【基于android系统智能家居远程控制系统设计8300字（论文）】

VII基于android系统智能家居远程控制系统设计1绪论1.1选题背景我的毕业设计题目基于android系统智能家居远程控制系统设计，在整个毕业设计过程中，我将在老师的指导下，严格按照设计规范，设计任务书，认真仔细并独立地完成此设计，合理运用专业知识并解决与之相关的问题。在智能家居当中也同样体现了物联网的发展，受到物联网的影响，灯光、空调等家庭当中的各种设备被逐渐连接在一起，家庭设备成为统一的整体，与以前老的智能家居比较来说。传统的智能家居，由于采用的标准各不相同，因此形成了一种无法阻止的状态，家庭成员在对这些家居进行整合时，往往需要对大量的时间成本、金钱成本进行花费，而物联网则能够通过无线网络将这些传统智能家居整合起来，方便家庭成员更加方便、快捷的对其进行管理，这样的技术不仅大幅度的提高了人们的生活品质，也成为了当今时代的重要需求，物联网家居能够帮助家庭成员对家庭情况进行远程控制，从而更好的享受生活。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状伴随着我国工业技术和经济的不断发展和提高，不断改善我们目前的经济和生活的现状，通过国家不断加大对科技领域的投资，使得我国工业技术在世界领域具有崭新的面目。科技和经济的发展，增强了人们的安防意识，同时带动了安防业发展已从无到有，得到了快速的发展。早前，由于我国经济和社会发展的落后，导致对技术的投资较少，加大了跟发达国家科技的差距，防火防盗报警系统是从国外引进的先进技术，从学习和借鉴国外安防报警相关的技术，才有了防火防盗报警系统的起步和发展。在国外发达国家，安全防报，警体系不管是产品的质量，售后的保障，管理的水平，还是技术水平都已非常成熟。发达国家保障和安全已经成为一个普遍的现象，它将安防、消防、医疗信息系统集成在一起。在产业的第二次工业革命期间开始逐步形成，首先是在美国、英国等发达国家形成，像CHUBO，VICON，视频图像采集技术，人体识别技术，计算机控制技术和网络技术的应用，使安防行业一直快速发展。现代安防监控系统己有了新的概念,通常称为安全自动化,并与防火自动化系统共同构成智能建筑系统最底层的系统。目前国外发达国家己逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年一1971年,首先在美国、英国等国家形成,60年代视频图像技术图、70年代计算机数字技术。80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的应用,使安防行业得到快速发展。西门子楼宇科技公司针对社区住宅及分散型小型建筑安全防范的实际情况,充分结合社区住户本身,最新推出一了GuartoEasy新型安全防范系统〔刘。西门子楼宇科技公司的最新产品GuartoEasy将视频监控、音频对讲监听、防盗报警(有线或无线连接方式)火灾探测、危险气体探测等多种警告方式(声光,无线,`拨号)结合起来,对社区住宅及分散型小型建筑进行全方位的安全防范。GuartoEasy采用总线式结构,符合安防系统的暴露线路最短的原则。通过适配器可以接入各种信号(电压,触点等),可以连接防盗探测器,震动探测器,气体探测器,火灾探测器,紧急按钮,门禁触点等各种探测器,能够适应各种情况。1.2.2国内研究状况家庭安防报警系统的发展是从90年代开始，经过近20年的发展，开发和研究的安防报警产品主要面向的对象大多都是企业用户。究其原因，有以下几个因素：价格高，质量问题，售后服务差，造成用户缩小。目前国内安防报警系统安装费用大概2000左右，但每月200元以上的服务费。此外，产品和设备的使用效果，而且没有足够的售后服务保障。售后服务的滞后和防火防盗报警系统维护不到位。由于缺乏大型厂家和销售单位紧密合作，日常检测系统，维修难做到位，引发用户的担忧。与国外发达国家相比，我国的安全报警系统相对落后。在欧美发达国家，防火防盗报警系统的普及率约70%左右，我国的安防报警体系普及率还不到20%。另外，最近几年新出的安防报警产品相对成本比较高，多数家庭仍然使用防盗门、防盗窗，对于实现安防，虽然发挥了一定的作用，但在紧急情况下，很难逃脱。