智能家居系统设计与实现

本本 科科 毕毕 业业 设设 计计(论论 文文)智能家居系统设计与实现智能家居系统设计与实现The Design and Implementation ofThe Design and Implementation ofSmart Home SystemSmart Home System学院：专 业 班 级：学 生：学号：指 导 教 师：2017 年 6 月-1-/35毕业设计（论文）中文摘要智能家居系统设计与实现摘要：随着科技的的发展，各种新兴的技术不断涌入我们大众的视野。从人工智能阿法狗到家用智能机器人，智能化产业也开始飞速发展。而如今，经济的发展使得人们开始对自己生活的环境和水平有了更高的要求。智能家居极大的方便了人们的生活，使得人们生活的更舒适。所以，在这种情况下，智能家居系统适应了人们的需求，并且飞速发展。本文设计的是以 STC89C52 为中心，能够实时显示家居环境的温度、烟雾等情况。当室温度或者烟雾等情况超过预期的设定的围，系统将会发出蜂鸣器报警，并且向用户发送报警信息的短消息提示。根据报警系统，用户可以借助 GSM模块得以实现远程手机短消息查询和控制家居环境的功能。在本系统的功能上还能够根据不同的需要自行更改一些电路或者扩展的部分，以实现各种不同的功能。关键词：智能家居；STC89C52；报警系统；GSM-2-/35毕业设计（论文）外文摘要毕业设计（论文）外文摘要The Design and Implementation of Smart Home SystemThe Design and Implementation of Smart Home SystemAbstract:Abstract:With the development of science and technology,more and moretechnologies are coming to the public.Alpha Go and smart robot are the symbolizesof development in intelligent industry.Nowadays,people are asking for environmentand quality in their daily life.The Smart Home System can Simplify peoples way oflife and makepeople feel more comfortable.it also can adapt to people s requirements.So,under this circumstances,it develops rapidly.The design of this articleis mainly focused on STC89C52,through which we canquery and control something in our home.When the room temperature or smoke morethan the expected range of the set,the system buzzer will alarm,and send the alarmmessage to the user.According to the alarm system,we also can query and controlother things in our home.we also can add some other parts which we are needed,toachieve other different functions.Keywords:Keywords:Smart home;STC89C52;Alarm system;GSM-3-/35目录1 绪论 11.1 课题研究的意义 11.2 智能家居系统的发展现状 21.2.1 国智能家居发展现状 21.2.2 国外智能家居发展现状 32 系统总体设计 42.1 系统总体设计 52.2 设计原则 52.2.1 稳定可靠 52.2.2 成本低廉 62.2.3 使用简便有效 62.3 硬件设计总体框图 63 硬件电路设计 83.1 STC89C52.83.2 GSM 模块 123.2.1GSM 模块介绍 123.2.2 串口通信 133.3 家庭终端电路 143.3.1 温度监测模块 143.3.2 蜂鸣器报警模块.143.3.3 烟雾检测模块 153.3.4 继电器控制模块 153.3.5 按钮控制模块 163.4 总体电路 164 软件与调试 184.1 系统总体软件 184.2 温度监测模块 194.3 烟雾监测模块 204.4 手机短消息模块 215 系统调试 23结论 29致30参 考 文 献 311/35二一七届本科毕业设计（论文）第 1 页 共 31 页1 绪论随着社会与科学技术的车轮的不断向前，各种先进的技术不停地出现，信息时代、智能科技时代已然悄然到来。