家庭环境远程智能监控系统研究报告.doc

第十三届“挑战杯”四川省大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 家庭环境远程智能监控系统家庭环境远程智能监控系统【摘 要】：目前市场上还没有一款比较完善的能够使用互联网和移动通信对住宅进行远程智能监控的系统，而按市场需求的发展趋势分析，远程智能监控系统很有可能成为市场发展需求的主流家居系统。 我们本着以人为本的理念，为方便用户对住宅进行近、远程监测和控制而设计本项目-带红外学习功能的家庭环境远程智能监控系统。该系统包含红外学习功能的模块，对温度湿度、天然气、PM2.5的检测，并能实现烟雾报警，光电检测控制窗帘，语音播报的功能，以蓝牙无线通信模块实现对室内（光、电、气）开关的控制，网络监控整个室内环境，确保室内环境处于安全，健康，节能状态。通过WiFi模块、移动通信设备、互联网等实现无线通信，实现对加湿器、空气净化器等家用电器的智能化管理。【关键词】：远程智能监控 移动通信设备 红外记忆功能 环境监控 WiFi 蓝牙 目 录1 前言11.1 研究目的及现状11.2 研究基本思路21.3 创新点31.4 展望32 总体方案及关键技术42.1 方案设计42.2 关键技术52.2.1 红外通信信息编码52.2.2 IrDA 调制方式62.2.3 GSM短消息的发送过程及AT指令83 硬件设计113.1 系统控制模块113.2 无线模块（HLK-RM04）123.3 GSM模块（SIM300）133.4 红外发射模块133.5 DHT11温度湿度检测模块143.6 MQ-5煤气检测模块153.7 烟雾报警检测模块163.8 语音播报模块163.9 手机蓝牙匹配控制（水，电，气）开关模块173.10 串口通信模块184 软件设计194.1 主控端红外记忆及发射模块程序194.2 红外脉冲解码子程序194.3 室内环境监控系统程序205 系统测试215.1 主要技术指标215.2 系统模块测试215.3 系统实物展示256 结论266.1 作品的适用范围266.2 与同类产品的对比266.2.1 与同类产品的功能做比较266.2.2 成本比较276.3 应用前景预测27参考文献2930 1 前言1.1 研究目的及现状1.1.1 技术背景目前市场上还没有一款能够比较完善使用Android操作系统的家庭环境远程智能监控系统，而按Android系统目前的发展趋势，Android很有可能成为便携式设备的主流系统。Android系统的优势在于它不仅可以在手持设备上运行，还可以在平板电脑上运行，且在应用市场上占主流。鉴于以上优点，如果在Android系统上开发一款智能家居软件，不仅可以缩短研发周期，而且便于日后的升级维护。随着Android系统技术的不断发展，它很有可能成为智能家居系统中操作系统的标准。本系统通过设计一个小型的家庭环境远程智能监控系统，实现智能家居系统中关键的功能，成为智能家居设计的原型系统，为住宅用户提供了一套完整的家庭环境远程智能监控系统解决方案。 我们本着以人为本的理念，为方便用户对住宅进行近、远程监测和控制而设计本项目-带红外学习功能的家庭环境远程智能监控系统。该系统包含红外学习功能的模块，对温度湿度、天然气、PM2.5的检测，并能实现烟雾报警，光电检测控制窗帘，语音播报的功能，以蓝牙无线通信模块实现对室内（光、电、气）开关的控制，网络监控整个室内环境，确保室内环境处于安全，健康，节能状态。通过WIFI模块、移动通信设备、互联网等实现无线通信，实现对加湿器、空气净化器等家用电器的智能化管理。1.1.2 社会背景1、生活压力。随着当今社会的生活节奏不断加快，各行各业的压力不断急剧上升。在各方面的压力冲击下，综合的利用时间以及健康的生活方式变得更为重要。早在2000年，世界卫生组织和国际劳工组织同时发表对工作者职业健康问题的担忧，继心脏疾患之后，职业健康及其伴随的忧郁症已成为人类第二大健康隐患。随着中国改革开放近四十年的经济腾飞，同种担忧在中国也广泛存在。有报导称在华工作者中，有46.2%的人在不同程度上受到职业压力的困扰导致身心健康严重受损。最新调查报告现显示，每年由于工作压力太大而死亡的人数在逐渐上升。那么下班后选择一种便捷的生活方式，一个舒适的居家环境，将会对我们的身心健康带来益处，有益于克服工作上压力的滋长。