同时需要提升安防报警系统的技术。在我国,小区安全防范报警系统己成为智能小区中实现安全管理的重要系统,根据我国建设部的规定,主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。该系统是一种比较完善的安全防范系统,通过在可视对讲的基础上,不断扩展主机功能,增设室内分机用于接收室内各探测器的报警信号。我国智能住宅安防系统相对国外来讲,是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门,虽有一定的防盗作用,在灾害发生的情况下,使逃生更加困难。另外,小区安全措施不足;居民安全意识有待增强;安全防范系统也急需普及。在我国,以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内也形成了一股智能化住宅热。目前,公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。大连市华乐一环海花园全部住宅均设计有国内一流的家居安防系统。家居安防系统包括四部分功能:幕帘式电子栅窗、智能门禁管理、紧急呼救和误报自解除功能。该系统采用独立的不间断电源供电。当住户家居安防系统断电时,自检系统会自动向保安中心报警。保安中心计算机还会始终记录每一户住宅的家居安防系统是否处于设防状态。室内装有震动报警头(可以检测破坏门时的震动)、红外微波双鉴式报警头(可以检测室内是否有人)及报警控制器。报警控制器以MCU为核心,可以检测两个报警头输入信号,可以设置新密码,可以接收遥控器输入信号,可以实现声、光报警或把报警信号通过电话线送到信号。1.3研究内容本论文是以STM32F10ZET6单片机和GSM短消息模块为核心的住宅智能防火防盗报警系统，前段传感器模块实时检测住宅环境状况，如发生异常，能及时准确的报警，该系统是前段传感器模块采集数据，经微处理器处理，进行声光报警并通过GSM短消息发送到用户手机进行报警，本课题包括以下几个方面的研究：（1）传感器模块的设计，首先，防火和防盗传感器进行选择。其次，传感器硬件电路的设计。最后，传感器输出信号进行相应的处理。（2）GSM短信模块的选择和应用，选择一种合适的GSM短信模块，以短信模块和单片机作为系统的控制核心，如果家中发生紧急火情情况，将警情的类型和传感器的编号发送到用户手机。（3）系统硬件设计，主要是STM32F103ZET6单片机外围电路的设计，比如，无线收发模块电路、时钟模块电路的设计等。（4）软件设计，编写硬件系统需要实现功能相应的代码，STM32F103ZET6单片机C语言进行软件设计，其具有可读性和可移植性强的特点。（5）进行仿真测试与分析，对系统功能的检验，报警系统运行过程进行仿真。2.系统总体设计在防火防盗系统中，传感器能够不断地采集住宅环境状况和非法入侵的警情信号，STM32F103单片机对数据进行分析和判断，是防火防盗报警系统的基础。报警系统能够及时的发现房屋的入侵者和火灾信号，通过GSM发送到用户手机，在这个过程所用的时间越短，系统的实时性越能得到很好的体现。安全性,稳定性是防火防盗报警系统，整个报警系统必须可靠而稳定的工作，不能出现硬件或者软件故障。报警系统能够准确的判断有效信号和非有效信号，当有非有效信号的干扰产生时，系统能够保证正常工作。系统自身的安全保障，即要求在设备被入侵者破坏之前，系统已经能够成功的对外发出警报信号。实用性,住宅防火防盗报警系统是日常生活中比较常用的安防报警系统，不仅具备良好的性能，优质的质量，也必须满足普通人群的使用。与此同时，要求系统的成本低，操作方便快捷。2.1系统的总体构成系统是基于STM32F103ZET6单片机和GSM短消息智能防火防盗报警系统。包括以下几个设计模块：（1）微控制器(CPU)微控制器（STM32F103ZET6）是整个系统的核心，它将处理整个系统的输入与输出信号，对各个子模块进行控制，短消息的发送和接受任务等。（2）电源模块电源模块为报警系统提供基本工作电压，确保供电的稳定性，提供+5.0V和+3.3V的电源，来满足实现报警系统功能的要求。