Word版可编辑-电子设计竞赛报告基与GSM模块的防火防盗防漏智能家居系统精心整理.doc

作品名称： 基与GSM模块的防火防盗防漏智能家居系统目录：一、申报者信息：3作品类别：基本电子技术应用类4二、引言：41.智能家居国内现状5三、方案设计61、方案选择62、方案确定93、理论分析与方案论证11四、总体设计11五、单元电路（或软件模块）设计141. 日历/时钟/E,PROM程序152. 键处理程序151.1 键盘扫描程序161.2 数据读取程序163. 防盗报普模块164. 报普模块程序设计175. 家电控制器的总体结构196. ATmega16简介197. 晶振电路218. 子控制器模块229. 灯光控制模块2310. 温度监测模块2311. 红外集中控制模块2412 实时时钟2413. DS12887功能与特点介绍2514. 时间、日历和定闹单元2615. 后备电源2716. 遥 控 器2817. 传 感 器2917.1 红外传感器2917.2 烟雾传感器2917.3 气体泄漏传感器30六、单元电路测试30七、整体测试30八、结论31九、附录33十、参考文献33一、申报者信息：队员1：姓名 余枭昆，性别 男，出生年月 ，所在学院 、专业 电子信息工程、年级 2012级 ，教学号 ，邮箱，电话员2：姓名 卓友维，性别 男，出生年月，所在学院、专业 电子信息科学与技术、年级 2012级，教学号，邮箱，电话员3：姓名 徐嵩，性别 男，出生年月 ，所在学院 、专业 电子信息工程、年级 2012级 ，教学号，邮箱，电话品类别：基本电子技术应用类二、引言： 1.智能家居国内现状智能家居控制系统中大家目前最迫切需要的是安防报警、灯光控制和空调控制等家用电器控制功能。另外,现在市场上智能家居产品的稳定性和可靠性还较差,有待进一步提高。 智能家居是这样定义的:它是以用户住宅为平台,利用各种新技术技术,如通信技术,自动控制技术等,把生活息息相关的各种家电,安防等设施集成,组成住宅设施管理系统,造就一个安全、便利、舒适,环保的家居生活环境。目前智能家居正朝着具备无线远程和近程控制相结合、多媒体,游戏娱乐功能于一身、快速便利的家电控制等功能的方向发展,其核心技术为扩展性强的智能家居控制器和满足信息传输快而准需要的家庭。 回首过往,智能家居进入中国也已有十多年历程,在这十多年发展中,市场的不温不火着实伤了很多人的心。国内任何一家智能家居厂家在涉足智能家居领域这几年肯定是在彷徨和自信中度过,智能家居当中存在的问题可能在未来的一段时间得不到解决。GSM移动通信系统是目前移动通讯领域中比较成熟!完善!应用最广泛的一种系统作为GSM网络的基本服务之一的短消息SMS(Short Message Service),也受到了越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,各种基于短信的应用也随之蓬勃发展起来本报告以GSM移动网络作为信息传输平台,设计了一个通过短消息进行远程家电控制的组件，短消息遵循GSM的标准AT指令集,用户可以通过手机发送短信对家用电器进行远程ON/OFF控制，控制组件主要由GSM模块TC35，单片机atmega16及继电器组成硬件设计，控制组件的程序采用了前后台的设计方式,由主程序,串口接收中断服务程序,定时器中断服务程序等功能模块组成。其中主程序负责和TC35进行短消息收发，串口接收中断服务程序和定时器中断服务程序共同完成串口数据的接收，串口数据接收和PDU编码/解码是两个难点问题。以家庭的常用电器为被控对象,成功的实现了对电饭锅的远程开启与关闭的控制。三、方案设计1、方案选择 (1)在智能家居控制系统中,家居智能控制终端面向用户的,因此其个方面就显得尤其重要,综合目前的研究现状,主要有以下几种方案:第一种方案,采用键盘、红外遥控器、触摸平板和LCD显示器等设备对家电进行控制。当前智能家居控制系统大都采用此种控制终端,使用此种方式需要分别对控制终端的软件与硬件进行设计,设计复杂,成本高,用户必须购买厂家的控制器以及随后产生维修升级等问题。此外,使用此种控制终端只能进行本地控制,不能实现远程控制。第二种方案,采用家庭或者办公电脑作为智能家居控制系统的控制终端。随着家居智能控制网关技术和高速宽带进入等技术发展和应用,使得电脑能够通过internet对家居系统、安防设备的控制方式成为了可能。但是,使用这种控制方式缺点也是显而易见的,那就是只能固定点对家居进行控制,控制终端不能移动造成此种控制方式不够方便,便捷。