电气工程及其自动化-201209606-潘磊

本科毕业设计（论文）GRADUATI/ON DESIGN(THESIS)论文题目： 智能家居控制系统设计 本科生姓名： 潘磊 学号： 201209606 指导教师姓名： 李红 职称： 讲师 申请学位类别： 学士学位 专业： 电气工程及其自动化 设计(论文)提交日期： 2016.6.12 答辩日期： 2016.6.19 毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用毕业设计（论文）的规定。特授权 兰州交通大学 可以将毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子文档。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 本科毕业设计(论文)智能家居控制系统设计Design of Smart home Control System姓 名： 潘磊 学 号： 201209606 学 院： 自动化与电气工程学院 专 业 班 级： 电气1201 指 导 教 师： 李红 完 成 日 期： 2016.6.20 兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘 要智能家居发展已久，现在已经越来越多的出现在了人们视野中，本论文介绍了智能家居控制系统的设计原理、设计过程及制作结果。在本次设计中，核心处理器采用STC公司生产的STC12C5A60S2单片机。系统的硬件电路PCB设计采用Altium Designer 09软件绘制开发。系统控制程序编写与调试使用keil uvision5开发环境。本论文以智能小区为载体，以控制芯片为核心，详细介绍了智能家居控制系统设计的软硬件结构和设计过程。整个系统设计包括电路原理设计、外部数据采集与报警设计、蓝牙控制与GSM远程控制设计、指纹识别门禁设计、PCB电路板设计、计算机上位机设计、控制程序设计及调试等几个方面。该系统的基本原理是通过各个传感器模块实时监控环境变量，当发生任何状况时，可以立马进行远程手机报警，用户可以实时查看所发生的情况使用上位机或手机做出处理。同时，系统采用蓝牙近处控制与GSM远程控制结合，可以很方便的开关屋内的开关或者灯具。液晶显示和上位机可以实时显示当前的环境温度与湿度，并且上位机可以管理指纹门禁。在设计中，加入了指纹识别门禁新功能，编写了计算机上位机来管理指纹库，系统硬件方面为了减小体积增加可靠性，设计绘制了PCB电路板，最终制作完成了智能家居控制系统。关键字：智能家居；远程控制；指纹识别；GSM - I -AbstractSmart home system has developed for a long time, and it appears more frequently daily life, this thesis describes the Smart home control system, includes the design principles, design process and production results. In this design, the core processor uses the STC12C5A60S2 which made by STC company. Altium Designer 09 is used to draw the PCB in hardware circuit. Control system programming and debugging uses keil uvision5 development environment.This thesis introduces the hardware and software structure and design process, in addition, the designs carrier is Intelligent Community, and the core is control chip. The whole system design, includes schematic circuit