基于语音识别的家居智能监控系统

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目基于语音识别的家居智能监控系统学生姓名学号专业测控技术与仪器班级指导教师基于语音识别的家居智能监控系统摘要智能家居系统大体而言可分为高层的信息娱乐网络和底层的数据采集与网络控制，在底层以微控制器为核心作为智能家居网络结点是目前智能家居的主要实现方式，语音识别技术在我国的研究成果也不是很高，但是用语音识别技术来与家居智能控制相结合是非常创新的。本设计是采用AT89C52单片机为核心控制器的智能家居监控系统，系统通过无线NRF905作为信息传输媒介，将语音识别软件收到的具体指令发送至现场对单片机进行控制，从而控制家居的动作；同时现场单片机将数据通过无线发送至主控单片机，通过PC界面实时监控家居各模块的运行状态。该系统的功能模块分为语音控制窗帘模块、温度检测模块、火焰检测模块和防盗报警模块。通过C编程，在MICROSOFTSPEECHSDK的基础上实现对家具的智能监控，在PC机界面上直观的看到家居所有情况。关键字单片机；语音识别；NRF905；温度检测；防盗报警SPEECHRECOGNITIONBASEDSMARTHOMEMONITORINGSYSTEMABSTARACTGENERALLYSPEAKINGTHESMARTHOMESYSTEMCANBEDIVIDEDINTOHIGHLEVELINFORMATIONANDENTERTAINMENTNETWORK，THEUNDERLYINGDATACOLLECTIONANDNETWORKCONTROLINTHEBOTTOMTOTHEMICROCONTROLLERASTHECOREASASMARTHOMENETWORKNODE，THISISTHEMAINACHIEVEMENTOFSMARTHOMEWAY，THESPEECHRECOGNITIONTECHNOLOGYINOURRESEARCHISNOTVERYHIGH，BUTTHEVOICERECOGNITIONTECHNOLOGYTOTHEHOMEINTELLIGENTCOMBINATIONOFTHECONTROLISVERYINNOVATIVETHEDESIGNISUSINGAT89S52MCUCORECONTROLLERINTELLIGENTHOMEMONITORINGSYSTEM，THESYSTEMTHROUGHWIRELESSNRF905ASINFORMATIONTRANSMISSIONMEDIUM，THATSPECIFICINSTRUCTIONSRECEIVEDBYTHEVOICERECOGNITIONSOFTWAREISSENTTOTHESCENETOCONTROLTHEMCUTOCONTROLTHEACTIONSOFHOME；ATTHESAMETIMETHESCENESCMDATATHROUGHTHEWIRELESSSENTTOTHEHOSTMICROCONTROLLER，REALTIMEMONITORINGVIAAPCINTERFACEHOMERUNOFTHEMODULESTATETHEFUNCTIONALMODULESOFTHESYSTEMISDIVIDEDINTO，THEVOICECONTROLTHECURTAINSMODULETEMPERATUREDETECTIONMODULE，THEFLAMEDETECTIONMODULE，ANDBURGLARALARMMODULEONTHEBASISOFTHEMICROSOFTSPEECHSDK，CPROGRAMMING，INTELLIGENTMONITORINGOFTHEFURNITUREINTUITIVEINTERFACEOFTHEPC，SEETHEHOMEINALLCASESKEYWORDSSCM；SPEECHRECOGNITION；NRF905；TEMPERATUREDETECTION；BURGLARALARM目录摘要IABSTARACTII第一章引言111智能家居概述112智能家居的发展现状213智能家居的功能及意义314SPEECHSDK简介3141语音识别引擎接口4142语音合成引擎接口415语音识别的发展历史及应用领域5151国外研究历史及现状5152国内研究历史及现状6第二章智能家居监控系统的方案设计821系统实现过程分析822单片机最小系统板设计8221主控模块9222现场控制模块10223无线通信模块11224电源模块12225串口通信1323智能家居监控系统模块化设计13第三章智能家居监控系统硬件设计1531直流电机驱动电路设计15311直流电机的工作原理15312直流电机驱动芯片L298简介15313直流电机硬件电路设计1632通风模块硬件设计17321温度传感器DS18B20概述17322通风模块硬件电路设计1833防盗报警模块硬件设计2034无线通信模块电路设计21第四章智能家居监控系统软件系统设计2341主控模块程序设计23411主要实现功能分析23412主控模块系统流程图2342现场控制模块程序设计24421现场控制模块功能分析24422现场控制模块程序流程图2443温度检测及通风模块软件设计25431