智能家居中的安全防范系统设计毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）智能家居中的安全防范系统设计毕业论文 目 录第1章 绪论11.1 研究目的和意义11.2 国内外发展情况21.3 发展趋势41.4 存在问题5第2章 系统方案72.1.系统实现的目标72.2.系统的功能和结构72.2.1 主机结构与功能72.2.2 从机结构与功能8第3章 系统硬件设计93.1 硬件电路设计93.2 系统控制器模块的选择93.2.1 单片机最小系统的设计93.2.2 单片机晶振电路113.2.3 单片机复位电路113.3 单片机电源电路的设计123.4 键盘电路的设计133.5 热释电红外传感器电路设计143.5.1 热释电红外线原理和特性143.5.2 热释电红外传感器RE200B的简介143.5.3 热释电红外传感器电路的设计153.6烟雾检测模块173.6.1 烟雾传感器NIS-09C的介绍173.6.2 烟雾传感器电路设计方案183.7可燃气体泄漏传感器及其特性参数193.8声光报警模块203.9显示模块213.10通信模块21 3.10.1 TC35模块简介21 3.10.2 TC35模块与系统主机连接方式223.11 NRFCC1100无线收发模块23 3.11.1 模块性能及特点23 3.11.2 接口电路24 3.11.3 模块结构和引脚说明253.12信号处理电路253.12.1 信号放大调理电路25第4章 系统软件部分274.1 主程序及中断程序流程图274.2 短消息程序设计284.2.1 AT指令介绍284.2.2 PDU 编码规则304.2.3 短信模式设置314.2.4 短信的发送方法314.3 SPI协议314.3.1 SPI协议的介绍31第5章 结 论35参 考 文 献36致 谢38附录39附录56附录57I第1章 绪论1.1 研究目的和意义随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，实现了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居安防系统也因此而产生。现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。对于全身投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。家居安防控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，既快捷又省力。还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，同时还可以通过远程通讯，实时反馈家中情况，避免如火灾，盗窃造成的经济和安全损失，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。一切发明和创造都是为了人类的生活更加方便和舒适。住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。智能信息家电及智能家居安防系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。我国的家居安防开发相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，因此很多公司开发出的产品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握，有很多产品是针对特定的环境开发的产品，因此，限制了其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系统很不方便，限制了其进一步的发展。还有的系统成本太高，普通用户难以承受，所以也没能广泛推广使用。因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居安防控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义。我国的小区住户安全监控系统的发展经历了从无到有、从简单到复杂的过程，其智能化的程度也越来越高。随着我国社会经济和文化建设的发展，社会公共安全受到人们越来越多的关注，作为一个新型的产业，安防产业发展很是迅猛，智能化安防技术的发展已取得了一定的成就。企业和小区住户的安防需求日益凸现，数字化智能安防再次面临新的发展契机。为了解决企业和小区住户安全防范等问题，近年来，建设部、公安部两部先后签署下达了多个相关重要文件，表明了强化建设企业和住宅小区的智能化安全防范设施的决心。即便现代居民邻里常年很少往来,即便小区住户家庭生活稳密、封闭，在有小区住户安全监控系统的情况下仍能在极大程度上保障小区住户的安全。无论何时何地，发生何种险情（如有人入室盗窃、发生漏水漏电漏气或某户需要紧急求助等情况），在户主未察觉险情且得不到邻里或附近人员帮助时，基于单片机的小区住户智能安全监控系统便会凸显它的最大价值，比如，在小区每个住户单元安装一台报警主机，住户可选择安装在住户门口、窗户处安装声检、紧急求助，烟雾/煤气探头和瓦斯探头等报警探测设备，如果发生有人闯入、起火烟雾或液化气泄漏等等诸多险情时，系统便会触发报警，让户主、周围能够给予帮助人或负责安防的部门知晓情况，并做出相应的处理，将险情造成的损失减小到最小化。