第三种方案,采用手机作为控制终端,使用手机通过无线网络(WiFi,蓝牙,GSM等)对家居系统进行控制,可以真正做到方便、快捷、触手可及。但目前采用这种方式的智能家居系统还不是很多,而且大部分操作繁琐,没有良好的用户体验。(2)GSM短信息通信模块的选择目前,在国内己经开始使用的GSM模块有Faleom的AZD系列,WvaCeolll的WM02系列,西门子的TC35系列模块,这些模块的功能!用法差别不大其中TC35系列模块性价比很高,并且已经有国内的无线电设备入网证,西门子的TC35i模块是西门子推出的最新的无线模块,功能上与TC35兼容,设计紧凑,大大缩小了用户产品的体积,TC35i与GSMZ/2+兼容,双频(GSM900/GSM1800)RS232数据口符合ETSI标准GSM07O7和GSMO7OS,且易于升级为GPRS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及设计。它主要是由射频天线，内部FalhsGsM基带处理器，匹配电源和一个40脚的Zip插座组成,其中GSM基带处理器是核心部件,它的作用相当于一个协议处理器,用来处理外部系统通过串口发送过来的AT指令射频电路部分主要实现信号的调制与解调,实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换,匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源,插座是提供给用户的应用接口主要有音频接口!数据接口!SIM卡接口!电源及其控制接口TC35I工作频段为双频GSM900MHz和GSM1800MHz(phaseZ/2+);支持数据!语音!短消息和传真TC351的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器,符合工TU一TRS232接口标准它有固定的参数:8位数据位和1位停止位,无校验位,波特率在30ObPs!115kbps之间可选,硬件握手信号用TROS/CTSO,软件流量控制用ON/XOFF,CMOS电平,支持标准的AT命令集GSM模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范GSM07.07中定义的ATC皿nad接口提供了一种移动台(MS)与数据终端设备(DTE)之间的通用接口,GSM07.05对短消息作了详细的规定在短消息模块收到网络发来的短消息时,能够通过串口发送指示消息,数据终端设备可以向短消息模块发送各种命令2、方案确定用户可以发送GSM短信息控制窗户的开关;该系统能感知下雨,从而自动将窗户关闭;在家时主人可以用按钮遥控器控制窗户的开关方便居民的日常生活GSM短信息模块的短信息收发处理程序GSM短信息模块接收到短信息后,通过短信息模块的串行口将短信息数据传送给18251A,18251A接收完一个数据就会向主控单片机的外部中断口NIOT申请中断,进入工NOT中断服务程序同样,当单片机系统要向用户手机发送短信息时,单片机系统将数据通过P0口发送给工n七e1825A1,之后nIt1e8251从串口将数据传给GSM短信息模块短信息的收发都是在单片机的中断服务程序中完成的1INTO中断服务子程序当工nte18251A向NITO申请中断后,则表示825A1在接收或发送一个数据,即接收或发送短信息这时单片机转到水TO中断服务程序入口,通过输入状态字来查询1825A1是接收数据中断申请(状态字D:RXRDY二1),还是发送数据中断申请(状态字D:TXRDY二1),然后转至对应的子程序入口处理无线通信模块 CC2511 和 Android 手持终端的智能家居无线控制系统。它将家居环境中的灯光控制、家居环境中温度的检测、红外遥控家电的控制，都转化为基于 2.4G 无线通信技术的无线控制。本系统通过控制中心、灯光控制模块、温度控制模块、红外集中控制模块，搭建起了基于 SimpliciTI 协议的智能家居 2.4G 无线网络控制系统。3、理论分析与方案论证详细说明该方案的工作原理及与题目要求对应的各项技术保证（方案中那部分保证实现题目中那一条要求）。四、总体设计智能家居系统智能安防系统智能控制系统智能家电系统红外传感器燃气泄漏传感器烟雾传感器Atmega16键盘及显示器GSM模块手机温度传感器五、单元电路（或软件模块）设计根据总体要求中对各单元电路（或软件模块）的要求设计各单元电路（或软件模块）。