智能家居课程设计报告

南通大学南通大学 智能家居监控系统设计智能家居监控系统设计 学学 院 院 电气工程电气工程 班班 级 级 电电 115115 姓姓 名 名 刘家辰刘家辰 学学 号 号 第 0 页 共 22 页 目录目录 1 引言 2 2 系统设计 2 3 硬件设计 3 3 1 单片机的选型 3 3 2 温度监测模块 4 3 2 1 温度传感器简介 4 3 2 2 测量原理 4 3 2 3 电路仿真 5 3 3 烟雾监测模块 6 3 4 Zigbee 模块 7 3 5 报警模块 8 3 6 键盘输入模块 9 3 7 液晶显示模块 10 3 8 人体红外感应模块 10 4 主机软件设计 11 4 1 主机程序整体框架 12 4 2 无线发送 接收程序 12 4 3 温度监测节点程序 14 4 4 烟雾监测节点程序 16 4 5 红外热释电监测节点程序 17 5 设计体会 19 第 1 页 共 22 页 6 参考文献 19 7 附录 20 主机电路原理图 20 第 2 页 共 22 页 1 引言引言 随着社会经济和科学技术的发展 社会信息化程度越来越高 物联网的推 出是时代发展的需要 三网合一 三屏合一 等新概念不断提出 智能 家居成为未来家居的发展方向 智能家居在两个方面具有重要作用 1 家居智化 继而实现住户舒适最大化 家庭安全最大化 智能家居 通过其智能家庭控制帮助人们改进生活方式 重新安排每天的时间计划表 并为高质量的生活环境提供安全保障 2 智能家居的另一个重要作用是降低能源消耗 操作成本最小化 帮助 人们节约日常能源消耗开支 智能家居主要通过智能家庭控制系统实现 家庭控制网络是实现智能家庭 控制系统的关键 近几年 各种家庭网络推进组织相继成立 并各自推出了 相关建议和标准 但这些技术标准缺乏统一的通信接口 相互间不兼容 无 法提供家庭控制网络的完整解决方案 因此 智能家居研究者面临的最大挑战 和机遇是家用电子领域缺乏统一的通信标准和互操作协议 2 系统设计系统设计 智能家居监控系统的总体设计框图如图 1 所示 该系统采用主从方式 主机负责接收无线信息 GSM 远程报警 传感器阈值设置 从机负责温度 气 体 烟雾 等环境信号采集处理及无线发送 本文研制的智能家居环境监测报 警系统能够实时监测煤气泄漏 火灾 电热毯过热等温度异常 外人闯入等危 险状态 并可实现电话号码报警 设置传感器阈值等功能 第 3 页 共 22 页 被 检 测 对 象 温度检 测模块 烟雾检 测模块 温度监 测模块 有害气 体监测 模块 ZigBee 模块 ZigBee 模块 ZigBee 模块 ZigBee 模块 ZigBee 模块 红外感 应模块 主单片 机 ZigBee 模块 显示模 块 蜂鸣器 报警模 块 键盘输 入模块 图 1 智能家居监控系统的总体设计框图 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 单片机的选型单片机的选型 采用 AT89S51 作为主要单片机 AT89S51 是一种可编程可擦除的只读存储器并带有 4K 字节的闪烁 具有是 低功耗 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 AT89S51 内有 4K 字节可编程 闪烁存储器 128 字节的内部 RAM 32 个外部双向 I O 口 6 个中断源 两个 16 位定时计数器及两个全双工串行通信口 看门狗电路 AT89S51 有片内振荡器 和时钟电路 具有掉电模式和低功耗的闲置 AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操 第 4 页 共 22 页 作 空闲方式是停止 CPU 的工作 但允许定时计数器 RAM 中断系统及串行通信口 继续工作 掉电方式是保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作就要禁止其它所 有部件工作直到下一个硬件复位 3 23 2 温度监测模块温度监测模块 3 2 1 