崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬 (遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001) 摘要:介紹了單片機(jī)操作系統(tǒng)、C語(yǔ)言技術(shù)與GSM模塊結(jié)合完成智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三大功能:監(jiān)控室內(nèi)溫度、防盜和檢測(cè)室內(nèi)可燃?xì)庖约盁熿F。首先通過(guò)3個(gè)傳感器模塊采集室內(nèi)信息,例如溫度、人體、可燃?xì)馀c煙霧等,然后發(fā)送到以51系列單片機(jī)為核心控制器構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集終端上進(jìn)行處理,若發(fā)生特殊情況,系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲,并通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程接收端。仿真結(jié)果證明,該系統(tǒng)成本低,操作方便,并且達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)定性和可靠性。 關(guān)鍵詞:?jiǎn)纹瑱C(jī);C語(yǔ)言;傳感器;GSM 中圖分類(lèi)號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.015 引用格式:崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬.基于單片機(jī)和GSM的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(7):50-52. 0引言 智能家居的概念最早是美國(guó)在20世紀(jì)70年代提出來(lái)的。此后,在歐洲、新加坡、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),智能家居這個(gè)概念被引入,并且勢(shì)頭越來(lái)越猛[1]。20世紀(jì)90年代末傳入中國(guó)。隨著中國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng),人民生活水平的提高,住宅消費(fèi)觀念的不斷進(jìn)化,對(duì)于住宅的要求也相應(yīng)提高,于是形成智能住宅及智能家居的概念[2]。 本文結(jié)合單片機(jī)接口技術(shù)以及C語(yǔ)言的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng),目的是實(shí)現(xiàn)以下功能:當(dāng)有人闖入住宅時(shí),紅外報(bào)警模塊觸發(fā),報(bào)警指示燈亮,并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào),通過(guò)GSM模塊傳到遠(yuǎn)程的手機(jī)接收端,從而通過(guò)遠(yuǎn)程接收端對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行控制;通過(guò)溫度檢測(cè)模塊和煙霧傳感器模塊設(shè)置額定溫度值以及額定的煙霧值,當(dāng)溫度以及煙霧超過(guò)額定值時(shí),報(bào)警指示燈亮并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào),然后通過(guò)GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程手機(jī)接收端,并通過(guò)接收端進(jìn)行控制。 1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分:溫度檢測(cè)模塊、紅外監(jiān)控模塊、煙霧傳感器模塊、LCD液晶顯示模塊、GSM模塊等。本系統(tǒng)是基于安卓操作系統(tǒng)建立的遠(yuǎn)程控制平臺(tái),以51系列單片機(jī)為核心控制器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集終端[34]。按鍵電路控制系統(tǒng)的額定值,并模擬門(mén)的狀態(tài)。蜂鳴器電路用以報(bào)警時(shí)發(fā)出警報(bào),LED燈模擬報(bào)警時(shí)發(fā)出照明警報(bào)。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是系統(tǒng)的重要組成部分,其作用就是對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并依據(jù)事先設(shè)定好的參數(shù)和控制規(guī)則對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。它分為3個(gè)子系統(tǒng):溫度監(jiān)控系統(tǒng)、紅外感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)、煙霧與可燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)[5]。溫度監(jiān)控系統(tǒng)將傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī),同時(shí)單片機(jī)將實(shí)際溫度與設(shè)定的額定溫度進(jìn)行比較,如果實(shí)際值大于額定值,系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào),并通過(guò)GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程控制平臺(tái),通過(guò)接收端進(jìn)行控制。紅外傳感器檢測(cè)到有人非法進(jìn)入時(shí),觸發(fā)報(bào)警。數(shù)據(jù)采集終端會(huì)將報(bào)警信息及時(shí)反饋到安卓監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行控制。煙霧傳感器的原理類(lèi)似于溫度傳感器,傳感器將采集到的煙霧值傳送給單片機(jī),并與實(shí)際設(shè)定值進(jìn)行比較,若實(shí)際值大于額定值,系統(tǒng)發(fā)出警報(bào),并通過(guò)GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程控制平臺(tái),通過(guò)接收端進(jìn)行控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。
2硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52作為系統(tǒng)的主控芯片,在其外圍添加溫度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、GSM模塊等硬件設(shè)備,這些設(shè)備主要用于檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境因素,當(dāng)超過(guò)額定的設(shè)置值時(shí),在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前值和額定值,并通過(guò)蜂鳴器報(bào)警以及GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端,當(dāng)然,報(bào)警指示燈會(huì)亮。 2.1溫度傳感器模塊 本系統(tǒng)溫度傳感器模塊選用的是DS18B20。它采用單總線通信方式,其內(nèi)部包含地址,非常適合于各種工業(yè)和民用場(chǎng)合的應(yīng)用[6]。其測(cè)溫范圍是-55°~+125°;其分辨率用戶可以自行選擇,9~12 bit之間;內(nèi)部也分別設(shè)置了溫度的上限與下限的報(bào)警設(shè)置。除此之外,DS18B20的成本也比較廉價(jià),適合推廣。 2.2煙霧傳感器模塊 煙霧與可燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的作用是監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境的氣體成分,當(dāng)監(jiān)測(cè)到特定煙霧或者可燃?xì)怏w時(shí),系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)。該系統(tǒng)檢測(cè)到特定煙霧或者可燃?xì)怏w時(shí),會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警,并將報(bào)警信息反饋至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)[7]。 本系統(tǒng)選用MQ-2氣體傳感器模塊作為前端數(shù)據(jù)采集器件。MQ-2的電路連接圖如圖2所示。 可以通過(guò)RV1上下兩個(gè)箭頭調(diào)節(jié)接收到的煙霧值。當(dāng)調(diào)到大于或者等于設(shè)定的額定值時(shí),系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生警報(bào)。 2.3紅外人體感應(yīng)傳感器 本系統(tǒng)采用的紅外人體感應(yīng)傳感器模塊是HC-SR501。該模塊靈敏度高,可靠性強(qiáng),廣泛應(yīng)用于各類(lèi)自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備,尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。 其硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。
2.4GSM模塊 GSM模塊是一個(gè)類(lèi)似于手機(jī)的通訊模塊,集成了手機(jī)的若干功能于一塊小電路板上,與手機(jī)部分功能一樣,具備發(fā)短信、打電話的功能。它在很多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)使用AT指令才能對(duì)GSM模塊進(jìn)行控制。模塊可以與電腦RS232串口連接,也可以用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制。 本系統(tǒng)通過(guò)SIM800模塊對(duì)溫度、煙霧以及紅外模塊信號(hào)進(jìn)行接收,將報(bào)警信號(hào)發(fā)送到用戶接收端。其主要功能部分包括:(1)GSM基帶;(2)GSM射頻;(3)天線接口;(4)其他接口。 模塊功能圖如圖4所示。 2.512864LCD液晶顯示屏模塊 由于LCD具有顯示信息量大、能夠?qū)崿F(xiàn)良好人機(jī)交互的特性,所以得到了廣泛的使用[8]。常見(jiàn)的液晶有字符型液晶和圖形型液晶,由于字符型液晶只能顯示字母和數(shù)字,不能顯示漢字,所以在國(guó)內(nèi)用得比較少。而圖形型液晶在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛,它可以顯示漢字、圖形等各種信息。其中12864LCD液晶顯示電路如圖5所示。 3軟件程序設(shè)計(jì) 本次實(shí)驗(yàn)的仿真部分是在Proteus軟件中進(jìn)行的,相應(yīng)的軟件程序是在Keil C51中完成。在一般由單片機(jī)控圖512864LCD液晶顯示屏電路連接圖制的系統(tǒng)中,主程序中某一部分是被系統(tǒng)反復(fù)執(zhí)行的 。