最好在几种方案中选择一种。论述选择各原器件的理由，设计（计算）各原器件的参数（例如：电阻、电容值、功率、类型、型号等）。1. 日历/时钟/E,PROM程序X1226是一个功能非常强大的日历/时钟芯片,其内部寄存器被分为两大部份,一部分是时钟/控制寄存器,另一部分是EZPROM。读写时钟主要是对时钟/控制寄存器操作,读写参数主要是对EZPROM。时钟/控制寄存器当中包括报警寄存器、实时时钟寄存器、控制寄存器和状态寄存器。读写时钟/控制寄存器和读写EZPROM的区别在于从地址不同,读写时钟/控制寄存器的从地址是“1102一llX”,读写E,PROM的从地址是“10一0一1llX”,其中X为“1”时,进行读操作,X为“O”时,进行写操作。系统只要向实时时钟寄存器写入年、月、日、小时、分和秒等时间参数,X1226就会自动按照时间来运行。反之,系统只要读取实时时钟寄存器中的数据就可以得到当前的准确时间。2. 键处理程序键处理程序包括键盘扫描程序、数据读取程序、密码输入程序、按键后续处理程序、校准操作程序、主站上位机地址输入程序和参数设置程序。采集集中器一共5个按键,其中,SET键用于工作状态和设置状态的切换;循环键用于数据读取、参数设置和校准操作等;加键和减键用于数据的修改;确认键用于数据和状态的确认。如前所述,基于GSM网络的分布式数据采集系统不论进行任何键处理,主程序都不会停下来,而是继续运行模拟量采集和RS一485通讯等程序。主程序只会根据当前的键处理状态和相关的标志位来确定本次按键所要进行的处理方式,并且LED数码管会对当前状态有所显示。1.1 键盘扫描程序在按键没有被按下的时候,PZ.OP2.4的状态均为高电平。当有键按下的时候,相应的端口就会变为低电平,只要检测P2.0P2.4的状态就知是否有键按下。在读键时,一定要考虑到键盘的机械特性,避免错读和多读。因此,按键首先要解决去抖问题,去抖共有两种方法:硬件去抖采用基本RS触发器,软件去抖按键后延时12ms即可。1.2 数据读取程序在采集集中器刚上电的时候,它处于正常的工作状态。6位LED的第一位显示是第几个模拟量输入通道的采集量(1一8),第二位显示采集量的类型(温度T、压力P、液位H等),第三位到第六位显示当前采集量的值(09999)。在工作状态下,只要按一下循环键,当前的显示就会由一个输入通道切换到另外一个模拟量输入通道。如果按确认键,当前的显示就会变成时钟或日期,时钟和日期之间的切换也是要按循环键。数据读取流3. 防盗报普模块防盗报警模块用于室内的安全检测,并能向用户手机发送报警信息,用户收到报警短信后采用相应的处理措施这部分也是个小系统,包括设防电路设计,人体传感器电路设计和串行通信电路设计等几部分这个小系统通过电力线载波Mdome连接到电力线上,采用电力线载波方式与主控模块间通信设防电路设计:系统使用固态继电器控制人体传感器的电源的通断来控制系统是否设防的我们用两种方式实现防盗系统的设防一种是手动(设防按钮和关闭按钮)设防,一种是通过发送GSM短信息设防当设防按钮被按下时,或发送设防信息后,固态继电器导通,人体传感器上电,防盗系统工作人体传感器电路设计:这部分选用热释电红外传感器检测是否有人进入其输出信号接到单片机的P1口4. 报普模块程序设计报警模块主要完成两个功能:一个是完成设防功能;一个是报警功能通过控制该模块电源的通断来控制防盗报警模块的启动和关闭电源的通断的控制有两种方法,一种是通过硬件电路即按钮来实现,硬件电路中设计了两个按钮,一个是设防按钮,一个是关闭按钮一种通过单片机软件来实现设防按钮信号接在Pl.O引脚;关闭按钮信号接在Pl.1引脚;人体红外传感器信号接到单片机的Pl.2引脚,当按钮按下,或传感器检测到有小偷进入时,Pl.O!Pl.l!Pl.2脚都为高电平5. 家电控制器的总体结构本课题的任务是建立控制组件,它可以监控被连接的家用电器的状态系统主要功能为:实现中文短消息的收发,根据接收到的短消息控制相应的家电,实现对家用电器的远程控制家电控制器的结构框图如图3一l所示 6. ATmega16简介在本设计中,控制系统通过现有的GSM/GPRS网络来实现对家用电器的远程无线控制,对系统本身的数据处理能力和实时性能并没有特别高的要求,所以选择了ATMEL公司生产的一款高性能!