基于ＧＳＭ的智能家居报警系统设计

学号： 11034020415 毕毕业业设设计计说说明明书书 基于基于 GSMGSM 的智能家居报警系统设计的智能家居报警系统设计 DesignDesign ofof warningwarning systemsystem ofof smartsmart homehome basedbased onon GSMGSM 学院学院 电信学院电信学院 专业专业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班级班级 电气电气 11- 4 学生学生 黄仁超黄仁超 指导教师（职称）指导教师（职称） 熊建斌（副教授）熊建斌（副教授） 论文时间论文时间 2015 年年 1 月月 1 日至日至 2015 年年 6 月月 7 日日 广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书 本人郑重承诺：基于 GSM 的智能家居报警系统设计毕 业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在熊建斌副教授的指 导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经 发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果 存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日 I 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 院（系）： 计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班 级： 电气 11-4 班 学生： 黄仁超 学号： 11034020415 一、毕业设计课题 基于的智能家居报警系统设计 二、毕业设计工作自 2015 年 1 月 1 日起至 2015 年 6 月 7 日止 三、毕业设计进行地点 广东石油化工学院 四、毕业设计的内容要求 系统硬件设计:由电路设计部分以单片机控制电路为核心， 由时钟电路，复位电路，电源电路，按键电路，12864 显示电路，语音播报电路，GSM 模块电路和传感器电路共同组成 GSM 智能家居报警系统电路。 指导教师 接受毕业设计任务开始执行日期 年 月 日 学生签名 专业负责人 批准日期 I 摘摘 要要 本文提出了一种基于 GSM 短消息的远程控制系统，在给出系统的总体设计的基础 上，设计了系统的硬件和软件。系统以 GSM 网络作为远程信号的传输平台。对 GSM 网络体系结构作了详细的讲解，并且着重讲述了对于本课题相当重要的短消息业务的 通信原理。数据的传输方式主要是短消息方式，系统中采用 PDU 模式，对短消息的 PDU 编码和解码进行详细的讲述。短消息的接收和发送是通过 AT 指令来实现的，讲 述了常见的 AT 指令及其使用方法1。 本设计利用 TC35i GSM 模块与 STC89C52 单片机组建控制终端，用户通过手机发 送短信指令到控制终端，控制终端提取短信控制指令通过单片机控制各个功能模块从 而实现对智能家居的远程控制。本设计设计包含的系统有：智能照明控制系统、环境 监测报警系统。该设计的各个系统不是独立的，而是彼此相互联系，融合为一个统一 的整体，并相互响应，做到真正意义上的智能集中控制和远程 GSM 控制。 关键词：关键词：智能家居 ；GSM ；单片机 ；报警系统 I Abstract In this system GSM network is a medium for transmitting the remote signal, it presents detailed explanation of GSM networks system structure and emphasizes the communication principle that is important for the task. The mode of transmitting data is most SMS. PDU mode is used during transmitting SMS. It presents en cording and decoding of SMS PDU mode. Transmitting and receiving SMS is realized by using AT command. It presents the familiar AT command and using method. This design uses the TC35i GSM module and STC89C52 MCU to control a control terminal, the user terminal through the mobile phone SMS command, control terminal extracts the SMS control instruction through the single-chip microcomputer to control each function module to realize the remote control of intelligent home furnishing. The system contains the