由此可见，无论白天黑夜，户主离家在外或是在家休息，基于单片机的小区住户智能安全监控系统可以帮助人们在最没有警觉性时提供极大的安全保障。小区住户智能安全是如此的重要，这也就是本课题设计这套系统的意义和价值。1.2 国内外发展情况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安防系统的方案。家居安防在 美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、 家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。现在，国外的智能家居安防系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居安防系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多。由于家居安防的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食家居安防市场。虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同 样的信念：山那边遍地是金。IBM公司的迈克尔。凯罗斯克说：“这是个不容IBM公司忽视的市场机会。”在智能家居安防系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居安放系统的研发中。例如:微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成熟的技术强占家居市场。此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。目前市场上出现得智能家居安防控制系统主要有：（1）美国的X-10系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现多种功能，目前在国内应用极少，这套系统的功能较为强大，但它暂时不具备在国内市场推广的条件。首先，它是基于美国的电力环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽然强大，但是针对西方消费的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求；最后，也是最为重要的因素，它的价格也是国内的房地产品和普通消费难以接受的。（2）德国的EIB系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能，目前在国内应用极少。究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格；另一方面，由于它需要进行线路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它较高的价格是这些开发商所难以承受的，所以一直无法打开国内市场。（3）新加坡8x系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用的产品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8x系统最大优势在于系统较为成熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场有成功应用的范例，但在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。首先，BR采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是新建小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力；8x系统的集中控制的方式降低了用户的可选择性，前期投入成本较高，而这正是房地产商最为关心的问题。20世纪90年代中后期，国内的智能小区逐步兴起。我国的智能化住宅和智能化小区建设，最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展。智能住宅在我国的初次出现是在1997年。在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”开了全国智能住宅小区之先河。1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程。为此，建设部住宅产业化促进中心先后颁布了全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则等对智能小区的建设加以指导，规范了智能化住宅小区建设中的目标与原则，拟自2000年起，用五年左右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程，以此带动和促进我国智能化住宅小区建设。通过采用现代信息传输技术、网络技术和信息集成技术，进行精密设计，优化集成，精心建设和工程示范提高住宅高、新技术的含量和居住环境水平，以适应21世纪现代居住生活的需要。