优秀论文 优秀论文

智能家居控制系统设计电气工程及其自动化 200809042 米文奇指导教师 赵峰（教授），李红（讲师）摘 要:本文以STC89C58RD+单片机为主控芯片，设计了拥有LCD12864中文液晶显示和键盘可设报警参数的系统主机；无线多功能环境数据采集分机；智能控制窗帘；家电和照明接口电路。智能家居最基本的要求是安防报警，本文利用现在发展很成熟的GSM通信网络，通过无线多功能环境数据采集分机，将采集到的温湿度、煤气、烟雾、红外、水浸和门禁等信息发送到系统主机。主机根据用户的设置对信息进行处理，若有报警，主机会现场声光电报警，同时通过GSM网络发送报警短信给用户。本文设计了家电和照明接口电路，用户可以通过发送短信给GSM终端，来控制家电和照明电源的开关，实现远程控制。考虑到停电事故和盗贼进入用户房间切断主电源，使系统停止工作，本文为系统设计了备用电源，提高了系统可靠性。关键词：智能家居，无线，GSM，远程控制1 引言随着电子信息技术，控制技术的日益进步，社会信息化的逐步加快，促使人们的生活、工作、学习以及通讯的关系日渐紧密，信息化社会在改变人们生活习惯和工作方式的同时，也对我们的传统住宅提出了挑战。环视周遭，我们很容易的发现，人们对家居的要求早已不再只是简单的物质空间，更为关注的是一个高度安全、舒适以及美观方便的居住环境，先进的通信设施，完备高效的信息终端，自动、智能的家电，网络化的资源管理及购物方式等等。现今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已然成为一种趋势1。本文设计了基于GSM短信模块的智能家居控制系统。系统不再依赖有线电话执行控制和报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的短消息形式，实现对消防安全的报警，家电和照明的远程控制。2 系统的工作原理与功能2.1 系统原理本系统分为无线环境数据采集分机，自动窗帘控制模块，家电和照明控制模块，系统电源和系统控制主机五大部分，系统结构如图1所示。系统利用DS18B20温度传感器，煤气传感器，红外传感器，水浸传感器，无线烟感和门磁等采集可能出现的火灾，煤气泄漏，水浸，非法入侵等信息，系统的APC240无线数据发射模块，将报警信息发送个系统主机，微处理器中存有各个传感器位置及类型数据，通过比较APC240发送的编码信息，可以知道具体报警位置及其类型。同时，主机在LCD12864液晶屏上显示报警信息，发出警报声音，通知用户及驱赶闯入者。微处理器通过GSM模块以短信形式将特定报警信息发送于预先设定好的手机号码，通知用户做出相应措施。用户可以通过向GSM模块发送短信控制指令，来控制家电和照明的开关，实现家电和照明的远程控制。2.2 系统功能系统具有以下功能：1) 远程控制家电的启动和关闭，照明开关的开闭；2) 所有电器电源直接通过系统控制进行供电/断电，避免因经常插拔电源插头而造成接触不良及触电危险；3) 可通过键盘预设报警温度，控制空调和风扇的启停，以达到最佳舒适环境；4) 通过采集光照来控制窗帘的开合，实现窗帘的自动控制，采用315MHz无线遥控器实现手动控制窗帘；5) 设定/显示日期、时间、星期；6) 设置了燃气报警，避免煤气中毒；7) 烟感和水浸检测器可及时发现家居的火灾和浸水并报警；8) 通过设置门磁和窗户红外完成防盗报警；9) 所有报警都会在液晶屏幕上显示，并拉响警笛，同时通过GSM网络发送报警短信给用户。图1 系统结构框图3 系统的硬件设计本系统主要有由四大核心部分构成：1) 传感器模块；2) 系统核心控制单元STC89C58RD+；3) GSM模块；4) APC240无线数据传输模块；5) 由PT2272组成的数据接收模块。3.1 传感器模块本系统需要对家居环境中的各种信息进行采集，传感器模块包括了温度、红外、煤气、烟雾、水浸等的检测。1) 采用DS18B20温度传感器对环境温度进行采集，与传统热敏电阻相比，只需要一根线就能直接读出被测温度，其主要优点是采用数字化技术，以数字量输出被测温度值，具有测温误差小，分辨率高，抗干扰能力强，能够远程传送数据，用户可设定温度上下限，自带串行接口等优点，适配各种微处理器。2) 系统红外检测采用被动式红外传感器，这种传感器是利用目标物体所发出的红外辐射信号实现被动探测的。有效探测半径可达7m，当有人进入可测范围时，传感器输出口输出3.3V高电平，人离开可测范围时输出低电平。3) 液化气泄漏是非常危险的，在家居生活中对液化气的监测相当的重要。本系统采用了一种灵敏度可调，能够有效过滤气体，对液化气、天然气和城市煤气有较好灵敏度的气体传感器模块，当有气体泄漏时，室内气体浓度达到传感器检测范围，指示灯亮，输出口输出TTL低电平。