【基于单片机的智能家庭安防系统设计9600字】

V第1章绪论课题背景自从2011年国家批准部分高校开设物联网工程专业以来，万物互联逐步成为各个科研人员、大中小型企业开拓创新，挺立潮头的新高地。在居住环境中实现万物互联是人们感受最深刻的，也是为了适应当今快节奏生活人们所迫切需要的。快节奏的生活，导致家中无人时间急速增加。为了保障家中无人时间的安全，达成户主或者相关的管理人员对家中险情监控目的，新一代的智能家庭安防系统应需而生。人们对于的家庭的安防主要体现在两个方面。第一个方面是对于家庭内部安全隐患的防范。家庭中内部的安全隐患主要可以分为三大类：用水安全、用电安全，燃气使用安全。用水安全在日常生活中发生的概率较小，且一般不会对人的生命安全造成威胁。用电安全，一般在建设房屋，或者在安装线路的时候就已经安装好了类似于空气开关类的装置加以预防，且市面上的各种类型的安全插线板，已经极大的减少了用电安全事故。燃气基本上家家户户都在使用，但是对于其泄露的检测并且能够将检测结果及时向主人以及管理人员汇报的设备却是少之甚少。燃气泄露所导致火灾在我们的生活中时常发生，且极其容易对人的生命安全和财产安全造成极大的威胁。第二个方面是对于外来入侵所带来安全隐患的防范。在家庭安防中，面对外来入侵，主要有两个薄弱点，一个是门，另一个是窗户。针对于门，许多公司进行了全面的研究，目前各种指纹锁，人脸识别等技术构成的防盗门已经可以满足人们的绝大部分需求。而对于窗户的防护依旧是采用传统的防盗网或护栏的形式，这种形式极大的影响到了住房的美观，并且没有办法将入侵的情况第一时间向户主或者小区管理人员汇报。国内外研究现状人们渴望自己居住的地方，优美与舒适并存，安全与便捷同行。国家建设部规定住宅小区应该搭建自动化监控管理，应该实施智能化的防火防盗系统。智能家庭安防系统应能对有害可燃气体、烟雾以及不明接近物自行进行检测。系统要求能将检测结果够纳入计算机综合安全网络，计算机系统应能对系统的危险情况予以显示、动态拨号等。除此之外，安保设备的市场需求进一步增加，为了满足市场需求的增长，各类科研人员，包括公司和高校都在尝试研发一些接地气、先进、成本又低的智能化家庭安防系统。通过新型的安防系统，可以不必再沿用传统的防盗门以及防盗网，将打造开放式的安全防范体系。在小区内运用现代化的技术在小区或者住房周围构建起视频监控、周界防卫、安保人员巡逻，以及智能化家庭安防规范相结合的开放式安防体系，不仅可以使得住宅小区的环境更加清洁优美，还可以在非法分子闯入居民家中的第一时间，便通过报警网络向小区的管理人员或者户主进行报警，小区的保安中心可以迅速出击，在犯罪现场抓获现行。通过这种方式可以对犯罪分子起到极大威慑，同时也能对居民的财产和生命安全起到良好的保护作用。论文研究目的和意义智能家庭安防系统可以和户主或者小区管理人员进行及时通信，可以24小时不停的工作，可靠性以及性能的稳定性都比较高。在本次设计中使用的传感器有红外传感器和烟雾传感器，其中本次使用的红外传感器，会随着温度的改变而释放电荷，其环境适应能力强。本次使用的传感器具有探距长、探测角度大、功耗低、误报低等特点。本次设计通过声、光、及时信息通知相组合的报警模式。声光可以对室内的人员达到提醒的效果。而及时信息可以在室内无人的情况下，将报警信息以信息的形式，发送短信到户主手机或者小区安保人员手中，以达到报警的目的，从而使得相关人员能够在第一时间能够对住宅中发生的险情做出响应。系统总体方案设计2.1系统需求分析2.1.1系统功能需求分析当今社会人们的工作日益繁忙,老年化现象日益明显，家中无人时间,或者只有老人在家时间急剧增加。