进入2000年后，上半年颁布了由信息产业部负责编制的建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范GB/T50311-2000及建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范GB/T50312-2000，下半年，由建设部负责编制的智能建筑设计标准GB/T50314-2000，结束了多年来智能建筑设计处于无章可循，无标准可依的情况，这无疑为我国智能建筑健康有序地发展奠定了基础。在2000年8月建设部颁发了建筑物防雷设计规范GB50057-94的局部修改条文，重点就是解决在建筑中大量电子产品的防雷和防止浪涌对设备的破坏问题。这为智能建筑各种电子设备的安全提出了安全的措施。2001年底，建设部住宅产业中心又在着手修改全国智能化住宅小区系统示范工程建设要点与技术导则己面世。法规性文件的制定与修订，为智能建筑及智能化住宅小区的建设和发展给出了依据和保障，随着技术的进步，许多新技术将应用到其中来。到2010年我国超过7096家庭将有Internet入网设备，有5096以上会有多台设备，从而产生共享访问Internet的需求。建设部要求“到2010年，大中城市中60%-80%的住宅要实现智能化”。1.3 发展趋势智能家居数据采集终端是一个多功能技术的综合系统，网络技术、无线通信技术以及嵌入式系统的广泛应用推进智能家居数据采集终端发展，从而真正实现家庭设备的信息化、网络化和智能化。由于无线通信技术具有组网简单、维护方便、节能、效率高、安全性好、性价比高等特点，智能家居数据采集终端的无线化将是未来发展的趋势之一。对于未来智能家居数据采集终端发展，大致分为以下几点：1、智能化随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，智能家居环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主，逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。2、网络化目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。网络化的嵌入式无线智能家居数据采集终端是未来智能家居的发展方向，它能够提供标准化接口和无线网络互连功能，而且可以通过嵌入式通信协议使得系统能够脱离传统PC，从而智能家居行业也将跨入后“PC”时代。3、分布式分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统管理，其它各种功能如测量与控制任务等，主要由下层完成。下层由许多各自独立的功能单元组成，每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。4、综合环境调控所谓综合环境调节，就是以实现智能家居的居住方便、安全、舒适的目标，把家居环境的参数，如光照、温度、湿度、一氧化碳浓度等进行监控，以及对家电的开关进行控制，从而实现真正意义上的智能家居。5、无线通信技术未来家庭的数字设备将会通过无线技术连接起来，从而实现了家庭内每一个家用电器和设备都能上网和互操作。通过无线技术构建独立的家庭局域网，让“无线”自在的舒适生活成为现实，并通过Internet或GPRS连接到外网，进而实现通过计算机、手机或PDA来远程监测和控制家庭中的各种设备。其中nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，多种低功率工作模式，节能设计更方便。nRF24L01的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种。在ShockBurstTM收发模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去；在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕，适用于无线数据传输系统，使得整个数据采集终端变得灵活和简单易行，不像有线传输那样浪费大量的人力和物力，而且系统的抗干扰能力极强、寿命更长。1.4 存在问题数据采集处理的局限性。迄今为止，国内的智能家居数据采集技术还主要停留在对家居环境的监控上，多数是以安防与对讲为核心功能，而真正意义上的灯光控制、家电控制、远程监控等功能并没实现。所以实现对家居环境状态进行有效监控，可以有效地节约小区务业管理的人力资源，降低事故的发生率，保证居住方便、安全、舒适。第2章 系统方案2.1.系统实现的目标本课程设计要求在通过对基于单片机的小区住户安全监控装置研究与设计中，熟悉和掌握各类传感器的工作原理和应用，以及各传感器电路的设计，熟悉和掌握以单片机为核心的监控系统的组成和工作方式，提高对电子电路的设计和制作能力，理解和掌握单片机系统的程序设计和功能。通过单片机控制多种传感器，实现对家中情况的实时监测，并在有异常情况发生时，通过GSM模块及时发送到用户的手机中。本设计采用模块化设计，整个系统由GSM模块、控制器模块、电源模块和传感器模块组成。单片机通过对传感器模块传送来的信息进行判断，如果信息异常，则进入相应中断，并通过GSM模块向用户发送报警信息。2.2.系统的功能和结构2.2.1 主机结构与功能本系统的主机为系统主机，系统主机为可视对讲系统是一套现代化的小康住宅服务措施，提供访客与住户之间双向可视通话，达到图像、语音双重识别从而增加安全可靠性，同时节省大量的时间，提高了工作效率。