传感器输出口直接与单片机I/O口相接。4) 无线烟感可用于对各类早期火灾发出的烟雾及时做出报警，并且把PT2262无线发射和火灾烟雾传感器有机地结合。采用光电式或离子式烟雾传感器的报警器，这种烟雾传感器工作稳定可靠，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。完全适用于家居火灾报警。报警器报警时，还会同时发射无线信号给无线防盗报警主机，报警主机无论是处于布防还是撤防状态都会做出报警反应（警笛响、同时自动拨打预设电话报警）。这种使用方式，报警范围更广，家中无人时发生火灾也能及时掌握。5) 采用555定时器构成的触发器电路来控制继电器7，实现家庭浸水检测。电路原理图如图2所示。当水浸接口端接触到水时555定时器TR端接地触发，DIS端输出低电平，电磁继电器开始工作在常开状态下，K端输出12V高电平。经过接口电路转换为标准的TTL电平，供单片机检测。图2 NE555水浸电路原理图3.2 单片机控制单元本系统采用STC89C58RD+单片机作为系统的核心控制单元。对整个系统正常工作运行起着至关重要的作用。PT2272解码从PT2262发送过来的数据，并向分机主单片机触发中断，同时查询与其四位数据码(16种报警信息，本设计只用到12个，分别代表报警类型及位置)相连P1.0P1.3，例如当P1.3P1.0的编码为1001，代表卧室的门磁开关产生报警，1000则代表厨房煤气传感器监测到煤气警情。分机将检测到的信息通过APC240无线数据传输模块发送给系统主机，主机单片机控制报GSM模块，发送报警信息。3.3 GSM模块GSM模块通常都提供UART串行接口，因此很容易和单片机在物理层上互联。使用符合GSM07.05和GSM07.07标准的AT指令集，可以使GSM模块方便地完成短消息接收/发送等各种操作。移动设备ME(手机或GSM模块等)主要负责与GSM网络进行无线通信，终端适配器TA负责ME与外部终端设备TE的信息交换，AT指令就是在TA与TE之间传送的。TE可以是PC，或者是单片机系统，通过AT指令与ME进行信息交互。现在市场上的GSM模块，如TC35、FALCOM等，都把ME和TA集成在一起，这样整个通信就变成了TE与GSM模块之间的通信了。由于短消息具有内容直观，传送距离远，用户无需建造信号中转站，成本相对低廉，因此在控制领域的应用日益广泛8。本系统采用的GSM模块属于TC35型，这种模块通过RS232串口通信协议与单片机实现通信，使用标准AT指令集进行控制收发短信。能够满足系统设计的要求。3.4 APC无线数据传输模块APC系列无线数据传输模块，嵌入高速单片机和高性能射频芯片，创新的采用高效的循环交织检纠错编码，抗干扰能力和灵敏度都大大提高，模块能够透明传输任何大小的数据，同时小体积宽电压运行，较远的传输距离(600800m)。工作频率418455MHz或470510MHz，UART接口。本设计采用了433MHz的工作频率，模块RXD端与单片机TXD端连接，模块TXD端与单片机RXD端连接，实现串行数据收发。3.5 PT2272接收模块本系统的比较关键的部分属于家庭报警信号的采集，所以传感器的选择及其信号采集分布直接影响了系统的精度和功能实现。传统的方式是将各种传感器集成在一个板子上，不仅限制了采集的范围，还会造成各种内部干扰，影响了报警信号采集精度。PT2262和PT2272是COMS专用编、译码电路，振荡频率通过外接电阻进行调节，PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对与编码地址一致后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，在系统设计中，PT2262和PT2272的A0A7为地址端(可置为“0”、“l”、“f”(悬空)3种状态，最多有6561个地址码)，D0D3为数据端(可置为“0”、“1”两种状态，最多有16种)，通过开关SW来设置。只有PT2262和PT2272地址编码完全相同，才能配对使用，而通过PT2262不同的数据端区别报警地点及报警类型，所以所有PT2262的地址码与单片机相连的PT2272都设为一致，而各个PT2262的数据端设置不同，在家庭内部组建一个报警探测网，由此实现“一收多发”。编码发射模块、接收解调模块的有效作用距离在室内大约为几十米，在一户家庭内使用已经足够。无线接收电路部分主要由PT2272解码器和RX04接收模块组成，电路图如图3所示。RX04接收模块将315 MHz高频报警信号经超外差接收器放大、解调器解调，还原为几千赫串行的编码信号，输入到PT2272的编码输入端，PT2272经过解码把报警信号信息传给单片机。系统的烟雾传感器和门磁开关都采用了PT2262无线发射，无线遥控器也是采用这种发射方式。