DS18B20测温数据的读取程序设计25432DS18B20温度读取流程2944无线NRF905模块程序设计30441SHOCKBURSTTX发送流程30442SHOCKBURSTRX接收流程31443节能模式及SPI时序31444无线NRF905程序流程图32第五章上位机界面设计3651C及NET简介36511C的发展历程36512NET的发展及应用3752上位机登录界面的开发过程38521登录界面简介38522登录界面设计过程3853主界面的开发过程43531具体代码添加47532数据的读取及显示47第六章语音识别功能的设计与实现4861SPEECHSDK51的工作原理4862语音识别的具体应用49总结50参考文献51附录A单片机最小系统版原理图及PCB图52附录B实物图55附录C现场控制源程序56附录D主控程序76附录E上位机主程序87附录F上位机数据读取及显示代码92致谢94第一章引言智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UNITEDTECHNO1OGIESBUILDINGSYSTEM）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（CONNETICUT哈特佛市（HARTFORD）的CITYPLACEBUILDING时，才出现了首栋的智能型建筑，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。11智能家居概述20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化出现。80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了HOMEAUTOMATION住宅自动化概念。80年代末，通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国称为SMARTHOME，也就是现在智能家居的原型。最终完整的定义为智能家居SMARTHOME是利用先进的电子技术、网络通讯技术和综合布线技术等，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起的系统。智能家居不仅具有传统的居住功能，并且通过在家中建立的通讯网络，实现对家庭中的各种与信息相关的设备、家用电器及保安装置，进行集中的或远程的监控和管理，使人们的生活更加安全、便利、舒适和符合环保。目前智能家居系统总体包括照明控制系统、家居安防系统、环境控制系统、电器控制系统、电话远程控制系统、智能化协同工作系统等。其目标就是“将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术HBS连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调”。智能家居主要包括以下内容（1）家居布线系统家庭智能化的实现，第一步就要进行家庭布线家居布线系统把电话、有线电视、电脑网络、影音系统、家庭自动化控制系统的布线统一规划、布局、集中管理，通过家居综合布线可以实现自动化的控制。（2）家居安防系统家居安防系统可以有效的利用技防手段来实现安全防范。家居安防系统主要指防盗报警。（3）家庭自动化系统家庭自动化的主体是家电、照明等电气设备的控制。家庭自动化系统能够通过集中或者分布式控制家庭内部照明或者家电，家居自动化系统是将来智能家居的主要发展方向。12智能家居的发展现状在我国智能家居引起越来越多的关注，随着人民生活水平的提高，人民对于居住环境智能化、舒适程度等要求会越来越高，这给智能家居的发展提供了很大的市场空间。由于我国的居住模式和发达国家存在很大的差别，我国人口众多，城市多以密集型住宅为主，这造成了国内外在智能家居的发展和技术上存在了很大的差别。国内智能化更多的注重于整个小区智能化的建设。最早从做对讲开始，并且逐渐由过去的非可视对讲过渡到目前的以黑白可视对讲为主流，同时一些集成了安防功能、抄表功能、短消息等功能的对讲产品出现并在一些地区应用。由于可视对讲的发展迅速，一些厂家的宣传，给人造成了一种错误的观念，小区只要做了可视对讲或者综合布线就称的上智能化小区。随着对智能家居的认识越来越深入，人们逐渐意识到智能化的真正主体是家居的智能化，更多的体现在家庭内部自动化。所以上个世纪90年代后期，一些企业开始引入国外的智能家居技术和产品在国内推广，还有一些大的集团公司也看好该领域，通过各种途径介入，促进整个行业迅速发展。智能家居是IT技术（特别是计算机技术）、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。由社会背景之层面来看，近年来信息化的高度发展，通信的自由化与高层次化，业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加，在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通信技术的成长，也促成了智能家居的诞生。