更重要的是，一旦住家内所安装的门磁开头、红外报警探测器、烟雾探险测器等设备连接到可视对讲系统的保全型室内机上以后，可视对讲系统就升级为一个安全技术防范网路，它可以与住宅小区物业管理中心或小区警卫有线或无线通讯，从而起到防盗、防灾、防煤气泄漏等安全保护作用，为屋主的生命财产安全提供最大程度的保障。图2.1 主机结构图2.2.2 从机结构与功能 在家里采用了多种传感器键盘模块、LCD液晶屏、蜂鸣器模块、以及NRFCC1100与主机进行通讯。防盗功能：当热释电传感器监测到家有人员进入时，蜂鸣器发出提示，LED指示灯闪烁，要求进入人员输入密码。如果密码输入错误从机监测系统将会自动发出报警信号。蜂鸣器报警同时LED指示灯闪烁，发送短信提示有人员进入家了，请注意防盗。防火功能：当物体燃烧时会有CO产生，所以当家里有火焰或者CO产生时，从机监测系统将会自动发出报警信号，蜂鸣器报警同时LED灯闪烁，并且发送短信提示。 图2.2 从机结构图第3章 系统硬件设计3.1 硬件电路设计硬件电路的设计包括对单片机基本外围电路的设计、采集信息的传感器电路的设计、声光报警电路的设计和开关按键等电路的设计。下面我们将对各个电路选用的器件进行简略的介绍，并从节约成本、设计合理和实用性等角度出发，对系统硬件电路进行了设计，并在本章中对每个部分电路的具体设计方案进行了详尽的阐述。3.2 系统控制器模块的选择方案一：选用ATMEL公司的AT89C51作为该系统的微控制器。51单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低。但51单片机功耗较高、运行速度慢、储存空间小内存只有4Kb。方案二:STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。方案三：选用msp430系列单片机作为该系统的微控制器。msp430系列单片机数据处理速度快，耗能低，保密性能好，内存空间大，抗干扰性好，内部集成资源丰富，具有A/D转换等电路。考虑到本系统软件编程较为复杂，对单片机性能、内存要求较高，本设计采用了方案三，选用msp430系列单片机作为该防火防盗系统的微控制器。3.2.1 单片机最小系统的设计 MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗单片机，其中包括一系列部件，它们由MSP430单片机的CPU，以及针对不同的应用而提供的外围模块组成。MSP430系列单片机具有16位RISC结构，运算能力较强，并具有丰富的片内外设，具有非常广泛的应用范围。MSP430F149单片机的主要特性有以下几点：l 低电源电压范围：03.3V.l 超低功耗：2.5 4KHz,2.2V；280 1MHz,2.2V。l 5种节电模式：LPM0LPM4，其中LPM4耗电最省，仅为0.1。l 从等待方式唤醒，时间小于6。l 16位RISC结构，125ns指令周期。l 基本时钟模块配置：高速晶体（最高8MHz）；低速晶体（32KHz）；数字控制振荡器DCO。l 配合外部期间可构成单斜边A/D转换器。l 12位200ksps的A/D转换器，自带采样保持。l 内部温度传感器。l 具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A，Timer_B。l 两通道串行通信接口可用于异步或同步模式。l 6个8位并行端口，且2个8位端口有中断能力。l 硬件乘法器。l 多达60KB Flash和2KB RAM。l 串行在系统编程。l 保密熔丝的程序代码保护。图3.1 MSP430F149单片机单片机的工作是以时钟为基准的，时钟电路就是用来为单片机提供时钟信号的电路。时钟电路的稳定运行是单片机系统稳定运行的基础。因此时钟电路的设计是单片机系统设计中的一个重要环节。MSP430系列的大部分型号内部都有两个石英晶体振荡器电路，如果要使用就需要外接石英晶体。其中LFTX1振荡器一般外接32768HZ的时钟晶体，同时将所需两个小电容也集成在内部，这样可以降低系统成本，同时也可降低系统功耗。而XT2振荡器一般外接8MHZ的高频晶振，此时两个引脚需要外接电容，电容大小根据晶体或谐振器的特性来选择。3.2.2 单片机晶振电路单片机内部并没有晶振，需要外加晶振，在内部振荡器的协同下工作的。将晶振与电容按图3.1中所示连接，组成并联谐振回路，构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟2。单片机振荡器的频率主要取决于所用晶振的振荡频率，本设计中选用晶振约为12MHz，此时选用的电容C1和C2约为30pF左右为宜。图3.2所示为单片机外部晶振电路3.2.3 单片机复位电路单片机的复位电路是单片机外围电路重要的组成部分之一，复位方式有上电自动复位和外部按键手动复位两种，单片机在时钟电路工作以后，RESET端保持接收2个机器周期的高电平时就可以完成单片机的复位操作3。例如本设计中选用的晶振频率为12MHz，则RESET端应保持接收高电平时间2s，才可以完成复位。设计中采用的是外部手动按键复位电路，单片机的复位电路图如图3.3所示。图3.3 单片机复位电路按下复位按钮时，经由电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升至VCC（若电容充电后电压没到VCC，芯片复位脚仍近似接低电平。），松开按钮时电容放电，从而使得复位电路接受到大于2个机器周期的高电平，使得单片机成功复位。