design are: the design of intelligent lighting control system, environmental monitoring and alarm system. All the design of the system is not independent, but interrelated, integrated into a unified whole, and mutual response, do intelligence on the true meaning of the centralized control and remote control of GSM. Keywords: smart home ;GSM ;singlechip ;warning;system 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 II 目 录 摘摘 要要.I 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1.1 智能家居报警系统介绍.1 1.2 智能家居的国内外现状1 1.2.1 智能家居的国外发展现状 1 1.2.2 国内智能家居发展状况2 1.2.3 智能化家居系统在国内的发展特点 2 1.2.4 智能家居发展方向3 1.2.5 智能家居的功能3 第第 2 2 章章 GSMGSM 原理及概述原理及概述.5 2.1 GSM 原理5 2.2 使用人群.5 2.3 GSM 使用安全5 第第 3 3 章章 系统各组成单元方案设计与论证系统各组成单元方案设计与论证7 3.1 系统总框图.7 3.2 方案论证比较.7 3.2.1 CPU 控制模块方案设计7 3.2.2 显示模块方案设计.8 3.2.3 气体传感器模块的方案设计 .8 3.2.4 GSM 模块方案设计8 第第 4 4 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 9 4.1 单片机最小系统模块设计.9 4.2 ISD4004 语音芯片10 4.3 显示电路设计.10 4.4 热释电传感器电路设计.11 4.5 气体传感器电路设计.12 第第 5 5 章章 系统软件电路设计系统软件电路设计 14 5.1 系统程序的主要部分.14 5.2 显示程序设计.15 5.3 按键程序设计.15 目录 III 5.4 语音模块程序设计16 第第 6 6 章章 系统测试及分析系统测试及分析17 6.1 系统测试.17 6.2 测试数据及分析.17 6.2.1 热释电感应距离测量17 6.2.2 温度测试.18 6.3 不足与展望.18 总结总结19 致谢致谢20 参考文献参考文献 21 附录一：附录一： 原理图原理图 .22 附录二：电路附录二：电路 PCBPCB 图图23 附录三：源程序代码附录三：源程序代码24 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 0 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 智能家居报警系统介绍 随着现代电子技术和通信技术的迅速发展，人们的家居生活正在变得越来越舒适 便利。现在居住的环境已经满足不了人们的基本要求了，所以对家居提出了更高的要 求。因为，生活中总存在一些这样那样的安全隐患，如火灾、煤气中毒、匪盗等，这 些很多东西都关乎到了家庭幸福。于是关于智能家居的概念应运而生，在这其中，家 居安全报警系统就是智能家居的及其重要组成部分。在早前的家庭，安全报警系统只 是针对某个具体的安全隐患而进行设计的，比如煤气报警器、红外线防盗报警器和火 灾报警器等，虽然这些报警装置基本能够满足一般的需求，但是它功能比较单一、并 且不具有二次报警功能，性价比很低。例如燃气泄漏致人昏迷后，很可能无人知道， 而且没有进一步防护措施，这个或许会对家庭造成了重大伤害；或无人在家时而发生 的匪盗或火灾，单纯的警铃报警会失去了意义，这显然不能满足人们的要求。而现在 全智能家庭防盗报警采用的是 ADT 全球安防系统。我们可以看到它的特点是功能强大、 技术成熟，但是价格昂贵，不适宜普及，所以没有被人们大量使用。不过从中我们也 可以看出，随着互联网技术不断发展，将家庭安全报警系统进行区域的联网，可以使 得安全系数大大提高。 GSM报警系统采用了工业级无线移动通讯网络以及相关的数字处理技术，已经逐步 应用在技术安全防范领域，以及广泛应用于家庭、商用、小区物业、电力、交通、石 油、煤炭、铁道、市政、公安等部门行业的安防装置，数据监测以及远程监控系统等 等。它利用GSM无线移动通讯网络短信息数据传输模式平台，真正实现了超远距离方便、 灵活的无线报警处理及控制，解决了固定电话或有线宽带网络有线数据传输模式报警 的局限性，真正做到全无线报警。本系统就是利用GSM来完成检测区的远程报警设计， 设计中我们使用是温度传感器，气体传感器以及热释电传感器完成多方为的设防保护 和使用ISD4004芯片对数据进行语音播报，同时可以根据用户需要设置手机号功能。未 来的发展趋势将以智能、信息为主流，使GSM智能家居警仪的发展更人性化。 1.2 智能家居的国内外现状 1.2.1 智能家居的国外发展现状 智能建筑的第一次出生，是在 1984 年的美国，此后，一些经济比较发达的国家慢 第 1 章 绪论 1 慢开始尝试不同的智能家居，特别是在西方的美国、德国以及亚洲日本，新加坡等， 渐渐地智能家居开始进入民众，被人们普遍使用。 