为了保证家人的人身安全，和财产安全，急需实现户主对家中各类安全隐患点的监控，或授权小区物业对住户家中安全隐患的监控，以实现报警功能，报警包括蜂鸣报警，和短信报警。在众多家庭安全隐患中，燃气安全隐患需要被考虑优先级位居前列，燃气灶、燃气热水器等燃气设备广泛的应用在人们的生活中。家中的老人、工作繁忙的年轻人，在使用完燃气设备以后经常出现忘记关闭燃气阀门。而燃气中毒或燃气爆炸对住户造成的伤害大多数为不可逆伤害，所以需要有一个设备来监控室内可燃气体的浓度，并在浓度达到危险值时，像户主发出报警。家庭安全并不仅仅来自于家庭内部，对外防偷盗也是导致家庭财产损失的重要原因，如今市面上的防盗门技术已经十分成熟，窗户成为对外安防的薄弱点，对窗户破碎的监控、以及对不明物体的接近进行报警成为了住户不得不考虑的事情。考虑到老人不会使用手机或者不识字，无法对警报种类进行辨析，故需要装配显示设备，增加老人对于危险种类的辨识度。2.1.2系统非功能需求分析功耗：考虑到用户的使用成本，应满足低功耗需求。价格：价格决定用户购买的重要因素，整个系统的造假不宜偏高。性能需求：火警和入室盗窃在家庭安全隐患中的严重程度和优先级都比较高，一旦危险发生，需要系统能够及时将相关信息及时处理并发送至户主。准确性：整个报警系统对于危险事件检测的准确程度要高，以免给用户造成不必要的麻烦。安全性：系统的通知模块不能被随意的黑入，向周围人群发送垃圾信息。2.1.3部分技术方案分析与讨论核心控制部分设计方案与选择方案一：使用PIC系列单片机。这个系列的单片机，在单位时间内处理的数据量大，且在读取数据的过程中具有一定优势，其定位主要是为了满足工厂的生产设备。PIC系列单片机有8、16、32位三大类型。根据本次设计的需求，8位的单片机即可满足，可以考虑其最经典的PIC16F887A。但是相对于51系列的单片机，PIC系列单片机的引脚设置比较复杂，输入和输出都要进行额外的寄存器配置，可以参考的学习资料也比较少。并且该芯片有配套使用的开发环境，这同我们以往的开发环境不同，需要我们额外花钱和时间去学习如何使用该软件，在时间和经济上不划算。另外值得一提的是PIC单片机对于下载器的兼容性比较差，对它的使用需要单独购买高昂的下载器。方案二：选取51系列的单片机。该系列的单片机偏向于低端市场，其控制功能相对较弱，结构相对简单。虽然处理数据能力一般，但它却是大部分新手的首选控制器，在使用的过程中，它的试错成本低，原理相对简单，能够和本科课堂中的学习内容直接对接。另外在软件调试的过程中可以通过串口将程序调试的状态及时反馈，对于开发人员十分友好。关于显示电路方案的讨论方案一：用数码管显示，这种显示方式在我们的生活中十分常见。它的显示亮度比较高，显眼，成本极低。但是这种显示电路的结构十分简单，能有显示的内容十分有限。并且这种显示不是静态的，实际上是数码一直在闪烁，不同的人对于闪烁的敏感程度不同，对于老人使用不是特别地友好。适用于显示内容较少的情况。方案二：使用LCD1602显示屏显示。这种显示方式，显示内容方式比较多样,包括数字、字符甚至图形,相比数码管拥有很大的优势。除此之外，LCD1602能显示的信息量也比数码管多，可以将信息及时的输出。内容的显示方式不需要通过转化的过程，利于人理解，斌且该显示电路亮度受单片的控制，在单片机的控制下，可以将背光灯在白天的时候关闭，此处和本次设设计的低功耗要求十分一致。结合上述两套方案的讨论，方案二比较适合于本次设计。