3.3 单片机电源电路的设计单片机电源电路的设计是单片机硬件系统中首先要考虑的一个问题。单片机芯片及其外围接口电路芯片对电源的供电要求是单片机电源电路设计的基础。MSP430系列单片机在工作电压为+1.8+3.6V之间时均可正常工作，如果要进行Flash擦写操作则电源电压应保持在2.7V以上。一般电源电压为+3.3V。由于大部分数字系统都采用+5V作为主供电系统，因此+3.3V电源一般都是从主供电电源+5V经过调压电路得到的，电源电路如图3.4所示。由于MSP430F149单片机内部有A/D转换模块，数字电源和模拟电源需要分别供电，并且电源连接点的旁路电容采用钽电容和瓷片电容并联的方式，大大减少了噪声的影响，提高了供电质量及A/D转换精度。在模拟地和数字地之间接入反向并联的二极管时，以消除低于700mV的电压差。或者在模拟地和数字地之间接入一个10的电阻，以减少模拟地对数字地带来的噪声干扰，为单片机的稳定工作提供了良好的环境。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。图3.4 电源电路图3.4 键盘电路的设计单片机的键盘电路有两种形式，分别是独立式按键和行列扫描式按键，独立式按键一般应用在按键较少的场合，当系统功能较多，按键数量较大时独立式按键就不能满足需要了，因为它有几个按键就需要几个I/O引脚，这对系统资源是较大的浪费。因时需要使用行列扫描式键盘接口，可以通过少量I/O口线连接较多的按键。在行列式扫描式按键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；键码识别；等待按下键盘松开，键盘连接电路如图3.5所示。图3.5 键盘电路图3.5 热释电红外传感器电路设计3.5.1 热释电红外线原理和特性热释电红外线传感器发展于80年代，是一种新型高灵敏度探测元件，它能在检测到人体发射的红外线后输出相应强度的电信号，市场中常利用热释电红外传感器组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。热释电红外传感器以非接触形式检测出人体辐射出的红外线，产生电量的变化，转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大就可以驱动各种控制电路。热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，它是由高热点系数材料制成的探测元件，在探测器内部装两个探测元件，将这两个探测元件反相串联起来，从而抑制元件自身温度升高产生的干扰。由于热电器件输出的信号一般为电荷信号，不能直接被其他器件所接受或使用，因而热释电红外传感器中装入了一个场效应管，利用场效应管实现阻抗变换，使其最终输出为电压信号。人体辐射的红外线中心波长约在9m10m左右，而通常的红外探测元件的波长灵敏度在0.2m20m范围内，所以需要在传感器顶端开设一个装有菲涅尔系列滤光镜片的窗口，经过滤光片滤光后，探测元件能够接收的辐射波长约在7m10m的范围内，滤光片将其它的波长的红外线予以吸收，装有菲涅尔滤光片的热释电红外探测元件就刚好适合人体红外辐射的探测，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外探头，一旦有人侵入检测区域，人体的红外辐射通过滤光片滤波并聚焦，被热释电红外探头接受，误判率很低。由于两片热释电元接收到的热量不同，电信号是不能被抵消的，信号经处理后可以输出适当强度的电压信号。3.5.2 热释电红外传感器RE200B的简介本设计选用的RE200B是一款热释电红外传感器，这种传感器是由一种晶体材料做成，当这种晶体表面受到红外线照射时，会在晶体表面产生电荷，随着光线对晶体照射的改变，电荷量也会发生改变。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号，同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。图3.7为热释电传感器RE200B的实物图。 图3.6 热释电红外线传感器RE200B实物图和大多热释电红外传感器一样，RE200B对于不同波长的光线照射都能产生不同程度的响应，因此我们看到的RE200B的封装中有一个像玻璃似的小窗，这就是加了一块菲涅尔系列滤光镜片。通过这个菲涅尔系列滤光镜片可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，加菲涅尔系列滤光镜片后，RE200B一般接收波长在7m10m，因此只接受接近人体辐射的红外线波长的辐射。表3.5中列出了热释电红外传感器RE200B的主要特性和部分技术参数，参照这些参数可利用RE200B设计相应的红外防盗电路。表3.1 RE200B的主要特性和部分技术参数封装TO-5式封装工作电压0.2V1.0V（Rs=47k）电源电压0.3V1.5V（VD=5V，Rs=47k）输出信号MIN 2.5 Vp-p（TYP 4.0 Vp-p）探测视角水平方向张角138垂直方向张角1253.5.3 热释电红外传感器电路的设计基于RE200B热释电红外传感器的传感器电路如图3.7所示，参照图3.7对电路进行连接。图3.7 热释电红外传感器电路图日常生活中对射式红外传感器也常用来进行防盗监控的设计。