智能家居控制系统设计

兰州交通大学毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）中文题目 智能家居控制系统设计 英文题目 Design of intelligent home control system 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 学 号 指导教师 2016 年 06 月 03 日- II -兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要本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。系统的硬件电路设计及制作采用Altium Designer 09一体化电子产品开发系统。系统软件编写及调试采用了keil uvision5开发环境。首先用一句话说明智能家居控制系统的发展现状文“本论文以智能小区为载体，以微控制芯片为核心，通过瑞典FPC公司的 ，首先，其次最后”中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、PC上位机设计、控制算法设计及整体调试等几个方面。该系统的基本原理为：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，加入了指纹识别作为新的功能，编写了PC上位机来管理指纹库，为了提高系统硬件的可靠性与稳定性，设计并制作了PCB电路板，最终制作完成了整套智能家居系统。关键字：智能家居；远程控制；指纹；GSM - I -AbstractThis article describes the design principles of smart home control system design process and production results. In this design, the core processor STC companys SCM STC12C5A60S2. Hardware circuit design and production system using Altium Designer 09 unified electronic product development system. System software development and debugging using keil uvision5 development environment.This paper describes the design of intelligent home control system hardware and software architecture and design process. The overall system design, including schematic circuit design, external data acquisition and alarm design, Bluetooth, GSM remote control and control design, fingerprint recognition access control design, PCB board design, PC PC design, control several aspects of algorithm design and overall debugging. The basic principle of the system are: real-time monitoring by each sensor module environment variable, if any situation, you can immediately remote mobile phone alarm, users can view real-time whats happening using a PC or a mobile phone to make a deal. Meanwhile, the system is equipped with Bluetooth and GSM remote control near the control combination, can easily switch house switch or lamps. LCD and PC can display the current ambient temperature and humidity, and the host computer can manage fingerprint access control.In the design, adding new features as fingerprint identification, we prepared the PC host computer to manage the fingerprint database, in order to improve the reliability and stability of the system hardware, designed and produced the PCB, finally produced a complete set of intelligent home systems .Key Words: Smart Home, Remote control, Fingerprint, GSM- IV -目 录摘 要IAbstractII1 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 系统硬件结构32.2 系统软件流程33 硬件电路设计及说明53.1 系统总体硬件电路设计53.2 系统电源模块53.3 单片机最小系统设计53.3.1 单片机时钟晶振电路设计63.3.3 单片机阻容复位电路设计73.5 HC-06蓝牙模块设计83.6 传感器模块电路设计93.7 继电器控制模块电路设计93.8 串口通信下载模块设计103.9 声光报警模块电路设计113.10 液晶显示电路设计113.11 指纹识别门禁电路设计124 软件设计及说明124.1 系统软件整体流程124.2 系统初始化134.3 串口通信设计144.4 GSM模块初始化144.5 传感器实时监测设计164.6 继电器与灯光控制设计164.7 指纹识别门禁设计174.7.1 指纹识别模块初始化174.7.2 指纹模块采集指纹174.7.3 指纹模块识别指纹185 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206 系统实物制作结果及实验结果分析216.1 系统实物制作结果216.2 实验结果及分析226.2.1 最终实现的功能226.2.2 设计中的缺陷和不足22结 论24致 谢25参考文献26附录 部分源程序27兰州交通大学毕业设计（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。就会有智能家居迈入普通市民家、智能家居豪宅、智能家居落户某某大型社区、智能家居解决方案等各种新闻。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，信息技术迅猛发展，智能家居系统作为信息技术的产物，也在发生着极大的变化。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 国内外的研究现状最好国外和国内研究现状分别论述智能家居研究已久，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，智能家居市场的推广与普及也在进一步发展，以及慢慢培养起人们对它的使用习惯，智能家居市场的还是非常巨大，虽然作为一个新生产业，但是其产业前景一片光明。正是看到了如此商机，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现实生活，这其中经历了一个非常艰难的过程。