智能家居是一个多功能的技术系统，国内目前的产品比较杂乱，但从实现控制的方式来看基本上采用总线制、电力线载波、无线等方式，在网络连接方面基本上采用总线制联网、电话联网或者通过以太网方式来实现。国内智能家居基本由以下几个方向演变而来传统的可视对讲、家庭防盗产品生产厂家也有一定的电子开发、生产等经验，在其原有产品基础上增加控制功能和其他一些功能，来实现家庭自动化，这些公司有一定的工程、设计院等关系和网络，并利用原对讲产品市场来推广产品。传统的家电企业、IT企业看好该领域，这些企业结合其在家电控制领域、IT领域的优势开发出智能家居的产品，能更好地和家电结合在一起，他们利用自己的渠道优势和市场影响力，积累多年的管理经验、生产经验和良好的售后服务、企业信誉来打开市场。13智能家居的功能及意义智能家居（SMARTHOME）频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如电子家庭（ELECTRONICHOME）、EHOME、数字家园（DIGITALFAMILY）、家庭自动化（HOMEAUTOMATION）、家庭网络（HOMENET/NETWORKSFORHOME）、网络家居（NETWORKHOME）、智能化家庭（INTE1LIGENTHOME）等等几十种，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的。目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。14SPEECHSDK简介微软的SPEECHSDK是是微软提供的软件开发包，其中包含了语音识别和合成引擎相关组件、帮助文档和例程，它是个语音识别和合成的二次开发平台。我们可以利用这个平台，在自己开发的软件里嵌入语音识别和合成功能，从而使用户可以用声音来代替鼠标和键盘完成部分操作，例如文字输入、菜单控制等，实现真正的“人机对话”。SPEECHSDK是基于COM的视窗操作系统开发工具包。这个SDK中含有语音应用程序接口（SAPI），微软连续语音识别引擎（MCSR）以及串联语音合成（又称文本到语音）引擎（TTS）等等。图11SAPI框架图SAPI中还包括对于低层控制和高度适应性的直接语音管理，训练向导，事件，语法，编译，资源，语音识别管理以及文本到语音管理，其结构如图11所示。在图11中，语音框架主要靠SAPI运行来实现应用程序与语音引擎之间的协作，而SAPI提供各种接口实现不同的语音功能，SAPI使得应用程序和语音引擎之间高度紧密的结合，实时处理各种语音引擎在底层工作中的细节。本系统会同时使用到SPEECHSDK的语音识别引擎和TTS合成引擎因此，对这两个引擎的相关控制命令介绍如下。141语音识别引擎接口1识别上下文1SPRECOCONTEXT接口是主要的语音识别程序接口，主要用于发送和接收与语音识别相关的消息通知，创建语法规则对象。2语音识别引擎1SPREEOGNIZER接口用于创建语音识别引擎的实例。SAPI拥有两种不同的语音识别引擎类型，一个是共享的语音识别引擎SHAREDRECOGNIZER。由于它可以与其他语音识别应用程序共享其程序资源，所以在大多数场合中被推荐使用。需要建立一个采用共享语音识别引擎的识别环境ISPRECOCONTEXT。一个是独占1NPROCRECOGNIZER的引擎，它只能由创建的应用程序使用，而共享引擎可以提供多个应用程序使用。3语法规则ISPRECOGRAMMAR接口定义引擎需要识别的具体内容，创建、载入和激活识别用的语法规则。4识别结果ISPVOICE接口用于获取识别的结果，包括识别的文字，识别的语法规则等。142语音合成引擎接口语音合成ISPVOICE接口主要功能是实现文本到语音的转换。它的作用如使用ISPVOICESPEAK来从文本数据生成语音，从而使电脑会说话。当处于异步工作时，可以使用ISPVOIEECETSTATUS来获得发音状态及文本位置等。在接口中，有许多成员函数，通过这些成员函数可以实现对发音频率、发音音量等合成属性进行调整。在C中，我们通过实现ISPVOICE接口的SPVOICE类来实现语音合成。具体步骤如下1首先创建SPVOICE类的对象；2利用对象成员函数设置语音属性，如果不设置，则按默认方式处理；3调用对象成员函数SPEAK函数来朗读指定文本SPEAK函数需要两个参数，第一个参数指明需要朗读的文本。第二个参数指明发音方式。15语音识别的发展历史及应用领域151国外研究历史及现状语音识别的研究工作可以追溯到20世纪50年代ATT贝尔实验室的AUDRY系统，它是第一个可以识别十个英文数字的语音识别系统。但真正取得实质性进展，并将其作为一个重要的课题开展研究则是在60年代末70年代初。这首先是因为计算机技术的发展为语音识别的实现提供了硬件和软件的可能，更重要的是语音信号线性预测编码（LPC）技术和动态时间规整（DTW）技术的提出，有效的解决了语音信号的特征提取和不等长匹配问题。这一时期的语音识别主要基于模板匹配原理，研究的领域局限在特定人，小词汇表的孤立词识别，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立词语音识别系统；同时提出了矢量量化VQ和隐马尔可夫模型HMM理论。