对射式红外传感器是利用当有障碍物阻断红外发射头发送至红外接受头的红外线，从而红外接受头接收不到红外时输出电平改变，通过识别这个电平的变化来设计防盗系统。而本设计是利用热释电红外传感器RE200B进行防盗电路设计，来检测区域是否有人闯入的参数的，我们之所以选择热释电红外传感器，而不选用对射式红外传感器来设计防盗监控，是因为，对射式传感器只要任意一种障碍物阻断红外线的发送路径，就会产生电平的变化，相反采用热释电红外传感器，利用人体自身波长的特性，加上菲涅尔系列滤光镜片进行滤光，就能基本准确的判断是否是人闯入，动物等其它物体闯入时产生的电平和检测到人时的电平存在着区别，误判率比较小。图3.7中热释电红外传感器的一端串联一个电阻再接到电源上，端口还通过连接一个电容接到地线，这样便构成一个降低射频干扰的电路。一端接地，端口接负载电阻再接地。热释电红外线传感器输出电信号的幅度和频率主要取决于人体的温度、探测背景、人与传感器的距离、人的移动速度和光学透镜系统的焦距等。传感器输出通过阻容耦合后连到低噪声运放LM324，构成带通滤波和第一级放大电路的反向输入端。再由电阻、电容耦合到第二级放大器的反相输入端，进行进一步滤波和放大。滤波的上限截止频率为： f1=15.9Hz （3-1）滤波的下限截止频率为： f2=0.07Hz （3-2）电路增益与频率是密切相关的，当输入信号频率为1Hz时，第一级放大增益约为：Au1= （3-3）第二级放大增益为：Au2= （3-4）根据式（3-1）和式（3-2）计算得滤波后允许通过信号的带宽为15.83Hz。根据式（3-3）和式（3-4）计算得放大后信号的总增益约为66dB。经过放大后的信号连接到LM339的反相输入端，设置参考电压为3.8V，当被放大后的的输出信号大于3.8V时，比较器LM339输出电压为高点平，此时便表示电路检测到有人的移动。3.6烟雾检测模块3.6.1 烟雾传感器NIS-09C的介绍本设计选用的烟雾传感器是NIS-09C烟雾传感器，这是一款离子式烟雾传感器，是日本NEMOTO公司设计的新型烟雾传感器。NIS-09C离子式传感器的工作方式及部分重要指标参数如下：检测方式： 离子式； 放射源： 镅241；电源电压范围： 6.0V18.0V； 温度： -40+50；典型电源电压： 9V； 输出电压： 5.6V0.4V；电流损耗： 27pA3pA； 灵敏度： 0.6V0.1V。要利用此传感器设计良好的烟雾传感器电路还需要了解部分NIS-09C烟雾传感器的其它特性参数，下面将进行介绍。NIS-09C的灵敏度特性在表3.1中有所标识，该表是根据UL217标准制定的（风速条件是0.1m/s）。表3.2 NIS-09C灵敏度特性烟雾浓度（%）输出电压（V）误差（V）05.60.4015.30.50.30.125.00.50.60.134.70.50.90.244.40.51.20.254.20.51.40.2NIS-09C的电源电压特性在表3.3中有所标识。表3.3 NIS-09C电源电压特性（温度：25；湿度：60%RH）电源电压（V）输出电压（V）63.30.395.60.4128.00.71510.00.851813.01.0NIS-09C的温度特性在表3.4中有所标识。表3.4 NIS-09C温度特性（湿度：60%）温度输出（V）05.150.4255.60.4505.850.4NIS-09C的湿度特性在表3.5中有所标识。表3.5 湿度特性（温度：25）湿度（%C）输出（V）305.750.5605.60.4905.450.4 NIS-09C的实物图如图3.8所示。NIS-09C图3.8 NIS-09C的实物图3.6.2 烟雾传感器电路设计方案烟雾传感器电路是对所监控区域环境中的烟雾浓度信息进行采集，通过合理的方法将采集到放大调理和模数转换后才送单片机读取。参照上一节中对NIS-09C离子式烟雾传感器进行的详尽阐述，利用NIS-09C烟雾传感器的参数信息对烟雾传感器电路进行设计。基于NIS-09C传感器的烟雾传感器电路图如图3.9所示。图3.9 基于NIS-09C传感器的烟雾传感器电路图图3.9中标识有“NIS-09C”字样的芯片便是我们选用的烟雾传感器传感器NIS-09C。将NIS-09C的1脚和4脚接到+9V直流电源上，3脚接地。工作在+9V直流电压下时2脚将输出5.6V0.4V的电压，其电平大小足以给单片机读取，所以不需要将烟雾传感器NIS-09C输出的模拟信号进行放大，这也是为何选用次传感器进行设计的重要原因。将采集到的模拟信号转化成数字信号也是至关重要的一步，通常对模拟信号到数字信号的处理采用模数转换芯片结合软件来实现A/D转换的，但针对本设计，。单片机读的该高电平便表示读取到环境中烟雾浓度超过警戒线，发生了火灾，接着单片机将进行驱动声光报警等一系列操作。3.7可燃气体泄漏传感器及其特性参数本系统采用的是MQ-2可燃气体传感器。以其优异的稳定性，广阔的测量范围，高灵敏度等特点被广泛的运用于家庭，工厂的气体泄漏监测装置。通过设置在厨房的MQ-2可燃气体传感器，监视燃气管道、灶具有无燃气泄漏。如有燃气泄漏家庭控制器发出报警信号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀。因MQ-2型气敏原件对不同种类，不同浓度的气体有不同的阻值。因此在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。建议使用1000PPM氢气或1000PPM者丁烷校准传感特性参数：电源电压是6V（DC），输出电压是0.8+0.2V，加热电压是5V，加热功耗900mW。