温度传感器简介温度传感器简介 温度传感器的种类众多 在应用与高精度 高可靠性的场合时 DALLAS 达 拉斯 公司生产的 DS18B20 温度传感器当仁不让 DS18B20 具有以下特性 1 1 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 2 2 简单的多点分布应用 3 3 无需外部器件 4 4 可通过数据线供电 5 5 零待机功耗 6 6 测温范围 50 125 以 0 5 递增 华氏器件 67 257 以 0 9 递增 7 7 温度以 9 位数字量读出温度数字量转换时 200ms 典型值 8 8 用户可定义的非易失性温度报警设置 9 9 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度 温度报警条件 的器件 10 10 应用包括温度控制 工业系统 消费品 温度计或任何热感测系统 3 2 2 测量原理测量原理 DS18B20 有三个主要数字部件 1 64 位激光 ROM 2 温度传感器 3 非 易失性温度报警触发器 TH 和 TL 器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量 在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里 在信号线处于低电平期间 消耗电容上的电能工作 直到高电平到来再给寄生电源 电容 充电 DS18B20 也可用外部 5V 电源供电 第 5 页 共 22 页 uP 5V I O VDD DS18B20 图 3 DS18B20 与单片机的连接方式 DS18B20 依靠一个单线端口通讯 如图 3 所示 在单线端口条件下 必须 先建立 ROM 操作协议 才能进行存储器和控制操作 因此 控制器必须首先提 供下面 5 个 ROM 操作命令之一 1 读 ROM 2 匹配 ROM 3 搜索 ROM 4 跳 过 ROM 5 报警搜索 这些命令对每个器件的激光 ROM 部分进行操作 在单线 总线上挂有多个器件时 可以区分出单个器件 同时可以向总线控制器指明有 多少器件或是什么型号的器件 成功执行完一条 ROM 操作序列后 即可进行存 储器和控制操作 控制器可以提供 6 条存储器和控制操作指令中的任一条 一条控制操作命令指示 DS18B20 完成一次温度测量 测量结果放在 DS18B20 的暂存器里 用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中 数据读出 温度报警触发器 TH 和 TL 各由一个 EEPROM 字节构成 如果没有对 DS18B20 使用报警搜索命令 这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用 可以用一条存储器操作命令对 TH 和 TL 进行写入 对这些寄存器的读出需要通 过暂存器 所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写 Vcc 1 P1 0 TACLK ACLK CA0 2 P1 1 TA0 CA1 3 P1 2 TA1 CA2 4 P1 3 CAOUT CA3 5 P1 4 SMCLK CA4 TCK 6 P1 5 TA0 CA5 TMS 7 P1 6 TA1 CA6 TDI TCLK 8 P1 7 CAOUT CA7 TDO TDI 9 RST NMI SBWTDIO 10 TEST SBWTCK 11 XOUT P2 7 12 XIN P2 6 TA1 13 Vss 14 U2 2012 1 1 2 2 3 3 U1 18b20 nc 1 gio1 2 nc 3 gio2 4 nc 5 nc 6 gnd 7 sdio 8 sck 9 scs 10 nc 11 gnd 12 vdd 13 nc 14 U3 无无 12 34 56 78 910 11 12 13 14 P1 JTAG 47K R2 BT Battery10uF C1 