目前主导的智能家居类产品是以下三个： (1)美国的 X 一 10 系统,在此中有一个网络平台,它是经过电力线而形成的，应用 集中控制方式实现多种功能,因为这个系统造价相对便宜,性能不错,所以该这个系统在 美国占据大部分市场,仅仅美国就有接近 400 万户人家采取了这个系统。 (2)其次是德国的 EIB 系统,此系统的控制功能的实现，是通过预埋总线、中央控 制的方法。不过在我们国家一般不采用这个做法,原因在于：一是不仅在工程上要求更 加地严格、复杂；而且二是需要预埋总线,价格昂贵。 (3)最后一个是新加坡的 SX 系统,跟 EIB 类似,这里也是通过预埋总线及中央控制 方式,进而达到人们想要的功能。不过这个系统在我们的应用不多，因为虽然它系统比 较成熟，符合我们国家的情况，但是缺点在于系统结构、多样性、性价比等跟不上人 们的需要。不管如何，未来必定是智能化，所以智能家居有着极大的商机和不亚于互 联网的市场。虽然现在还未能崛起,但各大企业已经开始对它研究和开发。 1.2.2 国内智能家居发展状况 在我们国家，智能家居并不是单一的，更不是一个关于智能小区理念，最重要的 是多方面去实现人们想要的功能，让人们生活更加方便，更安全。它是通过计算机、 通信、智能布线等方面，把建筑智能化建立、网络通讯服务、建筑安防系统等方面方 便快速结合在一起，使得在传统智能小区展现了通向大众的延伸，使得人们的生活质 量能够得到极大提高和赔有安全感。 1.2.3 智能化家居系统在国内的发展特点 (1)有着极大的发展前景，在现阶段，房地产业异常火爆，智能化家具与之息息相 关,可以说对企业家有着巨大的诱惑。 (2)虽然智能化家居有着一定的发展了，但其产业还处于发展初期，还需要引导其 去发展。因为现在这个产业各走各路，没有领头羊,带领人们走向更广更专业的路，其 次智能家居市场较为混乱，技术力量重复投入，各种层次的只能家居大同小异，没有 更多创新性的发展，使得智能家居在国内的发展停滞不前。 (3)智能家居市场远远不够成熟，毕竟属于新兴行业，真正在做只能家居的行家并 不多，广告、服务、价格等的竞争也还不够，所以导致市场份额并不集中，人们对这 个行业的了解也不够，只停留在简单的认知中。 (4)但不管怎样，这个市场非常有前景。人们对高智能的需要越来越高也更加迫切， 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 2 虽然有着巨大的市场，但是市场区域的需求极不平衡。以临海的省份为主以及江苏、 北京等经济发达的地方占了大部分份额，而西北西南占的比例并不多，这主要与居民 的总体消费水平有关。 1.2.4 智能家居发展方向 (1)向一体化、系统集成化方向发展； (2)向节能环保方向发展； (3)向智能化、网络化、人性化方向发展； (4)向规范化、标准化方向发展我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷， 标准和规范还在制定之中； (5)向具有中国特色的家居智能化方向发展。家居智能化系统需要大量的适合中国 国情的产品和运行软件，目前开发的软硬件产品的种类较少，水平较低2。 1.2.5 智能家居的功能 智能家居首先应理解成为住户提供一种服务，而不只是一件产品或一套简单的系 统设备。所以我们要明白它能够使人们通过家居控制系统更加便捷实现对家里面的所 有电气设施实现控制和管理的功能。并且能够使每个家庭的计算机、网络设备、家电 等各类信息终端真正跨平台，通过网络让普通消费者从家就能感受到焕然一新的只能 数字生活或者体验，实现安全服务、通信服务、能源管理、自动控制等功能。 家庭报警功能： (1)基本功能 能连接红外传感器实现防盗、瓦斯等可燃气体防漏、及时知道火灾等一些突发情 况。并且可以及时发送一些信息到小区或者房主手中，使得人可以迅速采取策施，进 而阻止或补救。 (2)需要说明的问题 对于居民来说，安全永远是排在第一，所以这也是我们对智能家居的最重要的一 个要求。由此，我们就能够明白为什么安防能够成为智能家居最重要的一部分。所以， 报警系统是一个不可或缺的一个模块，而且对它的要求也较高，系统必须具备一些基 本功能：线路与设备运行状态与故障的轮询检查。由此我们可以知道当发生故障或遭 到破坏时，相关人员可以迅速采取措施。同时必须选择品质良好的报警探头才能确保 系统运行的正常运行，减少误操作。而警灯或者警铃等警示设备在室内的配置则是体 现人性的关怀。因为我们使用报警系统的原因是为了吓走嫌疑犯而不是为了抓住他。 第 1 章 绪论 3 家电控制功能 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 4 （1）基本功能 在屋里终端能够对家电、灯光进行开关，并且隔一段时间控制住户通过网络通讯 的方式，实现对家电设备的远程控制。 (2)需要说明的问题 虽然智能化家居的技术发展迅速，且已经出现了多种不同的方式，如预布的总线 制、电力载波方案和无线射频方案等。而作为智能家居终端厂家很重要的 一点就是： 研发出一套属于自己的家电控制智能模块产品，又或是拥有一套成熟的系统和根据不 同的需求去研发出不同的接口。远程控制的建立，要求有配套的网络服务平台，而网 络安全是一个及其重要的事情，因为这关系着人们的切身利益。 系统布线 (1)基本功能 网络布线的功能：把语音、数据、图像和部分控制信号系统用统一的传输媒介进 行综合，经过统一的规划设计，综合在一套标准的布线系统中 (2)需要说明的问题 在组网中分为两种模式，一是利用小区宽带网络布线，二是小区单独建设专用网 络。