基于单片机的智能家居环境状况监控器.doc

刘鹏韩中华王琦 （秦皇岛市规划设计研究院，河北秦皇岛；沈阳建筑大学信息与控制工程学院辽宁沈阳）（ ， ； ， ，）摘要：本文以智能家居为应用对象设计了基于单片机的智能家居环境状况监控器研究了传感器在智能家居环境状况监测中的应用，实现了智能家居中温度、湿度、可燃气体浓度和非法入侵等信息的检测和家用电器的自动控制。主要偏重硬件设计，具有广泛的应用前景。关键词：智能家居：单片机：传感器；门磁开关中图分类号： 文献标识码：文章编号：一（）： ， ， ： ； 引言目前，智能化已成为自动化领域新的发展趋势与显著标志，并推动智能功能迅速扩展到仪器、仪表、设备，甚至整个大系统。在建筑设计的各个机构巾，传统的建筑、结构、水、嗳、电五个工种，建筑和结构是两大龙头，举足轻重，而电气设计，更着重于强电（动力、照明），对于弱电（以下），在若干设计院巾都是弱项。但是，正是弱电体现了电子学的最新成就，如计算机、控制通讯、遥测遥感和显示等先进技术，现代科技巾最活跃的领域，在传统观念依然很深的建筑行业巾是最薄弱的环节。随着人们生活水平和住房条件的提高，对居住环境和安全性也随之提高，一些家庭由于疏忽大意时常会出现火灾、煤气泄露以及财物被盗的情况，这些给家庭和社会带来了巨大的损失，因此迫切需要一种环境状态监测控制装置能够对室内的门窗、温度、火灾、安全防盗以及煤气泄漏情况等进行实时检测控制。本设计研究了基于单片机的智能家居环境状况监控器。主要设计了对智能家居中温度，湿度、可燃气体浓度和照度以及门窗状态等信息进行监测的系统和家用电器的自动化控制系统。万方数据系统总体设计总体功能设计系统通过各种传感电路检测室内温度、湿度、可燃气体浓度和照度以及门窗状态等参数值，然后与键盘预置的参数临界值进行比较，从而做出启停加热器米改变室内温度，启停启加湿器来改变室内湿度，启停风扇来改变室内可燃气体浓度，调节窗户百叶窗的开启程度来改变室内照度，实时显示当前温度、湿度、可燃气体浓度、照度等参数值，并与声光报警装置配合，及时将各种监控信息通知住户和物业中心。总体方案设计方案的总体设计应该全面考虑系统的总体功能，进行硬件的初步选型后确定一个系统的硬件实现的可行方案。经过反复推敲对比，考虑到节约整体成本，确定了以系列单片机为该系统的核心，并选择低功耗和低成本的功能器件。图一是该系统的总体结构框图。监测部分通过温度传感器和湿度传感器来监测室内的温、湿度，气体传感器来监测室内的煤气含量，采用光敏传感器米监测室内的光照情况，门磁开安装在门窗上用于监测与 之间的通信同步。串行数据线用于内部数据的温度传感器叫加热器输出和外部数据的输入。在时钟下降沿之后改变状湿度传感器气敏传感器，苴片机驱动电二二刊 加湿器：叫风扇：忿，升仪仕町钾上升甜后伺牧。：！以半厅饥火位高电平时读取数据，而当其向 发送数据时，在时钟下降沿之后改变状态，同时保证线上的电平状态在基于单片键盘 显示器路 山图一系统的总体结构框图电机 口口 蛸 【 。 止卜机的智能家居环境状非法入侵情况，检测到的信息属于开关量。系统的控制部分。甘鬲、斗仃厶。 打击协由士 艇王泪皂，占 ）址；彳 可燃性气体含量达到设定值，启动排风扇，排除有害气体，电机主要控制百叶窗的开启角度以达到调节室内光照的目的。当有非法入侵的时候开启报警器，发出声光报警信号，并通过无线通信模块发到物业中心的中央控制机，无线模块也可以将室内的状况信息发到物业中心。通过键盘可以设置系统的相关参数，智能家居各种环境状况信息可以通过汉字液晶显示器显示出来。系统主要功能模块设计核心处理器的选择在整个设计中至关重要，本设计选择了时下最流行的公司生产的芯片。为了提高其可靠性，还设计了看门狗电路，以防止程序跑飞。监测模块电路设计监测模块是数据采集系统，主要以传感器为核心，来实现对窒内各种状况信息的检测。