當(dāng)然本系統(tǒng)也不例外,當(dāng)單片機(jī)上電后,系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,從main函數(shù)中開(kāi)始執(zhí)行。在本系統(tǒng)的主函數(shù)中,主要完成一些外設(shè)的初始化,并根據(jù)用戶對(duì)于按鍵的操作來(lái)控制外部信息的接收。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有監(jiān)控室內(nèi)溫度、檢測(cè)室內(nèi)煙霧以及可燃?xì)?、防盜等,并且通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程終端。對(duì)于軟件程序的編寫(xiě),可以通過(guò)按鍵對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)最小初始的最高溫度和最低溫度、額定的煙霧值以及紅外感應(yīng)等各方面的數(shù)值來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。下面是主程序的部分代碼: #include <reg52.h> #include "lcd12864.c" #include "key.c" #include "ds18b20.h" #include "gsm_model.c" sbit buzzer=P1^5;//蜂鳴器 sbit mq_2=P1^4;//mq_2 #define buzzer_onbuzzer=0; #define buzzer_off buzzer=1; extern uchar temp_value; uchar TxRxBuf[4]={0xff,0x00,0x00,0x00}; uchar high_temp=29; uchar low_temp=2; uchar temp_now=0; uchar set_flag=0; bit warn_flag=1; ucharbuzzer_flag=0; 4仿真結(jié)果 為了驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,在仿真測(cè)試過(guò)程中,主要模擬測(cè)試了智能家居系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境,包括室內(nèi)溫度值、煙霧值以及是否有人闖入等方面的監(jiān)測(cè),并模擬報(bào)警。首先測(cè)試第一個(gè)功能:監(jiān)控室內(nèi)溫度。設(shè)置初始的額定溫度報(bào)警值最高為38°,最低為5°,通過(guò)溫度傳感器改變溫度值,當(dāng)溫度達(dá)到或超過(guò)額定最高溫度值或者等于或低于額定最低溫度值時(shí),LCD顯示屏顯示當(dāng)前溫度,報(bào)警指示燈亮,蜂鳴器工作,GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到接收端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該功能可以正常工作。其次測(cè)試第二個(gè)功能:檢測(cè)室內(nèi)是否有煙霧以及可燃?xì)?,該功能與第一個(gè)功能類(lèi)似。設(shè)置初始額定煙霧指數(shù)為25,給煙霧傳感器一個(gè)煙霧值,當(dāng)煙霧達(dá)到或超過(guò)額定煙霧指數(shù)時(shí),LCD顯示屏顯示當(dāng)前煙霧指數(shù),蜂鳴器工作,報(bào)警指示燈變亮,GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程終端。通過(guò)仿真 驗(yàn)證,該功能能正常工作。測(cè)試最后一個(gè)功能:防盜。當(dāng)人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)到有人非法進(jìn)入時(shí),顯示屏上入侵狀態(tài)顯示有,反之,則顯示無(wú)。 5結(jié)論 本次設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)作為中央處理器,各個(gè)傳感器采集家居的內(nèi)部環(huán)境因素,并通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到接收端。各個(gè)硬件設(shè)備的互相有效協(xié)作,完成了智能家居的模擬。 參考文獻(xiàn) [1] 呂莉,羅杰.智能家居及其發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2007(11):18-20. [2] 高小平.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].低壓電器,2005(4):18-21. [3] 王朝華,陳德艷,黃國(guó)宏,等.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012,22(6):225-228. [4] 李濤.基于Android的智能家居APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州:蘇州大學(xué),2014. [5] 花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討[J].智能建筑電氣技術(shù),2009,3(1):92-98. [6] 劉曉彤.嵌入式智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2009. [7] 崔若飛.基于ARM和GPRS智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009. [8] 徐子豪,張騰飛.基于語(yǔ)音識(shí)別和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(1):180-182.
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