2.2系统总体设计方案本次设计的主要目的是为了实现对家中险情的及时报警，其中险情包括火情和盗情。功能层面可概括为:对原始数据的采集、处理以及对处理结果的响应。其总的结构图如图2-1。图2-1智能家庭安防系统组成结构第3章系统硬件设计3.1总体电路设计方案整个系统的控制核心为单片机，本次设计的任务是以单片机为核心先确定整体方案，在方案设计完成以后在对外围电路器件类型进行选择，最后根据实际需求确定器件的具体型号。智能家庭安防系统主要可以分为数据采集部分，数据处理部分以及报警处理部分。数据采集部分的电路图有MQ-2传感器模块、红外感应模块。数据处理模块的电路为STC89C52控制器电路。报警处理部分为GSM通信模块电路，显示电路，蜂鸣器电路。其电路图如下3-1所示；图3-1整体电路图3.2单片机系统电路仅有单片机是不能进行工作的，其本身只具有逻辑运算和简单数据处理能力，但是何时进行哪种运算或者进行何种处理，需要外加晶振电路提供时间上的参考，以构成最小系统。晶振电路的选择比较广泛，11.0592MHZ和12MHZ的晶振在最小系统中使用较多，在本节的最后一段将会对晶振电路的选用作详细讨论。最小系统可以被看作为循环逻辑控制，但是它在一段时间内只能处理一件事情，但是在处理事情的过程中可以被别的优先级较的事件给打断。单片机的中断功能，给本次设计中的报警程序予以了机会，可以在监测模块发现险情的时候给予单片机以中断请求，从而去执行报警程序，从而实现整个系统的逻辑控制。在本次设计中，采用上文控制方案所讨论的51系列单片机作为控制器。由于功能和逻辑的简单性，采用该系列下的STC89S52即可满足要求。因为外部电路和单片机的交互是通过单片机引脚进行的，程序在开发的过程中时常要使用到延时功能，故在正式开发之前要对改单片机使用进行充分的学习，包括各个引脚的功能、计时器、计数器以及各种寄存器的使用。最小系统图如图3-2。图3-2控制系统电路核心控制电路的搭建十分重要，其关键引脚的使用分析如下。根据图3-2可知，该单片机一共有4个并行的输出口，每个输出口有8个通用的IO口可以用来和外围电路进行交互。在这些通用的IO口中，有一些IO口可以扮演特别的角色。其中P3.0和P3.1分别是单片机的RXD和TXD引脚，这两个引脚可以和具有UART接口的设备相连接。RXD一般用来接受UART设备的数据，通过该引脚可以读取到UART设备中的数据。TXD引脚被用来执行写操作，它可以将单片机中的输出数据写入到UART设备中。值得我们关注的是，通过这两个引脚可以构成一个串口，方便后续程序的下载和调试。

单片机进入工作状态的前置条件为正确供电。正确供电即为，正确的连接VCC端和GND端，本单片机的VCC端需要连接3.6-5.5V之间的电压，在本单片机中接入第40引脚，另外将第20号GND引脚和整个系统的GND相连。正如前文所说，没有晶振电路，单片机是无法正常工作的。本单片机适配4M-22.1184M的晶振电路，在实际的使用过程中12M和11.0592M的晶振电路最为常见。12M晶振电路的优势体现时间周期上，他的时间周期正好为1us，良好的时间周期保证了程序执行的准确性。而11.0592M晶振电路的优势在于，其频率方便波特率的配置，有利于实现串口通信。在本次设计中由于需要使用到串口通信功能，所以选择11.0592M晶振电路。通过各引角的输入和输出实现对外部电路的控制，以实现本系统中的功能，包括数据采集，数据分析，状态检测，发送报警信号等。单片机还有定时以及中断等功能，这类功能可以根据需要，对寄存器进行配置。