智能家居作品课件

序号 编码 湖北省第九届 挑战杯 大学生课外学术科技 作品竞赛 参参 赛赛 作作 品品 作品名称 作品名称 基于手机 WIFI 安卓平台控制的远程网络智能家居系 统 类别 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 A 类 科技发明制作 B 类 I 目 录 1 作品概述 1 2 作品背景 2 2 1 智能家居 2 2 2 Android 系统 3 2 3 无线 WIFI 4 3 作品设计方案和特点 5 3 1 作品设计方案 5 3 2 作品特点 5 4 作品总体结构设计 7 5 硬件电路设计 9 5 1 硬件总体电路 9 5 2 核心控制电路 控制芯片 STC89C52 10 5 3 继电器控制电路 三极管和继电器组成的控制模块 11 5 4 报警电路 三极管和蜂鸣器组成的按键提示和报警摸块 12 5 5 电源稳压电路 稳压芯片 LM2940T 5 0 13 5 6 光敏传感器模块 14 5 7 门禁防盗系统 超声波测距模块 15 5 8 无线通信系统 红外 蓝牙 WIFI 模块 15 5 8 1 红外通信模块 15 5 8 2 蓝牙通信模块 16 5 8 3 WIFI 通信模块 17 II 6 软件程序设计 20 6 1 整体程序设计 20 6 2 模块化程序设计 20 6 2 1 继电器模块程序设计 21 6 2 2 蜂鸣器模块程序设计 22 6 2 3 红外线接收模块程序设计 22 6 2 4 蓝牙模块程序设计 25 6 2 5 WIFI 模块程序设计 27 6 2 6 超声波模块程序设计 33 7 操作说明 38 7 1 电源操作说明 38 7 2 机械开关操作说明 38 7 3 遥控器操作说明 40 7 4 手机操作说明 44 7 4 1 Android 平台上的控制软件 44 7 4 2 蓝牙遥控软件操作说明 45 7 4 3 WIFI 遥控软件操作说明 46 8 实物图 47 1 1 作品概述作品概述 21 世纪是信息化发展最快的世纪 各种电子技术和网络技术不 断快速发展 推动了人类文明的巨大进步 特别是电子技术的发展 不断体现出人性化的发展趋势 为了解决人们日常生活中的问题 很多电子产品都相继生产投入市场 并受到了人们的广泛运用 如 手机 U 盘等 我们设计作品的目标 就是为了方便人们的日常生活 给人们 的生活提供方便和快捷 本系统围绕日常家居系统 突破其传统的 生活方式 即一个开关控制一个用电器的方式 改用无线通信技术 对整个家里的用电器进行控制 使人们能随时随地的对家里的用电 器进行控制 让人们的家居环境更加人性化 更加快捷 我们用到的无线通信方式有 红外遥控 手机蓝牙和无线网络 WIFI 技术 实现了对家居系统由近到远的全范围覆盖控制 如 当 你在办公室 可以通过 WIFI 网络控制家里空调或暖气的开关 还可 以控制门窗的开关 极大的方便了用户的日常生活 实现整个系统的控制核心是 51 单片机 它接收用户的命令信息 通过算法处理 对室内各用电器进行全方位的控制 本系统不但能很稳定的实现其功能 而且成本低 具有很好的 适用性和很高的市场价值 2 2 作品背景作品背景 2 1 智能家居智能家居 智能家居是指利用先进的计算机技术 网络通信技术 综合布 线技术 将与家居生活有关的防盗报警系统 家电控制系统 网络 信息服务系统等各种子系统有机地结合在一起 通过统筹管理 让 家居生活更加舒适 安全 有效 与普通家居相比 智能家居能提供 全方位的信息交互功能 帮助家庭与外部保持信息交流畅通 优化 人们的生活方式 增强家居生活的安全性 舒适性 家庭自动化系指利用微处理电子技术 来集成或控制家中的电 子电器产品或系统 例如 照明灯 电炊具 电脑设备 安防系统 空调系统 音响系统等 家庭自动化系统主要是以一个中央微处理 机接收来自相关电子电器产品的信息 外界环境因素的变化 如温 湿度 太阳初升或西落等所造成的光线变化等 后 再以既定的程 序发送适当的信息给其他电子电器产品 中央微处理机必须透过许 多界面来控制家中的电器产品 这些界面可以是键盘 也可以是触 摸式荧幕 按钮 电脑 电话机 遥控器等 消费者可发送信号至 CPU 或接收来自CPU 的信号 智能家居随着科技的发展和人民生活水平的提高 