0 1uF C2 GND VCC 0 1uF C4 GND GIO1 GIO2 GIO1 10uF C3 VCC 12 Y1 XTAL VCC 10uF C5 GND GND VCC 4 7K R1 GND RST TEST 330 R3 RST TEST TEST GND VCC GIO2 SDIO SCK SCS VCC GND GND SCS SCK SDIO 图 4 DS18B20 温度测量电路原理图 3 2 3 电路仿真电路仿真 1 未达到设定值前 第 6 页 共 22 页 2 2 到达设定值之后 3 33 3 烟雾监测模块烟雾监测模块 MQ 系列气体传感器是常见的气体传感器 它有多种系列 可用于不同气体 浓度的检测 它的工作原理为 其内部由活性很高的金属氧化物半导体 常用 的是 SnO2 组成 金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时 氧原子被 第 7 页 共 22 页 吸附在带负电荷的半导体表面 半导体表面的电子会被转移到吸附氧上 氧原 子就变成了氧负离子 同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层 导致表面 势垒升高 从而阻碍电子流动 在敏感材料内部 自由电子必须穿过氧化物半 导体微晶粒的结合部位 晶界 才能形成电流 由氧吸附产生的势垒同样存在 于晶界而阻碍电子的自由移动 传感器的电阻即缘于这种势垒 在工作条件下 当传感器遇到还原性气体时 氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导 致其表面浓度降低 势垒随之降低 传感器的阻值减小 在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内 传感器的电阻值和还原 性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示 Rs A C 其中 Rs 传感器电阻 A 常数 C 气体浓度 Rs 曲线的斜率 通过对传感器两端电压的测量可以得到传感器的阻值 进而可以得到所测气体 的浓度 MQ 7 半导体气体传感器具有对一氧化碳的高灵敏度 优异的稳定性 长寿 命 大的电信号输出 优异的选择性 常用于家庭 商业 工业环境的一氧化 碳 煤气探测装置 MQ 7 工作条件 环境温度 20 55 湿度 95 RH 环境含氧量 21 烟雾监测模块由一块 MQ 7 型气敏传感器芯片及若干外围电路组成 其测量 电路如图 5 所示 图 5 烟雾监测模块测量电路 3 43 4 ZigbeeZigbee 模块模块 ZigBee 是一种低速无线个域网技术 Low Rate Wireless Personal Network LRWPAN 它用途很广泛 多适用于一些分布范围较小 通信数据 量不大 数据传输速率相对较低 但同时对传输数据的可靠性和安全性有一定 的要求 同时成本低和功耗低且易安装使用的场合 第 8 页 共 22 页 选用 CC2530 作为无线通信模块的核心芯片 外观图如图 5 2 所示 CC2530 ZigBee 无线通讯模块是采用 TI 最新一代 CC2530 ZigBee 标准芯片 适用于 2 4GHz IEEE 802 15 4 ZigBee 和 RF4CE 应用 CC2530 芯片包括了 极好性能的一流 RF 收发器 工业标准增强性 8051 MCU 系统中可编程的快闪 内存 8KB RAM 以及许多其他功能强大的特性 可广泛应用在 2 4 GHz IEEE 802 15 4 系统 RF4CE 控制系统 ZigBee 系统 其应用领域可为 家庭 医院 建筑物自动化 工业控制测量和监视 低功耗无线感测器网络等各方面应用 无线模块的软件主要由两部分构成 一部分为主程序 实现串口数据到无 线数据的转换 另一部分为中断服务程序 实现无线数据到串口数据的转换 CC2530 的开发环境是 IAR Embedded Workbench IDE 采用 C 语言编程 