我们知道宽带开通要收费，由于中国网络企业的垄断，我们会受制于他们。更重 要的一点是，因为仅仅只有报警和对讲等功能，并没有实际的保护措施，所以无法确 保我们的安全，因此在这里设置独立的网络布线系统是非常有必要的。为了使智能家 居系统能够更好的运行，有一个更好的办法就是采取层次化网络设计交换机带网络管 理功能。不同网段之间的通信通过核心交换机的第三层功能来进行。限制广播风暴， 防火墙的设置就可以很好的解决此问题，使我们能够对网络的安全能够有一个自主的 掌握。 辅助功能： 其他辅助的功能很多。但从用户的角度出发系统设备安全稳定最重要，功能上要 有较强的抗干扰能力。也就是基本功能便捷实用(像语音通讯、报警功能、红外感应器 等)、核心功能适度超前(如电话功能及信息功能等)、拓展功能(如家电灯光控制、系 统网络通讯等)，便于实现与未来技术发展对接可能。 第 2 章 GSM 原理与概述 5 第第 2 2 章章 GSMGSM 原理及概述原理及概述 2.1 GSM 原理 第 2 代蜂窝移动的通信技术称为 GSM，即是 2G。模拟蜂窝技术由于它的快速发展 现在被人们称为一代移动通信技术，第三代移动通信技术被人们称为宽带 CDMA 技术， 即是 3G。GSM 其实是一个蜂窝网络，在本质上即为移动电话要连接到它之后，才能找 到的距离比较近的蜂窝单元区域。GSM 网络运行在多个不同的无线电频率上。 GSM 网络也称为蜂窝单元，其中分为 4 种不同尺寸:微微蜂窝，伞蜂窝，巨蜂窝， 微蜂窝，。当环境不同时，网络覆盖面积也就不一样了。其中巨蜂窝常常被认为是那 种基站天线安装在天线杆，或者是那种建立在房子上的。而微蜂窝被看做那些天线高 度比起平均建筑高度要低一些，市区里一般都是用的这个。那种很小的蜂窝称为微微 蜂窝，它只覆盖了范围只有几十米，而且室外一般不用这个。顾名思义，用更小的蜂 窝网覆盖的盲区叫做伞蜂窝，填补蜂窝之间的信号空白区域。 蜂窝的使用范围在很多情况下都要根据天线高度以及增益大小等情景来，大概可 以从百米以上一直到接近数十公里。最长距离 GSM 规范在实际生活使用的是可以一直 到 30 千米。其实在这里还有个扩展蜂窝的应用，顾名思义就是扩展使用范围，一到数 倍，在条件允许下或许会有更多。不管是室内室外 gsm 都能用，因为室内天线分布系 统上能够通过功率分配器室外天线的功率应用而被分配到。这是一种很常用的配置方 案，因为它不仅支持室内高密度通话所需要的要求，并且在很多时候会被采取在购物 中心和机场等公共场所的做法。但是这有时候并不是必须的，无线信号也可以通过穿 过建筑物的做法来实现室内覆盖，因为它可以提升信号的质量，以及减少干扰和回声 的影响。 2.2 使用人群 GSM 是全球移动通信系统的简称。目前它是使用人数最多，范围最广的移动电话标 准，在全世界有不低于 200 个的国家和地区，以及超过 10 亿人是使用的 GSM。 2.3 GSM 使用安全 中等安全水平：在这个系统中设计成我们可以使用共享密钥和用户认证。而且 在用户与基站中，它们的通讯可以被加密使用。UMTS 的发展更是为我们的方便，提供 了一个方式，即是 USIM，它能够使用更长鉴别密钥，并且可以进一步保障好使用安全、 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 6 保障好双向验证。美中不足的是，GSM 只有单向的网络用户验证.尽管安全模块可以为 我们提供了两个方法：保密与鉴别。但是鉴别能力不足，而且容易被伪造。 考虑到不足，GSM 便采取了多种加密算法的做法。其中在空中语音的保密性使用 了两种串流密码：A5/1 和 A5/2。A5/1 是一种强力算法，英国，法国等欧洲多使用这 个，相反，A5/2 蔚弱度算法，亚，非，美洲多是使用这个。在两种算法中严重漏洞都 已经被发现，例如一个单一密文攻击可能实时的中断掉 A5/2. 但是系统支持多个不同 算法，这样运营商就可以换一个安全等级更强的。 GSM 系统有几个重要的性能:高安全性、网络容量大、号码库丰富、通话质量佳、 有着较强的稳定性、信息收发快速方便、机卡分离、电量消耗低。 GSM 的主要技术特点如下: 1.频谱效率。因为选择的是效率极佳的调制器、交织、均衡以及语音编码技术， 这样系统就获得了高频谱效率。 2.容量。因为在这里信道传输带宽都增大了，因此同频复用栽干比必须减小，直 到 9dB，如此一来，GSM 系统的所用的同频复用模式便能够降低至到 4/12 或 3/9 或 者可以更小。 3.话音质量。鉴于数字传输技术的特点以及 GSM 规范中有关空中接口和话音编码 的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。 4.开放的接口。GSM 标准所准备的开放性接口，不是仅在空中接口，更重要的是 在网络之间和网络中各种实物之间，就像 A 接口和 Abis 接口一样。 5. 安全性。采用了监督权力、加密以及 TMSI 号码等，如此便可以使系统更加安 全了。其中鉴权是为了检验用户是否有入网权力；加密是为了空中接口，这个是根据 SIM 卡和网络 AUC 的所带的密钥来决定的。而 TMSI 是一个临时识别号，它们是被用 户所指定的，主要的作用是为了防止别人的跟踪。 6.与 ISDN、PSTN 等的互连。当需要连通其他的网络时，一般是采用现有的接口， 比如 ISUP 或是 TUP 接口。 