图3 PT2272接收电路由于系统在家中无人监控的工作，所以系统布防和撤防状态转换很有必要。在单片机RAM中设置了相关的状态字符，如：“布防状态”、“撤防状态”等，当家中有人时可以通过无线遥控器设置系统的状态，此时在室内活动不回产生任何报警。外出时，可以设置系统工作模式在“布防状态”，此时系统就可以工作了。需要注意的时，当系统监测到报警时，会延迟一段时间在监测是否有报警信号，若存在又没有撤防，则开始报警。这个设计很有必要，因为主人离开自治的布防区时需要一段时间，如果没有这个延迟，则可能引起误报。4 系统的软件设计由于智能家居控制系统采用了模块化的硬件设计，程序也相应进行模块化结构设计，主要由主机程序，分机数据采集程序，GSM模块收发程序和窗帘模块控制程序构成。主机主要用来处理各个分机发来的数据，进行显示、设置和控制GSM分机发送信息，主机程序包括了主程序、显示程序、时钟程序、键盘程序和无线接收程序。主程序流程如图3所示。GSM模块能够准确稳定的发送和接收短信是系统正确报警和开关家电电源的保证，这部分的程序设计相当重要，用AT指令来发送和接收短信。主程序流程图如图4所示。图3 主机主程序流程图图4 GSM模块收发短信主程序5 结论本文完成了以STC89C58RD+单片机为主控器的系统主机硬件、软件设计，通过标准的APC无线数据传输模块，实现了主机与各分机之间的通信。其次，根据所使用传感器的性能，设计完成了环境数据采集分机，进行了实际环境调试运行稳定。另外，以无线遥控器和PT2272解码接收电路为基础，完成了系统的布防和撤防。最后，利用GSM网络，编程实现了标准AT指令控制GSM模块与用户手机的收发短信工作，运行良好。参考文献1 夏涛,陶洋.基于四大模块的智能家居的研究与设计J.武汉职业技术学院学报,2007,6(3):1-4.2 徐方荣.无线智能家居控制系统设计J.现代建筑电气,2010,1(1):1-4.3 戚振兴.浅议我国智能家居发展J.广西轻工业,2009,10(10):1-4.4 李华,王思明,张金敏等.单片机原理及应用M.兰州:兰州大学出版社,2001:5-26.5 封志宏,杜丽霞,崔用明.模拟电子技术M.兰州:兰州大学出版社,2003:50-56.6 刘松,赵忠,孙学磊.基于GSM的远程家庭智能监控系统设计J.电子测量,2009,32(1):1-6.7 吴蓉,封志宏,梁龙学等.数字电子技术M.兰州:兰州大学出版社,2005:259-272.8 高明明,惠晓威,林森.基于GSM短信的智能家居控制系统J.微计算信息,2010,26(12):1-3.9 朱轶霞.家用电器中的大功率部件单片机驱动接口J.半导体技术,1999,24(5):1-3.10 雍杨,陈晓鸽.Altium Designer 09 电路设计标准教程M.北京:科学出版社,2011:136-192.11 刘永安.基于ARM的的智能家居控制系统D.成都:西南交通大学,2009:50-54.Design of Smart Home Control SystemElectrical Engineering and Automation 200809042 Mi WenqiInstructor Zhao Feng (Professor)Abstract: Based on the single chip microcomputer as the controller chip STC89C58RD +, design has LCD12864 Chinese LCD display and keyboard can be set alarm parameters of host system; Wireless multi-function environmental data acquisition extension; Intelligent control curtain; Home appliance and lighting interface circuit. Intelligence lives in the most basic request was the alarm, this paper use now very mature development GSM network, through the wireless multi-function environmental data acquisition extension, will be collected to the temperature and humidity, gas, smoke, infrared, water extraction and access control and othe