本文主要介绍温湿度传感器、可燃性气体传感器两种传感器的设计应用。温湿度传感器模块设计室内温湿度的检测采用数字传感器 来实现。 、图二与单片机的连接如果 不加上拉电阻或者阻值选用不当，也将给测量的精确性造成影响，因此在数据线上加一的上拉电阻。可燃气体传感器可燃气体传感器是一种气敏传感器，气敏传感器是一种对气体中一项或儿项特定成分敏感，将其检测出来并转换成电信号的器件，它实现的是气体一电信号的转换。可燃气体传感器对天然气、液化气等可燃性气体都有感应，可以应用于家庭、旅店、实验室、工厂车间等场合。本设计选用的是太原电子管厂生产气敏传感器，该传感器是电阻型气敏传感器。电阻型气敏传感器又分为表面型电阻气敏传感器和体电阻型气敏传感器。表面型电阻气敏传感器应用极为广泛，种类繁多，比如、，、等，其中烧结型瓯气敏传感器是目前工艺最成熟、使用最广泛的一种气敏传感器，主要用于检测可燃气体、还原性气体和液体蒸气器具有体积小（）和电流小（测量等。由于该种气敏传感器在检测气体前，均需对其加热至时为，平均为“，休眠为）等特点。当处一，因此按其加热方式不同又分为两种，直热式和旁理后的环境温度超过预设的温度限度时，报警电路发送报警消息通知远端设备，实现报警功能。湿度量程范围是，温度量程范围是一一，测量分辨率分别为（温度）、（湿度），在高速或超低功耗的应用中也可分别降至和。同时还具有电源电压监测功能，可监测到电压低于的状态，精度为，能满足室内温湿度环境监测的要求。热式气敏传感器。气敏传感器是旁热式气敏传感器，其符号如图三所示。该传感器管占件主要由绝缘陶崦管、高阻加热丝、信号测量电极及基本材料组成。并且高阻加热丝放在绝缘陶瓷管内，管外涂上金电极作测量电极，金电极之间覆盖敏感材料。这种结构将测量电极和电热丝分隔开，加热丝不与敏感材料接触，因此称为旁热式气敏传感器。它具有测量回路与加热回路互不影响、热容量大、降低了环境气流对器件加热温度的影响，容易保持通过两线串行接口电路与单片机连接，具体电路敏感材料的稳定性等特点。本文对该气敏传感器采用如图二所示其中，串行时钟输入线用于单片机控制器直流供电，输出为开关量，其电路如图四所示。万方数据，一凳竺；千饺升关 硪智器 无线通信卜叫物业中心高电平段稳定。丫 广工文肚丛刁匕训也咐不】工，自订，业由寸，口王触点动作。图三可燃气体传感器符号图六继电器线输出电路原理图结束语针对智能家居定位偏高的情况，同时切实分析用户需求，设计了性价比高的家居环境状况单片机监控器。本设计不但能够对可燃性气体、非法入侵进行实时的检测，从而保障人身和财产安全，并且通过对室内温湿度控制使得家居生活更加舒适。同时具有操作简单，维护方便等优点。在智能家居环境状态信息监控系统的无线通信方面，系统还设计了通信接口，为以后的功能扩展做好了准备。因此该监控系统图四可燃气体传感器输入电路原理图门磁开关门磁开关是磁传感器，本设计使用的门磁开关是利用磁性体吸合干簧管而制成传感器，它的输人接口如图五所示。其安装于门窗上。主要防范非法入侵具有很大的应用前景。参考文献【】周洪，胡文山，张立明卢亦焱智能家居控制系统北京：中国电力出版社，【】姜连祥，许培培温湿度传感器 的感测系统设计单片机与嵌入式系统应用（）】余锡存，曹国华单片机原理及接口技术】西安：西安电子科技大学出版社，（）【】程秀华，缪希仁，谢礼龙数字家居智能系统控制技术【】低压电器，（）：作者简介刘鹏（一）男，汉族，助理工程师，秦皇岛市规图五门磁开关输入电路原理图划设计研究院，主要研究方向：智能建筑。建筑电气智能化控制模块设计控制输出采用继电器输出。光电隔离器将输入与输出相互隔离，输入信号简单（，），开关速度快，无机械磨损和噪音，适合高质量的控制系统本设计单片机通过电隔离器和继电器控制输出，其电路原理如图六所示是单片机引脚、和，当置低时，光电隔离器导通，继电器线圈导通，则继电器万方数据技术；韩中华（一），男，汉族，硕士，沈阳建筑大学信息学院教师，主要研究方向：智能交通，数据挖掘，模式识别；王琦（一），男，汉族，硕士研究生，沈阳建筑大学信息学院教师，主要研究方向：智能建筑。