随着应用领域的扩大，小词汇表、特定人、孤立词等这些对语音识别的约束条件需要放宽，与此同时也带来了许多新的问题第一，词汇表的扩大使得模板的选取和建立发生困难；第二，连续语音中，各个音素、音节以及词之间没有明显的边界，各个发音单位存在受上下文强烈影响的协同发音（COARTICULATION）现象；第三，非特定人识别时，不同的人说相同的话相应的声学特征有很大的差异，即使相同的人在不同的时间、生理、心理状态下，说同样内容的话也会有很大的差异；第四，识别的语音中有背景噪声或其他干扰。因此原有的模板匹配方法已不再适用。实验室语音识别研究的巨大突破产生于20世纪80年代末人们终于在实验室突破了大词汇量、连续语音和非特定人这三大障碍，第一次把这三个特性都集成在一个系统中，比较典型的是卡耐基梅隆大学CARNEGIEMELLONUNIVERSITY的SPHINX系统，它是第一个高性能的非特定人、大词汇量连续语音识别系统。这一时期，语音识别研究进一步走向深入，其显著特征是HMM模型和人工神经元网络ANN在语音识别中的成功应用。HMM模型的广泛应用应归功于ATTBELL实验室RABINER等科学家的努力，他们把原本艰涩的HMM纯数学模型工程化，从而为更多研究者了解和认识，从而使统计方法成为了语音识别技术的主流。统计方法将研究者的视线从微观转向宏观，不再刻意追求语音特征的细化，而是更多地从整体平均（统计）的角度来建立最佳的语音识别系统。在声学模型方面，以MARKOV链为基础的语音序列建模方法HMM（隐式MARKOV链）比较有效地解决了语音信号短时稳定、长时时变的特性，并且能根据一些基本建模单元构造成连续语音的句子模型，达到了比较高的建模精度和建模灵活性。在语言层面上，通过统计真实大规模语料的词之间同现概率即N元统计模型来区分识别带来的模糊音和同音词。另外，人工神经网络方法、基于文法规则的语言处理机制等也在语音识别中得到了应用。20世纪90年代前期，许多著名的大公司如IBM、苹果、ATT和NTT都对语音识别系统的实用化研究投以巨资。语音识别技术有一个很好的评估机制，那就是识别的准确率，而这项指标在20世纪90年代中后期实验室研究中得到了不断的提高。比较有代表性的系统有IBM公司推出的VIAVOICE和DRAGONSYSTEM公司的NATURALLYSPEAKING，NUANCE公司的NUANCEVOICEPLATFORM语音平台，MICROSOFT的WHISPER，SUN的VOICETONE等。其中IBM公司于1997年开发出汉语VIAVOICE语音识别系统，次年又开发出可以识别上海话、广东话和四川话等地方口音的语音识别系统VIAVOICE98。它带有一个32000词的基本词汇表，可以扩展到65000词，还包括办公常用词条，具有纠错机制，其平均识别率可以达到95。该系统对新闻语音识别具有较高的精度，是目前具有代表性的汉语连续语音识别系统。152国内研究历史及现状我国语音识别研究工作起步于五十年代，但近年来发展很快。研究水平也从实验室逐步走向实用。从1987年开始执行国家863计划后，国家863智能计算机专家组为语音识别技术研究专门立项，每两年滚动一次。我国语音识别技术的研究水平已经基本上与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点与优势，并达到国际先进水平。中科院自动化所、声学所、清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、中国科技大学、北京邮电大学、华中科技大学等科研机构都有实验室进行过语音识别方面的研究，其中具有代表性的研究单位为清华大学电子工程系与中科院自动化研究所模式识别国家重点实验室。清华大学电子工程系语音技术与专用芯片设计课题组，研发的非特定人汉语数码串连续语音识别系统的识别精度，达到948（不定长数字串）和968（定长数字串）。在有5的拒识率情况下，系统识别率可以达到969（不定长数字串）和987（定长数字串），这是目前国际最好的识别结果之一，其性能已经接近实用水平。研发的5000词邮包校核非特定人连续语音识别系统的识别率达到9873，前三选识别率达9996；并且可以识别普通话与四川话两种语言，达到实用要求。中科院自动化所及其所属模式科技PATTEK公司2002年发布了他们共同推出的面向不同计算平台和应用的天语中文语音系列产品PATTEKASR，结束了中文语音识别产品自1998年以来一直由国外公司垄断的历史。第二章智能家居监控系统的方案设计21系统实现过程分析在此设计中，主要体现了无线收发一体化，即无线在始终的进行着收和发，这样能更好的实现实时性。主控通过AT89C52单片机做控制，将数据通过串口发送至电脑上，通过上位机界面显示，在微软公司的语音识别包的基础上，以电脑为载体，可以通过语音来控制家中电器的工作，同时了解家中一切是否正常。这种方案的最大好处在于能够帮助一些行动不便的老人或者一些残疾人，在不需要走动的情况下了解家中安全状态，且可通过说话来直接控制家中电器的工作。如图21所示。