【基于单片机的智能家居设计与实现9200字（论文）】

第1章引言1.1智能家庭防盗的发展现状近年来入室偷盗案件在我国多个地区防不胜防,盗窃团伙也变得越来越狡猾,盗窃方式更是与时俱进,采用更加高端、更加隐蔽的方式进行盗窃。与此同时入室盗窃也是盗窃案件中一大安全隐患,层出不穷,不但对居民的生活财产安全构成了极大的威胁,并且对整个社会的生产发展治安环境带来了严峻的负面影响。根据警方数据显示,有57%的盗窃团伙会选择从大门堂而皇之的进入室内行窃,从案发时间来看,大多是的入室盗窃案件发生在下午的14时到晚上22点,这段时间家中大多数情况下处于无人看护状态,即便是有人在家中,警觉性也不高,同时凌晨1点到5点是入室盗窃等刑事案件的作案高发期,此时人们大都处于没有任何防备的状态,因此作案几率就随之升高。1.1.1智能家庭防盗的国内发展现状目前,大多数家庭仍采用最传统的防盗门窗进行基本防盗，但这些基本的防盗措施都起到了一定的防盗效果，但是随着科学技术的进步,不管是居民还是偷盗者都不仅仅满足于当前的技术,所以这些基本的初级手段存在许多漏洞,消防逃生和质量保障存在较大隐患，在技术层面难以达到满足人们美好生活的生活质量要求。最近几十年,伴随计算机、电子和网络通信等技术的飞速进步、社会经济快速增长、人类生活水平迈入新台阶,人们对居住环境的标准逐步提高,人们已经不满足于简单的舒心和温馨等,也更加注重了居住环境的安全和使用设备的智能化。由于科学技术的不断进步,人工智能不断地优化和发展,智能家居到当今社会中不断普及,人们曾在书里展望的未来居家生活场景到如今都成为了现实。基于当前信息技术和智能控制的飞速发展,越来越多的人采用智能化技术进行家庭防盗的监测和报警。虽然人们和之前相比,在安全防范方面的重视程度高了许多,但是真正在家里安装报警系统的人却不多,而那些没有安装的家庭主要是因为觉得价格太贵、对产品不熟悉和安装麻烦等原因。1.1.2智能家庭防盗的国外发展现状在国外,安全和防盗是两个完全不同的概念,防盗是指防止陌生人入侵并对财产进行破坏,而安全是指在任何情况发生时保障人们的财产以及自身处于一个稳定的状态。欧美国家首先提出了智能家居的开发,经过一定时间的发展,已经进入到了基本成熟的阶段。美国一直是世界领先开发智能家具系统的大国,近年来以美国微软公司和摩托罗拉公司为核心的国外多家知名企业先后创建了自己的智能家居开发中心。[1]同时，日本也在智能自动化家居方面也紧随其后,不仅开启了智能家居设备新时代,同时开发设计了自动门识别系统。用户在进门前系统会自动进行人体识别的操作,通过人体生物识别技术对用户身份进行确认,在系统进行一系列判断后使自动门主动打开。1.2红外技术现状英国天文学家F.W.赫歇尔于1800年首次发现了红外辐射,从那时起红外科学技术经过漫长的时间和进步发展。越来越广泛的应用在人们的日常生活当中。早年德国已经研制成军事红外系统,从那以后,美国、英国、前苏联等科学家和大国纷纷竞相推广和发展红外技术,更多的还是把红外技术应用到军事领域。20世纪80年代热释电红外传感器已经登上时代舞台,这是一种新型的高精度红外探测元件,通过非接触方式检测得到人体的红外热量的变化,并且只有通过将红外热量信号转换成电压的信号,通过信号放大器将该电信号进行两级放大后，广泛应用于驱动各种电路。目前,红外检测技术的发展越来越成熟,多波段红外检测探测距技术已经成功研制成功,红外检测技术已越来越多地应用于到了我们的日常生活当中。第2章系统总体设计2.1系统总体设计思路基于GSM短信模块家庭防盗报警系统的组成如图2-1所示。前端探测器单片机控制器GSM短信模块用户终端前端探测器单片机控制器GSM短信模块用户终端 图2-1基于GSM短信模块家庭防盗报警系统本次系统设计包括四个部分:前端检测器(红外线探测器)、单片机控制模块、GSM通信模块和用户终端模块。