第 3 章 系统各组成单元方案设计与论证 7 第第 3 3 章章 系统各组成单元方案设计与论证系统各组成单元方案设计与论证 3.1 系统总框图 这个系统是用 STC12C5A60S2 单片机做为核心部件，然后去连接各外部电路，去完 成我们所需要功能。此系统的总体框图如图 3-1 所示： 图 3-1 系统总体框图 电路设计部分以单片机控制电路为核心，时钟电路，复位电路，电源电路，按键 电路，12864 显示电路，语音播报电路，GSM 模块电路和传感器电路共同组成 GSM 智能 家居报警系统电路。 3.2 方案论证比较 3.2.1 CPU 控制模块方案设计 方案一：在这里我们选择 32 位的 LPC2138 做为单片机去控制 CPU，这个单片机采 用的是 PARM7TDMI-S 核的 ARM 芯片，它有 3 个在国内是最好的的技术：RDI 标准接口、 同步 Flash 刷新技术、影射寄存器窗口。而且在这个内部它是通过 PLL 锁相环倍频的 方法，这样我们就能够获得更高的 CPU 处理速度使我们运用速度更快，还有一点很重 要，通过它的 AD、DA、捕获、匹配和在网络通讯的同步与异步等，会更便捷的会方便 那些用户的对它的编程设计。虽然性能方面非常的不错，但是价格偏贵。 方案二：在这里我们采用的是 STC12C 系列 5A60S2 单片机，它是两路 PCA 捕获/匹 配，变换速率能够高达 250000 次/秒，主要是因为它拥有 8 路 10 位高速 A/D 转换，性 价比高，目前已经广泛的在各种仪器与工业控制普及了。 单 片 机 时钟电路 复位电路语音播报电路 12864 显示电路 电源电路 按键电路 GSM 模块电路 传感器电路 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 8 所以，通过两个方案的比较之后，我决定使用 STC12C5A60S2 的单片机。主要是因 为当我们使用 ARM 控制时，我们需要对它的全部接口都做电平转换，固然就加大了硬 件电路的复杂性。而方案二来带给我更加简单便捷，且价格优惠。 3.2.2 显示模块方案设计 这里需要用到中文信息显示，这里我采用 LCD12864 液晶显示屏，因为它非常的简 单使用。因为它不仅可以显示字母、数字，而且还有自带符号和汉字库，我们可以直 接快速方便使用它。因此可以发现此显示屏是很适合智能化显示。它里面的信息通俗 易懂，有一些不错的优点：功耗低，体积小，重量轻，寿命长，没有辐射等。 3.2.3 气体传感器模块的方案设计 方案一：金属氧化物半导体传感器 通过%LEL/LFL 去检测可燃气体和蒸气的传感器即为金属氧化物半导体传感器（或 称 MOS）。MOS 的用处之一是检测毒性水平。当在空气清新时，它的电导较小；但是当 接触还原性气体或那些易燃易爆气体时，电导会随之增加。在这里我们可以改变传感 器的加热温度，进而去改变它的灵敏度。通过查阅，我了解到有毒气体和易燃易爆气 体它同样也可以检测到。如今它常用于检测 ppm 级的碳氢化合物和有毒气体，不过它 的价钱不便宜。 方案二 ：MQ 系列气体传感器 这个器件的特性是，当某些可燃气体的浓度由于意外而增大时，它的阻抗与浓度 成反比，会慢慢降低。我们利用这一特性，去做一个可燃气体泄漏的报警器：我们用 气敏传感器去检测可燃气体在空气的浓度，根据检测出来的信号来判断是否要触发报 警器。而且重要的是这个器件对液化气,丁烷,丙烷着不错的灵敏度反应，但乙醇蒸气, 烟雾却影响不了它。那么人们对 LPG,丁烷,丙烷,LNG 的检测很多是使用它。另外它还 有一些不错的优点：反应快速、稳定、价钱并不昂贵，而且驱动也不复杂等。 比较这两个方案，我们很容易做出选择，即方案 2。我们让单片机对传感器的 AD 值做一个检测，然后就可以通过报警器来知道是否有可燃气体泄漏出来。 3.2.4 GSM 模块方案设计 在我们国家所使用的GSM模块有不少，但其实总的来说这些模块的功能、以及他们 的用法并没有太多的差异。在这里我们选择是西门子TC35系列的TC35i。它的无线模块 在功能上与TC35兼容，并且由于它的设计紧凑，使得它的体积缩小了许多，更方便用 户去做不同设计。TC35i与GSM2/2兼容、双频、RS232数据接口。这样使得GSM的模块和 射频电路和基带于一体，如此它就可以向用户提供标准的AT命令接口了，使得那些数 据、语音、短消息和传真等，能够提供更加便捷、高效的传输了。 第 4 章 系统硬件电路设计 9 第第 4 4 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 4.1 单片机最小系统模块设计 本系统采用 STC89C52 单片机为控制核心，STC89C52 作为普通 51 单片机已广泛应 用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大。单片机不断监测有没有异常 信息，当发现异常信息时，就会出现中断，使得单片机可以经过 UART 串口传输 AT 指 令到 GSM 模块，同事开启 GSM 模块把警报信号发送短信到设置好的人。然后再按照用 户传递过来的指令，启动继电器去控制家电。 STC89C52 单片机是一种功率消耗少、高效便捷的微控制器，它包含了 8K 在系统 可编程 Flash 存储器。STC89C52 之所以能够提供高灵活多变好用东西给嵌入式控制应 用系统，是因为在它有 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash。 