（3）GSM模块GSM短信息模块数据传输功能，利用外界传输的媒介GSM网络。本论文主要是利用它进行数据的传输，来实现短消息报警。（4）传感器模块传感器模块主要用来采集住宅报警信号，主要包括SHT10温度传感器，MQ-2烟雾浓度传感器.（5）无线传输模块为了解决布线的困难、成本以及影响住宅美观的问题，本论文采用无线传输的方式来实现数据的传输，采用PT2262和PT2272作为本系统的无线传输模块。（6）声光报警模块用STM32F103ZET6单片机的定时器去生成各种不同音律。通过单片机的引脚输出的电平变化来控制蜂鸣器的导通与否，当有报警信息产生时，蜂鸣器发声和指示灯闪光。（7）模数转换模块模拟和数字转换系统将采集到的警情模拟信号转换成数字信号，将转换后的数字信号发送给主控制器STM32F103ZET6单片机。（8）控制模块灯光照明的控制是用一个固态继电器来控制灯光开关的，利用手机发短信远程向单片机发送控制命令，来控制继电器开关，来实现灯光的定时控制。、2.2系统的功能防火防盗报警系统是由STM32F103ZET6单片机、用户手机、GSM、室内终端设备组成。本论文研究的运行可靠、操作简单的防火防盗报警系统，主要具备防火和防盗这两种功能，即火灾报警和非法闯入报警这两种报警信息。STM32F103ZET6单片机是本系统的核心，一旦出现事故，前端数据采集模块（温湿度传感器，烟雾浓度传感器等一般安装到卧室、厨房的门窗等位置）能够快速、准确地检测到报警信号（所设定的值），警情采集单元又将检测到的报警信号经编码、解码之后向单片机发出中断请求（用户端自动报警器最好安装到相对比较隐蔽且用户熟悉的位置），单片机响应中断并接受报警信号，对报警信号进行处理并判断是盗情还是警情，驱动声光报警模块进行报警，并用12864液晶显示报警类别、传感器的名称和编号，之后将发生报警的传感器编号通过GSM模块发送短消息到用户手机。用户手机可以发送短消息向单片机发送控制命令，通过主控单片机，可以对各个子模块进行控制，系统整体结构框图如图2-1所示。图2-1系统整体构成框图2.3本章小结本章主要介绍的应用软件的开发平台，首先是通过对当下流行的智能手机系统进行对比，得出了安卓系统在智能手机应用中的优势，其极大的保有量以及开放的软件开发环境使得智能家居系统更容易为大众所接受。接着对安卓系统做了介绍，主要是突出其构架，对各组成部分的功能做了详细的介绍，对其工作流程做了了解，其实是对安卓系统中的应用技术做了逐一分析，这些技术的成熟是支撑整个安卓系统平稳运行的保证，最后对安卓的存储技术做了分类，指出其适应整个系统的条件，还对智能家居系统中所用到的数据库技术做了简单的介绍。3传感器电路的设计传感器处在防火防盗报警系统的最前端，主要的任务是完成现场数据的采集，本论文传感器电路的设计包括防盗传感器电路和防火传感器电路，主要任务是对住宅现场警情信号（防火信号和防盗信号）的采集。3.1传感器应用电路的要求传感器应用电路都是组成外围电路部分，在设计上要满足信号处理与控制电路对信号的要求，根据信号的输出特性，需满足以下几点要求：（1）为了减少电阻及电容传输线的影响，须考虑与传感器及电路的阻抗匹配的问题，需要加一级电压跟随器。（2）后续电路及整个系统的精度、动态性能要求放大器的放大倍数及输出电压动态范围要合适。（3）该电路的动态性能及整个系统的精度，放大器的放大和输出电压的动态范围要满足条件。（4）传感器要满足使用环境的条件，必要时加温度补偿及抗干扰措施。（5）整个系统与传感器信号调整电路的结构、尺寸、电源电压、功耗及成本应相协调，使产品的性价比更高。3.2防火传感器模块设计防火传感器模块的作用是住宅发生火灾时，防火传感器模块探测到警情信号，STM32F103ZET6主控单片机接受并处理警情信号，再通过GSM模块以短消息方式将传感器编号和警情信号的类型发送到用户手机，用户针对不同的警情信号类型和报警传感器的编号采取相应的措施。3.3烟雾传感器模块设计烟雾传感器探测模块采用是MQ-2型烟雾传感器。