报报警信号并向远程发送报警短信等 开始 系统初始化 接收 各节点数据 系统初始化 接收 初始化数据 显示错误信息 初始化成功初始化成功 进入布防状态 布防 解防 布防中 发现报警信号 接收主控数据 发送报警信息 显示报警信息 播报报警信息 显示错误信息 Y NN Y 解防 布防 N Y 图 4 1 智能家居模型系统控制部分软件架构图 在布防的情况下 如果系统接收到报警信号 系统会根据不同的报警信号给指定 的手机发送报警信息 如果系统接收到短信或者手机软件发出的信号也会有相应的反 馈信息 智能家居模型系统设计 19 4 2 2 传感器节点报警信号的采集 在系统进入布防状态后 包括门节点 窗户节点 室内节点 车库门节点和火焰 检测节点都将进入监控状态 系统需要将每一个节点的数据进行处理 根据每个节点 的不同状态发送不同的报警信息 系统接到控制短信或者接到手机软件发送的控制命 令后 会通过无线模块传送给受控节点 受控节点根据发送的信息作出相应的操作 下面给出传感器节点信号采集部分程序 并简单地做以解释 void sensor DDRA PA0 口设为输入状态 用来接收传感器返回的信号 PORTA BIT 0 PA0 为带上拉的输入 if PINA 发送 房门被闯入 的报警信号 shanshuo 2 发送完成 LED 指示灯闪烁两下 while PINA 等待报警信号解除 防止报警信号堆积 shanshuo 1 解除后 LED 指示灯闪烁一下 4 2 3 传感器节点定时器的实现 为了能实时了解各个传感器节点处于正常的工作状态 而没有瘫痪 在每一个传 感器节点上都加了一个工作状态指示灯 如果指示灯用延时程序写就会影响传感器节 点对传感器信号的采集 所以采用定时器的方式 每 2 秒定时器就会触发一次中断 状态指示灯闪烁一次 说明节点处于正常的工作状态 下面给出定时器 1 的部分程序 并简单做以解释 pragma interrupt handler time1 isr 9 定时器中断向量初始化 void time1 init 定时器初始化函数 智能家居模型系统设计 20 TCCR1B 0X04 设置定时器分频因子为 256 分频 TCNT1H 0X0B 定时器计数初值高八位 TCNT1L 0XDC 定时器计数初值低八位 TIMSK BIT 2 定时器溢出中断使能 SREG BIT 7 使能全局中断 void time1 isr 定时器溢出中断服务函数 shanshuo 1 状态指示灯闪烁一次 TCNT1H 0X0B 重置定时器计数初值高八位 TCNT1L 0XDC 重置定时器溢出中断使能 ATmega16 单片机的定时器 1 是一个 16 位的定时计数器 TCCR1B 寄存器为定时 器 1 的控制寄存器 用来设置定时器 1 的分频因子 TCNT1H 和 TCNT1L 两个寄存器 用来存放定时计数器的初值 初值可以通过公式 4 1 和公式 4 2 得出 TCNT1H 是定 时计数器计数初值高八位 TCNT1L 是定时计数器计数初值低八位 由传感器节点上 单片机晶振为 8M 分频因子 N 为 256 得出 TCNT1H 的十六进制数为 0X0B TCNT1L 的十六进制数为 0XDC 使用时只需将定时器初始化函数调用一次就 可以了 4 1 osc 65536 F COUNT N 式中 定时器 1 计数初值 COUNT 单片机外接晶振频率 oscF 定时器 1 分频因子 N 4 2 16 TCNT1H TCNT1LCOUNT 式中 TCNT1H 定时计数器计数初值高八位 TCNT1L 定时计数器计数初值低八位 智能家居模型系统设计 21 4 2 4 传感器节点串口通信的实现 串行通信在单片机上起着非常重要的作用 串行通信的使用在现在的单片机以及 智能化产品上的地位也是举足轻重的 这样就使得单片机通过串行口与其他的单片机 PC 机或者智能化产品进行通信变得尤为重要 对单片机串行通信的调试也就在所难免 了 AVR 单片机提供的通用同步和异步的串行收发器 是一个灵敏度非常高的串行收 发设备 单片机的串行收发器包括三部分 时钟发生器 接收器和发送器 在使用 AVR 单片机的串行通信的时候 需要先将串口初始化 用来设置串口相关的一些寄存 器 通常包括波特率的设定 帧结构的设定 根据需要使能接收器或者发送器 一般 情况下接收器和发送器需要同时使能 最后开启串口接收数据的中断就可以了 下面给出单片机串行通信初始化的部分程序 