工作环境：电源电压是6-12V（DC）， 温度：0-80， 保存温度：-10-70。 图3.10 MQ-2可燃气体传感器电路图3.8声光报警模块 方案一：采用蜂鸣器和发光二极管共同构成声光报警电路，这种方案材料容易取得，而且廉价，占用的I/O口资源较少。 方案二：采用ISD公司生产的专业语音芯片ISD4004和发光二极管相配合的方案。ISD4004语音芯片采用SPI总线进行操作，需要外加独立键盘进行录音，程序控制简单，占用的I/O口资源较少，而且存储空间相对较大，价格便宜。 方案三：采用BMP5008系列语音模块和发光二极管相互组合的方式。采用专用录音控制芯片（BLR3808）外加SPI接口的NOR FLASH，可以获得从30秒32分钟的录音容量，且录音信息掉电后不会丢失。可外接多种音源录音，音质好，音量可调，可靠性和抗干扰性能强，操作简单，但是占用的I/O口资源相对较多，程序精简，但价格较贵。综上考虑，考虑到从机I/O口资源相对紧张，操作简单价格低廉的原因，所以确定方案一为最佳的方式。图3.11 蜂鸣器和发光二极管电路图蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电式发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。3.9显示模块方案：采用带字库的LCD显示。12864液晶能显示图形汉字，显示信息丰富。接口电路简单，可以和单片机直接相连，可以采用串行传输，节省了I/O口资源。LCD的全中文界面显示，使得显示内容丰富，易于人机交流。带中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 图3.12 12864液晶电路图3.10通信模块3.10.1 TC35模块简介TC35是西门子公司推出的一种完整的无线GSM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、SIM卡支架七部分组成。它可以快速、安全可靠地实现系统方案中的数据传输、短消息服务（Short Message Service）。模块的工作电压为3.34.8V。该模块有AT指令集接口，支持文本和PDU模式的短消息第三组的二类传真等。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话、漫游检测等功能。常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40管脚ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。基带处理器作为TC35的核心，主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音编码。图3.13 TC35的实物图3.10.2 TC35模块与系统主机连接方式TC35模块主要通过串口与系统主机进行连接，从而系统主机实现对TC35模块的控制。虽然TC35的串口提供了许多控制线，但由于考虑到设计接口的简单性。对TC35模块通信的控制可以通过软件来实现，采用软件实现控制具有使用灵活等特点，也很好地避免了过多硬件信号的检测。对于TC35的其它管脚在不使用的时候，如果该管脚为输出时，一般将该管脚悬空；如果该管脚为输入管脚，则需要将该管脚通过10的电阻上拉。另外由于/IGT管脚是控制TC35模块工作的管脚，所以需要将该管脚上拉，并且将该管脚与单片机进行连接，从而可以通过单片机来控制TC35模块的工作状态。在设计时需要考虑TC35模块的电源管脚并连在一起，由于TC35是一个功能完全的模块，因此这里不需要做任何的信号处理和射频处理。此外，TC35模快的IGT管脚是启动脚，与单片机的ALE管脚相连接。系统加电后为使TC35i进入工作状态,必须在ALE管脚加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。以下为TC35模块的接口设计。电路如图3.14所示。主机MAX232电平转换芯片TC35模块电源 图3.14 系统主机与TC35I的连接3.11 NRFCC1100无线收发模块3.11.1 模块性能及特点 NRFCC1100工作在433/868/915MHZ的ISM频段由一个完全集成的频率调制器、一个带调节器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码和CRC可以很容易通过SPI接口进行编程配置，电流消耗低。从机的传感器检测的所有信号都是通过NRFCC1100进行发送的，使主机能够实时收到从机的相关信息，当有火灾和偷盗发生时，NRFCC110向主机发送报警信号，使得紧急事件能够被及时处理，确保了宿舍人员是人身财物安全。无火灾和偷盗情况时，楼长可以通过NRFCC1100发送的数据，查看每个宿舍的情况，方便控制和管理。