3.3红外传感电路本设计采用红外对管来完成传感器输出信号的处理，如果检测到物体就会输出一个低电平信号，根据这个信号来判断是或否有入侵物。图3-3模块实物与接口图3.4显示电路设计和实现LCD1602显示有两种，一种是带背光显示的，另外一种是不带背光显示的，这两种从外观上可看出其厚度不一样。它们都可以分两行来显示32字符，且都为液晶显示。在使用LCD1602之前要学对其引脚和原理进行学习。引脚说明如表1-1，原理电路图如图3-5。表1-1引脚功能表图3-5LCD602液晶电路图根据上图执行单片机指令中指定内容的显示，以及实现对背光亮度调节。显示指定的信息需要将D0-D7和单片机的P0.0-P0.7连接，进行数据的传递。除此之外还要将LCD1602的控制信号输入端以及RW引脚分别和单片机的P2.5、P2.6引脚相连接，以实现对数据读写的控制。在本电路图中对背光亮度的调节，是通过可调电阻实现的。可调电阻的两端分别和GND以及VCC相连接。单片机在调用显示模块之前要对显示模块的显示状态进行检测，判断其是否在正常工作，如果显示模块没有在工作，单片机则会发送显示命令。3.5系统按键控制模块按键电路存在的功能，主要是为了控制整个系统的开关，如图3-6，独立按键有两端，一端需要连接GND，另一端需要和单片机中P37引脚相连接。由于独立按键的一端是接地的，所以当按键按下的时候可以产生一个低电平信号。又因为单片IO口是弱上拉，所以单片机可以对按键的状态进行检测，以此来执行与之相对应的程序段。在对整个按键控制模块进行设计的时候，需要考虑单片机的执行速度，通常在人按下一次按键以后，单片机会因为它极快的检测速度而将一次按键操作识别为多次按键操作。因此，要构建一个10-15ms的防抖动程序。图3-6按键电路图3.6火情数据采集电路设计烟雾传感器是模拟传感器。可以将空气中的烟雾浓度转化为模拟信号输出。之所以可以转换成模拟信号，是因为烟雾探头中带有敏感电阻。电阻的阻值会随着烟雾中可燃颗粒物的浓度发生变化。从而相单片机发送相应烟雾浓度的模拟信号。但是烟雾传感器在刚上电的时候，它的敏感电阻的阻值很小。需要一小段时间，才能达到稳定状态。所以整个系统需要过几分钟才能正常使用。图3-7MQ-2电路图3.7GSM电路设计和实现GSM通信模块在本次设计中，担任远程报警的主要任务。SIM通过AT命令，可以安全快速可靠地实现本设计中的短信息服务。SIM900A使用GSM/GPRS双频封装。采用ARM9216EJ-S作为处理内核，具有体积小，成本低，可靠性高的特点。图3-8SIM900A实物图其主要功能部分有：GSM射频、存储器、天线接口、GSM基带。其具体的功能框如图3-9。图3-9SIM900A功能图SIM900A串口管脚的工作方式和单片机串口管脚的工作方式不同。前者以COMS电平工作，而后者以TTL电平工作。但是在进行串口设计的时候，由于两者的工作电平类似，可以通过单片机高低电平的逻辑判断可以实现和SIM900A的连接对。在本次设计中，为了后续测试方便，需要知道SIM900A中GSM模块是否正常工作。为了达到这一目的可以将NETLIGHT引脚和信号灯相连接。整个接口的设计图3-10：