在不知不觉中，数字化已经开始渗透到生活的各个方面，极丰富人们的生活容，提高了人民的生活水平。从之前 1997 年的“深蓝”，到如今的“阿法狗”，人工智能也逐渐走进了我们大众的视野。人类社会从茹毛饮血、刀耕火种的原始社会，发展到今天的机械化、电子化社会，更有甚者部分地区已然出现的智能化社会。伴随着先进技术的进步，智能化将会像洪流一样流遍世界的各个地区，变成无法阻挡的力量，提高人类生活的水平和质量。所以说家居智能化的发展，必定将会是社会发展历程中不可缺少的一段路程。智能家居，它是近几年在国才兴起的名词，其依托家庭住宅为基础，在其基础上，集成了系统、服务、管理、控制各个部分，运用了先进的计算机技术、自动化技术、网络技术、无线通信技术等，把在家居生活的主要常用的各个电器设备综合到一起，使其能够通过网络综合检测和控制家里的环境与电器设备，以此来的到一个安全健康、优质舒适、便捷高效、节能环保的居住环境。对智能家居来说，它不仅是一个国家的实力的表达，也将会是人类住宅发展道路上的的必经之路1。1.1 课题研究的意义受互联网发展的影响，智能家居行业也发展迅速。从单单的互联网发展到如今的物联网。智能家居系统从最开始的简单功能到如今的集各种功能于一体。它把家庭网络里的多种器件或系统集成在一起，如照明、温控、安保系统等，实现了能够室外控制，防盗报警，环境监控，手机远程查询控制等功能。与普通的家庭住所相比，智能化的家居不仅拥有传统的基本住宅生活功能，而且增加了新的建筑通信，配备信息家电，家庭电器基本实现了电器自动化。智能家居系统已成为了现代先进的新型住宅的代表。实现了效率、舒适、安全、环保等标准于一体。它大大的方便了人们对家庭环境的要求的实现，将系统、结构、服务和管理进行整合，简化人与环境的信息的交换。并且当家庭主人不在住宅时，依然可以能够在外与家里环境沟通和调整。这些使得人们的生活变得更加合理，时间也更灵活。还有，它也使得住所安全性得到极大的提高，为住户提供安全的保障。另外还可以减少能源的浪费，降低成本，从长远上来说间接为国家增大效益，为国家发展做出贡献。当今社会，世界经济发展放缓，而中国经济依然保持较好的发展势头。而这一情况的主要原因大都是建立在巨量的石油资源的消耗，不可再生能源的日益减少上的。以此为基础，以保持人类可持续发展为目的，世界的大多数国家都提出适合自己国家的节能减排和面向低碳方向发展的措施。在日常生活中，人们所处的地方所占时间最长的就属建筑里了，所以对于一栋能够节能环保的建筑需求就1/35二一七届本科毕业设计（论文）第 2 页 共 31 页越来越显得迫切了2。随着这种需求的发展，国家也开始注意到这个方面，逐步开始出台了一些和鼓励支持绿色建筑的政策。而且建筑行业产业链较长，延伸有很多方面，单单的建筑业发展就能够带动带动很多其他的产业，比如制造业、服务业等。谈到建筑行业，智能化的建筑就不得不提。家居电器智能化的发展在这背景下就迅速发展起来。建筑的智能化的发展也会反过来促进房地产等其他行业的持续性发展。当前，由于我国各方面的快速发展，我国的家居智能化也有了一定的发展基础。然而相比与其他发达国家，我国智能家居行业仍然相形见绌。在我国，智能家居行业并没有一些通用的标准或准则，各个企业基本根据自己的发展方向，研发出自己公司的独特的智能家居产品。然而，百花齐放，百家争鸣，越来越多的企业涉猎于此，却始终没有来约束方圆的规矩。这些都大大阻碍了家居产品智能化的发展3。另外，地球环境的逐渐恶劣，造成人们日常生活中的许多麻烦，就像严重雾霾，沙尘暴等天气，人们出行在外都是武装到牙齿。在这样的外界环境下，人们怎能不担心自己的身体健康。出行在外就已经提心吊胆，难道在家或者在办公室还要再继续担惊受怕？社会越来越进步，科技愈来愈发达，人们对于日常的家居生活水平的要求也越来越高4。智能家居能够依靠其带给用户优质的生活体验，简便的生活方式，逐渐涌入大众的眼球。智能家居而作为不断其整体的发展恰好能够满足大众对于生活方面越来越高的要求，符合大众的心意。所以，对于智能家居系统的发展来说，基本就是用前程似锦来形容，这也是本课题研究的重要意义7。1.2 智能家居系统的发展现状1.2.1 国智能家居发展现状对我国来说，智能家居发展上比 其他的国家要迟一些。就拿上个世纪八十年代来说，我国整体发展的都比较迟缓，生活条件比较艰苦吃饱穿暖有地方住就是基本的生活需求。要说在自家住宅上实现智能化，根本就沾不到边。但逐渐随着国家和社会的发展与各种科学技术的进步，人们的生活水平慢慢从温饱型向着小康社会的水平迈进。由于生活水平提高，条件的改善，对住房方面的要求也更多元化。而且本来在我国就有着很大的人口基数，对于衣食住行中的住房方面有着比其他一般的国家更大的需求。因此在这个背景下，智能家居在房地产行业逐渐并且快速地发展了起来。各个公司都争相投入到其中，大力发展智能家居系统。即使如此，其发展也遇到了很多困难。首先，国的大多数人都对智能家居了解甚少，只是单纯知道智能家居片面的意思，没有真正的从本质上了解智能家居的性质和原理，不太会承受智能家居的使用，这就给智能家居的普与造成一定的困难；其次，在智能家居系统行业，没有一致的标准，各种技术的运用与效果参差不齐，兼容和稳定都不能达到大众的2/35二一七届本科毕业设计（论文）第 3 页 共 31 页需求，与大众所想的成品效果相差较远。