基于单片机的智能家居环境状况监控器作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：刘鹏， 韩中华， 王琦， Liu Peng， Han Zhonghua， Wang Qi刘鹏,Liu Peng(秦皇岛市规划设计研究院,河北,秦皇岛,066001)， 韩中华,王琦,HanZhonghua,Wang Qi(沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁,沈阳,110168)科技广场SCIENCE MOSAIC2008，(3)0次参考文献(4条)1.周洪.胡文山.张立明.卢亦焱 智能家居控制系统 20062.姜连祥.许培培 温湿度传感器SHT11的感测系统设计期刊论文-单片机与嵌入式系统应用 2007(4)3.余锡存.曹国华 单片机原理及接口技术 20054.程秀华.缪希仁.谢礼龙 数字家居智能系统控制技术期刊论文-低压电器 2007(4)相似文献(10条)1.期刊论文 胡森树.丁文斌.HU Sen-shu.DING Wen-bin 基于单片机语音识别的智能家居控制系统实现方案 -九江学院学报（自然科学版）2006,21(4)本文利用了十六位SPCE061A单片机的强大的DSP功能,实现了特定发音人识别(Speaker Dependent)功能.结合大容量的FLASH存储器,成功地实现将语音播放与识别技术应用于智能家居控制系统中.另外,详细介绍了具有语音识别功能的新一代智能家居控制系统的硬件配置与软件流程,从而在实现系统功能的同时,将低成本、低功耗与友好人机界面有机结合起来.2.期刊论文 郭占龙.GUO ZHANLONG 基于单片机的智能家居控制系统的设计 -微计算机信息2007,23(5)本文利用PIC16F946单片机设计了智能家居控制系统的系统接口和软件流程图,实现了对家居的智能控制和管理.3.学位论文 蔡莉白 嵌入式操作系统Windows CE的研究与应用基于Windows CE的智能家居系统的研究与应用2006随着计算机技术、网络通讯的发展，人们的日常生活发生日新月异的变化。舒适、时尚的家居生活越来越成为人们生活的目标，由此提出了智能家居的设想。智能家居早先涉及的产品与家庭自动化产品有关，自动化、智能化是其主要特点。近几年，提出了“智能住宅 ”(即智能家居)的概念。智能家居系统以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体，旨在提供高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。 本文以设计一个低成本、低功耗的智能家居系统为目标，对嵌入式系统应用进行分析和研究，着重探讨了WindowsCE的核心特征，包括中断处理、网络通信和串口通信等；以及单片机的中断、串口通讯和温度传感器的读写、控制。提出了基于WindowsCE的智能家居系统的总体设计方案，完成相应部分的软件设计和相关的硬件设计。系统主要由WindowsCE系统上的软件作为主控模块，外加一个外围单片机小系统作为辅助，包括视频捕获系统、网络服务器系统、以及单片机系统，在单片机系统上通过温度传感器获取实时温度，并经过判断做出相应的操作。 系统研制的最终目的是：研究WindowsCE的核心特征，根据需要对WindowsCE进行相应的平台定制；构造基于WinCE系统的网络基本模型；进行单片机的软硬件设计，实现相应的通讯；以及对温度传感器的控制、读写。总之，本文构架了一个基于嵌入式设备的智能家居系统，将嵌入式设备、网络传输以及单片机系统有机地结合起来，使得系统的功耗低、扩展性强，为智能家居的发展开辟了新前景。