design, external data acquisition and alarm design, Bluetooth, GSM remote control and control design, fingerprint recognition access control design, PCB board design, computer PC design, programming and control aspects of debugging and so on. The basic principle of the system is monitoring environment variables through each sensor modules, if happens any situation, the mobile phone can alarm immediately from a long distance, the users can view the situation occurred in real time, and make deals by PC or mobile phone. Meanwhile, the system is equipped with Bluetooth which combined with GSM remote control, it can easily operate house switch and lamps. LCD and PC can show the current ambient temperature and humidity, and the PC can manage fingerprint access control.In this design, adds fingerprint access control as a new function, and write a program to manage the fingerprint database. In order to reduce the volume and increase reliability, the designs the PCB, and ultimately complete the design of Smart home control system.Key Words: Smart home, Remote control, Fingerprint recognition, GSM- III -目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 论文的选题背景和研究意义11.2 国内外的研究现状11.3 论文的主要内容22 系统总体设计32.1 系统功能结构框图32.2 功能模块说明33 智能家居系统硬件电路设计43.1 硬件电路模块概述43.2 系统电源模块43.3 单片机最小系统设计43.3.1 单片机晶振电路设计53.3.2 单片机复位电路设计63.4 GSM远程控制模块设计63.5 HC-06蓝牙模块设计73.6 传感器模块电路设计83.7 继电器控制模块电路设计83.8 串口通信下载模块设计93.9 声光报警模块电路设计93.10液晶显示电路设计93.11指纹识别门禁电路设计104 软件设计及说明114.1 系统软件整体流程114.2 系统初始化124.3 串口通信设计134.4 GSM模块初始化144.5 传感器实时监测设计154.6 继电器与灯光控制设计154.7 指纹识别门禁设计164.7.1 指纹识别模块初始化164.7.2 指纹模块采集指纹174.7.3 指纹模块识别指纹175 系统上位机编写195.1 编写环境与开发语言195.2 编写思路195.3 上位机窗口设计196 系统实物制作结果与分析216.1 系统实物制作结果216.2 实验结果及分析216.2.1 最终实现的功能216.2.2 设计中的缺陷和不足22结 论23致 谢24参考文献25附录A 部分源程序26兰州交通大学本科毕业设计（论文）1 绪论1.1 论文的选题背景和研究意义智能家居的市场已经发展了有近十年时间，虽然是一路坎坷，但不可否认，智能家居的道路将会越来越广阔。