图21系统整体结构框图22单片机最小系统板设计本设计采用自己设计的最小系统开发板，分为四个模块，主控模块、现场控制模块、通信模块、电源模块。下面分别介绍各个模块。221主控模块该系统采用的是ATMEL公司生产的AT89C52单片机为主控器。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。在单片机的引脚外围固定的引脚，如VCC（40），GND（20）已经正确固定到电源和地上。X1（18），X2（19）是接晶振的引脚已经外接到110592MHZ和30PF的电容。RST9是单片机的复位引脚，通过RC回路，作为单片机的上电复位。作为P3口的第二功能端口，P30（10），P31（11）为单片机的通信引脚，和MAX232芯片连接。方便在下载程序时，只要上电复位即可完成下载的硬件操作。另外，为了提高P0口的驱动能力，在P0口的各引脚上接了上拉电阻51K到电源VCC5V。采用一片MAX232，为RS232与TTL电平的转换，使得可以方面使用电脑的COM口，对单片机进行程序的烧录。XTAL30PFC21P图22主控模块晶振电路UKRVESWB图23复位电路另外，通过单片机驱动无线模块，无线模块在数据传输过程中起到了至关重要的作用，先简单介绍下主控单片机原理图，如果想让单片机正常工作，最重要的是晶振电路和复位电路了，其原理如图22和23所示。222现场控制模块这个控制模块也是以AT89C52为主体，通过读取无线接收到的数据或者通过将数据通过无线发送至主控，同时通过12864液晶显示器显示现场得到的数据。AT89C52主体电路如图24所示。VCP01234567RESXGND89JAIZHEN/TIWALOU图24AT89C52主体电路12864是12864点阵液晶模块的点阵数简称，它具有屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。是比较常用的显示器，基本电路图如图25所示。图2512864液晶显示原理图为了测试按键程序，我设计了1个按键，已备使用，电路图如图26所示。S2P10图26按键原理图该模块还设计了一个蜂鸣器电路，蜂鸣器是用三极管8550来驱动的，如果单片机的输出信号为低电平给三极管的基极，三极管就会道通，蜂鸣器两端分别接到了高低电平，蜂鸣器响。电路图如图27所示。图27蜂鸣器原理图223无线通信模块通信模块由无线NRF905来实现，本设计中采用的无线传输距离由资料数据显示为两百米，完全能够实现在家中的信息传递。设计电路如图28所示。图28无线模块电路224电源模块电源模块是为了整个系统版供电而设计的，此模块的设计采用的是外部直流电源供电，输出电压为5V，电流为1A。图29电源模块原理图最关键的是无线模块的供电要求电压为33V左右，因此又设计了一个无线供电模块，分别如图29和210所示。图210无线供电模块225串口通信在单片机近距离通信中，用的最广的是串口通信，以MAX232为核心，通过单片机的程序驱动，从而实现单片机与上位机的通信，同时为了能够实现更远距离的通信，也可以选用MAX485，但必须用到电平转换。具体MAX232的串口通信电路如图211所示。图211串口通信电路图23智能家居监控系统模块化设计所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统。根据模块化设计思路和整个系统所要实现的功能，可以讲此系统分为五大模块来设计（1）门禁模块主控器采用矩阵键盘，矩阵键盘有按键按下时，被按下按键处的行线和列线被接通，使得开关之间接通，并且在液晶显示器上显示相应的数值，当输入密码正确时，主控器发出信号使得绿灯亮，并且控制电机转动，打开门，输入密码错误时，控制器输出为高电平，红灯点亮，电机不转动，再次输入新密码，当输入密码超过三次以上，就会产生报警信号。（2）火焰检测模块火焰检测模块主要来探测家中是否有火灾发生，是通过检测火焰中的红外线来完成的。但与防盗模块是有区别的，主要体现在该模块的检测是比较灵敏的，因为加了一个电容，该电容的存在使得火焰传感器的输出电平变化更加迅速。（3）通风模块采用温度传感器DS18B20测量室内的温度，当测量到的室内温度值达到一定的上限值时，控制器向电机发出命令，使得电机转动，打开窗户，同时打开风扇；室内温度低于上限时，主控器控制风扇关闭，电机不转，当室内温度低于设定下限值，电机反转，窗户关闭。（4）光控照明模块该模块的存在使得家中光线强度始终处在一种比较稳定的范围内，白天有光照时，光敏电阻传感器对外部环境进行采光，此时阻值小，灯基本上都处于关状态，但遇到阴天会有个别的灯亮；天黑时，光敏电阻传感器阻值变大，此时通过AD转化判断得到输出电压较小，小于设置的值时，就会有灯打开，越黑打开的灯越多，具有节能的作用。（5）防盗报警模块防盗报警模块采用了红外对管来实现，将该装置安装在门上，当主人进入时会通过无线发送解锁指令给单片机，从而红外对管的输出点平不会发生变化，倘若不是主人进入，则会触发门上安装的红外对管传感器，此时红外接收管不会接收到红外信号，从而输出电平从低电平迅速变为高电平，当单片机检测到电平变化时，会马上通过无线发送至主控单片机，通过PC界面可以直观的看到是否有人进入。