4.学位论文 贾飞 基于无线传感器网络技术的智能家居系统的设计与实现 2008智能家居是利用计算机技术、控制技术、图像显示技术以及通讯技术将各种家用设施通过家庭网络连接到一起，从而为人们提供更舒适更便捷的生活。传统的智能家居一般是通过有线线路的布线方式对家用设施进行控制和通讯的，但这样的有线方式不仅使人们很难脱离各种线缆的束缚、安装成本较高，而且系统的扩展性也很差。基于无线网络技术的智能家居不仅可以摆脱线缆的束缚、降低安装成本，而且系统的扩展性也有了大幅度的提高。所以研究无线智能家居对智能家居的发展是十分必要的。 本文设计的智能家居系统实现了对家庭环境的检测和控制，组建了基于无线传感器网络技术的家庭网络。由于无线智能家居越来越多的倾向于低成本、低功耗、易操作、易安装的设计思路。所以本文以无线传感器网络为组网形式，使用TI公司推出的超低功耗单片机MSP430F449和低功耗无线收发芯片CC1100为核心设计一种智能家居系统。系统安装方便，适用范围广，具有很好的实用价值。论文在查阅大量相关资料的基础上，完成了智能家居系统中主控模块，传感器模块的软硬件设计。硬件设计方面，完成单片机的选型和各模块主要组成电路的功能、设计思想和硬件原理图。软件方面，通过分析各个模块的功能，完成流程图和程序的编写。此外，本文还详细介绍了一款低功耗无线收发芯片CC1100，并围绕CC1100完成了无线收发模块的软硬件设计。硬件方面，完成CC1100的外围电路设计和单片机的接口电路设计。软件方面，完成CC1100的寄存器设置和单片机问的SPI通讯以及数据发送和接收，并给出了流程图和部分程序。 本文另一个重点是智能家居系统网络的设计。在比较现有组网的技术的基础上，选择采用无线传感器网络技术组建智能家居内部通讯网。通过比较几种基本的网络拓扑结构，采用星型网络拓扑结构。完成了无线传感器网络通讯协议的设计，着重介绍了CC1100的通讯协议和数据包格式化，并给出了无线传感器网络数据传输的流程图和部分程序。最后，对系统进行了调试，验证了系统设计的合理性，并对论文进行了总结，指出了系统设计的不足和改进思路，为课题的进一步研究做了准备。5.学位论文 马菁菁 Zigbee无线通信技术在智能家居中的应用研究 2007随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。智能家居系统能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。因此，智能家居系统逐渐成为一个新兴的研究领域。 本文在分析了国内外智能家居系统技术现状的基础上，针对智能家居系统存在的布线难、造价高、结构复杂等问题，将Zigbee无线通信技术应用于智能家居中，并提出一种采用Zigbee无线通信技术的智能家居系统设计方案。与传统智能家居系统相比，具有免布线，维护方便，运行费用低，实时在线监控，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。 针对智能家居网络特点，本文通过对智能家居网络分析、对比和研究，采用簇状网络组建智能家居内部网，并提出一种自适应智能家居网络协调器选择策略，可克服因意外导致网络瘫痪的弊端；对智能家居网络进行了设计与实现，利用CC2420 Zigbee模块和PIC18F4620单片机设计并实现了一种低成本，高灵活性、通用的Zigbee无线智能家居网络控制器。该控制器同时具有GPRS远程访问接口，用户可以通过GPRS网络远程对家居进行远程监控。 论文总共分为7章，各章具体介绍如下： 第1章首先给出了智能家居的定义以及国内外发展现状，接着对智能家居网络技术进行了详细介绍，最后给出了本文研究的主要内容和主要创新点； 第2章对Zigbee技术及其协议进行了介绍； 第3章首先给出了系统总体设计方案，对系统组成和设计原则进行了介绍。