正以迅猛的 态势渗透到平常百姓的生活当中 智能小区 智能家居 正 成为房地产商推崇的热点词汇 科技的进步让家居智能化正在成为 现实 3 2 2 Android 系统系统 安卓 Android 是一种以Linux为基础的开放源码操作系统 谷歌公司在2007年正式推出该系统后 在短短的几年时间内得到了 广泛的应用 2012 年7 月美国科技博客网站Business Insider 评 选出二十一世纪十款最重要电子产品 Android 操作系统榜上有名 安卓系统主要使用于便携设备 广泛应用于智能手机 平板电脑 MID等电器 作为一款开放式操作系统 随着安卓的快速发展 如今 已允许开发者使用多种编程语言来开发安卓应用程序 而不再是以 前只能使用Java开发安卓应用程序的单一局面 因而受到众多开发 者的欢迎 成为真正意义上的开发式操作系统 安卓系统以Linux系 统为核心 使用Java作为主要编程语言 在NDK Native Development Kit 的支持下也可使用c c 进行编程 越来越多的用户开始体验到 搭载安卓系统的智能手机就和电 脑一样 可以轻松享受移动互联网冲浪 并随意安装软件扩展功能 所有安卓软件都是APK AndroidPackage的缩写 即Android 安 装包 格式 在Android 手机中执行即可安装 依托于源代码开放 安卓应用发展迅速 据悉 目前免费软件已达到10万级 由于安卓 系统是与Google与其他很多公司共同开发的 因而在网络方面非常 有优势 而且就系统方面来看 安卓系统非常个性化 随着安卓系 统的日渐强大 更多的扩展软件也为使用者带来了更多的乐趣 此 外 其个性界面支持自有定制 多主屏 程序 小部件轻松放置 简单便捷 4 2 3 无线无线 WIFI WIFI 是一种能够将个人电脑 手持设备 如 Pad 手机 等终 端以无线方式互相连接的技术 随着技术的进步和基础设施的改善 WIFI 已成为人们日常生活必不可少的实用工具 WIFI 信号范围正在 不断扩大 WIFI 也逐渐被应用到智能家居中 WIFI 在智能家居中 的应用主要包括一个家庭网关以及若干个无线通讯子节点 在家庭 网关上有一个无线发射模块 每个子节点上都包含一个无线网络接 收模块 通过这些无线收发模块 数据就在网关和子节点之间进行 传送 其中 WIFI 智能网关就是室内机 是家庭的一个智能化枢纽 经过智能网关上的无线射频模块与收集中各子节点进行通信 实现 家电的控制 经过 Web 网络控制智能网关 从而实现对家电的远程 控制 真正实现家电的智能控制 为人们的生活带来了极大的便利 5 3 作品设计方案和特点作品设计方案和特点 3 1 作品设计方案作品设计方案 本作品以房屋模型来模拟真实的家居环境 实现基于手机 WIFI 的远程智能控制和基于 Android 平台的蓝牙以及红外的智能控制 以单片机为核心处理器 通过手机 WIFI 红外和基于 Android 平台 的蓝牙发送命令来对用电器进行实时控制 改善传统的机械开关的 控制 使得控制更加的智能化 给用户带来更加安全 方便的体验 3 2 作品特点作品特点 1 此作品旨在于提供一种更为简单 方便 安全 舒适 节 能的家居环境 本作品以 STC89C52 单片机为基础 通过基于 Andriod 平台的蓝牙 红外 手机 WIFI 发送命令来控制继电器状态 继而对用电器进行控制 实现了与机械开关的双重控制 并可以直 接控制 220V 的用电器 符合一般家居环境的使用条件 且该控制为 一种弱电控制强电的安全控制方法 2 利用手机 WIFI 来进行远程网络控制 符合当今网络发展 的趋势 充分利用了各种网络资源 通过手机 WIFI 进行控制 改变 了家居环境原有通过布线来实现控制各种家用电器的途径 可以对 电器无线控制 为用户减少了一笔开支 响应了创造节约型社会的 口号 且该控制方法可以利用网络实现远程操作 用户在外便可对 6 家里的电器进行控制 真正体现了家居的智能化 给用户的生活带 来极大的便利 3 本作品开发了基于Android 平台的蓝牙软件 该软件的桌 面可根据各自家庭用电器等设备的使用情况设定 操作更具有可视 性 从而使得控制更加的方便 增强了系统的推广性 4 如今手机使用的普及率极高 本系统通过手机蓝牙与控制 