并且它具有以下标准功能 ：8k 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，三个 16 位定时器/ 计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。此外 STC89X52 能够减低到 0 赫兹 的静态动作。在无人操作时，CPU 会静止，这时候 RAM、定时器/计数器、串口中断。 其次掉电的情形下，RAM 里面的内容依然可以保存下来，振荡器也会冻结，单片机此时 会停下来，一直到下一个中断，或者等到硬件复位。这个单片机的最高运作频率为 35Mhz，6T/12T 可选。 本系统设计主要应用其 PWM（或捕捉/比较单元）、四路 10 位高速 A/D 转换模块、 SPI 接口、定时/计数器、I/O 接口等功能模块。 图 4.1 单片机最小系统模块电路图 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 10 4.2 ISD4004 语音芯片 ISD4004 系列一般是在 3V 的电压下工作,它的单片录放时间可以达到 8 至 16 分 钟,音色和质量很不错,常用于手机或者一些电子产品里。里面的芯片运用的是 CMOS 技 术,它包括了振荡器、滤波器、带有放大功能的音频器、并且还可以自动静止噪音，高 密度多电平闪烁存贮陈列。芯片是由所有操作必须由微控制器控制的为基础的,串行通 信接口能够把操作命令送入进去。芯片运用了多电平模拟量的存储技术, 在这里，每 一个采样值偶可以存储在片内闪烁存贮器里面,所以根据这特性，芯片可以很真实、自 然地重现语音、音乐、音色等,使得一些噪声或金属声可以被过滤掉。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0k 赫兹,但是频率越低,虽然会录放时间长一点,美中不足的是音质会下 降,单片机里面的数据存储在闪烁存储器中,在一般情况下，可在断电情况下保存 100 年,反复录音高达 10 万次。 自动静噪：如果录音信号电平下降到内部设定的某一定数以下时,然后自动静噪就 可以使信号变小,对信号的噪声有不小的帮助。一般情况下，本端对地接 1mF 的电容, 如此能够形成内部信号，使得电平峰值成了电路检验的一块。然后把检测出来的的最 高值电平跟内部我们设定好的定数作一个比较,这样就能够确定好自动静噪的转折点了； 而当信号比较大的时侯,自动静噪电路并不下降；当静音的时候会衰减 6dB。 ISD4004 工作于 SPI 串行接口。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定 微控制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿动作,因此对 ISD4004 而言,在时钟上升 沿锁存 MOSI 引脚的数据,在下降沿将数据送至 MISO 引脚。电路图如图 4.2 所示： 图 4.2 ISD4004 语音芯片模块电路图 4.3 显示电路设计 在这个系统中，因为我需要显示汉字以及了解到转速变化曲线，因此在这里我选 择了 12864 液晶显示器。这个显示器中有自带的中文字库的 128X64，它拥有 4/8 位并 第 4 章 系统硬件电路设计 11 行、2 线或者是 3 线串行的不同接口，在它的里面存储着国标一级、二级简体中文字库； 这种显示器的分辨率是 12864 规模的,在这里面放有 8192 个 16*16 点汉字，以及 128 个 16*8 点字符集.所以，我们可以利用这个模块多样的接口方式以及便捷的的操作 指令，就能够形成中文人机交互图形界面；也能够显示 84 行 1616 点阵的汉字。 用这个模块所形成的液晶显示方法跟同类型相比下来，我们发现不论硬件电路结构， 还是显示程序的复杂性都大大缩减了，而且这个显示器的价钱也比较实惠。 基本特性：1,低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）； 2,显示分辨率：12864 点； 3,内置汉字字库，提供 8192 个 1616 点阵汉字(简繁体可选)； 4,内置 128 个 168 点阵字符； 5,2MHZ 时钟频率； 6,显示方式：STN、半透、正显； 7,驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS； 8，视角方向：6 点； 9，背光方式：侧部高亮白色 LED，功耗仅为普通 LED 的 1/51/10； 10，通讯方式：串行、并口可选； 11，内置 DC-DC 转换电路，无需外加负压； 12，无需片选信号，简化软件设计； 13，工作温度：0 - +55,存储温度： -20 - +60。 12864 电路图如图 4.3 所示。 图 4.3 12864 显示电路 4.4 热释电传感器电路设计 在热释电传感器电路中，选择的元件有红外探测器专用芯片红外传感信号处理 器 BISS0001、热释电红外探头 RE200B(传感器)及一些外围元件(电阻电容)。它的正常 工作电压是+4.5V(工作范围可在 3V 到 5V 之间)9。 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 12 其中在这里所用的检测元件 BISS0001，它经常用于 CMOS 中的电路，它的特性是带 有高阻抗运算放大器，以便和其它的传感器进行匹配，就可以应用信号预处理了。此 外这个传感器带有双向鉴幅器，能够非常有效的去抗干扰，在电路传感器的内部装有 延迟时间定时器和封锁时间定时器。