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，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 论文的主要内容这篇论文本论文，现总结一下研究的主要内容是智能家居的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。本论文的结构安排如下：第1章为绪论。简单介绍了本文选题的背景和研究意义，以及智能家居在国内外的研究现状，还有介绍了本文的研究内容、研究方法和结构安排。第2章为系统总体设计。对系统的软件和硬件结构分别进行了概述设计系统总体功能框图。第3章为硬件电路设计及说明。主要对系统单片机最小系统部分、GSM远程控制部分、蓝牙控制部分、各个传感器模块、声光报警部分以及指纹识别的电路设计思路及方案进行了详细的说明。第4章是软件设计及说明。着重分析了系统初始化流程、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#设计上位机的过程进行了说明。第6章为系统实物制作结果。主要介绍了本次设计中所完成的设计实物以及所完成的功能。2 系统总体设计系统总体设计包括系统的硬件设计和软件设计两部分。在硬件设计部分，主要介绍了系统各个模块电路设计的思路和方案，以保证系统稳定、可靠地运行。在软件设计部分，重点对各模块进行配置及初始化以确保能够完整的实现各模块功能。总体来说，系统硬件是基础，系统中各个功能的实现都是通过硬件来体现的；系统软件是灵魂，系统中各个功能的实现都是通过软件来控制的。硬件和软件相辅相成，缺一不可。下面对这两部分分别进行说明。2.1 系统硬件结构简单论述下各个模块的功能该系统以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。同时预留了MAX232串口通信接口方便系统与计算机上位机的通信控制及系统的调试，预留了I/O接口为系统的功能拓展提供方便。系统的硬件结构如图2.1所示。图2.1 系统硬件结构示意图2.2 系统软件流程这一部分直接放在系统软件章节来写系统硬件位于系统底层，是整个系统的基础。系统软件建立在系统硬件之上，其结构是由系统硬件和控制需求共同来决定的。系统软件的总体流程为：首先，对整个系统进行初始化，包括对核心处理器各功能模块的初始化以及对GSM模块、蓝牙模块的初始化，从而保证系统各功能模块的正常运行。然后，能够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。系统的软件流程图如图2.2所示。图2.2 系统软件流程图3 硬件电路设计及说明智能家居控制系统硬件电路设计3.1 系统总体硬件电路设计系统硬件电路由电源模块、STC12C5A60S2处理器模块、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，系统硬件总设计图见附录一。本章将对各模块逐一进行说明。3.2 系统电源模块系统电源模块是系统的能量来源，主要负责将外部输入的电压转变为系统所需的电压，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，可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础，双电源能够很好的为系统以及电机等提供电源。系统电源由外部220V/5V/2000mA直流稳压器提供。系统电源模块的电路结构示意图如图3.1所示。5V电压由外部直流稳压器和计算机USB直接提供，为整个系统提供工作电源。图3.1 电源模块3.3 单片机最小系统设计该系统使用的是STC公司生产的STC12C5A60S2单片机做为核心控制器，它是宏晶科技公司生产的单时钟机器周期(1T)的单片机，相比于先前的C51单片机，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，指令代码完全兼容传统C51，但速度却快8-12倍。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单片机体积小、价格低，新加入了P4位寻址的IO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， 所以最终选择了此款单片机作为系统核心处理器。图3.6 核心处理器最小系统电路设计其最小系统设计包括：单片机时钟晶振电路设计、单片机阻容复位电路设计及核心处理器的最小系统设计如图3.6所示。 3.3.1 单片机时钟晶振电路设计在单片机硬件设计中，时钟电路设计是一个关键的部分，它为系统提供一个基本的时钟信号。因为一方面，单片机的工作是在时序脉冲的控制下进行的，没有时钟电路系统就无法工作。另一方面，晶振电路属于高频电路，一旦设计不当，将会干扰其他电路的正常运行，甚至导致晶振体不工作，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3.8 单片机时钟晶振电路设计在本系统中，外部晶振采用并联型连接方式，其电路设计如图3.8所示。其中，晶振为11.0592MHz无源晶振，而电容一般选用瓷片电容，其大小为30pF。3.3.3 单片机阻容复位电路设计复位电路设计在单片机硬件设计中也是十分重要的一部分。其作用是使单片机内部电路全部恢复到初始状态，并使程序从头开始运行。图3.9 核心处理器复位电路设计在本系统中，“核心处理器STC12C5A60S2的RST引脚接1个10uF电解电容到电源VCC，同时接1个10K的下拉电阻，在电阻两端并联一按键，上电时或者按下按键后，通过电阻给电容充电在复位引脚上产生一个由低到高的电平复位。核心控制器复位电路设计如图3.9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，切自带RS232通讯接口，可以方便地与计算机和单片机连机进行通信。可以安全、可靠、快速实现本次智能家居系统方案中的短信数据传输。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。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，该模块还具有电话簿、多方通话，漫游检测功能，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，指令和控制信号可以完成双向传输。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。这个图过大图3.4 GSM模块硬件电路设计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。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，其采用蓝牙2.0、支持主从模式、支持软/硬件设置主从模式、支持多达29条AT命令及9条自动反馈指令、支持波特率1200到1382400。HC-06的特点：信号强，低功耗，通讯距离远，性能稳定，成本低，使用灵活，尺寸超小。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，串口二只能采用独立波特率发生器来作为波特率波特率发生器。通过手机APP可以发送数据，单片机串口中断接收数据继而处理从而完成控制。图3.5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。单片机的IO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模块向指定人用户发出报警信息。图3.6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采用高耐压、大电流复合晶体达林顿管ULN2003，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。ULN2003是大电流驱动阵列，一般用于单片机等控制电路中，可直接驱动继电器。使用ULN2003达林顿管驱动继电器，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。