日常生活中所采用的智能报警监控系统普遍采用的是五路热释电红外线探测器,能够对家庭内部设置的各个报警监控点进行准确的监测,并将采集到的报警信号通过传输给STM32单片机控制模块中进行数据分析及处理,从而通过控制GSM通信模块向家庭用户发送报警短信,实现远程的家庭监控防盗窃系统的一个重要功能。本次设计的基本原理是利用热释电红外传感器对人体红外线特征识别的功能来实现防盗系统的基本要求。当被动式热释电信号传感器所能检测到所得到的在人体内部红外信号的某个波段形态发生一定程度变异或波段不在正常滤波范围内时,自动将一个单片机所能接受检测到的人体红外信号滤波形态转化成微弱热释电信号的滤波形式,并对其信号进行滤波、放大、比较等信号处理、再将这些红外信号以滤波高电平形式传递发送到单片机的主动控制电路模块,在单片机电路中进行信号的识别和判断,根据输出信号来判断是否控制声光报警以及远程短信报警。本次的系统设计结合了软硬件进行研究开发,通过软件程序控制相应的硬件完成所需的动作。硬件选型方面采用了HC-SR501人体感应模块、STM32F103单片机、输入/输出设备,以及其他外围电路。软件分析包括对各模块工作的逻辑顺序进行了整理分析以及介绍相关的功能实现。本次设计系统主要实现三个功能：热释电红外传感器检测人体入侵信号；单片机根据信号提示启动声光报警；根据单片机控制，驱动GSM短信模块向用户终端发送报警短信。总体设计框图如图2-2.传感器1传感器1传感器5信号处理电路复位电路时钟电路STM32单片机GSM短信模块用户终端串口通信GSM网络图2-2总体设计框图第3章硬件选型3.1热释电红外传感器3.1.1热释电红外传感器简介在当前的生产生活当中,热释电传感器是一种最为常见的的红外线探测器,通常采用的是一种被动式红外探测技术来完成所要求达到的功能,在如今的科技发展中被广泛应用在安防工程当中。同时也广泛地应用于各种电子防盗式探测器的研究领域,称之为PIR探测器。热释电传感器主要能够通过对人或动物所发射产生的各种红外线波长进行检测,并将其转换成作为微弱的电信号,当热释电红外探头中的晶体被检测到外来人员的身体温度时,晶体就会因为受热并在两端之间产生与其他数量不同、电荷形式相反的电荷,从而导致元件电荷无法实现平衡,向外界释放多余电荷,这种现象被称为热释电效应。红外探测器探头主要目标是探测人体波长,敏感度高,辐射面一般情况下覆盖菲涅尔滤光片,减少环境的干扰。3.1.2热释电红外传感器选型热释电红外传感器是一种新型的高灵敏度探测器，其主要功能是检测人体辐射的红外波段和热变化，并且将其转换电信号输出，电信号的放大器对其进行放大后可用于对其他电信号的驱动和控制。为了保障以上功能，并且提高灵敏和可靠性，降低工作耗能，本设计系统采用了HC-SR501人体感应模块，具有进口德国原装LHI778探头的。在没有检测到人体信号时，两个热释电的电元互相串联、其导电极性正好完全相反,在一定的电辐射率的环境下,两个产生热释电的电子元件之间的耦合作用方式相同,能够对物体产生的热释电和热辐射效应功能进行相互抵消,消除产生的信号。从而布置形成家庭防盗报警网络,实现自动化节能装置。3.2STM32单片机STM32单片机和我们常用的STC89C51单片机相比，两种单片机的组成部分都是相同的。但在综合速度、功耗、外设等多方面因素考虑,本次设计采用了STM32F103单片机,可对输入的数字信号进行处理，并且耗能较低，集成度高、易于开发。整个系统采用的是STM32单片机实现本地控制与远程控制两种控制模式,本地控制模式是以STM32为基础进行的人机交换功能;远程控制模是以STM32为基础控制的GSM短信模块发送远程报警信号。将STM32F103单片机控制模块与GSM通信模块相连,对主控电路进行初始化设置。3.3UART接口的功能特性UART接口是一个通用的同步异步接收器，它需要处于3V电平状态下与外界进行串行通信。只有当UART串口处于高电平状态时，他才能发送和接受数据。当处于低电平状态时，串口不导通无法正常工作，没有信号传送给单片机，整体电路处于低功耗状态。