接着对基于Zigbee的智能家居网络进行了研究，介绍了Zigbee网络设备类型以及目前三种网络拓扑结构。针对智能家居网络特点，采用簇状网络组建智能家居内部网，并提出一种自适应智能家居网络协调器选择策略； 第4章主要介绍了智能家居网络控制器的硬件设计。首先给出了硬件总体设计，再分别具体介绍了硬件处理器部分、Zigbee无线收发模块部分和GPRS模块电路实现；第5章为智能家居网络控制器软件设计实现。首先对Zigbee协议栈的实现进行了阐述，接着介绍了GPRS软件设计，为系统调试方便，开发了上位机软件。 第6章是工作总结，并给出了未来展望。6.学位论文 范长胜 网络智能型家居服务器的研究与开发 2006智能家居系统是智能建筑发展的一个方向，也是当前研究的热点。国内外对智能家居系统的研究基本上处于起步阶段，在这一领域的国际标准尚未成熟。人们对智能家居产品的设计方案各有差异，功能侧重点也各有不同。目前，国内人们总体的生活水平还不高，而人们的生活节奏却在不断的加快。在这种形势下，如何设计出一种低成本实用型的智能家居产品，来提高人们的生活质量和节省人们更多的宝贵时间，是本课题研究的重点。 本课题设计研发的智能家居系统，利用一块网卡实现了Internet远程通讯，与传统的电话连接远程通讯相比，大大提高了数据传输速度，而且用户家中不需要另外配置用于智能家居服务器远程通讯的计算机，有效地降低了智能家居系统成本。同时，智能家居系统与被控家用电器之间采用无线通讯技术，实现无线控制，不仅免去了线缆铺设的麻烦，而且也保持了用户家庭原本的美观。另外，智能家居系统除了具有控制管理功能之外，还具有事件存储功能，可及时的把意外事件发生的时间日期记录下来，便于意外事件调查工作的开展。 在本文中，以介绍智能家居服务器本地集中控制部分为主，该部分以MCS51单片机为控制核心，用单片机C语言编写了智能家居服务器的主体程序。并给出了智能家居系统的设计思想。对智能家居系统的状态检测、参数记录、事件存储、无线控制等的各项功能，给出了详细的硬件介绍、硬件原理图、程序介绍和程序流程图。详细介绍了在智能家居服务器的抗干扰设计，最后给出了智能家居服务器的各项功能可靠性测试结果。 目前，本系统硬件与软件部分都已完成，整机调试已通过，系统运行稳定。7.学位论文 罗海兵 基于GSM短消息的智能家居系统的研究 2007进入21世纪，科学技术与生产力水平进入加速发展阶段，随之而来的是人类物质文化生活的极大提高。人们对居住条件和环境要求的提高，促使科技工作者将原本用于工业领域的“智能化”的概念和模式越来越多的引入至民用住宅和住宅小区的建筑当中。在技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息技术的成长，也促成了智能家居的诞生。 智能家居是一门新兴的综合性交叉学科。智能家居可以定义为一个过程或一个系统，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起。智能家居的目标是用各种方法或设备使家居生活实现自动化，智能化，使家居变得更舒适，安全和有效，从而提高人们的生活质量。 随着GSM移动通信网络的迅速普及，目前GSM网络基本覆盖全国，GSM移动通信运营商之间竞争的日益激烈，使得手机在全国收发短消息的费用降为0.1元/条或更低。而且，手机有汉字显示和输入功能，使得对系统的操作变得更为方便直观。因此利用GSM手机的短消息功能实现遥控监测功能的优势明显。 智能家居已成为现代家庭装修的大势所趋。同时，可以预见在将来很长一段时间内手机依然是人们交换信息的主流设备。因此若要实现智能家居的推广和普及，有必要将智能家居这一先进理念和手机这一大众媒介相结合。