第三章智能家居监控系统硬件设计31直流电机驱动电路设计311直流电机的工作原理直流电机由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。电机定子的外壳称为机座，有固定主磁极的作用。电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。直流电动机的基本工作原理在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。由直流电动机的工作原理可以看出，直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。312直流电机驱动芯片L298简介L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。L298引脚图如图31所示。图31L298引脚图313直流电机硬件电路设计本设计采用的直流电机工作电压为5V，结合直流电机驱动芯片L298的工作原理。此驱动模块不仅能够驱动直流电机，也能驱动步进电机，并且可以同时驱动两个电机。驱动电压可以在512V之间随意变化，当L298的选通端接高电平时即一端被选通，通过改变输入引脚的电平变化可以控制电机的正反转。该电路设计的创新之处在于光耦的接入，它完全实现了电路前面和后面电路的隔离，使得驱动电压可以在512V随意变化。设计出的电机驱动原理图如图32所示。ENA6B1I527304OUTSV9GD8LHPCKRESUFPTOILAR图32直流电机硬件电路32通风模块硬件设计321温度传感器DS18B20概述温度传感器是将温度信号转换为电信号的装置，型号有很多，数字式温度传感器常用的有DS18B20、DS1820等。此设计采用的是DS18B20。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板ONBOARD专利技术。具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达00625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20内部结构如图33所示，主要由4部分组成64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列中，DQ为数字信号输入输出端，GND为电源地，VDD为外接供电电源输入端。64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制器温度传感器高温度触发器TH低温度触发器TL配置寄存器8位CRC发生器I/OC图33DS18B20内部结构框图ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRCX8X5X41）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以00625/LSB形式表达，其中S为符号位。例如125的数字输出为07D0H，250625的数字输出为0191H，250625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H。DS18B20主要特性如下适应电压范围更宽，电压范围30V55V，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温度范围55125，在1085时精度为05；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在9375MS内把温度转换为数字，位分辨率时最多在750MS内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。322通风模块硬件电路设计通风模块实现的功能是当室内的温度高于设定值时从窗户自动打开，实现通风，同时打开室内的空调或者风扇，加快降温速度。温度的测量是采用数字温度传感器DS18B20，外围电路如图所示。当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器EPPROM传送数据时，工作电流可达15MA，这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时CPP（寄生电源储能电容）无法提供。123JPAIZHEN_VC0KR图34DS18B20接线图为了保证DS18B20有充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时，必须给单总线一个上拉电阻，一般为10K的上拉电阻，根据距离远近可以适当调节阻值，距离近时减小阻值，但不能低于21K，否则DS18B20将无法复位。硬件电路如图34所示。在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接人，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。