板上的从机进行配对 通过手机可发送各种命令来控制电器的状态 充分利用了已有资源 体现了节约 便捷的思想 5 该作品亦可通过红外控制 红外使用的是普通的电视机遥 控 通过程序的处理可以解决因遥控器的不同而无法实现控制的弊 端 消除了系统的特异性 避免了二次消费 增强了系统的推广性 红外的控制距离可达到 10 米 且其接收头的价格低廉 可以在各个 房间都安装红外接收头 避免因墙壁的阻挡对红外信号的影响 实 现了在家庭环境的全方位控制 使得控制更加方便 6 超声波装置给用户发送了房屋门窗的实时状态 使用户拥 有一个更加方便的智能系统来得知房屋状况 增强了房屋的安全性 7 通过光敏电阻与继电器相结合 组成了性价比更高的光控 开关 本系统运用此装置实现了根据光照强度来控制照明灯的智能 控制 避免了在光照强度良好 用户忘关灯而灯依旧工作的浪费行 为 使得系统更加节能 7 4 作品总体结构设计作品总体结构设计 本作品以STC89C52单片机为核心 通过接收手机WIFI 红外或 蓝牙的控制命令来分别控制相应的用电器 从而与机械开关实现对 家居用电器的全方位控制 使用户能对用电器随时随地的控制 使家 居环境更加智能化 另外本作品运用了超声波模块来实时的检测房 屋门窗是否关闭 增加了房屋的安全防盗功能 通过光敏电阻感应 光照的强度 来实现光控开关 增加了房屋的节能环保功能 如图 4 1 本作品以 STC89C52 单片机为基础 手机蓝牙 基于 Android 平台的 蓝牙软 件 红外遥控 可 为电视机遥控 单片机 继 电 器 照明灯 电风扇 空调 光控开关 照明灯 超声波检测装置 热水器 手机 WIFI WIFI 网卡 8 图4 1 总体结构图 电视 空调 照明灯 图4 2 WIFI应用图 等等电器等等电器 电风扇 洗衣机无线路由器 手机 电脑 9 5 硬件电路设计硬件电路设计 5 1 硬件总体电路硬件总体电路 图5 1 电路原理图 图5 2 整体电路PCB图 10 该整体电路包含有STC89C52单片机的最小系统 作为整个系统 的控制核心 另因单片机的输出功率有限 添加了继电器的控制电 路 其中的蓝牙控制模块 红外控制模块和手机WIFI控制模块作为 接收用户命令的终端 5 2 核心控制电路 控制芯片核心控制电路 控制芯片 STC89C52 图5 3 芯片核心电路图 图5 4 STC89C52单片机 11 51 单片机是目前应用最广泛的 8 位单片机之一 这款芯片不仅 资源丰富 功能强大 而且功耗小 正是基于其功能适合本系统的 设计的设计需求 故选用本芯片 图 5 3 为 STC89C52 单片机的最小系统的典型接法 其中 11 0592MHz 的晶振电路时单片机的片内时钟源 单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚之间接 11 0592MHz 的晶体振荡器和电容构成内部时钟方 式 他是单片机能准确工作的重要依据 引脚 9 所接电路是由微动 开关 电解电容和电阻所构成的复位电路 可以在不掉电的情况系 对系统进行复位 使系统回归于初始状态 5 3 继电器控制电路 三极管和继电器组成的控制模块继电器控制电路 三极管和继电器组成的控制模块 图5 5 继电器驱动电路 图5 6 继电器模块实物图 12 房屋的家居智能化 可通过弱电控制强电来实现 在这里我们 用到的中间器件就是继电器 实现弱点跟强电的对接 5 4 报警电路 三极管和蜂鸣器组成的按键提示和报警摸块报警电路 三极管和蜂鸣器组成的按键提示和报警摸块 图 5 7 报警电路 图5 8 报警电路实物 我们采用的报警器是最基本的发声器件 蜂鸣器 它的主要功 能是用来进行报警 当门窗打开的时候 蜂鸣器会发出响声 提醒 主人门窗没有关好 可以极大的提高房屋的安全性 使人们能全身 心的投入到工作 生活和学习中 13 这里三极管和上面一样起着开关作用 当三极管导通时 蜂鸣 器得电 发出响声 三极管失电时 蜂鸣器不响 5 5 电源稳压电路电源稳压电路 稳压芯片稳压芯片 LM2940T 5 0 对于一个单片机系统 一个稳定的电源系统是很重要的 图5 9 电源稳压模块电路 图5 10 电源稳压模块实物 每个系统都有自己的电源模块 我们这里所采用的是电源稳压 芯片 LM2940T 5 0 如图 