对生活质量的追求,对科学创新的探索，对于健康身心的发展，这些都是促使“家庭环境智能远程控制系统”诞生的重大因素。2、能源危机。能源危机是全球都面临的一个重大危机，只有保证了能源的充足供给，才能保证生命的延续。据2012年能源调查资料显示，在技术与成本的限制下，预估世界石油蕴藏量只可以再开采40年，天然气只可以开采62年，煤炭可以开采77年等等可以看出现在全世界依赖最深的主要能源石油及天然气，在二十一世纪的牵绊，就将日趋枯竭。目前全球因石油，天然气等能源生产投资造成市场供过于求，但产地蕴藏量降低甚至枯竭，使得全球将面临能源价格剧烈波动的尴尬问题。没有了稳定的经济基础，上层建筑定会摇摇晃晃。为了国泰民安的明天，为了更长久的未来，环保节能刻不容缓。在着眼于新能源的开发的同时，平常生活的细微之处，我们又能做些什么呢？3、医疗与社会根据社会的新闻热点与舆论，我们很容易发现许多空巢老人存在的现象，这一现象产生的主要原因是由于子女忙于事业，而无时间陪长辈。住宅的安全隐患成为子女最担忧的问题。因而开发一种易于操作，且安全的家庭环境系统又成为现在社会的一大热点。加入医疗监控，确保他们的健康生活。建立在技术发展背景以及社会现状背景的基础上，我们小组进行了“家庭环境智能远程控制系统”的开发。1.2 研究基本思路基于上述的开发背景，设计出带红外记忆功能的家庭环境远程智能监控系统：用户可将任意电器遥控器上的任意按键上的红外线记录在终端上，用户可通过接入无线网络的手机来轻松控制家用电器设备。用户也可通过手机发短信或打电话到终端，该系统就能自动对家庭环境进行检测和控制使其达到人体舒适值。同时该终端还能控制传感设备采集数据，并将采集到的数据反馈到手机上。该系统主要由单片机最小系统、无线WIFI模块、PM2.5检测模块、温度湿度检测模块、用电流检测模块、MQ-5煤气/天然气检测模块、GSM进行手机传输模块、烟雾报警模块、语音播报模块、摄像头网络监控模块、光电检测控制窗帘、蓝牙匹配总开关等模块构成，围绕IAP15F2K61S2单片机设计开发，红外接收模块将采集到红外信号存储在单片机里，用户通过电脑、手机等终端发送信号经由WIFI模块给单片机，单片机接收到信号后查找存储区域内的红外脉冲信号，并将红外信号发送给设备，从而对设备进行控制。用户也可通过手机发送短信或拨打电话到GSM，GSM收到信息后将会自动打开系统，各检测模块将会开始对环境进行检测，系统也将对采集到的数据进行处理和对相应设备的控制，使其达到适宜人体的值。1.3 创新点（1）具有红外信号学习功能。在不改变红外家电的条件下与其兼容，从而实现终端控制红外家电。（2）通过主控机、智能手机以及平板电脑实现红外电器设备的远程控制，可远程操控家电，使家居环境达到主人要求的舒适度。并且通过WiFi、网络等与用户的手机进行通信，用户可直观的看到室内环境状况以及当前的各个环境检测值；远程监测控制家庭环境，可及时预防人为灾害以及防盗。（3）通过无线网络传递数据并进行控制，使用更加方便快捷。（4）该系统设有移动网络和互联网，用户用随身携带的智能手机就可实现对电器设备的控制，使控制更加智能化。（5）实现了对室内温度、湿度、PM2.5以及煤气、天然气检测，烟雾报警，光电检测控制窗帘，蓝牙匹配控制总（水，电，气）开关，语音播报，摄像头监控等功能。（6）用户可以以发短信的方式远程启动系统，通过手机上的应用控制家用设备，使环境值达到舒适；（7）该系统实现了环保、节能、安全、方便快捷、成本低等功能。1.4 展望（1）将水表，电表，气表的数据通过网络反馈传输到移动设备上，并可进行相应的缴费功能。（2）建立家庭PSOC设计的远程心电监护系统。为家庭成员的健康指数进行远程检测。（3）采用NE555构成占空比可调的震荡电路给红外脉冲提供任意频率载波，滑动变阻器调节占空比。也可用在工业上。2 总体方案及关键技术系统总体设计方案：本设计基于IAP15F2K61S2单片机最小系统、HLK-RM04无线模块的带记忆功能的无线红外控制终端、GSM进行手机传输模块、WIFI模块、温度，湿度模块、PM2.5，烟雾报警模块、语音播报模块、摄像头网络监控模块、光电检测控制窗帘、蓝牙匹配控制总（水、电、气）开关，实现了对家用环境远、近程的智能检测与控制、红外记忆、红外遥控、温湿度显示等功能。