继电器控制电路的硬件设计如图3.7所示。图3.7 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在运行下载调试的过程中经常需要与其他系统设备进行通讯，目前最普遍的通信方式就是串行通信。但是单片机和计算机两者之间信号需要进行电平转换。电平转换器可以由分立的晶体管搭建而成，也可以使用集成电路实现。本系统中使用MAX232芯片来实现。MAX232芯片简单易用，单+5V电源供电，仅需外接几个电容即可完成电平转换。具体电路设计方案如图3.17所示。图3.17 MAX232串口电平转换电路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、温湿度过高等情况作出指示，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。本次系统设计中利用蜂鸣器和红色LED来作为指示器，当系统完成初始化时可以发出蜂鸣，当环境中的参数超出界限时可以发出蜂鸣和闪光。由于单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。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3.9所示。图3.9声光报警电路设计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。图3.10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指纹模块由光学指纹传感器、高速DSP处理器、高性能指纹比对算法、大容量FLASH芯片等软硬件构成，性能稳定，结构简单，具有指纹录入、图像处理、指纹比对、搜索和模板储存等功能R305指纹模块上同时有RS232和USB接口与，双接口与外界通信；USB接口可以连接电脑；RS232接口是TTL电平，默认波特率为57600，可以进行更改，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，本次设计中还是MAX232电路来完成与计算机之间的通信。图3.11 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。模块直接与单片机相连，单片机通过串口发送接收数据完成指纹识别。设计电路如图3.11所示。4 软件设计及说明新的章节要另起一页4.1 系统软件整体流程系统的软件结构设计是建立在相对应的硬件基础上的，不同的硬件结构配以不同的软件体系，最终相互之间紧密配合实现远动终端的各项功能。本系统的软件主要包括：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。本章将对这几部分内容进行说明。删掉这句话4.2 系统初始化在系统上电或被复位后，会立即进入系统初始化过程。系统初始化主要包括硬件初始化与软件初始化两部分。系统初始化流程图如图4.1所示。流程图的文字为五号字图4.1 系统初始化流程图在软件初始化中，主要对软件编写中所要用到的指针、数组及变量等进行定义及初值设定，以方便后期系统的编写与调试。硬件初始化主要包括对单片机核心处理器的初始化、GSM网络模块初始化、蓝牙模块初始化等，以及对各功能模块的工作方式的设置及状态的初始化，使它们能够正常运行，实现预期的效果。例如，对单片机核心处理器总线时钟的初始化、通用I/O端口的初始化。4.3 串口通信设计为了方便系统与外部其他设备的通信及系统功能的拓展，在系统的硬件电路设计过程中为系统预留了MAX232串行通信接口。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4.2所示。图4.2 串口模块初始化流程图串行通信模块的初始化流程为：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，集体处理控制流程图如图4.6所示。图4.6 继电器输出控制流程图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象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，具体流程如图4.7.1所示。 图4.7.1 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。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，具体处理流程如图4.7.2所示。图4.7.2 指纹识别流程图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微软公司推出的开发环境Visual Studio 2012。VS是最流行的Windows平台应用程序开发环境。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，由C和C+衍生出来的面向对象的编程语言。C#综合了VB简单的可视化操作和C+的高运行效率，以其强大的操作能力、创新的语言特性和便捷的面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言。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。系统的串口通信设计中最重要的设计就是数据接收的方法设计，SerialPort类控件在C#中有许许多多的事件可以调用，使用其中的DataReceived事件来触发的方法，只要完美的设置好其中ReceivedBytesThreshold的数值就可以很方便的使用，若接收的数据长度为定长时，则只要将其中ReceivedBytesThreshold的数值设置为该接收数据的长度即可；若接收的数据的末端是固定的字符或字符串则可用ReadTo的方法来实现或在DataReceived事件中判断接收的字符是否符合条件，若满足条件就进行接收。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通讯端口号的设置、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。如图5.3所示为上位机主窗口。5.3.1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，所以还是通过使用.NETFramework提供的类库中的SerialPort类来实现上位机与指纹模块的通信。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5.3.2所示。图5.3.2指纹管理窗口6 系统实物制作结果及实验结果分析6.1 系统实物制作结果经过前期不断地学习和钻研，经过控制系统的硬件和软件设计最终完成了整个系统的设计与制作，整个系统的制作结果如图5.1所示。其中，“系统的硬件部分是以Altium公司推出的Altium Designer一体化电子产品开发系统为开发环境制作完成的”；系统软件部分是以Keil Software公司推出的Keil uvision5开发工具为基础进行编写和调试的；系统上位机是由微软公司的VS2012开发工具编写的。 图5.1 系统实物图6.2 实验结果及分析在实物制作完成后，为保证系统功能的完整性和可靠性，分别对系统的硬件和软件进行了调试并对系统各模块进行了实验。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。通过核心控制器控制系统内路继电器的开合，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。至此，系统已经实现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) 部分信号线断路。在对系统进行硬件测试的过程中，发现部分信号线由于过孔质量存在问题，导致信号线断路，从而使系统无法正常工作。最终，采取跳线的方法对这一问题进行了弥补，保证系统的正常运行。(2) 抗干扰性能有待提高。由于系统的工作环境电磁干扰较强，而设计过程在实验室进行