流程 图 6 如下 开始 初始化时钟 初始化电源 初始化串口 初始化DMA 初始化无线 串口接收到数 据 串口数据经DMA 控制转移到Radio 区中 无线发送 无线接收 数据在DMA的控制下从Radio 区转移到Memory区 DMA工作结束后产生中断 通 过串口将转移到Memory中数据 发送出去 Y N 图 6 ZigBee 模块软件设计流程图 3 53 5 报警模块报警模块 当需要报警时 单片机将通过一个 I O 口进行报警 报警电路由一个蜂鸣 器和三极管 9013 组成 当单片机的 WARN 口输出高电平时 9013 导通 蜂鸣器 第 9 页 共 22 页 联通 从而发出声音 声音的大小可由 WARN 口输出的方波频率控制 图 7 报警模块电路 3 63 6 键盘输入模块键盘输入模块 在单片机系统中 键盘的设计主要有三种方式 独立按键式键盘 行列扫 描式键盘和 N N 1 键盘 独立按键式键盘使用单片机的 I O 口线直接连接 每个按键对应一根口线 一般应用在按键较少的场合 但系统功能较多 按键 数量较大时 独立式按键就不能满足需要了 此时需要使用行列扫描式键盘接 口 可以通过少量的 I O 口线连接较多的按键 在有的应用场合 单片机的 I O 口线非常紧缺 又需要较多按键的键盘 这时可使用 N 条口线上连接 N N 1 个按键的方法予以解决 本设计中采用的是独立按键式键盘 接线 方式如图 8 所示 图 8 行列扫描式键盘原理图 在独立按键式键盘上实现键盘主要有三个步骤 判断有无按键被按下并消 除抖动 键盘识别 等待按下键盘松开 1 判断有无按键被按下并消除抖动 在图 8 中 按键开关一端接地 一端通过一个上拉电阻接高电平作为输出 当按键按下时 输出电平由高变为低 通过单片机进行延时消除抖动即可判定 为一次有效按键触动 2 键盘识别 第 10 页 共 22 页 经确认的有效按键触动后就可以进行键盘的识别 由单片机对 KEY 口输入 进行识别从而得到对应的键值 3 等待按下按键松开 键盘识别后单片机将采用 while 来检测按键的输出电平是高还是低来确定 按键是否松开 未松开则一直在等待直到松开 3 73 7 液晶显示模块液晶显示模块 LPH7366 是 NOKIA 公司生产的可用于其 5110 6150 6100 等系列移动电话 的液晶显示模块 国内厂家也生产有类似的兼容产品 该产品除应用于移动电 话外 也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统 与其它类型的产品相比 该模块具有以下特点 1 1 84 48 的点阵 LCD 可以显示 4 行汉字 2 2 采用串行接口与主处理器进行通信 接口信号线数量大幅度减少 包 括电源和地在内的信号线仅有 9 条 支持多种串行通信协议 如 AVR 单片 机的 I MCS51 的串口模式 等 传输速率高达 4Mbps 可全速写入 显示数据 无等待时间 3 3 可通过导电胶连接模块与印制版 而不用连接电缆 用模块上的金属 钩可将模块固定到印制板上 因而非常便于安装和更换 4 4 LCD 控制器 驱动器芯片已绑定到 LCD 晶片上 模块的体积很小 5 5 采用低电压供电 正常显示时的工作电流在 200 A 以下 且具有掉电 模式 LPH7366 的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中 图 9 液晶显示模块电路 3 83 8 人体红外感应模块人体红外感应模块 HC SR501是基于红外线技术的自动控制模块 采用德国原装进口 LHI778 探头设计 灵敏度高 可靠性强 超低电压工作模式 广泛应用于各类自动感 应电器设备 尤其是干电池供电的自动控制产品 第 11 页 共 22 页 图 10 HC SR501 人体感应模块实物图 功能特点 1 全自动感应 人进入其感应范围则输出高电平 人离开感应范围则自动延时 关闭高电平 输出低电平 2 光敏控制 可选择 出厂时未设 可设置光敏控制 白天或光线强时不感应 3 温度补偿 可选择 