从而使得大众容易误解，以偏概全，从而否定整个行业的产品。还有就是成本与造价费用高昂。对一般的普通家庭来说，假如要一套一般智能建筑，它里带有智能家居系统，系统还要包含建筑里面所必须的智能电器设备，所需要的费用将会极超过普通的建筑所需要的费用，大大超过初期的预算。但随着改革开放的深入和国家发展，一些初期的问题就慢慢得到了解决，智能家居行业逐渐出现蓬勃发展的态势。国家的“十二五”规划也提出了的一些相应的政策，鼓励和支持其发展。到如今的“十三五”，国智能家居行业已经呈现百家争鸣的势头，他们在智能家居方面都各自有着自己的一些建树。例如华为、小米、海尔、腾讯等。他们都在智能家居的发展上花费了许许多多的金钱与精力，致力于钻研适合自己企业发展的并能够与其他公司的产品兼容的智能化家居系统5。1.2.2 国外智能家居发展现状从上个世纪末期开始，电子技术的在家用电器方面的运用就已经变得逐渐广泛起来，住宅电子化也应运而生。而后开始，家中的各个电器与通讯设备还有安保等融合在了一块，即成为了家居自动化。这个概念自此而生并且逐渐发展，随着在其中运用到了总线技术后，能够对居住环境整个进行监控调整，成为一个更为实用的商业系统。比如美国的 Wise Home 和欧洲的 Smart Home，所指的就是如此6。紧接着德国和日本等国家也发现其前景的广阔，纷纷效仿并且投入大量的精力，使得智能家居的发展进入空前的繁荣时期。最开始世界首富比尔盖茨不惜重金，建造了属于自己的一套智能住所。他的住所里面布局着很多很多的电缆，通过这些电缆将建筑里的电器等设备组合到一个巨大的网络里面。从建筑里面的很小的单独的房间来说，主人都可以通过灵敏的触摸板来进行调整和控制屋里的温度、湿度、灯光的光照亮度等。在此后不到一年，在“亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上面，就出现了一套更为功能强大的智能家居系统。它已经基本包含了居住环境的各个方面。有水表的示数、电表的示数、安全防盗功能、室人员的识别、常用电器的控制、实时的监控等。随着这套系统的展示，世界各地有着许多的家庭都先后对其进行改造，运用于自己住宅。观察到智能家居的兴起，各个商业巨头当然不会放过智能家居行业这块大蛋糕，各自都付出了不少的时间与资金，大力投资到智能家居行业。在其行业国外比较有名的有三星、松下、苹果等公司。就拿三星来说，从最开始进入智能家居行业，到如今，三星已经基本能够占领整条智能家电的产业链。三星自己生产的智能家具电器的主要部分的零器件，绝大多数都是源于自己的开发和生产。所以，三星掌握着许许多多的专利，建造者属于自己的生产基地，而且经销商遍布各个国家和地区。三星在三年前就收购了 SmartThings。由此，三星的智能家居方面又有了一块坚固的后盾。其提供的各种技术支持可以广泛运用3/35二一七届本科毕业设计（论文）第 4 页 共 31 页到三星的各种设备上。通过这些智能设备，三星的智能家居发展到现在已经非常成熟。而且在德国柏林举行的 IFA 展会上，三星就发布了第二代 SmartThingsHub 智能家居套件。而苹果在 2014 年发布的智能家居平台 Home Kit，其已经成为了一个智能家居的应用。早在 2015 年 5 月 15 日，苹果就宣布，首批支持其 Home Kit 平台的智能家居设备在下个月月上市；2016 年 6 月 13 日，苹果开发者大会 WWDC 在旧金山召开，会议宣布建筑商开始支持 Home Kit。将苹果系统 iOS 10 更新之后,就会多出了一个新的 APP家庭系统。当打开了该 APP 后，就能够直观地了解到家庭里的情况。而且，对于我们熟悉的 Siri，也支持了第三方的应用程序。当我们与 Siri 进行交互时，就能够直接控制家庭住宅的的智能家电等。比如告知Siri 自己要睡觉时，它就可以控制家里的智能灯的关闭，锁上家里的智能门等。当然，用户也可以根据自己的个人喜好来进行一些自定义的操作或者功能的实现等。所以说，智能家居系统部的功能也逐渐丰富起来，从最初的对家用电器的简单控制，到门禁系统、对环境的检测和报警和调整，远程抄表等功能。国外的发展都极为迅速。2 系统总体设计4/35二一七届本科毕业设计（论文）第 5 页 共 31 页本次设计的智能家居系统主要是以 STC89C52 为主控芯片，通过主要的家庭用的传感器来对家庭部的环境进行监测，通过 GSM 模块，用短消息的方式发送给手机端，使得即使主人没有待在家里，也可以了解到家庭实时的环境，从而选择对家庭电器的控制进而进行调整，本系统硬件部分主要有主控芯片模块、显示模块、报警模块、按键控制模块、传感器监测模块、GSM 模块等，另外还有系统软件等部分的设计8。2.1 系统总体设计本次的系统设计主要为智能家居控制系统。其主要设计要求如下：1、温度、烟雾的实时监测与显示。