5 11 所示 14 图5 11 电源稳压芯片LM2940T 5 0 这款芯片内含静态电流降低电路 电流限制 过热保护 电池 反接和反插入保护电路 我们利用这款芯片 把系统供电电池输出 的 12V 电压降为 5V 为整个系统提供稳定的 5V 电源 5 6 光敏传感器模块光敏传感器模块 图5 12 光敏传感器模块电路 本模块实现房屋照明的节能控制 通过光敏传感器对房屋周围 光线的采集 判断其光照强度 通过调节电阻值的大小来设定光照 强度的一个临界值 当光照强度大于这个临界值时 开关打开的情 况下 灯泡可以发光 当光照强度小于这个临界值时 开关打开的 情况下 灯泡熄灭 15 5 7 门禁防盗系统 超声波测距模块门禁防盗系统 超声波测距模块 图5 13 超声波模块电路 图5 14 超声波模块实物 本模块用于检测门窗是否关闭良好 当用户发送命令进入到检 测模式时 如果门呈打开状态 则此时系统的蜂鸣器会持续鸣叫 若命令由手机发出 手机上同时会收到 open 提醒字符 5 8 无线通信系统 红外 蓝牙 无线通信系统 红外 蓝牙 WIFI 模块模块 5 8 1 红外通信模块 图5 15 红外模块电路 16 图5 16 红外接收头 本系统中红外遥控模块可以让用户随时随地的改变房屋内任一 用电器的状态 给人们的生活带来了很大的方便 也更加人性化 目前每个家庭都有遥控器 我们选择这种控制方法 可以充分利用 现有资源 使本系统应用更加方便 5 8 2 蓝牙通信模块 图5 17 蓝牙控制电路 图5 18 蓝牙控制电路实物 蓝牙无线通信是手机间近距离相互通信的一种通信方式 手机 应用的普遍性 使我们作品的应用面更加广泛 随着智能手机的普 及化程度越来越高 特别是安卓系统的开源模式 使得安卓系统的 手机市场的占有率不断的提高 我们也可以通过安卓手机 实现和 遥控器同样的无线控制家电的功能 我们通过安卓开发平台 做出 17 了相关安卓控制软件 如图5 19 图5 19 安卓开发界面 5 8 3 WIFI 通信模块 随着网络技术的不断发展 更加人性化的智能家居控制系统将 会不断向前发展 如控制界面更加生动 具体 距离更远 为了进 一步增加系统的控制距离 我们选择了目前市场前景比较广阔的 WIFI 技术 通过无线 WIFI 网络实现对家居系统的超远距离控制 18 图5 20 WIFI硬件连接设计图 图5 21 WIFI控制电路 图5 22 WIFI控制流程图 智智 能能 手手 机机 WIFI 网卡网卡 单单 片片 机机 继 电 器 热水器 电风扇 照明灯 空调 超声波报警 19 随着 WIFI 信号覆盖范围不断增加 我们选择 WIFI 信号连接互 联网 对家居系统进行更远距离的控制 我们发送命令的平台是 android 手机 运用基于 android 开发平台的 WIFI 通信软件工具 实现智能手机的 WIFI 网卡的连接 当用户不在家时 可以通过 WIFI 连接互联网 对家里的电器实现超远距离控制 为用户的生活 提供了极大的方便 WIFI 网卡接收到手机的控制信号后 把信号传 送给单片机 单片机再通过继电器 实现对用电器的控制 20 6 软件程序设计软件程序设计 6 1 整体程序设计整体程序设计 软件部分主要包括 继电器模块程序设计 红外线接收模块程 序设计 蓝牙模块程序设计 手机 WIFI 控制模块程序设计 超声波 模块程序设计 蜂鸣器模块程序设计 程序结构如下图 图6 1 程序设计流程图 系统开始运行后 当控制芯片接收到遥控器 手机的控制命令 信号时 也即中断信号 会执行相应的中断程序 从而实现对家居 电器的智能控制 6 2 模块化程序设计模块化程序设计 模块化程序设计即模块化设计 简单地说就是程序的编写不是 开始就逐条录入计算机语句和命令 而是首先用主程序 子程序 子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来 并定义和调试好 21 各个框架之间的输入 输出链接关系 逐步求精的结果是得到一系 列以功能块为单位的算法描述 以功能块为单位进行程序设计 实 现其求解算法的方法成为模块化 模块化的目的是为了降低程序复 杂度 使程序设计 调试和维护等操作简单化 下面分别介绍以上 各个模块的程序设计 6 2 1 继电器模块程序设计 