出厂时未设 在夏天当环境温度升高至 30 32 探 测距离稍变短 温度补偿可作一定的性能补偿 4 两种触发方式 可跳线选择 a 不可重复触发方式 即感应输出高电平后 延时时间段一结束 输出将自动 从高电平变成低 电平 b 可重复触发方式 即感应输出高电平后 在延时时间段内 如果有人体在其 感应范围 活动 其输出将一直保持高电平 直到人离开后才延时将高电平变为低电平 感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段 并且以最 后一次活动的时间为延时时间的起始点 5 具有感应封锁时间 默认设置 2 5S 封锁时间 感应模块在每一次感应输出后 高电平变成低电平 可以紧跟着设置一个封锁时间段 在此时间段内感应 器不接受任何感应信号 此功能可以实现 感应输出时间 和 封锁时间 两者的 间隔工作 可应用于间隔探测产品 同时此功能可有效抑制负载切换过程中产 生的各种干扰 此时间可设置在零点几秒 几十秒钟 4 主机软件设计主机软件设计 编写程序时 应当首先确定一个比较完整的程序结构 在此结构的基础上 逐步细化 最终完成程序所要求的全部功能 本文是按照模块的思想来规划整 第 12 页 共 22 页 个软件系统的设计 对系统所应实现功能进行分析 并考虑硬件设备 将软件 分为主机软件设计和从机软件设计两个部分 本节和 3 节将对软件设计过程进 行阐述 4 14 1 主机程序整体框架主机程序整体框架 系统按照功能分层次进行实现 每个部分完成各自部分的功能 所有源程 序写在对应模块的 c 文件中 而宏定义 外部变量声明 函数声明保存在对应 名称的 h 文件中 如前述 系统主机要实现低功耗 绝大部分处理将安排在中断程序中 程 序框架如图 11 所示 无 限 循 环 初始化 读取配置参数 根据标志进 行相应处理 进入低功耗 a 系统主程序 检测状态 退出低功耗 状态异常or 有按键 置相应标志 返回 N Y b 中断程序 图 11 主机程序整体框架 中断程序 实现各种状态及按键的检测 若正常或无按键 直接返回 否 则置相应标志后退出低功耗模式 以便主程序完成处理 主程序 根据各个中断程序中设置的标志位进行相应报警处理或按键处理 处理完成后进入低功耗模式 按上述框架实现程序 可以使得 CPU 无须时时刻刻执行程序 在没有中断 时进入低功耗状态 从而提高系统运行时间 后续节将分别阐述主程序和各个 中断程序的实现过程 4 24 2 无线发送无线发送 接收程序接收程序 在进行CC2420通讯之前需要确定发送和接收数据的帧格式 为了简化 不 用官方Zigbee的数据帧格式 在这个项目中采用下面的数据帧格式 CC2420处 于接收状态下 它开始接收新的一帧数据当它检测到SFD和前导码时 表 3 CC2420 发送与接收数据帧格式 MAC协议数据单元 MPDU 前导码帧起始分隔 符 SFD 帧长度源地址目的地址负载帧检查系列 CRC 4字节1字节1字节1字节1字节4字节2字节 第 13 页 共 22 页 0 x000 x7AMPDU 的长度 0 x08 发送者地 址 接收者地 址或广播 地址0 xFF 数据 发射 0 x00 接收 第2 个字 节的第7位当 CRC 正确为1 否则是0 数据帧发送时 CC2420自动在数据包的开始处加上前导码和帧起始分隔符 在数据包末尾加CRC检验 发送与接收程序代码见附录2 一 发送 按以下步骤进行数据发送 1 把数据流按顺序存入TX FIFO a 帧中MPDU的长度 通常情况下是0 x08 b 本地地址 c 接收者地址或广播地址0 xFF d 用于发送的四个字节 从MSB开始 也就是In 31 24 In 7 0 e 两个字节的 0 x00 它表示 CC2420 自动替换 CRC 位 2 检查CCA信号并且在信道空闲时才进行操作 另一做法是用STXCCA命令寄存 器代替第2和第3步 不管你采用哪一种方法来执行CCA 建议你要经过一段 随机 长的时间的等待后才重试 3 执行STXON命令寄存器 4 在任何新数据写入TX FIFO前请确认SFD变高后变底并且已经等待了至少60个 