通过家庭部终端传感器对家居环境的温度、烟雾参数进行采集，并将得到的数据传到主控芯片，在主控芯片完成分析与处理等，然后可以通过 LCD 显示屏显示当前环境的主要值，主要为温度与烟雾的情况，在后期可以根据实际情况再进行适当的更改。另外，当住所的住户或者主人不在房间部或者不能观察到显示屏时，能够在外地使用手机进行实时的主要情况的查询。2、阈值调整。当然，住户或主人可以根据不同的时间段，不同的环境，适当以外界季节环境或者天气环境的变化为基础，以实际的情况来适当调整温度或者烟雾的限制围。通过调整温度与烟雾的上下限，也可为阈值，来调整不同情况下温度或者烟雾的临界值，或者为报警值。3、报警功能。即通过蜂鸣器的声音报警和发送的短消息进行报警。当终端的传感器采集到的温度值和烟雾值超出了预期设定的阈值时候，就会进行报警。报警时蜂鸣器正常工作。与此同时在主芯片控制下，经由 GSM 模块发送信息到预期留下的手机上，以便提示告知用户家里突然的变化或者实时的情况等。4、控制功能。在电路的外围部分添加了继电器电路。该继电器可以经由手机端的短消息指令，控制电路的开关。继电器可以连接或者扩展到其他的终端电路上。例如将其连接或者扩展成窗帘的控制系统、照明系统等。通过简单的短信息控制继电器的工作与否就完成可控制窗帘、照明系统等。2.2 设计原则在进行一个系统的设计之初，需要考虑许多重要的方面。如果在开始设计之前没有充分进行这些方面，就可能导致在整个系统完成之后出现一系列的问题。因此要在准备进行设计之前就做好相应的准备。做好调研考察，尽量熟悉整个系统的目的、成本、可行性等，需要考虑到的原则大致如下：2.2.1 稳定可靠一个系统在运行过程中可能会跳出意想不到的问题。有的系统在完成之后就不再容易进行部分的修改。所以整个系统运行的稳定状况就成为系统效率或者使用周期的基础。在系统的整个生命周期里，是否会出现运行不稳定而造成系统的5/35二一七届本科毕业设计（论文）第 6 页 共 31 页崩溃，或者因为系统运行错误而造成的一些难以挽回的损失，这些都需要进行慎重的考虑。所以说，整个系统能稳定和可靠的运行，才是其他方面的基础。2.2.2 成本低廉对于一个系统来说，不管在什么情况下，要完成整个个系统的花费肯定是越少越好。不论是对生产者还是用户，少花钱多赚钱是不变的真理。设计之初就要想好整个系统大致的成本，如果成本太高是否能够找到一些降低成本的方法。如果不能降低成本，整个系统的花费能否承受。这一些问题在初期都需要考虑。2.2.3 使用简便有效在进行系统的设计时，大多都是站在设计者自己的高度来进行设想，无法实地了解到真正使用的人的知识、背景或其他的一些使用时的特殊状况。不能细致的考虑到这一些，完成的系统往往就无法满足使用者的要求等。从而就会造成双方的一些不必要的损失。2.3 硬件设计总体框图本系统采用 STC89C52 作为中心芯片，通过对外部终端的传感器获取到的温度、烟雾等信号进行分析与处理，在显示屏上能够显示相应的环境状况。但是，当终端传感器采集到的温度或者烟雾情况超出了初期预设的围，蜂鸣器就会发出声音报警。同时，GSM 模块就会通过本身模块上的 SIM 卡，往另一个手机端的发送信息。这个接收到信息的手机便是一开始已经设定的手机。另外，该系统也可以由用户自己设定温度和烟雾的限制围，即设定温度和烟雾的上下阈值。通过切换不同的模式，切换到温度或者烟雾显示部分，在根据不同环境条件或不同时期的需求适当的调整温度与烟雾围。并且，在当户主或主人用户出行在外或者没有与时回到家中的时候，他就可以通过短消息来查询或控制家里的环境状况或者电器基本运作情况等。本系统的主要运作方式如以下图 2-1 所示：6/35二一七届本科毕业设计（论文）第 7 页 共 31 页手机GSM 模块温度监测主控芯片STC89C52短消息蜂鸣器报警外围电器的控制烟雾监测A/D 转换主要环境参数与各状态显示图 2-1 系统总体框图7/35二一七届本科毕业设计（论文）第 8 页 共 31 页3 硬件电路设计整个系统主要分为中心芯片控制模块 STC89C52、GSM通信模块、家庭终端电路模块，其中家庭终端电路可以随意自行调整和修改，主要最终得到适合自己家庭的模块或者网络即可。本章主要举例讲述温度传感器、烟雾传感器与有能够自行控制的继电器模块。继电器部分可适当扩展成其他功能模块，这里不做赘述。3.1 STC 89C52单片机 STC89C52 主控制模块即整个系统的核心模块，主要通过执行其程序存储器 Rom 中的程序来对其 4 个并行 I/O口进行读写操作完成对其他模块的控制，STC89C52 型号芯片主要带有以下功能和特性9，如下表所示：表 3-1 主要功能特性表模块指令Flash ROM特点兼容 MCS51 指令系统8k 可反复擦写(大于 1000 次）Flash ROMI/O口32 个双向 I/O 口RAM256x8bit 部 RAM时钟频率时钟频率 0-24MHz定时/计数器中断3 个 16 位可编程定时/计数器中断I/O 口32 个双向 I/O 口中断源 2 个外部中断源，共 8 个中断源其他低功耗空闲、掉电模式软件设置睡眠、唤醒功能8/35二一七届本科毕业设计（论文）第 9 页 共 31 页STC89C52 实物如下所示：图 3-1 STC89C52 实物图各个引脚的具体介绍主要如下：除了基本的 VCC 需要接高电平 5 伏电压和 VSS 接地外，其他主要的引脚主要功能大致如下表所示：9/35二一七届本科毕业设计（论文）第 10 页 共 31 页表 3-2 引脚功能表引脚XTAL1、XTAL2功能特性晶体振荡电路反相输入端和输出端。