3-10SIM900A模块接口电路系统软件设计与实现本系统的软件设计部分主要包括传感器检测程序、单片机处理程序、报警程序、显示程序以及通讯程序。其中单片机处理是本系统的核心，在本系统中将其设为主程序，主程序通过传感器检测程序对红外传感器以及烟雾传感器的状态进行扫描，以判断是否有危险情况发生，并且将判断结果输出到显示程序以及报警程序。4.1系统软件开发准备本系统功能的实现需要软硬结合，在软件的控制下，通过单片机的IO口实现对其余模块的控制。（1）编程语言：C语言（2）编译工具：KEIL（3）知识储备：需要掌握单片机各个引脚的作用，其寄存器如何配置。了解外部 电路如何使用，思考如何将单片机和外部电路连接起来。（4）串口准备：将可执行文件下载至单片机中。以上四部分内容，是本此系统软件开发过程中，需要提前准备的东西。4.2软件开发环境介绍通过KEIL建立本次设计的软件工程。图4-1工程新建界面根据设计分析，进行软件编写。图4-2程序编写编译界面如图4-3，如果编写程序正确，编译环境将不会进行警告和报错。图4-3编译界面通过串口下载.HEX文件到系统。图4-4程序下载本次使用的单片的便捷之处在于支持串口。将软件编译通过，此后还需要保证串口配置的正确性，以及安装对应的驱动以后，才可以保证程序的成功下载。4.3控制模块的程序设计与实现主程序流程图如图4-5所示。主程序中不仅包含传递主机与串口初始化的入口参数。还包括对数据检测部分传感器的状态判断，以及报警。图4-5控制模块的程序流程图4.4显示模块程序设计和实现显示模块上文讨论的LCD1602电路显示，上电之后第一步操作为系统初始化，然后发送命令，最后写入相应的数据，所对应的程序流程图如图4-6所示。开始开始LCD1602初始化LCD1602初始化LCD1602写入命令LCD1602写入命令LCD1602写入数据LCD1602写入数据显示相应数据显示相应数据结束结束图4-6显示程序流程图4.5外部环境检测模块程序设计和实现该模块在进行编程的时候，首先要对传感器中的参数以及配置进行初始化，当传感器在检测周围环境发现异常的时候会输出一个TTL电平信号给单片机，这个信号是单片机做出判断和反应的关键。其流程图如图4-7。图4-7传感器状态检测4.6报警程序设计和实现系统报警程序如图4-8，报警程序会对可能报警的数据进行监控，如果达到报警条件，则系统提出报警，持续监控数据。图4-8报警程序流程图4.7通讯模块程序设计和实现本次设计设备与设备之间的通讯是使用串口实现的。通讯开始前，要对串口进行初始化，然后对对串口中交互得到的数据进行处理。图4-9通讯程序流程图第5章系统的调试与分析在本次设计完成的过程中碰到了许多的困难，调试和分析贯穿了本次设计。整个系统的调试可以分软件调试和硬件调试。硬件测试的通过是软件测试成功的基础，硬件测试包括两个部分，一个部分是对系统制作之前，电路原理的图的测试。对于原理图的测试，在这个阶段需要和专业的人员进行交流，包括老师、论坛、以及富有经验的同学。在确保自己的设计可以在理论层面能够通过以后，再进行到整个系统的制作。在系统制作的过程中需要反复比较自己所做的是否和理论图中所设计的一致。在制作的过程中可以通过连接蜂鸣器或者LED灯的方式，来确定局部电路的正确性。在确保硬件测试成功的前提下，开始进行软件测试。软件测试分为两个阶段，第一个阶段在编译程序中进行测试，第二个阶段进行上机测试，在进行上机测试的过程中，可以先保证显示程序的正确性，对于其余子程序的调试可以先将输出结果放到显示程序中，通过显示屏显示看其是否和预期一致来判断程序的正确与否。最终通过反复的调试使系统达到最优秀的效果。5.1系统制作在系统正式开始制作以前，需要将电路原理图、元器件以及相应的制作工具如络铁、洞洞板等准备好。其主要的制作步骤如下：1.