时钟周期 二 接收 接收数据帧时 CC2420自动计算帧的CRC校验 你要人工检查接收帧的最后一 个字节的CRC校验位 存到RX FIFO的首个字节是长度字节 CC2420将不会接收 任何数据除非它已经处于接收模式12个信号周期 你必须在数据包的发送过程 中加入等待时间以便CC2420检查和接收数据 按以下步骤进行数据接收 1 检查FIFO和FIFOP信号 确认是否有新数据到来 2 如果有新数据到来 开始从RX FIFO中读取 a 首字节是长度字节 要保存 因为它是帧结束的唯一标志 马上清除RX FIFO如果它的长度不是0 x08 b 接收源地址并检查它是否与希望的发送者相匹配 如果不匹配则随机的 丢弃整个帧 对地址的检查请参考4 4节 c 接收目的地址并检查它是与本地地址相匹配还是广播地0 xFF 如果不匹 配则随机的丢弃整个帧 d 接收并保存4字节负载到一个你将要设计的FIFO中 e 接收两字节的CRC信息 如果CRC没有检查 则丢弃先前保存的数据负载 3 任何时候 RX FIFO 只要发生下溢或溢出 马上清除 FIFO 接收中断程序如图所示 第 14 页 共 22 页 开始 设接收数据 状态 数据类型 置煤气标志置火警标志置闯入标志 设发送数据 状态 回送数据 退出低功耗 温度烟雾红外 收到数据 返回 YES NO 图 11 无线接收流程图 4 34 3 温度监测节点程序温度监测节点程序 温度监测节点采用和主机类似的程序框架 主程序流程和温度采集判断流 程分别如图 12 13 所示 第 15 页 共 22 页 有标志 发送 温度数据 进入低功耗 YES NO 系统初始化 开始 参数未配置 等待配置 读取参数 YES NO 无线置接收状态 收到回送数 据 图 12 温度监测节点主程序流程图 开始 检测温度 超限 置温度标志 退出低功耗 YES NO 图 13 温度检测 判断流程图 第 16 页 共 22 页 无线节点同样有低功耗的要求 另一方面考虑到温度变化不快 所以程序 中对温度的检测间隔进行 每 10s 采样一次 使用一个定时器实现 在定时器 中断服务程序中实现温度检测及是否超限的判断 若超限置超限标志后退出低 功耗 以便主程序实现处理 在温度节点中要实现对上位机温度设定数据的接收 和主机类似 待机状 态下 CC2420 处于休眠模式 GIO1 pin 周期性输出一方波 接于 MSP430F149 具 有中断功能的 P1 6 上 定时通知 CPU 处理通信任务 其中 P1 6 设为上升沿中 断 中断程序中判断是否接收到温度设定数据 若接收到则更新本地设定数据 并写入 FLASH 信息段 DS18B20 数字温度计提供 9 位 二进制 温度读数 指示器件的温度 信息经 过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 读出 因此从主机 CPU 到 DS18B20 仅 需一条线 和地线 这也决定了对 DS18B20 的操作时序有严格的要求 下面简 单介绍其工作过程及时序 开始 DS18B20初始化 成功 发送跳过读ID号命令 发送温度转换命令 延时1s YES NO 返回 DS18B20初始化 成功 发送跳过读ID号命令 发送读ScratchPad命令 从ScratchPad读取温度 YES NO 温度转换为十进制保存 图 14 温度转换程序流程 4 44 4 烟雾监测节点烟雾监测节点程序程序 烟雾检测主要是测量烟雾传感器的电压 可以通过单片机 AD 模块将电压 值数字化 通过调节灵敏度分压电阻可以得到适合的报警值 若单片机获得的 AD 值超过这一报警值 则延时 1s 然后每隔 1s 采集一次烟雾传感器电压值 若 5 次该电压值均超过设定的报警值 则置报警标志位并通过无线发送给主机 进行处理 烟雾监测节点主程序流程和中断服务程序流程分别如图 15 16 所示 第 17 页 共 22 页 开始 初始化 5次AD值均超 过报警值 发送 烟雾报警 进入低功耗 YES NO 图 15 烟雾监测节点主程序流程图 开始 置烟雾标志