程序中先定义单片机的 P1 x 引脚为继电器引脚 在程序代码中 直接对 P1 x 引脚进行取反 控制继电器的 P1 x 口引脚若为低电平 则继电器吸合 若为高电平 则继电器断开 通过对控制继电器引 脚的值进行取反 来改变相应的继电器的状态 继电器程序流程图 如下图 6 2 图6 2 继电器模块程序流程图 22 6 2 2 蜂鸣器模块程序设计 蜂鸣器模块程序设计类似继电器模块的程序设计 程序设计中 先定义单片机的 P3 6 口为 fmq 在程序代码中直接对 fmq 进行赋值 当值为 1 时 P3 6 引脚为高电平 当为 0 时 P3 6 引脚为低电平 控制蜂鸣器的 P3 6 口引脚若为低电平 则蜂鸣器发生 若为高电平 则无声 蜂鸣器模块程序流程图如图 6 3 图6 3 蜂鸣器模块程序流程图 6 2 3 红外线接收模块程序设计 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成 应用编 解码专 用集成电路芯片来进行控制操作 发射部分包括键盘矩阵 编码调 制 LED 红外发送器 接收部分包括光 电转换放大器 解调 解 23 码电路 单片机采用外部中断 INT1 引脚和红外接收头的信号线相连 当 红外发射器发出命令时 引起中断 计算中断的间隔时间 来区分 前导码 二进制的 1 0 码 并根据操作码来确定所发的数据 将其与操作反码比较 以此来确定数据的有效性 本程序设计中 利用了红外遥控进行了数据传输 其程序流程 图如图 6 4 图6 4 红外线接收模块程序流程图 红外解码程序 bit DeCode void unsigned char i j unsigned char temp 24 for i 0 i 4 i for j 0 j 1 TH1 0 TL1 0 TR1 1 while IR 0 TR1 0 LowTime TH1 256 TL1 TH1 0 TL1 0 TR1 1 while IR 1 TR1 0 HighTime TH1 256 TL1 if LowTime640 return 0 if HighTime 420 ReciveAtCmdrep 0 ComSendstr AtCmdbuf 27 AtcmdTimerId StartTimer MSG CMD TIMEOUT CFM TIMER ATCMD TIMEOUT while ReciveAtCmdrep 1 if Atcmdtimeout 1 ret 1 break StopTimer AtcmdTimerId return ret WIFI 接收中断函数程序段 void COMM INT interrupt 4 using 3 unsigned char cBuf if RI 接收数据 RI 0 cBuf SBUF ProcessUARTData cBuf else if TI TI 0 if iSendCounter iUartSendLen SBUF cpSendBufPtr iSendCounter WIFI 接收到数据的处理函数 void ProcessUARTData IN unsigned char UartData int i 0 switch gcWIFICommunState case WIFI WAIT SYN 接收等待 if UartData WIFI SYN gcWIFICommunState WIFI WAIT RESP break case WIFI WAIT RESP 28 AtResp AtResplen UartData if strcmp AtResp OK 0 AtRespState 1 response ok gcWIFICommunState WIFI RECEDATA AtResplen 0 else if strcmp AtResp ERR AtRespState 0 response ERR gcWIFICommunState WIFI WAIT ERRCODE AtResplen 0 else printf Recive unknown words n AtRespState 0 response ERR gcWIFICommunState WIFI WAIT SYN AtResplen 0 