(1) 433MHz免费ISM频段免许可证使用 (2) 最高工作速率500kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK调制方式 (3) 可软件修改波特率参数： 高波特率：更快的数据传输速率 低波特率：更强的抗干扰性和穿透能力 (4) 高灵敏度（1.2kbps下-110dBm，1数据包误码率） (5) 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制 (6) 较低的电流消耗（RX中，15.6mA，2.4kbps，433MHz） (7) 可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm (8) 支持低功率电磁波激活功能 (9) 支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统 (10) 快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统 (11) 模块可软件设地址，软件编程非常方便 (12) 标准DIP间距接口，便于嵌入式应用 (13) 单独的64字节RX和TX数据FIFO 图3.13 NRFCC1100无线收发模块3.11.2 接口电路图3.14 NRFCC1100无线收发模块接口电路(1) VCC脚接电压范围为 1.9V-3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。 (2) 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。 (3) 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了。 (4) 9脚，10脚为接地脚,需要和母板的逻辑地连接起来 (5) 排针间距为100mil,标准DIP插针，如果需要其他封装接口，比如密脚插针，或者其他形式的接口，可以联系我们定做。 (6) 与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要。 (7) 其他系列的单片机，如果是5V的，请参考该系列单片机IO口输出电流大小，如果超过10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块! 如果是3.3V的，可以直接和RF1100模块的IO口线连接。3.11.3 模块结构和引脚说明 CC1100 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置，电流消耗低。表3.6 CC1100引脚说明图引脚编号 引脚名 引脚类型 描述 1,2VCC 电源输入 1.9V-3.6V之间3 SI数字输入连续配置接口，数据输入 4 SCLK 数字输入连续配置接口，时钟输入5 SO(GD01)数字输出 连续配置接口，数据输出 当CSn为高时为可选的一般输出脚 6GDO2 数字输出 一般用途的数字输出脚： 测试信号FIFO 状态信号时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据 7 CSn 数字输入连续配置接口，芯片选择 8 GDO0一般用途的数字输出脚：测试信号FIFO状态信号时钟输出，从XOSC向下分割连续输入TX数据,也用作原型/产品测试的模拟测试I/O 9,10GND地(模拟) 模拟接地 3.12信号处理电路3.12.1 信号放大调理电路由于NIS-09C和MQ-2传感器输出的都是模拟信号，而单片机接收的是数字信号。所以在把输出信号传送给单片机之前要对信号进行处理。对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本系统中，由于MQ-2的输出信号较弱，所以在送A/D转换器处理前要对输出信号进行放大调理。电路图如上图3.13所示，运算放大器接成电压放大电路。从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。采样时，把相应的模拟电压信号从Vin端送进放大处理后，从Vout端输出送入采样保持器再送A/D转换器。 图3.13 信号放大电路第4章 系统软件部分4.1 主程序及中断程序流程图该系统软件是基于C语言程序编写调试发送操作失败，返回重新读取根据指令并发送家里情况的短信系统上电复位各模块初始化读取指令判断信号的内容判断指令是否正确是否否是图4.1 主程序流程图判断信息是否异常执行中断子程序发出报警短息中断返回图4.2 中断程序流程图4.2 短消息程序设计在本系统中，单片机通过串口0向GSM模块发送相应的AT命令来实现短消息的发送和接收。在介绍具体程序之前，首先简单介绍消息相关的AT命令。4.2.1 AT指令介绍短消息发送命令：AT+CMGC 该命令主要用于短消息的发送，它提供TEXT形式的短消息的发送，也提供PDU格式的短消息的发送，另外它还提供测试指令。具体的指令格式下。AT+CMGS=?响应为OK。该指令主要是用来进行测试。AT+CMGS=,Text is entered 该命令是用来发送基于TEXT格式的短消息。如果发送成功，则响应为：+CMGS:,；如发送失败，则响应为：+CMS ERROR:.在该命令中，为字符串形式的目的地址，指摘收短消息的手机号码，它的类型由来确定。为地址类型识别号，当的第一个是“+”时，的值为整数值“145”，否则的整数值为“129”.该条令在输入完前面的参数后，以回车符号结束，接下来输入短消息的内容，并以字符“Ctrl-Z”结束，该字符的ASCII码值为“26”。如果取消发送，则以字符“ESC”结束。如果发送成功，则返回服务中心的时间戳，具体可以参看响应命令格式。如果发送不成功，则返回错误信息。AT+CMGS=PDU is given 该命令是用来发送基于PDU格