RST（Reset）：复位信号输入端。VPD：在 VCC 掉电情况下，接备用电源。ALE：用来锁存P0 口送出的 8 低位地址。PROG：片有EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。EA：外 ROM 选择端。VPP：片有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 VPP。此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。P0 是双向 8 位三态 I/O 口，在外接存储器时，与地址总线的低 8 位与数据总线复用专门供用户使用的 I/O 口,是准双向口是从系统扩展时作高 8 位地址线用。不扩展外部存储器时,P2 口也可以作为用户 I/O 口线使用,P2 口也是准双向口。双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一 I/O 功能或第二I/O 功能。作为第一功能使用时操作同P1 口。RST/VPDALE/PROGEA/VPPPSENP0P1P2P3电源模块：主芯片 STC89C52 的工作电压围基本为，最高不能超过 5.5 伏电压，最低不得低于 3.4 伏电压（5 伏单片机）。由上可知就可以知道这个芯片在正常的工作时候，驱动的电压是个围区间，只要电源 VCC 的电压在 3.4 伏至 5.5 伏之间时候，该芯片基本可以正常工作，。但是，如果芯片的驱动电源的电压高过 5.5 伏，这种情况下是不能够接到主芯片上的，因为由于电压太高了，会烧坏芯片；另外，当电源的驱动电压少于 3.4 伏时，芯片虽然不至于损坏，但是他也不能够正常地工作。所以在这个围的电源电压，最基础、最常见的电压值就是5 伏了，这也是后面括号里“5 伏单片机”这个名称的来源。除了这种情况之外，还有一种常见的就是，主芯片的工作电压围区间是 2.7 伏到 3.6 伏之间。它的芯片这种就是用的我们常说的 3.3 伏的电压，即为“3.3 伏单片机”。本次使用的电源电路使用USB 供电，电路图主要如下所示：10/35二一七届本科毕业设计（论文）第 11 页 共 31 页图 3-2 电源部分电路图晶振电路：说到单片机，就得提到他的“心脏”-晶振。晶振就是咱们平常在书上看到的石英晶体振荡器。根据不同的需要，在其上接入适宜的电路，就能够让其生出具有特定的正弦波。这个产生的正弦波因为其电路特点，晶振的不同，而具有特定的频率和极值。晶振通常可以划分为无源的晶振和有源的晶振这两类。他们的作用等基本都相同，稍微有点差别就是：无源的只是有着 2 只引脚的无极性元器件，由于其无法自身启振，要依托时钟电路，才会产生振荡信号。有源的不同之处就在于它一般有着 4 只外接的引脚，一般体积上稍微大一些。有源的晶振是一个振荡器的完全体，它里面含有了石英晶体、晶体管、阻容元器件等。它在外文中也叫震荡器（oscillator）。有源的晶振需要外部来对其进行供电，当在为有源晶振提供电源后就可以主动产生振荡频率。无源晶振不可以自己自行启振，所以需要主控芯片为其启振。从各个的价钱方面价格来说，购买无源晶振一般都要比有源晶振花费更少的钱。本系统的使用的晶振电路主要如以下图所示：图 3-3 晶振电路图11/35二一七届本科毕业设计（论文）第 12 页 共 31 页复位电路：单片机一般都需要一个复位电路连接在其固定的复位脚上，不同的芯片有着不同的复位方式。本文使用的复位电路主要如下：图 3-4 复位电路图3.2GSM模块3.2.1GSM 模块介绍GSM 模块是一个集成的功能模块。在对外方面，它提供了标准的借口，而其部则大有天地。里面含有许多的子模块部分，主要有射频部分、存储部分、功放部分和基带处理部分。另外还有能够给射频与基带处理相呼应的，并且是独立的操作系统10。在其功能方面，与普通的手机功能不同的地方只有很少的几个部分。除了缺少了按钮控制的部分、画面显示的部分、电源供电部分等，其能够实现的功能就像手机一样，如简单的发送短信、与其他端进行语音通话、GPRS 传输数据等。所以在我们看来，它与手机作用几乎类似，这也与其开始开发与使用时期的用途有关。在其初期发展的时候，与手机商家的关系可谓密不可分。部分生产手机的一些商家在购得 GSM 模块后，就在其基础上稍微添加一些简单的器件就完成一部手机的制造。因为此模块解决了制造手机过程中的困难的部分。就是它本身就能够完成手机中射频的发送，还有一些基带处理方面的问题等。这些优点让手机制造业大大减少了生产周期。但近些年来，手机行业发展地飞快，这种情况也慢慢的就越来越少了。