现今，只要在搜索引擎上输入“智能家居”进行搜索。就会有很多智能家居的各种新闻。科技发展如此之快，很多像小米一样的科技公司已经大力发展智能家居，人们也在纷纷购买其生产的智能家居产品，享受技术的力量。21世纪，信息技术的飞速发展，智能家居也在技术的浪潮中步步前进。现如今，中国已经与国际接轨，任何事物都在进行着各种各样的变化，家庭智能化也是大势所趋，而家庭智能化方式也在进行着相应的调整。这都将进一步促进智能家居系统的变革和发展，从智能家居系统的发展历程可以看出，家居智能化系统的功能已经发生很大变化，起初家庭智能化系统主要作为房屋和机电设备的一部分，以满足对房屋及其机电设备管理的需要；后来家居智能化系统用来全面提升房屋的形象和提高家庭房屋的服务、管理及安全功能；最后家居智能化系统已经成为一个营运系统，为房屋内的人们提供各种增值服务1。技术在进步，制度在变革，人们对此的认识也在进一步的强化，我们仿佛已经看到，在不久的将来，智能家居系统将会成为每个家庭的标配，它能为人们的生活和工作带来很大的便捷，人们在上班的时候就可以随时远程控制着家庭的情况，发生任何突发状况都能随时了解到，物业的管理也会非常方便。人们在家也能享受科技的力量，可以查询各种信息，可以网上娱乐，可以远程教育等一系列的便捷服务，智能家居技术将会成为未来投资的一个大热门。1.2 国内外的研究现状国内智能家居研究已久，但也是最近几年才渐渐出现在人们的视野当中，人们对它还只是处于一个好奇的事物的观念上，智能家居的成长还有很长的一段路要走，对于它的市场消费观念还没有产生，但随着现在很多公司在生产这类产品，智能家居市场也在一步步打开，人们也在慢慢熟悉智能家居系统，虽然作为一个新生产业，但是它的前景是非常广阔的。正是看到了这样的商机，国内已经冒出了一系列的智能家居生产企业，也开始了对于智能家居市场的调研，特别是对于人们需求什么样的智能化家居产品以及需求趋势的变化，一大批国内的科技公司开始走上的智能家居的道路，打开了一条智能生态链，而且已经成为智能家居产业的标杆。智能家居在中国历经这么多年，已经有很大的发展和突破，人们刚开始只是在电影中见到过，而现在，智能家居已经走进我们的房间，走进了我们的生活。在国外，自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案2。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。近两年网络技术飞速发展，更重要的是WiFi技术的普及，网络无线技术也已经被运用到智能家居技术方面，无线智能家居逐渐取代了有线产品。智能手机的发展也在一定方面影响着智能家居的走势，各种针对智能家居系统的手机APP研发了出来，人们可以很方便的使用手机就可以控制家中的一切。1.3 论文的主要内容本论文研究的主要内容是介绍智能家居系统的设计原理，设计方案以及所完成的设计结果。主要以主控制系统硬件电路设计、控制程序设计、计算机上位机设计以及系统实物制作工程为重点进行说明。本论文的内容安排如下：第1章为绪论部分。主要是介绍本文选题的社会背景和研究意义，以及智能家居在国内外的研究现状，还有介绍本文的设计内容、设计方法和内容结构安排。第2章对智能家居控制系统的功能和框架做了总体功能设计框图。对系统的功能框架安排和功能模块的内容做了概述说明。第3章为智能家居硬件电路设计及说明。主要对系统单片机最小系统部分、GSM远程控制模块、蓝牙控制模块、各个传感器模块、声光报警模块以及指纹识别的电路设计思路及方案进行详细的说明。第4章是控制程序设计及说明。主要是对系统的控制程序做了详细分析，分析系统初始化流程、GSM初始化流程、串口通信控制流程、传感器实时监测环境数据处理方法、继电器与灯光控制流程及方案。第5章为系统计算机上位机的设计编写及说明。主要对C#设计上位机的编写调试过程以及所完成软件功能进行说明。第6章为智能家居控制系统实物制作结果和分析。分析说明此次设计实现的功能以及存在的缺陷。2 系统总体设计系统总体设计是整个智能家居控制系统的设计概述，也是整个系统的设计思路，智能家居系统主要包括硬件电路设计、控制程序设计、计算机上位机设计等，硬件是基础，软件是灵魂，系统是由若干的功能模块构成，这些功能模块都是由控制程序来控制的，由单片机作为核心处理器来分别分析处理这些功能模块的数据，而上位机是辅助开发和控制系统的，这些的相互合作最后完成了整个智能家居控制系统。