2.1 方案设计该系统主要由单片机最小系统、无线WIFI模块、PM2.5检测模块、温度湿度检测模块、用电流检测模块、MQ-5煤气/天然气检测模块、GSM进行手机传输模块、烟雾报警模块、语音播报模块、摄像头网络监控模块、光电检测控制窗帘、蓝牙匹配总开关等模块构成，围绕IAP15F2K61S2单片机设计开发，红外接收模块将采集到红外信号存储在单片机里，用户通过电脑、手机等终端发送信号经由WIFI模块给单片机，单片机接收到信号后查找存储区域内的红外脉冲信号，并将红外信号发送给设备，从而对设备进行控制。用户也可通过手机发送短信或拨打电话到GSM，GSM收到信息后将会自动打开系统，各检测模块将会开始对环境进行检测，系统也将对采集到的数据进行处理和对相应设备的控制，使其达到适宜人体的值。系统结构框图如图1所示：环境监控子系统图1、系统结构图2.2 关键技术2.2.1 红外通信信息编码红外遥控信号传输的数据是一组连续的串行二进制码，通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等组成。当某一个按键被按下再松开之前，遥控器一直重复发送完整的数据字即循环码。由于二进制编码脉冲的频率低，为提高抗干扰性能和降低电源消耗，一般将这些编码信号用高频载波信号进行脉幅调制，经缓冲放大后送到红外发光二极管，转换为红外信号发射出去。目前常用的载波频率为38KHZ。NEC 标准和 RC5 标准是目前两种最常用的红外编码标准。其中NEC标准是日本NEC公司开发的，采用数字脉宽调制来表示“0”和“1”，其引导码由一段9ms的高电平(有些码是4.5ms)和4.5ms的低电平组成，系统码和功能码占8位，载波频率为38KHZ。当连续发射时，先发送一个完整的控制字，接着只发射9ms高电平和2.25ms的低电平，再跟着一个560us的脉冲，整个波形周期仍为108ms。该标准在国内应用非常广泛，很多厂家使用该标准和与其类似的标准，他们在码型结构上基本一致，只是在具体的脉冲宽度的数值、引导码的长度、系统码和功能码的位数、顺序上有改变。比方说，表示 “0” 的脉冲宽度，有的是560/600(高/低)， 有的却是1100/700(高/低)。RC5标准由Philips 公司开发，欧洲使用较多，在亚洲地区该标准使用较少。采用双相位脉冲表示“1”和 “0” ，每一位的时间是1.68ms，5位系统码，6位功能码，最初的载波频率为36KHz。当按键按下的时间超过114ms后，它会重复发送完整的数据字，控制字之间的间隔一般是数十个毫秒。目前的红外学习方法大体分两种。第一种：采用脉宽调制，具有脉冲宽度固定而脉冲间隔不同的特点，用定时器对脉冲间隔计数， 由计数值的大小区别脉冲间隔时间， 从而识别出二进制的“1”、“0”和遥控信号起始位，最终学习到红外信号对应的串行二进制码。由对常用的红外协议分析可知，很多红外编码标准的编码逻辑“0”、“1”在调制方式、脉宽等方面存在差异，因此此种方法通用性不强。第二种：不考虑红外编码的构上位机等待下位机发送学习结束标志，并准备接受其后发送的红外编码。此时上位机做接收，单片机做发送。本系统采用了NEC实现功能。2.2.2 IrDA 调制方式红外线接口的标准由IrDA（InfraRed DataAssociation，红外线数据协会）制定的，IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA 于 1994年发表了IrDA 1.0，简称为SIR（Serial InfraRed），是一种非同步、半双工红外通信方式。SIR是基于UART的红外实现方案，在UART器件连接红外编解码器，支持UART从2,400115,200的多个传输速率。部分 UART芯片内部集成了SIR编解码器。通过红外编解码器连接红外收发器，构成了红外接口电路。SIR 信号编码采用宽度为3/16位宽的归零脉冲调制，如图 2。图2、SIR 编译码时序图当UART输出（图中TxD）高电平时，编码输出（图中TxD IR）为低电平。当UART输出低电平时，编码输出为宽度为3/16位宽的高电平脉冲。当UART的传输速率为115200bps时，编码输出的高电平脉冲宽度为1.6s。在SIR设备接收端，红外收发器收到的信号为图中的TxD IR，经红外译码还原成为RxD送到接收端UART。在FIR中定义了3个比较高的传输速率，即0.576、1.152和4Mbps，与SIR不同的是，FIR采用同步封包传送方式，与UART不兼容。其中0.576和1.152Mbps速率与4Mbps采用的编码方式不同。