本文使用的是由西门子公司生产的 TC35 模块。即使在没有外接上其他额外的电路时候，它也能够完成 FR、HR、EFR 等编码。实现一些基本的数据传输，像音频的传输、短信息的传输与与其他的终端进行通信等。它对所使用的的电源要求较为苛刻，电源的电压一般在 3.3 伏到 4.8 伏之间。电流状况变化的幅度较12/35二一七届本科毕业设计（论文）第 13 页 共 31 页大，从休眠的时候只有 3.5 毫安，到处在发射状态时候的300 毫安，再有甚最大的峰值时候能达到 2.5 安培。在接到电源上以后，模块上的指示灯就会出现不同的闪烁情况，告知我们它的工作情况。通常情况下，在 TC35 模块关闭时、休眠状态下、报警等 LED 灯是不亮的。但是在没有接上 SIM 卡的时候，身份信息核查未完成或者身份信息已经退出登录，寻找和注册网络的时候，LED 会保持明亮的状态六百毫秒然后再保持熄灭的状态六百毫秒。本次使用的 TC35 是一个已经具有了功能完全的模块，所以在这里就不在过多分析和表达。在 TC35 模块上还得连接上 SIM 卡座，并在其上插入平常使用的SIM 卡，即可成为完整的独立的 GSM 模块。3.2.2 串口通信在 GSM 模块接收到另一端的手机发送的信息或者指令之后，就需要由STC89C52 主芯片来解析相应的消息或者指令，再去进行相应的执行程序。然而他们之间的的工作的电平不匹配，STC 的电平类型为 TTL 类，TC35 的电平却是CMOS 类型。所以 STC 芯片直接和 GSM 模块的连接就不能的完成正常的交互通信，所以中间需要进行电平转换，因此这里我们通过 MAX3232 进行电平转换11。STC 单片机与 GSM 连接的串口电路12与实物图主要如下所示：图 3-5 串口部分电路图13/35二一七届本科毕业设计（论文）第 14 页 共 31 页图 3-6 串口部分实物图3.3 家庭终端电路3.3.1 温度监测模块整个温度模块以 DS18B20 主体。通过将家居环境里的温度信息进行检测，然后将具体的信息送到单片机主控制模块进行处理，并且在显示屏上进行温度状况具体值直观的显示13。图 3-7 温度监测电路与实物图3.3.2 蜂鸣器报警模块蜂鸣器报警模块主要就是对当采集的温度值或者烟雾可燃气体的情况高于或者低于用户自定义的围时，就进行报警提示。主要如下所示：14/35二一七届本科毕业设计（论文）第 15 页 共 31 页图 3-8 蜂鸣器报警电路与实物图3.3.3 烟雾检测模块烟雾传感器检测的烟雾或者可燃气体等情况通常都是模拟信号。所以说就要用到模数转换，把从外界得到的烟雾气体的模拟信号转换为数字信号，之后才能传送到主芯片进行处理。这里选用 ADC0832 完成模数转换功能，然后将转换过的信号传送到主控芯片14。当测得的烟雾值超过初期设定围时，输出信号给芯片，然后蜂鸣器会报警，并发送消息到指定的手机上。主要电路与实物图如下所示：图 3-9 烟雾部分电路与实物图3.3.4 继电器控制模块继电器控制部分主要利用简单的继电器来控制居家电器。继电器的两端，一端接入固定的接地，另一端接在外面的三极管上并且并联一个二极管。当电压满足条件以后，继电器的外围电路形成回路，继电器得以启动。否则继电器不工作，以此来简单控制家居环境的其他电器工作与否。主要的电路与实物图如下：15/35二一七届本科毕业设计（论文）第 16 页 共 31 页图 3-10 继电器部分电路与实物图3.3.5 按钮控制模块按钮控制部分主要是由多个按钮开关组成，K1 为烟雾控制时候的模式切换，主要为从主界面调整到烟雾调整界面而进行设置所用.当切换到厌恶调整页面时候,再通过 K3 和 K4 调整具体的值。K2 为温度的模式切换，主要为从其他界面调整到温度调整界面而进行设置所用当切换到温度调整页面时候,可以再通过K3 和 K4 调整具体的值。K3 设定增加量，增大需要设置的阈值的数值。K4 为设定减，减小需要设定的阈值的值。而 K5 为确定键，主要是，当调整好了温度或者烟雾的阈值时，按下该确定按钮，就相当于定好了温度与烟雾报警的围区间。控制模块的电路与实物图主要如下所示：图 3-11 按钮控制部分电路与实物图3.4 总体电路16/35二一七届本科毕业设计（论文）第 17 页 共 31 页总体的电路主要有包括 STC89C52 部份、显示的部分以与 GSM 模块和家庭电器终端电路部分。当然他们可以根据实际情况适当更改家庭电器终端控制电路。将各个模块进行综合，最后就得到了简单的智能家居控制电路。主要的运行方式为，通过手机端发送信息到设定好的系统中，经由 GSM 模块到达主芯片进行处理，然后可以承受反馈的信息，进而决定是否控制或者调整终端设备。总体的硬件电路图主要如下所示：图 3-12 总体电路图17/35二一七届本科毕业设计（论文）第 18 页 共 31 页4 软件与调试对于某个简单的系统来说，在能保证硬件基础的同时，还要有软件部分的支持。尤其对于如今各种嵌入式芯片高速发展的情况，适宜的软件不但能让电路变得简便，而且还能够替代部分复杂硬件电路需要实现的功能，从而能够大大节约精力和成本。