管脚排列及各点波形如图 4.4.1 和 4.4.2 所示。 图4.4.1 BISS0001的管脚排列图 图4.4.2 BISS0001的管脚波形图 当 A 端等于“0”时，此时的工作方式是不能够重复触发的，就是说在 TX 时间内， 所有的 IC7 的变化都会被跳过，这个过程是一直持续到时间 TX 结束的。而 TX 时间完 结时，UO 会回到低电平，在这个时候，就会进入封锁周期 Ti。其中，Ti 周期内，所有 的 IC7 变化都不能够让 UO 变为有效状态。 在这个电路中，因为 BISS0001 的 1 脚所接到的为低电平，就是说在这个时候芯片 不可重复触发状态，即是说在延时这个周期内，电路并不会再次触发。因为此功能的 设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 当人体所发出的红外线被红外探头接收到之后，然后通过内部转换，这时候会输 出一个较弱的低频电信号到 BISS0001 芯片的第一级运算放大器工 Cl 的同相输入端， 接着会对所接受到的信号进行处理，处理后 UO 脚输出高电平信号，经非门后送单片机 的 P0.0 脚进行报警处理5。红外探测器电路如图 4.4.3。 图4.4.3 红外探测器部分的原理图 4.5 气体传感器电路设计 MQ-6 型液化气气体传感器对液化气,丁烷,丙烷有较高的灵敏度，对乙醇蒸气,烟雾 几乎不响应。具有快速的响应恢特牲，长期的使用寿命和可靠的稳定性和简单的驱动 电路等特点，适用于家庭或工业上对 LPG,丁烷,丙烷,LNG 的检测。装置 MQ-6 气敏元件 第 4 章 系统硬件电路设计 13 的结构和外形如图所示(结构 A 或 B)，由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层，测量电极 和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不绣钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供 了必要的工作条件。MQ-6 型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的，一般用 1000ppm 液化气 校正传感器13。其原理图如图 4.5 所示。 图 4.5 MQ-6 型液化气气体传感器内部结构图 图 4.5 MQ-6 气体传感器模块电路图 第 5 章 系统软件电路设计 14 第第 5 5 章章 系统软件电路设计系统软件电路设计 5.1 系统程序的主要部分 本系统的软件设计采用数据与图形相结合的表示方式, 功能清晰、 使用方便。主 程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的， 在此过程中主程序调用了子程序及中断服务程序。程序首先完成初始化过程，然后判 断是否有报警，然后根据判断发送报警。流程图如图 5.1 所示。 是否调整短信 中心号码 开始 单片机寄存器初始化 NO YES LCD初始化 传感器初始化 进行调整 是否调整 目标号码 读取温度值 温度是否 超过初始值 播报温度 发送短信 读取气体传感器 是否有气体泄漏 读取红外传感器 是否有人入侵 返回 进行调整 播报温度 发送短信 播报温度 发送短信 NO YES YES YES YES NO NO NO 显示 图 5.1 程序总体流程 第 5 章 系统软件电路设计 15 5.2 显示程序设计 本设计除了实现防盗、煤气泄漏报警的功能外 u 实时日历时钟显示的功能，如图 5.2 所示为 LCD12864 显示流程图。 A0是否为高电平 开始 LCD参数初始化 LCD实时显示时钟 及参数 返回 NO YES 图 5.2 LCD 显示流程 5.3 按键程序设计 接通电源后系统进入待机状态，此时通过按键输入手机和短信中心等数值。如下 图 5.3 所示。 是否按键按下 开始 检测按键序号 NO YES 继续等待是否为按键1 YES 是否为按键2 YES NO 在上电过程中 进入时间模式 否则进入设置 模式 是否为按键3 是否为按键4 检测按键序号 检测按键序号 检测按键序号 在上电过程中进 入录音模式否则 进入设置模式 在上电过程中进 入放音模式否则 进入设置模式 YES NO 在上电过程中进 入暂停模式否则 进入设置模式 NO 返回 图 5.3 按键流程图 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 16 5.4 语音模块程序设计 通过单片机模拟 SPI 总线来实现对单片机的读写控制，可在指定的地址播放内容可 以在指定的地址录相关内容具体程序如图如下 4.5。 语音芯片初始化 是否录音 开始 语音参数初始化 延时 到指定地址录音 是否放音到指定位置播放 延时 返回 NO YES NO YES 图 5.4 ISD4004 程序流程图 第 6 章 系统测试与分析 17 第第 6 6 章章 系统测试及分析系统测试及分析 6.1 系统测试 整个系统设计完成后，要进行运行调试，排除软件和硬件的故障，同时验证系统 的可靠性及稳定性，使系统符合设计要求。本系统的调试主要分两个步骤：单片机系 统调试及整个控制系统运行调试。 结合系统软件测试，利用硬件平台进行功能性检测，即验证系统软硬件综合测试 正常。主要包括了温度传感器电路、MQ-6 气体传感器电路、热释电传感器、键盘输入、 液晶显示等，并实现各部分功能的综合测试。 