有些地方称0.576、1.152Mbps速率为MIR（Medium InfraRed）红外模式。0.576、1.152Mbps采用与SIR相似的归零脉冲调制方式，所不同的是高电平的宽度不是SIR的3/16位宽，而是1/4位宽。这样的变化是为了与4Mbps速率的脉冲宽度相一致。这两种速率的脉冲调制波形如图 3。图3、SIR 与 MIR 编码波形4Mbps速率的FIR红外模式采用了完全不同的脉冲调制方式4PPM（4 Pulse Position Modulation，脉冲相位调制）。将二进制数据每2位组合为一个调制单位，共有4种组合，即00、01、10和11。同时将2个位宽时间等间隔分为4个等份，调制脉冲的位置根据二进制组合数据的不同依次出现在不同的等份位置。参见图 2-3，当被调制的二进制数据字节为00011011时，调制后的脉冲波形如图4。图 4、4PPM 调制波形IrDA 1.4的VFIR采用了一种全新的游程长度受限码（Run-Length Limited，RLL）编码方案，叫做HHH（1,13），HHH的名称来自最初发明该编码的三位科学家的名字。HHH（1,13）编码是硬件实现的，支持 IrDA1.4 规范的红外接口芯片都集成了HHH（1,13）编、解码电路。HHH（1,13）的编码规测是很复杂的，采用HHH（1,13）的原因主要是为了红外线收发器的特点，同时在功耗和频谱带宽两个方面的指标都比较优越。HHH（1,13）的编码特点如下：(1)编码速率为2/3。即VFIR的传输速率为16Mbps，编码速率为24M，编码后的脉冲位宽为1/24MHz = 41.67ns，也就是红外发光脉冲的宽度；(2)HHH（1,13）出现连续1（有红外信号）的最大个数为1，也就是说编码后的数据中没有相连的1。同时出现连续0（无红外信号）的最大个数为13。2.2.3 GSM短消息的发送过程及AT指令GSM短消息一般有三种模式：块模式、PDU模式和文本模式。由于目前市场上支持块模式的手机供应商不多，另外，经PDU模式编码后的短信息内容丰富，包括文本和图像，适用于在突发状况时，家居系统发送图文报警短信。点对点发送短消息的过程，短消息一旦被发送后，按照SMS协议转发给接受方，但在发送短消息时，在归属的SMC中（对应短消息中心号码）留一份存档。由点对点发送方式可知，只要发送端/接收端在处在移动网中，包括本地网络和全国漫游网，都可以收发短信。若有一方暂时未能与网络相连，短消息即可存放在被呼终端SIM卡中，同时，在归属SMC中存档的短信可以再48小时内保留下来，若超出这一期间，短信有可能被下一个发出短消息覆盖造成数据丢失。在这段期限内，若接收端能接通到网络中，短消息被接收端收到，同时，接收端会发出提醒回执消息给接收端，表示接收有效，返回成功发送的状态信息。这样就完成了短消息的完整的发送过程。如图所示：图 5、短消息的发送过程1.短消息中心（SMC）SMC用来存储与转发发往接收端MT的短消息，并管理用户和计算网络流量费用。通过专用接口，SMC可与MSC(移动交换中心)直接。2.SMS-GMSC和SMS-IWMSCSMS-GMSC(Gateway-MSC)是可作为MSC的智能网关，SMC的短消息想要进入MSC，得先通过SMC网关入口交换机，适用于MT类型的短消息。SMS-IWMSC是具有网络交互功能的MSC，将PLMN发出的短消息接收后，通过网络交互，将短消息转送到相应的SMC的出口交换机，适用于MO类型的短消息。3.移动交换中心MSC(Mobile-Switching-Center)在PLMN中的充当着移动交换枢纽。在移动交换子系统中，MSC通过和HLR、VLR寄存器相连，完成数据交换功能。HLR(Home-Location-Register)本地定位寄存器是用于存放移动用户归属管理的数据库，在本地移动网络中可以拥有多个本地寄存器，同时，用户在移动网络中只要在其中任一个本地寄存器里进行登记。一般把移动用户的个人静态数据包括用户类别和识别号等和当前漫游的地理位置存放在本地寄存器中，其中当前漫游的位置信息中主要包含有当前MT所在的漫游所在的辖区标识和在上次接续期间暂存的该MT被呼时分配的漫游号。VLR(Visit-Location-Register)漫游定位寄存器中，一般存储的是在当地漫游区内所有MT的用户数据。本地定位寄存器和基站子系统发出MT 的用户数据，其中包括移动用户识别，MT所处位置识别（Cell-ID）和其他登记等信息。