在进行整个系统的软件的初期设计时候，首先要对本系统的硬件有着大体的把握。需要了解系统的各个主要模块，数据的传输和控制等。然后在设计软件的部分时候就能根据主要的流程，然后进行 C 语言编程，最终完成整个系统的硬件和软件的综合15。本次的设计是 STC89C52 芯片为核心智能家居系统，主要能够实现温度、烟雾等情况实时监测等。若测得的值超过设定的阈值，就进行报警。报警包括蜂鸣器和手机短消息报警。而且也能够通过手机发送的短消息控制家庭里的电器运行与终止。主要运用 C 语言进行各个模块的编程。4.1 系统总体软件此系统主要的运作方式为，接上电源后，开启 LCD 显示，查看温度和烟雾等数值。此数值即为当前环境的数值。当环境变化较大或者要求变化时，可以适当更改温度和烟雾的阈值。按下相应的按钮即可更改温度与烟雾的阈值。设定好后即可测得当前环境的温度或者烟雾是否超过设定的阈值。超出阈值后蜂鸣器开始开始报警并发送短消息到指定的手机。从手机一端也可以发送消息来查询当前的环境下温度和烟雾的情况。当然了，既然能查询也可以进行控制。这控制主要为控制继电器工作与否16。整个系统的主体流程图主要如下所示：18/35二一七届本科毕业设计（论文）第 19 页 共 31 页开始初始化温度值和烟雾值显示不同环境下进行阈值调整N测值是否超限Y显示数据声音、消息报警等发送数据数据手机短消息指令控制继电器调整家庭环境完毕图 4-1 总体流程图4.2 温度监测模块温度监测部分主要以 DS18B20 传感器芯片为中心。它能够把测得的数据转化成串行数字信号，方便单片机处理。向单片机写入数据，经过一段时间的延时，主芯片读取得到的的数据，经过数据处理，将数据转换成十进制后，再将数据发送给 LCD 显示屏17。温度的监测部分主要流程图如下所示。19/35二一七届本科毕业设计（论文）第 20 页 共 31 页开始初始化检测环境温度发送数据到主芯片将数据转化为十进制数据显示在 LCD 上数据超过阈值蜂鸣器报警并发送提示短消息完毕图 4-2 温度监测流程图4.3 烟雾监测模块烟雾检测监测部分主要以 MQ-5 传感器为主体。与温度传感器工作模式类似但是也有不同之处。不同之处在于烟雾气体等值为模拟信号，需要转换成便于处理的数字信号。所以就用到了 ADC0832A/D 转换芯片。烟雾监测的主要流程图如下所示。20/35二一七届本科毕业设计（论文）第 21 页 共 31 页开始初始化测量的烟雾数据传到 AD 转换器进行 AD 转换发送转换后数据到主芯片将数据转化为十进制将数据显示在 LCD 上数据超过阈值蜂鸣器报警并发送提示短消息完毕图 4-3 烟雾监测流程图4.4 手机短消息模块手机短消息部分主要有查询，控制，与承受报警消息等功能。当环境的温度数值或者烟雾等可燃气体情况超出开始设置的阈值时候，设定好的蜂鸣器就会开始报警。同时，系统开始也会向初期预留好的或者指定的手机发送实时的情况信息，与时告知户主或者主人家中的情况。手机端也可以直接编辑相应的指令，来进行查询或者控制相应的部分。短消息控制的部分流程图主要如下所示：21/35二一七届本科毕业设计（论文）第 22 页 共 31 页开始接通电源SIM 卡等情况正常手机端编辑并发送指令短消息接收并解析指令做出相应的应答反应通过不同的反应控制外围电路完毕图 4-4 短消息控制流程图在 C 语言的编程上不是很顺利，各个模块部分与整个系统的联系有时候较为紧密，导致了牵动一点就影响整体，也有时候联系较弱，不能充分表达出预期的功能或者效果。而且编程与下载的条件有限，在开始的时候即使程序有问题，没有下载时也好修改。但是在运行之后再发现问题时候，就不好再修正了。但是在这方面上，也极温习了一下早已抛在脑后的 C 语言的知识，还是略有收获。22/35二一七届本科毕业设计（论文）第 23 页 共 31 页5 系统调试一般的系统调试主要为三个部分，分别为硬件电路的检查，软件部分的调试与软硬件联合在一起进行整体的调试。硬件检查时一般可以查出硬件电路在焊接过程中留下的错焊、虚焊、漏焊等问题，也可以知道部分的元件是否选择不当等问题，以开始的一点错造成一步错而步步错。软件测试部分主要涉与到了编程方面。不好的程序可能实现不出预期的效果甚至相差太大，从逻辑到语法结构等，都需要仔细斟酌。当软件设计部分差不多后，可以将程序下载到指定的芯片上，将软件与硬件综合在一起，进行整体调试。主要如下：总体实物图如下：图 5-1 总体实物图显示屏部分实物图主要如下所示：23/35二一七届本科毕业设计（论文）第 24 页 共 31 页图 5-2 显示部分实物图如上图所示，通过屏幕可以清楚的显示出温度与烟雾的实时情况。当对温度阈值进行设置时，将温度阈值设定在 33 摄氏度，由于现在的外界温度较高，所以初步将温度阈值设定在 33 度，这样也比较容易到达此温度，方便测试。图 5-3 温度阈值设置图24/35二一七届本科毕业设计（论文）第 25 页 共 31 页当外界温度超过设定的阈值，就会触发报警，蜂鸣器响并且发送消息到指定的手机端。