UART接口应用十分广泛可以支持可编程的奇偶校验，接口工作效率高，有波特率掉电保护。UART接收模块通常分为时钟发生器、数据发送器和接收器三种设备。3.4SIM800短信模块3.4.1SIM800短信模块工作原理GSM集成模块主要功能是将基于GSM的外部射频信号芯片、基带的射频信号处理器和微芯片、内部的数据存储设备、功率和其他电子元件等模块集成起来到各种无线通讯设备电缆板上的无线通讯设备,具有独立的运算控制系统的一种功能性模块。GSM模块可以实现对短信的接口、语音和通话等多种通讯功能。本次设计的GSM模块采用SIM800模块,该通信模块支持双频GSM/GPRS,同时接受AT指令的控制。利用SIM800短信模块通过3.3V电压的匹配直接连接到单片机控制模块当中，在短信模块和单片机串口之间接入一个阻值为1KΩ的电阻，此时为了实现简单地电平匹配，需要将模块的RX引脚接到5.6KΩ的电阻再接地SIM800模块可通过串口直接与单片机控制模块进行连接,匹配3.3V电压，将1KΩ电阻连接到模块与单片机串口，将模块的RX引脚连接到5.6KΩ电阻以匹配电流电平。利用AT指令来控制STM800通信模块进行相应的动作。同时，SIM800通信模块具有体积轻巧,性能稳定,性价比高等优势。当SIM800短信模块处于正常工作时，有六种工作状态。当GSM/GPRS处于休眠状态时，模块的功耗降至最低，但模块仍能接收寻呼信息和短信息；当GSM空闲时，软件工作正常，可以随时收发数据；当GSM处于通话状态时，用户处于已经连接状态,此时模块的功耗和网络及模块配置相关；当GPRS处于待机状态时，会预先准备好GPRS的数据，以便以后传输，此后将不再进行发送或接收数据；当GPRS处于数据传输状态时，GPRS进行数据传送。关机模式时，使用"AT+CPOWD=1"的命令或者PWRKEY引脚进行关机,关闭模块工作。此时。模块个部分的电源将自动关闭，只有实时时钟RTC可以预留电源。在此状态下，软件停止运行,而且串口已经无法使用。电池正极VBAT上的计算机电源应该是继续工作。最小功能模式时，在不中断电的条件下,能够通过采用"AT+CFUN"命令八模块来将其配置为最高性能的方式。在这个情况下,模块中无线射频RF部分或SIM卡局部不正常工作,或者RF部分与SIM卡局部都不正常工作,但是串口还是可以正常使用,此时的功耗很低。第4章软件设计整个操作系统设计和开发过程都是通过利用软硬件相互结合的方式来进行设计和开发实现的,进行了硬件选型之后就可以开始进行相应的软件子程序编写。程序设计从监控软件的基本功能方面主要大致可以划分为如下两类,第一类采用的是自动化监控模块设计软件,在整个系统中作为一个主程序而存在,是整个自动化控制系统的一个核心组成部分,其主要的功能和技术要求就是对各个模块之间以及操作者的相互关系等都进行了相应的调节。第二类模块主要是对系统中的软件和子程序进行设计,使得系统人员能够充分利用多个模块共同实现各种具有实质性的功能,如测量、计算、通信等。每一个被执行的子模块都必须有一个相对应的被执行软件。短信报警程序:是指当一个单片机接受到传感器传送过来的其探测到的电信号后,单片机调用短信报警程序开启和关闭驱动GSM模块进行短信报警，并且在程序中控制中把单片机输出到高电平，驱动蜂鸣器和二极管进行工作，启动声光报警，完成近程和远程的全部报警功能。串行口中的数据校验通信文件程序:当一个单片机和整个数据库的每个用户之间需要进行一个数据校验通信时,首先我们需要对每个串行口的波特率和数值必须进行正确设定,且必须严格保证不允许出现任何奇偶性的数据校验。由于采用传统的中断单片机对中断子程序的数据发送、中断查询，与采用中断处理方式的，对于数据发送资源占用不同。采用发送查询的中断方式的用来直接进行中断数据的直接发送,采用了直接中断查询方式的，用来直接实现中断对子程序的数据接收。