用户开机申请定位登记时，当MT进入到漫游业务区域后，移动定位寄存器可把MT的用户识别号和本寄存器的识别号送回本地定位寄存器，若确定为合法用户，移动定位寄存器把本地寄存器中获取到的用户静态数据自行保存。当此MT被用户请求时，移动寄存器分配给MT漫游号，在送回本地寄存器暂存。本次路由接续是由主呼MT所在的MSC将被呼MT归属HLR中暂存的漫游号作为依据。即使是处于本地移动网的非漫游用户，同样需要分配一个漫游号，因此GSM具有自动漫游功能。AT是Attention的缩写，一般应用于终端设备与PC机之间的连接与通信。它的前身是贺氏Hayes设计的Modem命令集，通过这些指令集，可以用来配置Modem，与远程系统通信，发起或应答一个呼叫等。根据AT命令格式要求只能一条命令一句AT指令；甚至当用户手机向PC端发出的URC 指示或者响应的指令也只能一行一句，而一行中有多条指示属于非法程序。自modem指令集创造以来，随着移动电话业务技术的发展，伴随着无线网络通信协议的拓展，对于移动电话短消息的收发需求，制定了SMS(短消息服务)块模式的协议，用于控制在用户手机之间的短信收发。随着移动通信业务需求的不断扩大，各大移动电厂商如诺基亚、爱立信、摩托罗拉和惠普在接下来的几年里共同协定制定了一套完整的AT命令集。综合之前贺氏的Modem命令集，增加了用于控制SMS的指令和制定了新的GSM07.05/07.07 标准。AT指令发送过程的最终目的，是通过终端适配器和终端设备发送指令，移动中转站接收到编码信号后，再把信号发送至GSM网络。AT命令的格式为“AT/at+”。 在无线通信模块中，所用到的命令集主要有三种：“AT/at+xx”、“AT/at+Cxx”、“AT/atSxxx”。由GSM模块的GSM07.07标准定义可知，设定了GSM模块的AT_Command接口用于连接移动手机端和终端设备控制端。在GSM07.05标准中定义了在接收到GSM网络的短消息后，用户可根据现场状况发送短信消息，GSM模块数据接收端收到命令短消息。在所有指令集中，与短信息发送接收过程中可能会用到的AT指令有：AT+CMGC Send an SMS command（发送一条短消息命令）；AT+CMGD Delete SMS message（删除SIM卡内存的短消息）；AT+CMGF Select SMS message format（选择短消息信息格式命令）；AT+CMSS（从SIM卡中发信息）；AT+CMGL（列出SIM卡中短消息格式）；AT+CMGS Send SMS message（发送短消息）；AT+CMGR Reads Message（读短消息）；AT+CNMI New SMS message indication（显示新收到的短消息）3 硬件设计系统包括IAP15F2K61S2单片机最小系统、HLK-RM04无线模块的带记忆功能的无线红外控制终端、GSM进行手机传输模块、WIFI模块、温度，湿度模块、PM2.5，烟雾报警模块、语音播报模块、摄像头网络监控模块、光电检测控制窗帘、蓝牙匹配控制（水、电、气）总开关等，实现了对家用环境远、近程的智能检测与控制、红外记忆、红外遥控、温湿度显示等功能。3.1 系统控制模块我们采用STC15系列IAP15F2K61S2 芯片。在应用可编程、无需编程器、仿真器。IAP15F2K61S2是一种集成度高，功能强的单片机芯片，增强型8051CPU。单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍，较本系统而言串口够用，并且该芯片各种接口扩展齐全，较8051单片机IAP15F2K61S2增添了许多功能，其应用的可靠性和速度都有很大程度的提高。MCU模块主要采用STC15系列IAP15F2K61S2作为主控芯片，该模块实现对红外遥控器编码的存储、发射以及向用户控制终端反馈信息。其模块电路原理图如图6所示：图6、MCU模块电路图3.2 无线模块（HLK-RM04）该模块是一种低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口-以太网-无线网）模块，是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP 协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（WIFI）3 个接口之间的转换。