DS18B20测量的温度送入控制器，控制器相应的IO口输出高低电平，如果用单片机输出的高低电平直接驱动直流电机，直流电机是不转动的，原因是根据直流电机的工作原理，电机转动需要很大的电流，而单片机IO口输出的电流不足以驱动直流电机单片机的IO口可以控制三极管，三极管在此起的是开关作用，这样做的优点是可以用一个端口来控制电机驱动芯片，接线图如右图所示。当NPN三极管8550，输入高电平时，三极管道通，在三极管和电阻之间取出来的电压应为低电平，当基极输入低电平时，三极管截止，此点取出来的电压则为高电平。这样就可以控制电机驱动芯片L298工作，使得L298输入端口接收到高低不同的电压信号，实现电机的正反转。具体的工作过程如下所述，如果测量的温度大于控制器设定的温度，控制器相应的端口输出高电平，NPN三极管导通，L298输入端口为高电平，输入端口为低电平L298电机控制芯片因为两个输入端口接收到了高低电平，所以正传，窗户打开，同时LED绿灯点亮，在此LED绿灯代表的是空调或者是风扇的开关。当窗户移动到尽头时，接触到窗户框架安装的限位开关，此时L298输入端口因接地变为低电平，电机停转。同样的道理，温度传感器测量的温度低于设定值时，控制器相应的端口输出低电平，NPN三极管截止，L298输入端口为低电平，输入端口为高电平，芯片的输入端口因为接收到了与刚才恰好相反的高低电平，电机反转，窗户关闭，LED绿灯灭，红灯亮，表示空调或者风扇关闭，窗户关闭。33防盗报警模块硬件设计红外对管的结构直径3MM，波长940NM，工作电压12V，工作电流20MA，测量距离1USDS18B20采样DS18B20采样图46写时序图读时序该时序也是必须有主机产生1US的低电平，表示该时间的起始。然后在总线被释放后的15US中DS18B20会发送内部数据位，因此再次15US内主机必须停止把DQ引脚置底，这时控制如果发现总线为高电平表示读数据“1”，如果总线为低电平，则表示读数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。图47为读时序图。15US15US15US15US30US30US单片机读“0”单片机读“1”1US图47读时序图所有的读写时序至少需要60US且每两个独立的时序至少1US的回复时间。在写时序中，主机将在拉低总线15US内释放总线，并向DS18B20写“1”。若主机拉低总先后能保持至少60US的低电平，则向单总线器件写“0”。DS18B20仅在主机发出读时序时才产生向主机传输数据，所以当主机向DS18B20发出度数据命令后。432DS18B20温度读取流程单片机在实现DS18B20温度转换和读取的程序设计中必须严格按照其时序来进行，此设计中，单总线上只挂接了一个DS18B20。对DS18B20操作时，不需要对ROM寄存器进行操作，直接跳过ROM，对RAM寄存器进行操作。在单片机发出温度转换命令后，须延时，以便DS18B20完成温度转换。当单片机发出读温度命令后，必须马上产生读时隙接收DS18B20的发回来的数据。单片机实现温度转换和读取的程序流程图如图48所示，通风模块主流程图如图49所示。初始化温度读取子程序跳过读序号列号的操作温度转换延时等待温度转换完成初始化DS18B20跳过序列号列号的操作发起读暂存器命令读取温度高、低位字节将温度数据转换十六进制数返回图48温度读程序流程图DS18B20初始化温度读取子程序液晶显示大于28且小于30D10，D20电机不传保持状态绿灯灭返回大于30D10，D21电机正传窗户打开绿灯亮D11，D20电机反传窗户关闭绿灯灭开始液晶初始化NYNY图49通风模块程序流程图44无线NRF905模块程序设计441SHOCKBURSTTX发送流程典型的RF905发送流程分以下几步A当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给RF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；B微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发RF905的SHOCKBURSTTM发送模式；CRF905的SHOCKBURSTTM发送1射频寄存器自动开启；2数据打包加字头和CRC校验码；3发送数据包；4当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；DAUTO_RETRAN被置高，RF905不断重发，直到TRX_CE被置低；E当TRX_CE被置低，RF905发送过程完成，自动进入空闲模式。注意SHOCKBURSTTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，RF905才能接受下一个发送数据包。