根据上述的工作原理和各个子程序的联系完成系统主程序的工作流图如图4-1所示。开始开始系统初始化是否检测到有人入侵启动短信报警电路开始报警短信报警是否持续10秒是否还有检测信号等待下次报警结束检测有无信号输入 否检测有无信号输入 是 否短信报警结束是短信报警结束 是图4-1主程序工作流程图4.1红外探测信号输入电路红外信号检测数字信号发出输入控制电信号，这一部分主要由红外信号传感器电路、信号输出放大电路、电压信号比较电路、数字信号发出输入电路部分组成。红外辐射传感器监测探头元件J1的主要技术作用之一，是仅对人体红外辐射波段敏感并且直接产生一个红外辐射的信号由此转换为电信号，进行时时的检测。电信号电路通过J1的一个S端引脚将其直接输入至控制系统中并作为整个红外元器件的一个信号输入电路信号。利用元件设计构成的第一级输入放大集成电路(如表中图4-2所示)将微弱的电信号经一级放大后,再经过C2输入到运算放大器U1A(如表中图4-3所示)中对其信号进行了高功率增益、低功率噪声的进一步信号放大。放大后的电信号再次通过电压比较器U1B(如图4-4所示)进行二级放大。发现有外来人员已经进入设置红外线监测的范围内时,热释电红外线传感器对被检测的信号进行了检测并发射出微弱交变输入信号,输入信号通过放大器进行两次放大后得到的电信号，再与其他基准电压进行比较。图4-2第一级放大电路图图4-2中,R1为源极电阻,其阻值能够根据实际的环境进行调整。例如,当基极有源电压Ub之间发生微小的有源电压和基极电流量的变化时,基极稳压电流系数Ib也就可能会随之发生改变,在对于基极稳压电流系数Ib的改变控制下,集中于电极稳压电流系数Ic就可能会随之发生较大改变,集中于电极稳压电流系数Ib的控制值Ic增加得越大,集中于电极稳压电流的值Ic就越会随之发生改变,即对基极稳压电流的改变控制集中于电极稳压电流的控制改变。R3向S9014提供一个基于静态的射频基极放大电压,并将一个放大后的射频信号从C2层前端接收并对其进行下一层的信号耦合。图4-3二级放大电路图图4-4电压比较器电路图放大后的交流电信号与输出基准水平电压(U1B)引脚进行了电压比较,输出基准电平为5v,三极连接管Q2导脚接通,J2输出电平是一个低电平;由于当OUT2端脚都无法对信号进行输入时,其信号输出端的基准电压也基本就是0v,所以三极管Q2截止,J2引脚的信号输出电平是一个高电平。在使用红外线传感器能够监测人体红外线信号的强度同时,需要调整R9的值,直到J2引脚的输出电压值变成低电平。通过利用NPN型三极晶闸管S9013把在OUT3端的输入信号电流转化成单片机入口电平的输出信号。这样就直接使得，当一个红外线传感器通过接收器得到一种来自人体内部所直接发出辐射的红外线报警信号时,单片机会自动产生一个报警提示信号,OUT3输出均值都是5v的正常电流工作电压,这就需要我们直接利用晶体管把它转换成低电平的信号输出。由此,当此时单片机前端产生一个报警输出信号时,传送器传送给单片机的高电平,使单片机在此时完全脱离低功耗的工作状态,启动整个电路正常工作;而没有报警信号输入时,整个电路处于低功耗状态,节约能源消耗。图4-5数字信号输入电路4.2AT命令GSM通信模块包括移动设备ME、移动台MS、终端适配器TA、数据通信设备DCE和传真DCE等部分，其中传真包含传真Modem和传真板两部分。在GSM通信模块中，采用AT命令控制模块发送消息。相关的应用设备包括终端设备TE、数据终端设备DTE等可以在嵌入式系统中运行的应用终端设备。这些终端或应用设备可在嵌入式系统中运行[]。系统结构图如图4-6METATE 返回结果 ME状态METATE AT命令 ME控制 网络消息用户及应用设备 网络图4-6系统结构图4.2.1AT命令类型AT命令使用之前都必须添加“AT”或“at”作为指令前缀，才能正式启动系统运行，并在结尾处加以回车符<CR>,AT命令包括四种类型,如表4.1所示:类型说明实例设置命令用于对自定义的参数进行相应的设置AT+CXXX=<….