通过HLK-RM04 模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet 网络传输自己的数据。为用户的串口设备通过网络传输数据提供完整快速的解决方案。功能结构见下图，电路原理图如图7所示：无线通信模块功能结构图7、无线模块电路图3.3 GSM模块（SIM300）选用SIM300三频段GSM/GPRS模块，可在全球范围内的EGSM900MHZ、DCS1800MHZ、PCS1900MHZ三种频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多大10个，且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。SIM300结构小巧，它具有两种RF天线接口，并且功耗低，SIM300内部集成了TCP/IP协议栈，并扩张TCP/IP AT指令，利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便。整个系统采用GPRS技术和短信消息的方式来实现无线传输短消息，并且控制器将把短消息分析翻译成为可以识别的命令编码。这样可以通过手机操控的方式来实现家居监控，用GPRS接入的好处是可以满足部分internet普及率不是很高的现状，同时用手机对家庭进行监控弥补了通常智能家居控制器的操作距离短，地域限制等问题，并且以短消息的方式对系统进行控制，提高了效率降低了成本，同时本系统可以扩展应用于多种无人职守地区的监控安防等场所。图8、GSM模块电路图3.4 红外发射模块本设计采用NE555构成占空比可调的震荡电路给红外脉冲提供38K载波，滑动变阻器调节占空比。单片机输出的信号与38K载波调制后，经红外发射管发射出去。红外发射模块电路原理如图9所示：图9、红外发射模块电路图3.5 DHT11温度湿度检测模块该模块采用了温度和湿度同时检测，DHT11是一款已含有数字信号输出的温湿度复合传感器，直接输出数字量，用户只需通过串口读取数据即可。DTH11具有极高的可靠性和长期的稳定性，传感器包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测量元件，DHT11都要在室内校准，校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数，单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，DHT11传感器所测数据误差较小，且具有超快响应、超小体积、极低的功耗、干干扰能力强等优点。综合上述阐释的优点，因此该系统采用了DHT11温湿度复合传感器模块，其电路原理图如图10所示：图10、温度湿度检测模块电路图3.6 MQ-5煤气检测模块该模块为模拟量输出，通过输出与比较器相连，判断高低，煤气、天然气检测报警系统由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于室内，主要对各检测点进行监控，探测器安装于煤气、天然气易泄露的地点，如厨房等。其核心部件为内置的气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度，探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，报警器发出报警信号，并迅速做出相应保护措施，如关掉煤气、天然气的总阀门等，自动排除隐患。采用MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡,其模块电路原理图如图11所示：图11、煤气检测模块电路图3.7 烟雾报警检测模块烟雾报警器的最基本组成部分包括：烟雾传感器，模数转换电路，单片机控制电路及报警 ，单片机紧紧联系着传感器和报警电路设备，给烟雾报警器设定一个值，当外界环境达到预先设定一个值，当外界环境达到预先设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理作为输入参数，转换为电路输出。