本文作者恰是基于以上原因，在总结前人理论和实践的基础上，并参考当前国内外同行研究现状，深化了基于GSM短消息的智能家居这一理论。 本文主要研究利用手机短消息实现对家用电器的远程控制。内容包括家用电器的自动化智能化研究以及手机与智能家居之间数据的相互传递。论文共分七章。第一章，主要是对智能家居这一领域的国内外研究的历史与现状做了简单描述，并阐述了本论文选题的意义所在。第二、三两章具体描述了智能家居所包含的实际内容，分析了智能家居的实质，并以模块化的形式分析了智能家居中自动控制与数据采集两部分的设计与实现问题。介绍了具有代表性的照明智能控制与火灾自动报警设备。第四、五两章对GSM与SMS的基本概念做了介绍，并介绍了GSM与SMS现行的行业标准；列出了与论文有关的AT指令部分，并就其中一些晦涩难懂的部分进行了分析。同时，本着实用的角度，介绍了TC35芯片。就设计方案中传感器、单片机、GSM模块、手机之间的数据传输问题，由于其是设计成败的关键所在，因此单列出一章，作为第六章的内容。第七章则是整个论文的结论部分，并提出了对未来的展望。8.学位论文 张自强 复式住宅中智能家居系统的研究与实现 2006本文通过研究国内外智能家居系统的发展现状，详细分析论述了系统的基本构成，并对现有智能家居的解决方案进行了细致阐述和讨论。通过对不同技术方案的优缺点的分析比较，结合我国的实际情况，基于智能家居的以人为本的原则，设计实现了集散式智能家居系统方案，并通过工程实际试验得以验证。 现有智能家居系统多是以单项功能为主，辅助带有少数相关功能，根本无法真正体现智能家居的优越性，更不能有效的协助生活。本文针对智能家居面对的这样复杂环境要实现真正的智能化，设计采用ATmega8单片机为控制核心，应用现有的计算机技术融合传感变送技术、将现场总线技术结合建筑技术、机械设计技术，形成一个智能网络系统，实现了对住宅室内环境参数和家用电器的实时监控及室内相关装置的智能化管理。文中的集散式智能家居系统方案采用组网简便的RS-485的通信协议，运用多机通信技术实现了虚拟主机与各个分机的信息交换，克服了依靠主机导致系统可靠性差的问题，保证整个系统运行的灵活稳定。试验中开发的带数据接口的红外万能遥控器，实现了对带红外遥控接口的家电的系统控制和系统自动识别联动。系统通过设计专用家居总线，来有效的实现了住宅信息的共享和设备的控制。另外，本文还设计了几个特色功能装置，如节水装置可以回收中水；温水保持装置可以保证人在室内时随时供应热水；活动顶板和楼梯自动控制装置能随时改变家居空间结构，又能有效保安防盗；温湿度系统能保证室内的舒适度；室内生态系统能够保障植物的生长环境，并可调节产生氧气的利用和二氧化碳的隔离排放；安全防盗系统能够保障无需人为设置而自动识别并自动设置解防或设防；其他人性化的功能如换气消毒、住宅节能、网络音响、电话铃声都显示了该系统与众不同的智能化特色，充分体现了系统的安全、舒适、节能、环保生态效果，较为完整的展现了智能家居的本质特征。 该系统已在现场设计施工，实现了预计的基本功能，实践证明它具有通信灵活可靠，操作简单，性价比高，易于维护等特点，具有很高的推广价值。 最后，论文还结合试验论述了智能家居的组建步骤和设计原则，论证了该行业的发展现状和应用前景，着重对“以人为本”的设计原则进行了阐述和倡导。9.学位论文 张烨 小区智能家居终端系统的设计研究与应用 2009随着我国居民居住条件的日益改善，住宅小区的智能化正日益受到人们的重视。住宅小区智能化也得到了迅速的发展，住宅小区智能化是住宅小区发展的必然趋势。为了达到小区智能家居终端系统高效智能化的目的，本文设计和开发出适应当前发展方向的多功能家庭智能家居终端系统，该系统能在实际应用中提高家庭设备管理智能化水平。 本文对家庭智能家居终端系统的开发、小区软件开发和系统集成均进行了研究。把智能家居终端