测试如下，用手握住温度传感器，使得超过 33度的阈值，就会报警，并接收到消息提示，实况如以下图所示：图 5-4 温度超限报警图手机端收到了信息提示，主要如下所示：图5-5 短消息提示图烟雾阈值设置如下：25/35二一七届本科毕业设计（论文）第 26 页 共 31 页图 5-6 烟雾阈值设置图使外界烟雾或者可燃性气体的情况超出预期情况，烟雾或者可燃气的增加用打火机的可燃气体代替。当把打开阀门的打火机靠近 MQ-5 时，烟雾传感器就能检测到外界可燃气体，使得烟雾值超过设定的阈值，就会触发报警，蜂鸣器响并且发送消息到指定的手机端，实况如下所示：图 5-7 烟雾超限报警图手机端收到信息提示，主要如下所示：26/35二一七届本科毕业设计（论文）第 27 页 共 31 页图5-8 短消息提示图从手机端也可控制继电器的断开与闭合，红灯表示工作，灯熄灭表示停止工作，具体如下所示：图5-9 短消息控制图继电器工作状态分别如下所示：图5-10 继电器工作图27/35二一七届本科毕业设计（论文）第 28 页 共 31 页图5-10 继电器终止图总体的实物和各个部分的调试基本如上图所示。基本实现了预期的功能，主要实现的功能等在上文中已经描述过了，这里就不再进行赘述。28/35二一七届本科毕业设计（论文）第 29 页 共 31 页结论本毕业设计主要综合利用了单片机、传感器、模电数电、无线通信等方面的知识。系统总体主要达到了能够实时显示家庭里温度、烟雾等情况的功能，即使没有待在家里也可以在外远程了解到家里的情况。并且能够通过手机端发送一些短信息到开始时预留的上。此设计主要详细的介绍了整个系统的各个硬件模块的组成部分与电路情况18。软件部分主要使用了 C 语言实现设计，虽然有着许多的不足之处，但基本还是能正常运行。硬件电路总体也基本能正常工作，初步能够实现一些基本的功能。不足之处大致有：（1）在系统刚开始工作时，在传感器传出的数据不准确的情况下，就可能超出了预定的阈值，从而导致触发了警报。（2）还有在电路的整体设计和布局时候没有考虑到一些基本的电磁兼容等问题，但是当电路扩展到一定程度或者有一些敏感的元器件，这样的情况下就可能导致电路的不稳定，造成一定的问题，这些都需要进行细致的考虑。展望：（1）在本系统的基础上，可以添加上无线模块，比如 ZIGBEE 模块。这样就可以避免了在有些地方难以布线的困难以与布线繁杂的问题，就提高了系统的实用性。（2）本次的系统并没有真正地连接到互联网上，使得户主或者用户能够在使用互联网的基础上，来进行一些控制或操作等（3）在现有系统的基础上面，可以适当添加一些电路，实现其他需要的功能，比如窗帘的控制电路，空调的智能控制等，以更加贴近和方便生活，达成一些日常生活中的一些特殊的要求。总体来说，此次毕业设计让我收获了很多，对部分涉与到的书本知识有了一定温习，也有了一定的拓展。虽然书本上学习到的知识有很多，理论很丰富，然而到自己动手做起来就不是那么一回事了，会遇到各种各样想不到的困难。就像一句古诗所说，“纸上得来终觉浅”，所以还是得动手来实际行动，不能一味地纸上谈兵！29/35二一七届本科毕业设计（论文）第 30 页 共 31 页致从当初背着书包带着行来到学校起，就给了我和以前学习生活的地方不一样的感觉。从开始首次听到学长给我们讲解学校里的“风土人情”，到如今即将走出学校。使我成长并充实了许多，也变成了我自己无形的财富，会对以后的生活和学习有着很大的帮助。不管是在平常的学习上，还是在日常生活中，各位老师和同学们都给予了我一些与时有效的援助，在此表达我由衷的意，并为他们送上我真挚的祝福。首先，得感我的指导老师，*教授。从开始选题到毕业设计完毕，*老师都给了我们很大程度上的关怀和照顾。他为人和善、兢兢业业、认真负责、事无巨细能时刻为学生着想。通过在毕业设计期间与他的接触，发现他不论在学习上还是在生活中，他都能考虑到每个同学，而且能为我们做毕业设计提供良好的环境和条件，使我们不会像其他同学一样因为一些小事而烦恼。另外，即使在假期期间，在其他老师和同学休息娱乐的时候，*老师仍在为我们的毕业设计而操劳，放弃了宝贵的假期的来指导我们的毕业设计。他细致的考量、严谨的态度使我印象深刻。这一些记忆将会在无形中鼓舞和感染着我今后的学习和生活。其次我要感一直陪伴在我身边同学们。在这短暂的大学生涯中，他们对我在学习上和生活中的影响，让我在学校里能时刻感受到他们的存在。而且在大家的用心下，班级师生无形中就成了一个互相关心和友爱集体。让我不论在学习上，还是在思想上门都能有一个良好的氛围以与榜样，督促我不断进取和努力。我还要感身在家乡的亲人，是他们不断地教育我，开导我，鼓励我，支持我，让我一直都能有着不竭的动力去学习，去努力和拼搏。而且不论是风雨，还是彩虹，都少不了他们独特的身影。没有他们就没有今天的我。最后希望自己能够顺顺利利地完成学业，并在今后的学习和生活中，依旧孜孜不倦，不懈奋斗。30/35二一七届本科毕业设计（论文）第 31 页 共 31 页参 考 文 献1林贤光智能建筑-建筑发展的必然趋势和进步的标志J.中国科学 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