该模块能对数据进行分析，是否大于或等于某个预设值，如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态，本系统采用高性能的单片机，工作稳定，测量密度高，通用性强，耗能低，保证报警器的精确性及可靠性而且体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本，是厨房卫士等易发生火灾的地方必不可少的选择。该模块由烟雾传感器，模数转换电路，单片机控制电路和报警电路等组成，其模块电路原理图如图12所示：图12、烟雾报警检测模块电路图3.8 语音播报模块本设计采用QYMTF1FS语音模块，QYMTF1FS语音模块是一个提供串口的语音模块，集成了MP3、WVA的硬解码，软件支持工业级别的串口通信协议，以SPIFLASH、TF卡或者U盘作为存储介质，可以灵活的选用其中一种设备作为语音的存储介质，通过串口指令完成播放指定的语音。其模块电路原理图如图13所示：图13、语音播报模块电路图3.9 手机蓝牙匹配控制（水，电，气）开关模块蓝牙技术使现代一些易携带的移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等家电，组成一个巨大的无线通信网络。红外无线技术是设备或者系统通过红外辐射传递数据的一种无线技术。调频无线技术也最早使用的无线电技术。只要利用这三种技术中的一种我们就可以实现无线控制开关了。本方案我们是利用蓝牙技术，即手机蓝牙与家庭中固定蓝牙配对以控制家中的水、电、气总开关的开、断从而到达节能环保的作用。该模块采用蓝牙匹配技术，可以无线控制水、电、气等家庭中总开关。其模块电路原理图如图14所示：图14、手机蓝牙匹配控制（水，电，气）开关模块电路图3.10 串口通信模块本设计采用MAX232芯片构成串口，其电路采用MAX232与RS232组成，实现串口通信。其模块电路原理图如图15所示：图15、串口通信电路图4 软件设计4.1 主控端红外记忆及发射模块程序该程序用于选择学习模式、温度采集模式及发射模式，并执行相关操作，程序流程图如下图所示：图16、红外脉冲记忆、发射程序流程4.2 红外脉冲解码子程序 单片机接收红外编码进行解码、判断并执行对应操作，其程序流程图如图所示：图17、红外脉冲解码程序流程4.3 室内环境监控系统程序该程序用于在接到用户远程控制指令后，监控并改善室内环境（如温湿度、PM2.5等），程序流程图如下图所示：图18、室内环境监控程序流程5 系统测试5.1 主要技术指标 (1) 红外遥控编码方式NEC，载波38K，发射距离8米，发射及接收角度为30；(2) PM2.5测量传感器电流消耗：最大值20mA，11mA典型值，灵敏度：0.5V/0.1mg/m3；(3) 煤气传感器检测气体：天然气、甲烷、煤制气、LPG，检测浓度：300-10000ppm； (4) 湿度测量范围：20%-95%（0度-50度范围）湿度测量误差：+-5%；(5) 温度测量范围：0度-50度 温度测量误差：+-2度。5.2 系统模块测试 根据系统设计功能，分模块进行以下测试：(1) 自动控制模式测试当开启系统时，系统能将测量值实时反馈给用户，并能根据设定的阀值来自动开启或关闭电器设备，使其能自动调节环境参数，从而达到人体的适宜值，达到一个动态平衡；图19、系统图(2) 手动控制模式测试先由终端学习红外，再经测试通过手机APP直接控制家用电器设备，可以省去各种遥控器；图20、红外学习(3) MQ-5煤气检测模块与PM2.5模块测试当环境煤气、天然气浓度，PM2.5值高于设定的阀值时，相应模块即刻报警，再经由终端将数据反馈给手机，方便用户远程检测住宅室内的煤气、天然气浓度。检测可燃气体前图21、检测可燃气体后(4) 室内温、湿度检测首先打开WiFi模块，手机屏幕上显示出室内测试前的数据，增加温度和湿度后，手机屏幕上的数据更新。温、湿度数据更新前图22、温、湿度数据更新后（5）用户远程监控功能测试直接点击手机AAP中的获取家境情况，自动发送短信到住宅里面的终端，再经由终端向手机发送所获取的数据，实现远程监控的作用。图23、短信发送5.3 系统实物展示 图24、室内环境监控子系统图25、带学习功能的远程控制系统6 结论系统根据设计方案实现了设计要求，主要的技术指标也能达到，最终实现了技术的创新。