并作以简单解释 pragma interrupt handler uart rx 12 串行口接收中断向量初始化 void uart init uint baud 串口初始化函数 UCSRB 0 x00 UCSRA 0 x00 控制寄存器清零 选择 UCSRC 异步模式 禁止校验 1 位停止位 8 位数据位 UCSRC 1 URSEL 0 UPM0 3 8 设置波特率 波特率高八位 UCSRB 1 TXEN 1 RXEN 1 RXCIE 接收 发送使能 接收中断使 能 SREG BIT 7 全局中断开放 DDRD 0X02 配置 TX 为输出 在串行口初始化的时候需要设置串行通信的波特率 只有通信两端波特率设置为 一样的 才能进行正常的串口收发数据 在公式 4 3 和 4 4 中给出了波特率的计算方 法 智能家居模型系统设计 22 4 3 BAUD 16 1 Fosc UBRR 式中 串行通信波特率 BAUD 波特率设置寄存器 UBRR 4 4 16UBRRUBRRHUBRRL 式中 波特率设置寄存器高八位 UBRRH 波特率设置寄存器低八位 UBRRL 下面给出单片机串行通信发送数据与接收数据的部分程序 并作以简单解释 void uart send uchar data 串行口发送一个字符函数 while UCSRA 发送数据开始 UDR data 数据装载 while UCSRA 发送数据结束 UCSRA BIT TXC 发送数据标志位置位 void uart rx 串行口接收数据函数 UCSRB 串行口接收数据开始 rdata UDR 接收到的数据存入 rdata UCSRB BIT RXCIE 串行口接收数据结束 void uart str uchar s 串行口发送字符串函数 while s 判断缓存指针是否为空 uart send s 发送一个字符 s 指针加一位 智能家居模型系统设计 23 4 3 App Inventor 在线编译器 APP Inventor 诞生于 Google 实验室 是一款用于开发基于 Android APP 的工具软 件 该软件是由一群 Google 的工程师和一些敢于挑战的 Google 用户共同参与研发的 它是一个完全在线的使用浏览器开发的 Android 开发环境 该开发环境抛弃了复杂的 程序代码 使用堆积木的方式来完成 Android 程序的开发 2012 年 1 月 1 日 Google 公司将 APP Inventor 转交给了麻省理工学院 2012 年 3 月 3 日公布开始使用 当时发 布的版本为 2 0 beta 版 对所有的互联网用户开放使用 2013 年年底 又推出了 APP Inventor 2 0 版本 操作更加方便 这款软件不一定非要是具有一定研发经验的开发人员使用 甚至你根本不需要掌 握任何的编程方面的知识 就可以轻松的编出一些简单的手机软件 原因是这款软件 已经提前将写软件的代码全部编写完成了 用户只需要根据自己的需要 向项目中添 加自己想要的服务选项就可以了 也就是只需要简单的代码拼装过程 APP Inventor 所提供的调试模式也是非常方便的 包括手机在线调试 APK 下载安装调试以及模拟 器在线调试 手机在线调试又分为 WiFi 调试和 USB 调试 使用起来非常方便 下面给出 APP Inventor 智能家居模型系统手机软件部分代码 代码如图 4 2 所示 图 4 2 智能家居模型系统手机软件部分代码 智能家居模型系统设计 24 4 4 Altium Designer 硬件板卡设计软件 Protel 是最早流传到我国的电子设计方面的自动化软件 一直因为简单易学深受广 大电子设计爱好者的青睐 Altium Designer 作为 Protel 系列发展起来的县一带板卡设 计软件 以 WIN XP 的界面风格为主 另外 Altium 公司独有的 DXP 技术平台也为 设计者提供了所有的工具和编译器的相容环境 Altium Designer 是一个完整的板卡级设计软件 真真正正地实现了一个应用程序 的集成 该软件系统的设计目的就是为了支持整个设计过程 该软件充分利用了 WIN XP 平台的优势 具有非常可靠的稳定性 超强的图形功能和用户界面 设计者可以选 择最优的设计途径和工作方式 在智能家居模型系统设计中 传感器节点模块是使用 Altium Designer 软件设计制 作的 整个模块包括 ATmega16 芯片 复位电路