将一步要需要焊接元器件的电路图找出来，查阅该元器件芯片或者电路图的使用手册，在读懂使用手册的基础上进行电路的焊接，并根据自己设计的实际需求，进行相应的修改。2.由于实践的经验比较少，对于焊点的焊接质量难以把握，各类器件在焊接后，都需要对焊接的情况进行检验，查看是否存在虚焊和漏焊。在使用络铁的过程中需要对络铁进行预热，当温度达到一定程度以后才能将焊锡熔化，并且在焊接的时候要控制手不要抖动，以防止直接将电路板焊穿。在第一次检测焊点的时候，焊完一个焊点就立马和原理图进行比较。当对原理图了如指掌的时候，便可加快焊接速度。3.等系统制作完成之后，要及时对系统的硬件电路进行测试。第一步需要通过对GND和VCC的测试，这一步测试的目的是查看电路有无短路现象，以防止后续系统上电之后将系统芯片烧掉。在这步测试时需要使用万用表，如果万用表发出声音，则代表检测的电路存在问题，需要进一步的定位问题，可以通过分析原理图和比对焊点的方式进行。4.在确定整个系统没有短路现象以后给系统上电，进行整体性的观察。可以通过系统中各部分的LED灯是否被点亮，来初步判断系统的运转情况。如果LED灯正常显示正常，则基本可以断定，该系统具备稳定的系统电源。在本次设计中为了保险起见，对每个模块的供电电压都用万用表进行了测量，以判断其能否正常工作。5.对系统进行程序编写，在编写程序之前需要理清思路，根据软件设计部分的流程图将程序的编写进行模块化。将主程序中要写的内容梳理出来，主要写控制模块的程序，其他模块的程序写成子函数的形式，方便主程序的调用。在编写的过程中还可以编写一些功能函数，如延时函数，以降低代码的冗余。6.系统在能够运行以后，要对其进行优化，对其功能和性能进行反复的验证，直到满足需求为止，在优化的过程中要将之前的版本备份，以防止在优化的过程中将项目破坏，造成不可以逆的损失,实物图如图5-1。图5-1实物成功制作图5.2系统硬件部分调试在系统硬件部分调试过程中，出现最令人痛苦的问题是焊接短路问题。由于缺少实际焊接的经验，在焊接的过程中经常将不同的焊点连接在一块。而在采用电络铁对焊点进行的分离的过程中又不能确定是否完全分离。在实践经验丰富同学的指导下，针对这种情况要先对系统进行短路现象测试，需要将整个系统各的GND和VCC之间的连线全部拆除。在此基础上使用万用表进行逐个排查，最终在电源的进线处，出现了短路，将错误更正系统正常运行，结果如图5-2。图5-2系统硬件上电测试图5.3系统软件部分调试软件在调试的过程中要先从子程序开始，在调试通信模块对手机发送短信的过程中，手机无法接受到报警信息，通过仔细阅读SIM900A模块的使用说明书以及参考相关的论坛发现，对于发送短信的内容和手机号码需要提前进行unicon编码，在相关的编码工具下编码完成以后再进行发送。经调试以后，系统正常运行。图5-3系统软件正常工作图第6章总结与展望本文中设计的智能家庭安防系统，主要针对的是居住环境中的防火防盗部分。本设计可以在火情发生之前就可以检测到空气中燃气的浓度，以达到预防与报警的双层功效。设计的防盗部分，渴望在现有以防盗窗、防盗门所构成的防盗体系下有所突破，希望采用红外传感技术检测位置物体的接近，并且通过蜂鸣器的形式予以不明接近物以警告，从而达到防盗的效果。本次设计总体造价便宜，充分的考虑到了现阶段人口老年化，家中无人的情况，具有很大的现实意义。随着物联网方面技术的进步，5G网络的全面覆盖，在不久的将来我们的生活将会变得更为智能化、便捷化。各个住户与小区、各小区与小区之间的安防数据将会逐步融合共享，将形成一张严密的安防网络，待共享数据