6.1 作品的适用范围 家庭环境远程智能监控系统以住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、无线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起；与普通家居相比，家庭环境远程智能监控系统不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，健康性甚至为各种能源费用节约资金。6.2 与同类产品的对比6.2.1 与同类产品的功能做比较与同类产品的功能做比较，家庭环境远程智能监控系统有以下4大特性：(1)智能化：由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，通过主控机、智能手机以及平板电脑实现红外电器设备的远程控制，用户用随身携带的智能手机就可实现对家庭环境的监控及外部电设备的控制；(2)信息化：提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持讯息交流畅通；(3)人性化：强调人的主观能动性，重视人与居住环境的协调，使用户能随心所欲地控制室内居住环境；(4)节能化：取消了家用电器的睡眠模式，一键彻底断电，从而节省了电能。6.2.2 成本比较家庭环境远程智能监控系统的硬件成本在500元左右。“家庭环境远程智能监控系统”硬件成本如下表：其它智能家居的成本很高，低至6000元高达上万元；我们的家庭环境远程智能监控系统低成本，高效益，可以为居民提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话短信远程控制、室内外遥控、烟雾报警、语音播报家庭情况以及可编程定时控制等多种功能和手段，使人们的生活更加舒适、便利和安全，受到广大居民的喜爱，市场应用前景可观。6.3 应用前景预测家庭环境远程智能监控系统将家庭中的信息与相关的通信设备，电器和家庭安防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或者异地的监控，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协调。家中的温度，湿度，PM2.5值，煤气、天然气浓度，光线强弱等进行自动检测，并能做出相应的调整，使室内环境得到一个有利状态。在技术不断革新的现状下，一套可以实现远程监控，智能照明，以及智能测控的智能物联家居系统，使住宅更加智能化，人性化，高效化，节能化。随着社会经济水平的提高和发展，人们的生活质量也在相应的变化，对日常生活环境和健康状况越来越关注。但是由于社会的发展带来了各方面的污染，家庭的生活环境也随着空气质量的变化而不断的恶化。为了提高人们的生活环境质量，及时掌握空气质量的变化和更加健康的生活，我们开发了家庭环境远程智能监控系统。我国有居民14亿之多，对智能家居系统有需求的居民同样占有重大的比例。目前，市场上并没有一套完整可靠的物联网智能家居系统的解决方案，仅有散件和部分功能模块出售。由此观之，其应用前景十分广阔，具有可观的经济效益和市场推广应用前景。参考文献1 杨素行，模拟电子技术基础简明教程（第三版），清华大学电子学教研室，2006年5月；2 胡乾斌，李光斌，李玲，甘锡英. 单片微型计算机原理与应用. 武汉: 华中科技大学出版社，2001. 30-603 刘万辉，杨晔；基于Android系统的温室智能监控系统的设计开发，2013年5期；4 李琴，陈立定，任志刚；基于Android智能手机远程视频监控系统的设计J电视技术；2012年07期；5 沈苏彬，范曲立，宗平，毛燕琴。黄维，物联网的体系结构与相关技术研究J南京邮电大学学报（自然科学版）；6 李光革。苗建松，基于Android的物联网环境监控应用设计与实现，软件；2013年09期；7 薛以锋, 谭小丹. 与 PC 机红外通信的实验研究. 中国医学物理学杂志J,2001, 18(3): p161.8 张永学, 封磊, 吴蔚. 基于 S3C2410X 的 SIR 红外通信系统设计. 石油仪器J, 2006, 20(3): p9.9 邱磊, 肖兵. 基于 IrDA 协议栈的红外通信综述. 无线通信技术J, 2004, 28(4): p28.10 范长胜，李志鹏，郭艳玲. 网络智能型家居服务器的核心模块设计J. 机电工程技术，2006,11(3)：30-32.11 解兆延. 基于嵌入式系统的网络智能家居控制器的设计与实现D.山东：山东科技大学，2006.