break case WIFI RECEDATA case WIFI WAIT OVER case WIFI WAIT ERRCODE ATReceBuffer 0 gcATReceData ATReceBuffer 0 gcATReceCount UartData ATReceBuffer 0 gcATReceCount if strstr ATReceBuffer 0 gcATReceData r n r n NULL ReciveAtCmdrep 1 gcWIFICommunState WIFI WAIT SYN ATReceBuffer 0 gcATReceCount 0 else if ATReceBuffer 0 gcATReceCount WIFIBUFLEN printf At cmd recive error n gcWIFICommunState WIFI WAIT SYN else printf Wiat next byte n break default gcWIFICommunState WIFI WAIT SYN 29 break b WIFI 模块 51 核心控制程序 图6 7 手机WIFI模块51控制程序流程图 手机 WIFI 模块 51 控制程序 void WIFI control if key1 1 control 1 control 1 一号用电器状态切换 if key2 1 control 2 control 2 二号用电器状态切换 if key3 1 control 3 control 3 三号用电器状态切换 if key4 1 control 4 control 4 四号用电器状态切换 if key5 1 control 5 control 5 五号用电器状态切换 利用手机通过网络连接到 WIFI 设备 用手机发送控制命令信号 WIFI 终端对接收到的信号进行处理 发出相应的信号给 51 单片机 单片机对控制用电器的继电器进行控制 从而控制相应的用电器 实现了红外 蓝牙和 WIFI 的统一控制 实现了近距离 中距离和远 程网络的全方位控制 使得控制更加智能化 30 6 2 6 超声波模块程序设计 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的 回波 从而测出发射和接受回波的时间差 t 然后求出距离 s c t 2 式中 c 为超声波在空气中的传播速度 本程序设计中 利 用超声波测距原理来不断测量 s 来判断房门的情况 如果 s 大于 一个值 那么就可以判断现在房门是打开的 通过蜂鸣器报警和向 手机蓝牙发送数据来提醒主人 其程序流程图如图 6 8 图6 8 超声波模块程序流程图 超声波检测程序 void chaoshengbo void 主程序 uint distance data a i 0 Tx 0 IT0 0 EX0 0 while 1 31 Tx 1 delay 20us Tx 0 while Rx 0 succeed flag 0 EX0 1 TH0 0 TL0 0 TF0 0 TR0 1 while TH0 30 TR0 0 EX0 0 if succeed flag 1 distance data outcomeH distance data 500 distance x 1 else distance x 0 if x 3 x 0 for i 0 i 1 distance flag 1 else distance flag 0 distance count 0 if distance flag 32 for t 0 t 500 t beep fmq 1 delay1ms 100 while b 4 SBUF baojing b open while TI TI 0 b delay1ms 1000 if RI 1 m 1 b 0 break 7 操作说明操作说明 7 1 电源操作说明电源操作说明 需将 USB 接入电源 按下电路板上的开关 电路板上指示灯点 亮 此时系统处于通电状态 33 图 7 1 USB 插头 图 7 2 开关按钮 7 2 机械开关操作说明机械开关操作说明 通过普通的机械开关 手机和红外遥控控制各用电器的状态 实现了对单个用电器的