>测试命令用于对设置命令或内部设置参数及其取值范围进行相应的查询。AT+CXXX=?查询命令用于返回参数的当前值。AT+CXXX?执行命令用于读取内部程序的固定参数。AT+CXXX表4-1AT命令类型4.2.2消息发送和写入命令发送消息:AT+CMGS设置命令时,将手机短信SMS从终端设备TE发送到网络侧。发送成功后,消息参考值^mr^将返回给终端设备TE。在接收到非请求发送状态的结束语句指令后,消息可以通过该取值来进行识别工作通。在AT命令发送与写入命令前，输入UART1_Send_Str("AT+CMGF=1\r\n")程序表示使用文本模式，并且发送成功；UART1_Send_Str("AT+CSCS=\"GSM\"\r\n")将文本内容写进GSM短信模块；并且通过UART1_Send_Str("AT+CMGS=\"+手机号\"\r\n")程序，将报警短信发送指定的用户手机，实现远程的家庭监控报警系统。4.3时钟电路的设计时钟电路就是为单片机系统提供一个适合机器的震荡周期的电路,它是单片机系统组成过程中的必不可少的部件之一,任何电路在单片机进行相应的工作时也都需要具备一定的工作时间顺序,所以任何一个系统在进行工作时也都会被广泛地应用。时钟工作电路通常采用晶体振荡器、晶振控制单元及其中的电容器。时钟工作电路时钟电路图如图4-6所示。图4-6时钟电路图采用外置石英晶体振荡器，它的振荡频率为12MHz，每个机器周期中由12个振荡周期组成，所以从中可得到石英晶体振荡器一个振荡周期为1/12us，单片机的一个机器周期为1us。[]4.4复位电路的设计复位操作电路主要的工作功能之一是将系统复位操作电路状态恢复至系统初始化后的状态,复位操作方式主要包括上电自动控制复位操作和外部控制按键的手动复位操纵两种基本的复位操作。当单片机REST端口持续输出两个高于机器周期的高电平时，表示单片机复位时钟电路正常运行，整体电路进入初始化状态。复位采用的外接石英晶体振荡器频率长度为12MHz时，谐波持续时间为1us左右。综合考虑其使用价值和产品价格及整体系统的安全可靠性，本次电路设计中采用了外部的手动复位按键组成复位控制电路,如图4-7所示图4-7复位电路图电容元件可以使得通过一个交流电流、同时阻止直流电流的传输,因此当开关未被按下时，+5V的直流电压不能传送到单片机的RST端,因此系统不能完成对该开关进行初始化的设置,但是当开关持续被按下时，直流电压直接加在单片机的RST复位端口，开关按下状态持续在两个工作周期后，系统自动停止复位操作，松开开关，系统便进入到初始化状态,开始正常工作。4.5报警电路设计如图4-8所示为本系统的报警电路，报警电路由蜂鸣器和二极管组成能够实现声光报警。报警器电路与单片机控制器的PA6引脚连接，并且只有在高电平状态下报警系统正常工作，启动蜂鸣器和二极管发光。当PA6引脚输出为高电平时，NPN三极管处于导通状态，同时单片机驱动GSM模块进行短信数据的传送。当红外线传感器检测到有外来人员进入到检测区域时通过中断程序启动蜂鸣器报警,同时启动二极管发出红光。[]图4-8报警电路短信报警电路流程如图4-9所示开始开始初始化PA6是否为高电平电路启动短信报警模块报警结束 否是图4-9报警电路流程图4.6中断服务程序工作本次系统设计中的主要程序是完成单片机检测的外部热释电脉冲信号，并加以控制其他电路的相应工作。当有脉冲电信号传送到单片机时,表示此时某人已经入侵并达到了监测范围,经过对单片机内部的程序进行处理,启动中断服务程序,关闭中断、保护现场，单片机根据程序驱动GSM短信模块进行报警电路,从而开始进行报警,并且启动声光报警提示屋内其他的人或警示入侵人员。其中断工作流程图如图4-10所示。中断源发出中断申请中断源发出中断申请关中断、保护现场启动报警模块、GSM模块恢复现场、开中断中断返回图4-10中断工作流程图4.7信号采集电路流程