2.1 系统功能结构框图该系统以STC公司生产的STC12C5A60S2单片机为核心处理器，使用光敏、烟雾、温湿度及人体红外传感器，实现对环境的变量进行实时监控和显示，并能够及时进行声光报警，通过GSM模块和蓝牙模块实现对系统的近距离和远距离控制，使其能够实时开关继电器和灯具，还新加入了指纹识别模块完成了指纹门禁功能。同时本系统还增加了串口下载模块，方便系统与计算机上位机的通信控制及系统的程序调试。系统的总体结构如图2.1所示。图2.1 系统功能结构示意图2.2 功能模块说明整个智能家居系统由图2.1中所有模块组成，传感器模块功能是监测环境参数值，如果超出警戒值就会输出高低电平，GSM模块作为系统远程控制，蓝牙模块作为近距离系统控制，可以分别独立控制LED和继电器。加入的按键功能可以调整所设定的警戒值，指纹识别模块作为指纹门禁识别，LCD模块可以显示当前温湿度警戒值等。3 智能家居系统硬件电路设计3.1 硬件电路模块概述系统硬件电路主要由STC12C5A60S2单片机模块、电源模块、各个传感器模块、继电器控制模块、LCD液晶显示模块、串口通信下载模块、GSM远程控制模块及指纹识别模块等几部分组成。本章将对上面所说的各个模块的电路设计做出说明。3.2 系统电源模块系统运行需要电源作为能量，电源模块的作用主要就是将外部电压引入系统中，电源模块保证了整个系统的稳定运行。设计中，从防止干扰和电路可靠性等方面考虑，电源采用双电源供电，分别使用了220V转DC5V和USB5V双电源供电，一旦一个电源出现问题，可以很快投入另一个备用电源，双电源能够很好的为系统以及电机等提供电源。电源模块电路原理图如图3.1所示。 图3.1 电源模块原理图3.3 单片机最小系统设计单片机最小系统使用的是STC12C5A60S2单片机，它功能更强大，增加了P4口位寻址，拥有两个串行通信接口，可以独立同时运行，相比于之前的89C51单片机，速度更快，而且指令代码完全兼容C51。内部集成MAX810专用复位电路，相对传统51单片机，自带了2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合3。STC12C5A60S2单片机价格低、体积小，新加入的P4位寻址的I/O接口，所有功能都具备，速度还快传统51单片机12倍，对于此次设计完全足够。图3.2 单片机最小系统原理图单片机最小系统设计主要分为晶振电路和复位电路设计两个部分，有了这两个必须电路，单片机就可以工作了，其最小系统设计如图3.2所示。 3.3.1 单片机晶振电路设计单片机的工作离不开时钟，而单片机的时钟源来自于晶振电路，它为系统提供了一个基本的时钟信号，然后单片机才能在时序脉冲的控制下开始工作。另外，晶振电路会影响单片机的机器周期，串口波特率的计算也是按照晶振频率来算的，如果电路设计不正确，将会影响其他数字电路的正常运行，从而使整个系统无法运行。所以没有晶振电路单片机将无法工作，晶振电路的设计相当重要。 图3.3 晶振电路设计在本系统中，晶振为11.0592MHz无源晶振，而电容选用瓷片电容，其大小为30pF，然后一边接GND，另一边接单片机的XTAL1、XTAL2引脚。外部晶振和电容并联连接来进行起振，其电路设计如图3.3所示。3.3.2 单片机复位电路设计单片机复位电路其作用是把单片机恢复到初始状态，即相当于清零，可以使程序从头开始运行。本次设计采用手动按键复位，当程序跑飞或者单片机死机时，按下按键便可使系统重新运行。图3.4 复位电路设计在复位电路中，单片机STC12C5A60S2的RST引脚接1个10uF电解电容到电源VCC，然后RST引脚再接1个10K的下拉电阻，在电源VCC和1K电阻两端串联一按键，上电时或者按下按键后，在复位引脚上产生一个高的电平复位信号，当信号持续2us时便会复位。复位电路设计如图3.4所示。3.4 GSM远程控制模块设计TC35是西门子公司生产的无线通信GSM模块，它同时兼容GSM和GPRS，且自带RS232通讯接口，可以方便地与计算机和单片机连机进行通信。TC35模块的工作电压为3.3-5.5V，完全兼容单片机，不需要外界供电，使用非常方便。