442SHOCKBURSTRX接收流程主要接收流程为A当TRX_CE为高、TX_EN为低时，RF905进入SHOCKBURSTTM接收模式；B650US后，RF905不断监测，等待接收数据；C当RF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；D当接收到一个相匹配的地址，AM引脚被置高；E当一个正确的数据包接收完毕，RF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高F微控制器把TRX_CE置低，NRF905进入空闲模式；G微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；H当所有的数据接收完毕，NRF905把DR引脚和AM引脚置低；INRF905此时可以进入SHOCKBURSTTM接收模式、SHOCKBURSTTM发送模式或关机模式。当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，RF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到AM引脚的信号之后，其就知道RF905正在接收数据包，其可以决定是让RF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。443节能模式及SPI时序RF905的节能模式包括关机模式和节能模式。在关机模式，RF905的工作电流最小，一般为25UA。图410SPI读操作时序进入关机模式后，RF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下，RF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。SPI读操作和写操作工作时序如图410和图411所示。图411SPI写操作时序444无线NRF905程序流程图RF905一共有四种工作模式，其中有两种活动RX/TX模式和两种节电模式。根据不同的配置方式，其工作方式是不同的。NRF905工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的设置来设定。具体见表43所示。表43NRF905工作模式掉电模式在降低NRF905权力被禁用最小的电流消耗，通常小于25A。当进入此模式下，器件不工作，将降低平均电流消耗和延长电池寿命。配置字的内容是保持在断电。待机模式待机模式，以尽量减少平均电流消耗，同时保持短启动时间的SHOCKBURSTTMRX和SHOCKBURSTTM。在这种晶体振荡器模式部分处于活动状态。电流消耗取决于晶体的频率，例如4MHZ的IDD12A20MHZ的IDD46A。如果启用UP时钟（引脚3NRF905），电流消耗增加，是依赖在负载电容和频率的。在待机状态配置字的内容是保持着的。设备配置所有的NRF905配置是通过SPI接口。该接口包括5个寄存器；一个SPI指令集是用来决定应执行哪些运作。SPI接口，可以在任何模式下激活但是NORDICSEMICONDUCTORASA公司建议该芯片在待机或关机模式下激活。SPI寄存器配置SPI接口由五个内部寄存器。一个寄存器读回模式的实施，以便核实寄存器的内容。由此可知，要让NRF905工作，就必须配置这些寄存器，而不同的配置方式将会使它工作在不同的模式下，所以要根据情况所需进行设置，根据分析它的工作工程，可以得知NRF905发送流程图和接收流程图如图412和413所示。空闲模式TXEN1PWRUP1TRXCE0SPI编程由微控制器向NRF905发送数据包TRXCE1发送设备通电启动NRF905发送模式加字头和CRC校验码发送数据包DR1TRXCE1AUTORETRAN1开始返回NNNNYYYY图412NRF905发送数据流程图空闲模式TXEN0PWRUP1TRXCE1接收设备通电启动NRF905发送模式加字头和CRC校验码发送数据包地址匹配AM置1接收数据CRC正确接收数据CRC正确进入空闲模式微控制器通过SPI接口获取数据DR和AM置0AM置0返回开始YYYYNNNN图413NRF905接收数据流程图第五章上位机界面设计51C及NET简介511C的发展历程随着计算机技术飞速的发展，同时也诞生了相应的编程语言，如VC、C语言及C，在此基础上，产生了一种新的语言C，它不但富有VC、C语言和C等的突出优点，还通过总结及改进有了自己独有的风格。可以说C是在C的基础上再“”，四个加正好构成了一个“”。C是MICROSOFT公司设计的一种编程语言。它松散地基于C/C，并且有很多方面和JAVA类似。MICROSOFT是这样描述C的C是从C和C派生来的一种简单、现代、面向对象和类型安全的编程语言。C读做CSHARP主要是从C/C编程语言家族移植过来的，C和C的程序员会马上熟悉它。C试图结合VISUALBASIC的快速开发能力和C的强大灵活的能力。从语法上看，C语言非常类似与C和JAVA语言，许多关键字都是相同的。于是大多数独立的评论员对其的评价是“C语言派生于C、C和JAVA语言”，这样的称呼再准确不过了。如果抛开一切非技术方面的因素，C无疑是这个星球上有史以来最好的编程语言，它几乎集中了所有关于软件开发和软件工程研究的最新成果。面向对象、类型安全、组件技术、自动内存管理、跨平台异常处理、版本控制、代码安全管理，你不可能在另外的一种语言中找到所有这些特性。但是，C也有弱点。首