该综合测试主要在系统调试正常的情况下，验证煤气气体综合测试情况。首先对 调整 MQ-6 的灵敏度，在液晶上显示，通过一些特殊手段，改变环境的液化气气体含量， 看液晶上气体灵敏度是否会改变。通过测量当液化气浓度达到 1000ppm 时，系统发出 “煤气泄漏”语音报警和 GSM 发出“煤气泄漏”中文短信报警到用户手机；当室内温 度高于假设的 70时，系统发出“火灾报警”语音报警和 GSM 发出“火灾报警”中文 短信到用户手机；当室内有人入侵时，系统发出“有人入侵”语音报警和 GSM 发出 “有人入侵”中文短信报警。实现了险情识别报警，同时减小了误报的几率，使得设 计更加人性化。 6.2 测试数据及分析 6.2.1 热释电感应距离测量 在主人外出模式下，当室内有人入侵的时候，热释电可以感应到人的存在，同时 发出远程报警。在调节好红外热释电模块的灵敏度后，通过测量，我们可以测得热释 电的感应有效范围，并实现语音报警和远程短信报警，数据记录于表 6.2.1。 表 6.2.1 热释电感应有效范围 范围/m 序号 2.5 3.4 3.8 4.3 4.9 5.4 5.7 6.3 6.5 7. 0 1 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 无报警 2 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 3 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 无报警 4 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 无报警 5 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 无报警 6 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 7 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 报警 无报警 无报警 广东石油化工学院本科毕业（设计）论文：基于 GSM 的智能家居报警系统设计 18 分析：理论上红外热释电的有效感应范围应该为 0-7m，通过测试，从 0m 开始到 7m,其中到 6.3m 的范围都能感应到，但是到 6.5m 的时候开始出现感应不灵，主要可能 是出现些电子干扰及线路误差。 6.2.2 温度测试 本系统通过用 DS18B20 测试温度高低，实现火灾报警功能。开始设定一个初值如 70，当温度传感器测得值超过这个初值时则系统进行语音报警和远程短信报警。调 试的过程中，为了更方便调试及测量，设计中使用了电吹风加热，同时通过与四位半 高精确温度测量仪器相比较，多次测量，判断出误差。并记录表 6.2.2。 表 6.2.2：温度传感器测得的温值与高灵敏度温度测量仪测出室温值记录表 次数 温度/ 12345678 传感器 温度值 / 7071717071707071 高灵敏 度温度 测量仪 / 70.371.571.870.671.870.570.471.2 分析：当电吹风加热到 70左右的时候，系统发出语音报警和远程短信报警，但 有时可能因为系统响应较慢，所以当温度检测到 71时才开始发出报警。由实验数据 所得本系统所使用的 DS18B20 测得的数值在精度上和准确度上都比高精度的温度测量 仪低，但是相差不是很大，因而使用 DS18B20 作为火灾温度检测是具有一定的可行性 的，同时其较低的价格，也可以降低设计成本。 6.3 不足与展望 本设计经过硬件与软件的调试运行，基本完成了对智能住宅盗情、火情、煤气泄 漏等进行自动监测，并实现了自动报警功能。运行结果表明该装置在技术上有一定的 可靠性，但也存在着一些问题。例如有人放置信号干扰器，则 GSM 报警可能不能发出 短信报警；防火探测器检测过于单一，可能会有漏报的情况，另外尚有许多理论问题 和工程应用问题需要进一步的探索和研究，就研究和发展状况来看今后仍需在以下几 个方面努力： 1、由于火灾探测器过于简单，可以在系统中加入 MQ-2 烟雾检测传感器，对烟雾 进行浓度检测； 2、热释电红外传感器的检测能力会随着距离的增加而减弱，因而可以在门窗增加 电磁阀控制器，当有人破门而入时，就可以及时检测到有人入侵，然后通过单片机控 总结 19 制系统发出语音报警和短信报警。 总结 本文从整体到部分详细介绍了智能家居报警控制器的设计。通过查阅大量资料， 本文提出了几种可行性方案，对硬件电路的实现方案进行了分析对比，并最终选择了 基于 GSM 模块的实现方案。在比较重要的部分进行了详细的论述，并且给出了程序及 说明，其可靠性和稳定性都达到了很好的效果。本设计已经完成了对智能住宅盗情、 火情、煤气泄漏等进行自动监测并实现了自动报警功能。经测试，热释电红外传感器 的感应范围为 6.3m 左右；在外界温度为 70时，DS18B20 温度传感器能够准确感应， 并发出报警，基本实现预期目的，同时系统还能够辨别不同险情，进行不同的报警， 方便主人正确处理险情，使设计跟家智能化、人性化。 在现代电子科技的高速发展过程中，微型化、集成化、高密度化以及设备的高精 度化已经成为一种长期的趋势，这就要求我们力求使用更精确的设备。本设计中使用 的芯片只是当前电子科技发展的一般产物，随着科技的不断发展，更高密度，更高精 度的芯片将会取代现有的产品，所以我们还要不断的学习，不断的丰富和更新我们的 产品，提出更高的要求。 致谢 20 致谢