TC35模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2400、4800、9600的非透明模式4。此外，该模块已经集成了SIM卡座和天线，无需其他电路直接可以使用。通过排针引出的20个引脚对于此次设计完全足够。由于此模块兼容232电平，故本系统设计中通过MAX232芯片完成单片机和GSM模块的通信，由单片机通过串口向GSM模块发送AT命令来完成初始化以及发送短信。图3.5 GSM模块原理图TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成5。此次设计主要采用现有集成GSM模块和单片机完成串口通信，通过单片机串口发送AT命令给模块来控制其发送短信以及通过串口中断来接收模块数据完成远程控制，设计原理图如图3.5所示。3.5 HC-06蓝牙模块设计HC-06是目前市场上主流的串口蓝牙模块，功能非常强大，可以直接与手机蓝牙连接，接收手机发送的数据，速度快，通讯距离远，在家庭房间范围内可以完全连接到信号，而且成本低，对于智能家居系统设计的近距离控制完全足够。蓝牙模块通信也是通过单片机串口来完成发送和接收数据，因为GSM模块已经占用了一个串口，而STC12C5A60S2内部集成了两个串口，可以使用串口二来通信，电路原理图如图3.6所示。图3.6 蓝牙硬件电路设计3.6 传感器模块电路设计传感器模块包括光敏电阻传感器、MQ-2烟雾传感器、DHT11温湿度传感器、红外人体传感器等，各个传感器能够实时监测环境中的光线强度、烟雾和有害气体浓度、温度和湿度以及能够监测环境中是否有人存在，在当这些环境中变量超过所设定的界限值时便会输出相应的高低电平，传感器电路如图3.7所示。单片机的I/O引脚可以监测输入的高低电平从而做出处理，先发出声光警报，然后单片机会率先做出处理，最后通过GSM模块向用户发出报警信息。图3.7 传感器模块电路设计3.7 继电器控制模块电路设计继电器控制使用ULN2003达林顿管驱动继电器，ULN2003芯片经常用于单片机控制电路中，控制非常简单，默认高低电平可以触发继电器，控制继电器可以在软件中管脚输出相应电平即可。继电器采用5脚松乐继电器，输出三个引脚可以控制公共端和常开常闭的导通。可以直接控制各种设备和负载，系统中采用继电器控制电机的运行与关停来完成窗帘开合。继电器控制电路的硬件设计如图3.8所示。图3.8 继电器控制电路设计3.8 串口通信下载模块设计单片机系统下载调试程序时，需要使用串口通信来完成，但是单片机和计算机两者之间信号是不兼容的，需要进行电平转换才能完成它们之间的数据传输。本此系统下载模块采用MAX232芯片来进行电平转换。MAX232电路设计简单，转换效率高。电路设计原理图如图3.9所示。图3.9 MAX232串口转换电路3.9 声光报警模块电路设计系统在运行的过程中需要对所发生的例如有害气体超标、温湿度过高等情况做出指示，可以通过声音和灯光向人们发出警报信号，声光报警电路的作用体现在此。图3.10 声光报警电路设计由于单片机I/O引脚输出的电流较小，本次设计中采用一个三极管来放大驱动蜂鸣器。硬件设计电路如图3.10所示。3.10 液晶显示电路设计系统运行中需要把系统中一些变量，例如环境参数温湿度等实时显示出来，还有可以更好的操作系统能够清晰明了的进行系统交互，此次设计加入了LCD12864显示屏来完成显示功能，设计电路如图3.11所示。图3.11 液晶显示电路设计LCD12864液晶屏的分辨率是12864，它内置了中文字库和ASCII码字符集，操作指令比较方便，可以构成此次系统的全中文人机交互显示界面。本次系统设计中使用LCD主要来显示实时的环境温度、湿度以及设置的界限值。3.11 指纹识别门禁电路设计本系统采用R305光学指纹模块，R305指纹模块上同时有RS232和USB接口，双接口与外界通信。USB接口可以连接电脑，RS232接口是TTL电平，所以可以直接与与单片机进行连接，默认电源为+5V。连接电脑需要进行电平转换。图3.12 指纹识别模块电路指纹识别模块内部已有高速DSP处理器来完成图像处理，所以只需要完成模块与单片机之间的通信即可完成对指纹的录入、搜索以及识别。设计电路如图3.12所示。