低功耗的AV胆8位微处理器ATmega16L单片机的设计方式单片机作为主控单元,在系统中起着核心作用,AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的C工SC微控制器最高至10倍的数据吞吐率ATmegal6有如下特点:16K字节的系统内可编程F1ash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SR胡,32个通用工/0口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART!两线接口!A/D转换器!SRAM!T/C!SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,其余功能模块处于休眠状态;ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有1/0模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口,或者通用编程器进行编程,也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Appl1eationFlashMemory)在更新应用Flash存储区时引导Flash区(BotFlashMemory)的程序继续运行,实现了RWW操作通过将8位R工SCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega16成为一个功能强大的单片机,为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具,包括:C语言编译器!宏汇编!程序调试器/软件仿真器!仿真器及评估板7. 晶振电路作为单片机的时钟基准,xTALI与XTALZ分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出,参阅相关手册,选用外部石英晶振,晶振频率为7.3728M,电路图如图3一16所示:8. 子控制器模块子控制器模块是指通过特定的模块电路与 2.4G 无线模块相连形成的无线控制模块，其实从严格意义上来说，红外集中控制中心也属于子控制模块的范畴。不过为了使系统各功能模块的区分更加直观，而且由于红外家电设备在家居中的普遍性，故把其单独列出。9. 灯光控制模块在家居生活中，我们经常要对家居的照明设备进行控制调节，灯光控制器就是实现这一功能。通过 2.4G 无线模块与特定灯光控制电路相连，可以通过手持 Android终端通过 2.4G 无线通信，实现对家居照明设备的打开、关闭和亮度的控制调节。灯光控制模块可为灯光的智能控制提供信息。灯光控制模块的结构如下图 3-3 所示：10. 温度监测模块温度监测器由 2.4G 无线模块与温度传感器通过 GPIO 连接而成，可以实现对家居相关温度的检测查询。工作过程如下：温度监测模块定时通过 GPIO 从温度传感器采集温度值，然后通过 2.4G 无线模块发送给控制中心，控制中心在接收到温度值时在界面上显示，从而实现了温度的实时控制查询。温度监测模块的结构与灯光控制模块类似,也是通过特定的通用引脚的连接,把无线模块和温度控制电路连接在一起。温度监测模块可以为家居系统中与温度相关的智能化控制提供信息。11. 红外集中控制模块红外集中控制模块由 2.4G 无线模块和红外收发模块组成。红外集中控制模块完成红外的学习和控制功能。具体为：当红外集中控制模块收到控制中心发来的红外学习命令时，2.4G 无线模块对串口数据进行监听，当红外收发模块把要学习的红外信号都接收完毕通过 GPIO 传到 2.4G 无线模块的串口后，2,4G 无线模块立即把这个红外信号打包发送给红外控制中心完成学习过程。当红外集中控制模块接收到控制中心发来的红外控制命令时，红外集中控制模块中的 2.4G 无线模块把这个命令解包，解析出其中的红外信号并通过 GPIO 发送给红外收发模块，红外收发模块再把这个红外信号调制后发出，完成红外控制过程12 实时时钟为了实现发生警情时，对发生警情的时间进行记录，且为了保证系统的可靠运行，要求系统进行自检并定时上报系统运行状态，因此需要系统具有实时时钟功能。本设计选用了DS12887实时时钟芯片。13. DS12887功能与特点介绍DS12887采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS12887芯片具有微轼耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：1内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。