当MQ-2烟雾传感器与可燃性气体接触时，MQ-2烟雾传感器将可燃性气体在空气中的含量转化成电压或者电流信号，再通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号后送到STM32F103ZET6单片机，最后由STM32F103ZET6单片机完成信号的处理及报警控制和报警信号发送等工作，有效的实现对火灾危险情况的检测，如表3-1是MQ-2型烟雾传感器的特性及主要技术指标。表3-1MQ-2型烟雾传感器的特性及主要技术指标3.4电路工作原理MQ-2型烟雾传感器模块硬件电路原理，当MQ-2型烟雾传感器处在有可燃气体的环境中时，MQ-2传感器的电导率伴随着空气中可燃气体浓度的增加而增大。运用相关的电路可将MQ-2传感器的电导率变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，硬件电路图如图3-1所示。图3-1MQ-2硬件电路图MQ-2型烟雾传感器模块硬件电路说明，VCC接5V电源正极；Dout为数字信号输出端，可以直接接STM32F103ZET6单片机I/O口；Aout为模拟信号输出端，可以接AD转换模块输入口，以便计算气体具体浓度值；GND接5V电源负极。将MQ-2型烟雾传感器检测到的烟雾浓度值相对应的电压信号经过放大，将其转化成较大的电压信号送入STM32F103ZET6单片机。紧接着在STM32F103ZET6单片机内进行A/D转换、警情信号处理，将数字化电压信号转化成为相对应的十进制浓度值；最后，将实际可燃性气体浓度送入12864LCD液晶模块进行可视化显示，并且判断浓度值是否超出设定的报警值，当烟雾浓度值低于设定的报警值时，绿灯长亮，当烟雾浓度值超出设定的报警值时，进行声光报警，MQ-2型传感器操作流程如图3-2所示。图3-2MQ-2传感器操作流程图3.5温湿度传感器模块设计通常情况下，对温度进行测量，需要从温度测量的范围、测温精度、稳定性、使用的便利性、经济性等方面进行考虑，一般集成温度传感器具有很高的线性度、低成本、高精度、小尺寸和高分辨率等优点。对于湿度的测量，测量方法也有很多，目前湿度测量最常用的有两种，一种是干湿球测试法，另外一种是电子式湿度传感器测湿法。干湿球测湿法的维护简单，在实际使用中只需要定期给湿球加水及跟换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，它所具有的特点就是不会产生老化，精度下降等问题，同时采用间接测量方法，通过计算干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，所以温度没有严格的限制，在高温环境下不会造成损坏，更适合高温以及恶劣环境下使用。对于电子式测湿传感器而言，使用简单、方便，精度和准确性相对较高，但是对于环境温度以及条件有要求，因为在高温以及恶劣环境下容易损坏传感器，所以，电子式测湿传感器更适合于住宅环境中使用。通常情况下温湿度传感器得到温湿度的值，是将温湿度转换成电压或电容来进行计算，尽管价格便宜，但是精度和准确度比较低以及电路较复杂，并且需要A/D转换，才可以将电信号转换成数字信号。对于数字式温湿度传感器，可以直接得到数字量，在使用时，可以直接与单片机引脚进行相连，因此本论文选用的数字式温湿度传感器SHT10。TM32F103ZET6通过I/O接口与SHT10进行通信，硬件电路图如图3-3所示。图3-3SHT10硬件电路图SHT10传感器软件设计主要内容是温度、湿度的读取、测量和计算，SHT10操作流程如图3-4所示。3-4SHT10操作流程图4系统的硬件设计4.1系统整体设计住宅智能防火防盗报警系统主要由以下几个主要模块组成：主控模块采用STM32F103ZET6单片机、GSM短信模块采用西门子TC35i、电源模块、时钟模块、12864液晶显示模块、防火防盗传感器警情信号采集模块等，住宅防火防盗报警系统功能图如图4-1所示。图4-1系统功能框图前段传感器模块包括防火和防盗传感器模块，防盗传感器模块主要由无线门磁传感器和HCSR501人体热释电红外传感器组成，主要安装在门或窗的内侧，其主要作用就是检测有无人体入侵信号和门或窗的状态。