同时设计了双边串口通信，指纹识别模块可以同时与单片机和计算机进行通信，增加了系统的灵活性。4 软件设计及说明4.1 系统软件整体流程系统的软件结构设计就是系统控制程序设计编写的过程，各个模块之间和谐工作是通过程序实现的。本系统的控制程序设计主要包括：系统初始化、GSM模块初始化、HC-06蓝牙模块初始化、各个传感器模块的输入处理、LCD液晶显示初始化、指纹识别门禁初始化以及继电器与LED开关控制。本章将对各个模块的控制程序分别以流程图的形式做出分析说明。系统的控制程序流程图如图4.1所示。图4.1 系统控制流程图硬件电路是整个系统的基础。系统控制程序建立在系统硬件之上，整个控制程序控制着这些硬件模块完成相应的工作。其系统控制程序的总体流程为：程序刚开始，先开始初始化工作，包括对单片机串口和I/O口的初始化、GSM模块、蓝牙模块的初始化，使各个模块能够开始工作。然后，采集传感器输入的电平值比较做出判断，如果大于界限值将发出声光报警。同时，单片机监测串口是否有接收数据，是否有操作命令，再判断是GSM还是蓝牙发送来的数据，处理接收到的控制命令，最后单片机对此做出对继电器的输出控制。4.2 系统初始化在系统电源接通后，就会开始系统的初始化过程。系统初始化主要包括LCD初始化、GSM模块初始化、串口配置初始化、I/O口初始化等，如果全部初始化成功，蜂鸣器便会鸣叫一声示意初始化成功。系统初始化过程如图4.2所示。图4.2 系统初始化流程图在系统初始化中，分为两部分，第一部分主要是对控制程序中所要用到的数组及变量等进行定义及赋初始值，目的为了后面程序的调用。第二部分是对单片机系统的串口以及定时器的初始化、GSM网络模块初始化、蓝牙模块初始化、指纹识别模块的初始化等，以及对各个传感器模块的初始化，使它们能够开始工作，能实时监测环境参数值。同时对LED灯和继电器的初始化，使得程序可以控制它们的开关。4.3 串口通信设计系统调试过程中需要经常下载程序，而且还要与外部其他设备及上位机进行通信，所以在系统功能中加入了串口下载模块。STC12C5A60S2单片机分别加入了两个串行通信接口。可以更好的扩展通信接口。串口模块的初始化流程如图4.3所示，可以很清晰的看出串口初始化流程。图4.3 串口初始化流程图串口初始化流程为：首先，选择定时器和工作方式，STC12C5A60S2处理器内部集成了4个定时器，我们选择定时器1工作方式2，可自动装载8位计数器作为串口波特率发生器。然后，使能串口允许接收和发送，再设置串口的波特率，8位自动装填，不倍频，最后打开串口中断、定时器中断以及总中断。完成串口的初始化。 4.4 GSM模块初始化由于TC35-GSM模块已结集成了串行通信接口、SIM卡座、天线等模块，GSM模块的初始化只需完成核心处理器和模块之间的通信即可。通信采用串口通信，因为前面蓝牙模块已经占用了一个串口，所以采用STC12C5A60S2单片机的另一个串口，只需初始化另一个串口，单片机通过发送AT命令给GSM模块，然后串口中断接收返回的数据，如果返回“OK”命令，即为初始化成功，再发送挂机命令，之后，两者便可顺利通信，就能使用单片机串口发送AT命令来控制GSM模块发送短信和拨打电话了。GSM模块初始化流程图如图4.4所示。图4.4 GSM模块初始化流程图4.5 传感器实时监测设计传感器模块通常情况下状态输出是不发生变化的，当环境中变量和参数发生突变，超出所设定的值时，传感器便会输出数字量的高电平，单片机会实时监测传感器管脚的电平变化，当发生电平变化时，说明发生异常状况，单片机会率先控制发出声光报警来警示，然后通过串口发送短信给指定人说明警报详细信息。传感器输入处理流程图如图4.5所示。图4.5 传感器输入处理流程图4.6 继电器与灯光控制设计当发生异常状况需要断开和打开开关时或者需要远程开关灯光时，就需要继电器和灯光控制。硬件上我们采用ULN2003达林顿管驱动继电器，所以软件上我们只需给相应高低电平，即可控制继电器开合。当单片机串口接收操作命令时，会根据命令中的信息，选择继电器输出高低电平来开关继电器，继电器处理控制流程图如图4.6所示。图4.6 继电器控制流程图4.7 指纹识别门禁设计4.7.1 指纹识别模块初始化R305光学指纹模块集成了图像采集芯片和指纹算法芯片，完成指纹录入、图像处理、特征提取、模板生成、模板存储、指纹比对和指纹搜索等功能。