2计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。3二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹。412小时或24小时制，12小时时钟模式带有PWM和AM指导，有夏令时功能。5MOTOROLA5和INATAEL总线时序选择。6有128个RAM单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。7可编程方波信号输出。8中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。14. 时间、日历和定闹单元时间和日历信息通过读相应的内存字节来获取，时间、日历和定时闹钟通过写相应的内存字节设置或初始化，其字节内容可以是十进制或BCD形式。时间可选择12小时制或24小时制，当选择12小时制时，小时字节高位为逻辑“1”代表PM。时间、日历和定闹字节是双缓冲的，总是可访问的。每秒钟这10个字节走时1秒，检查一次定闹条件，如在更新时，读时间和日历可能引起错误。三个字节的定闹字节有两种使用方法。第一种，当定闹时间写入相应时、分、秒定闹单元，在定时允许、闹钟位置高电平的条件下，定闹中断每天准时起动一次。第二种，在三个定闹字节中插入一个或多个不关心码。不关心码是任意从C到FF的16进制数。当小时字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次由于相线小时和分钟定闹字节置不关心位时，每分钟定闹一次；当三个字节都置不关心位时，每秒中断一次。 15. 后备电源为了防止窃贼在进入防区之前将系统的供电交流电源切断，系统必须能够在交流电源被切断后继续正常运行一段时间，本系统采用12V/7AH的铅酸蓄电池作为后备电源，这就给系统设计提出了一个继续解决的问题：就是蓄电池的充电电源管理问题。由于铅酸蓄电池在过充情况下电解液会发生气化现象，导致蓄电池的寿命降低 ，蓄电池在充满电时，蓄电池的电压大概在13.6V左右，在欠压时电压大概在10.9V左右，根据这个特点，本人发现此充放电特性符合滞回比较器的传输特性，即将滞回比较器的上限阈值设为13.6V，下限阈值设定为10.9V，当充满电后，使滞回比较器控制继电器将充电限流电阻切换到较大的限流电阻上；当放电到10.9V时，滞回比较器控制继电器将限流电阻切换到较小的限流电阻上，并且保障系统正常工作电流要小于快充充电电路的电流，而大于慢充充电电路的电流。这样就能保证滞回比较器始终工作在10.9V13.6V的滞回带内，即保证蓄电池既不欠压又不过充。16. 遥 控 器为了实现用户在进入防区前或离开防区后能对系统的布、撤防状态进行改变，本设计选用了315M调幅遥控器，该遥控器具有以下优点：1 工作在业余频段，不用花钱购买频点；2 有效距离远，一般可达2001000米；3 有丰富的地址码供用户选择，由于遥控器和遥控器接收板上应用的PT2262/PT2272编解码芯片对都提供8位三态的编解码状态，也就是说有3的8次方地址码可供用户选择，足以满足小区内所有用户的防盗报警布、撤防应用。17. 传 感 器要实现防盗、防火、防燃气泄漏，相应的传感器是必不可少的，而无论是哪种传感器，其最终输出的都是开关量。17.1 红外传感器对于防盗传感器，本系统采用主动式红外对射传感器，它相对于传统的被动式热释红外传感器有以下优点：1.主动式对射红外传感器安装于门窗及一切需要设防的位置，采用多光束综合判断，当有一定体积的障碍物遮挡时，才被触发，极大的降低了传感器的误报；2.由于其安装在门窗等位置，使夜间主人的正常活动不受限制，这给用户提供了极大的夜间布防的可能。17.2 烟雾传感器本设计选用离子式烟雾传感器，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。17.3 气体泄漏传感器本设计选用电化学型气体传感器，电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO，NO，N02，02，S02等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子