防盗传感器模块检测到的警情信号通过PT2262/PT2272无限传输模块将相应的警情信号和传感器编号发送给报警主机STM32F103ZET6主控制器。防火传感器模块主要由SHT10温湿度传感器和MQ-2烟雾浓度传感器组成，主要是安装在厨房、卧室里面，其主要作用就是检测火灾信号（燃气泄漏等），防火传感器模块检测到的火灾信号通过PT2262/PT2272无线传输模块将相应的火灾信号和传感器编号发送给报警主机STM32F103ZET6主控制器。报警主机接收、解码并处理和判断报警信号的类型，从而确定相对应的传感器的类型和编号，当判断有警情信号之后，首先进行声光报警，同时报警主机将相应的传感器编号和警情类型，通过GSM短信模块以短消息的方式发送到预先设置好的用户手机上，进行短消息报警。4.2电源模块设计系统会用到几种不同电压的来作为系统的工作电源，一是主控单片机需要+3.3V的直流工作电源，二是GSM模块需要+9V的直流工作电源，三是无线传输模块PT2262/PT2272、传感器模块需要+5V的直流工作电源。输入总的电源使用+9V的开关电源，经电源稳压芯片转换成+5V和+3.3V的直流电源。本系统中，STM32F103ZET6单片机主控系统的+3.3V电源由LM2576和L78L33稳压电源模块产生，在LM2576的输入端接上100uF的电容、可以滤掉低频干扰，得到干净的电源，无线传输模块PT2262/PT2272和传感器模块所需的电源是由LM2576稳压模块产生，电源模块电路如图4-2所示。图4-2电源模块电路图4.3复位电路设计复位电路主要的功能：上电复位和嵌入式系统运行时按键复位。为确保嵌入式系统稳定可靠地工作，在本论文中采用MAX811芯片，它是低功耗、监控主控单片机电压的专用芯片。它的优点是：能够手动复位，能够稳定的输出有效复位脉冲，复位时只需要直接外接一个复位按键即可，硬件电路图如图4-3所示。图4-3复位电路图4.4无线传输模块设计在传统的防火防盗报警系统中，基本上采用有线的方式连接探测模块和报警主机，这种方式可靠性高，但由于受传输距离、布线、可变性等多种因素的制约，局限性很强，给系统的安装带来很大的困难，而采用无线传输模块在可在保证可靠性的基础上大大方便系统的安装。因此，经综合考虑，本论文采用了一种低成本无线收发模块。发送模块采用F05P，J04V作为接收模块和PT2262/PT2272编解码芯片构成的硬件电路，实现数据的无线传输无线发射模块采用F05P，无线接收模块采用J04V，配合编解码芯片PT2262/PT2272完成警情信号收发模块电路的设计，在有障碍的情况下，传输距离可达20m左右。无线收发模块主要由以下几部分组成，发射模块F05P、接收模块J04V、编解码芯片PT2262/PT2272，基本原理如4-4图所示图4-4无线传输原理图5系统的软件设计本论文研究的住宅防火防盗报警系统的软件设计采用模块化设计，通常情况下编程语言有很多种，比如C语言，汇编语言等，由于C语言可移植性比较强，再加上本系统涉及到多个模块，经综合考虑，本论文软件设计采用C语言作为编程语言。5.1警情检测和短消息发送软件设计当住宅有警情发生时，从MCU(STM32F103ZET6)检测到警情信号，当检测到有警情信号通过PT2262无线模块进行发送，同时进行声光报警，PT2272接受到信号后，对信号进行解码，确定是哪个传感器发出的报警信号，并进行声光报警，发送给主MCU(STM32F103ZET6)，同时通过GSM模块发送给用户手机，流程图如图5-1所示。图5-1无线传输流程图5.2GSM模块软件设计AT命令是指GSM模块和外部MCU通过串口协议互相通信的一套命令集。MCU可以通过串行接口直接向GSM模块下发AT命令，完成电话拨号、短信收发以及各种参数与功能的设置、实现命令控制和数据传输的功能。5.3控制模块软件设计控制设备上电后，首先对系统进行初始化,包括串口的初始化、GSM模块的初始化和无线数据收发模块PT2262/PT2272的初始化。然后由主MCU监测GSM模块是否接收到新短信，当有新消息送来，系统通过AT命令将短信内容传送到主MCU；主MCU确认接收到的信息是控制命令后，将其转换为控制信号并通过无线发射模块PT2262发送出去