而且有RS232通信接口，单片机可以无需转换直接连接来控制模块。上电后，指纹模块硬件会自动初始化，我们主要是配置单片机中的串口通信，使用单片机来接收模块发送过来的数据包进行解析然后完成指纹识别。4.7.2 指纹模块采集指纹指纹模块在单片机和硬件初始化后，指纹采集窗口会闪一下，表示自检正常，初始化成功，如果不闪，说明未能完成初始化，需检查硬件端口是否有问题，程序初始化是否出错。一切就绪后，单片机发送录入图像指令，采集窗口会一下亮，当手指按下，指纹采集完毕，模块会根据指纹图像生成特征值，进而生成模板存入模块指纹库中，完成指纹采集，具体采集程序流程如图4.7所示。 图4.7 指纹模块采集指纹流程图4.7.3 指纹模块识别指纹在采集指纹后，指纹会存入指纹模块中的EEPROM指纹库中，即使掉电也会存在，不会消失，指纹库大约可以存入980枚指纹，对于此次设计完全足够。指纹识别的原理就是：首先录入指纹，如果录入成功，模块中高速DSP芯片便会根据指纹图像提取出特征值，将特征值存入缓冲区，然后模块会根据指纹特征值进行搜索指纹库，指纹库可以指定搜索范围，从而进行一一比对，如果有指纹匹配便会有返回值，就能完成指纹识别。指纹识别可以设置标志位来完成门禁功能，即也可以实现使用按键来启动指纹识别来，进而完成开关门的功能。单片机控制模块完成指纹识别，主要也是通过串口通信发送协议中的命令，让模块完成指纹录入与识别，指纹识别流程如图4.8所示。图4.8 指纹识别流程图在指纹识别门禁功能上又加入了OLED显示，OLED12864和LCD的使用方法一样，不过OLED不带中文字库，需要自己进行中文取模，当完成指纹识别进行指纹匹配时，如果指纹匹配成功，OLED屏幕上会显示“欢迎进入”的字样，即表示指纹识别成功。5 系统上位机编写5.1 编写环境与开发语言上位机的编写环境为Visual Studio 2012。VS是最常用的应用程序开发环境.开发语言使用面向对象的C#语言来编写，C#是一种安全的、稳定的、简单的面向对象的编程语言，对于有一定C语言基础的人来说，可以短时间掌握C#的开发，而且VS2012中许多集成的控件对于C#开发带来了很大的方便，开发人员可以很轻松的写出Windows软件。5.2 编写思路上位机主要是基于串口通信的，单片机和上位机之间的数据交换通过串口来收发的，VS2012中由于采用面向对象的程序设计语言C#，所以可以直接调用开发环境中集成的控件来进行设计，编写中，主要运用Button、SerialPort、tembox、ComBox、Timer控件等完成设计6。上位机系统的设计，主要是串口通信的发送数据和接收数据，发送数据很简单，可以类函数直接写数据进行发送，而最重要的设计是对下位机数据接收的方法设计，C#中SerialPort类控件可以设定触发事件和触发方式，设计时本系统采用一个字节触发一次方式接收数据，然后在触发事件函数里把接收的数据进行校验分离，如果接收到数据校验码符合则接收，然后进行奇偶分离，奇数为温度数据，偶数为湿度数据，最后赋值给Label控件在上位机界面进行显示。5.3 上位机窗口设计上位机主窗口使用SerialPort类实现串口通信要经过的一般流程有COM端口号的扫描选定、波特率的设定，再有打开串口连接，电器控制按钮，居室参数温湿度接受显示，还有定时开关选择电器，最后关闭串口连接这些步骤。上位机主窗口主要有三个部分，分别为连接配置、电器控制以及居室参数，连接配置为上位机连接单片机下位机的通信配置，包括串口号选定和波特率设定，电器控制部分为上位机的主要部分，即对下位机的控制，包括LED灯和继电器的控制。居室参数部分为上位机显示部分，可以显示单片机下位机发送过来的数据，对其进行校验分离然后显示温湿度。这是主窗口主要三部分。另外，上位机加入了当前时间显示和定时开关电器功能，用户可以输入所要定时的时间来完成定时开关电器，当然也可以提前进行开关。如图5.1所示为上位机主窗口界面截图。5.1 上位机主窗口上位机主窗口中还加入了指纹管理子窗口，当按下指纹管理按钮时会打开指纹系统窗口。指纹管理的窗口设计和主窗口大体相似，由于指纹模块也是采用串口技术与计算机相连，所以也是通过SerialPort类来实现上位机与指纹模块的通信。图5.2 指纹管理窗口指纹识别模块为我们提供了相应的API函数库和控件，设计中主要设计串口通信，子窗口也设计有打开串口、波特率设置、数据包设置等。其他菜单包括图像管理、指纹处理、指纹搜索与比对以及辅助功能区，可以很好的管理指纹的采集录入，指纹的删除管理，指纹图像保存下载以及指纹的搜索比对。指纹管理子窗口如图5.2所示。6 系统实物制作结果与分析6.1 系统实物制作结果经过控制系统的硬件电路和控制程序设计，最终完成了整个智能家居系统的设计与制作，整个系统的制作模型如图6.1所示。其中，系统的硬件部分，电路是以Altium Designer 09绘制的PCB集成电路板7；模型是自己制作的小模型搭建而成；系统控制程序是以Keil Software公司推出的Keil uvision5开发平台进行编写和调试的；系统上位机是由微软公司的VS2012开发工具编写的。 图6.1 系统实物图6.2 实验结果及分析在智能家居实物制作完成后，对其进行了测试，分别对硬件电路，软件控制程序，计算机上位机分别进行了实验。6.2.1 最终实现的功能(1) 系统实现了对环境的变量进行实时监测。系统使用了温湿度、光敏电阻、烟雾以及人体红外传感器来实时监测环境参数值。实验结果表明，该系统实现了对环境中的温湿度、光线、有害气体以及人体的实时监测，当超过所设定的界限值时系统会发出声光报警。(2) 系统实现了继电器和灯具的输出控制。系统采用4个LED和两个电机作为灯具和继电器输出是否成功的标志。通过单片机控制系统中继电器的开合，来验证系统是否成功实现了继电器的输出控制。实验结果表明，该系统实现了灯具和继电器的开关控制。(3) 实现了系统与GSM和蓝牙之间的通信。采用采用双串口来分别验证单片机与GSM和蓝牙之间的串口通信。在实验过程中，通过手机APP向系统发送字符串以验证系统是否可以实现通信。最终，系统能够成功的通过GSM和蓝牙接收到了指定字符串从而控制继电器。实验结果表明，系统实现了通过GSM和蓝牙进行通信并完成了控制，而且相互独立并不影响(4) 实现了通过指纹识别来开关LED。系统中加入了指纹识别门禁系统，可以通过按压指纹来进行开关门。在实验过程中，通过指纹和按键控制了LED的亮灭。实验结果表明，系统实现了通过指纹识别完成了门禁的功能。系统已经完成了设计任务书中所要求的所有技术指标，实现了所有功能。6.2.2 设计中的缺陷和不足当然，在设计中也存在一些缺陷和不足之处，例如：(1) 线路太多很杂乱。在对系统进行硬件调试的过程中，由于系统庞大线路过多很没有顺序，线路容易接错，从而会导致系统损坏，最后，采用全部杜邦线对电路进行了连接，使其梳理和看起来比较整齐，保证系统的正常运行。(2) 系统稳定性有待提高。由于系统的工作环境实在现实生活环境中，而设计过程在实验室进行，无法进行现场测试，从而导致系统在抗干扰方面和稳定性存在一定的问题。结 论本文详细介绍了智能家居控制系统的设计方案及制作过程，该系统是以宏晶公司生产的STC12C5A60S2单片机作为处理器，实现对环境的实时监控报警并能够输出控制LED和继电器，通过串口实现系统与GSM、蓝牙、计算机等之间的通信，通过计算机上位机来完成对系统的监测与控制。系统主要分为硬件电路设计和控制程序设计，硬件电路主要介绍了单片机核的最小系统、GSM通信电路、蓝牙近距离控制、指纹识别门禁、计算机上位机通信、各个传感器的数据采集及输出控制电路原理等模块的电路设计。控制程序主要对系统中的各个硬件模块的控制程序进行了分析，采用流程图的形式讲解了单片机最小系统及GSM模块、蓝牙模块、指纹识别模块的初始化和传感器输出电平输出控制继电器的控制流程。硬件电路使用Altium Designer 软件对智能家居系统的PCB硬件电路进行设计绘制时，开始并不熟练软件，走了很多弯路，设计的PCB存在很多问题，例如有些线路没连接上等等。最终通过查资料看书，请教老师，多次修改后，设计完成了本次智能家居系统的PCB电路板。控制程序使用Keil uvision5软件进行了编写下载调试。系统控制程序主要分为三个部分：系统整体的初始化、GSM模块、蓝牙模块的初始化及对传感器输出的数据来对继电器和LED做出控制。而且每个功能模块程序都先进行设计，然后绘制流程图，最后编写程序。智能家居是一个充满朝气的行业，它的道路一片光明