【正文】 ............................................... 15 煙霧傳感器檢測的軟件設(shè)計(jì) ................................................................ 16 雨滴傳感器檢測的軟件設(shè)計(jì) ................................................................ 16 SIM900A 模塊的軟件設(shè)計(jì) .................................................................. 17 第 5 章 系統(tǒng)的調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ................................................................................... 19 調(diào)試步驟 .......................................................................................................... 19 測試數(shù)據(jù)分析 .................................................................................................. 19 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 21 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 22 附錄 A：作品實(shí)物圖 ..................................................................................................... 23 附錄 B： STM32F103C8T6 系統(tǒng)電路原理圖 ............................................................. 24 附錄 C： SIM900A 模塊及 LCD12864 串行電路設(shè)計(jì)原理圖 ................................... 25 附錄 D：單片機(jī)部分程序代碼 .................................................................................... 26 致 謝 ......................................................................................................................... 34 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 引言 智能家居系統(tǒng)已逐漸成為社會信息化發(fā)展過程中至關(guān)重要的一個組成部分，特別是無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的快速發(fā)展將是智能家居系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈中一個主要的突破口，GSM 技術(shù)將會對智能家居系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)帶來飛速的發(fā)展。在現(xiàn)代測量控制系統(tǒng)中，均需要采集被測點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)，而且在數(shù)據(jù)的采集與處理過程中，往往都需要上位機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或加以統(tǒng)計(jì)。在檢測點(diǎn)相對集中的地方 ，可以采用有線連接的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測與收集，但是在智能家居的環(huán)境下通過有線連接的方式卻不能滿足實(shí)際遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，因此需要遠(yuǎn)程無線技術(shù)的支持才能實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。 課題的研究背景及意義 伴隨著智能控制技術(shù)、無線通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對生活的現(xiàn)代化，居住環(huán)境的舒適化及家居的安全化與智能化的要求越來越高。智能家居不僅具有安全，舒適，方便，節(jié)能的效果，同時還可以將音頻和視頻文件，電腦，通訊，家庭自動化控制，安全技術(shù)集合起來，并應(yīng)用各種不同的設(shè)備和有效性互連系統(tǒng)的一 個有機(jī)的整體，使我們的生活更方便，更靈活。 自動化和新技術(shù)的發(fā)展迅猛，傳感器在生活中的應(yīng)用數(shù)量也越來越強(qiáng)大。并且傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)，在智能家居控制系統(tǒng)的研究中，提供了很大的方便。 GSM 技術(shù)是目前市場上廣泛使用的較為成熟和完善的通信系統(tǒng)。目前在全國范圍內(nèi)都已經(jīng)完全覆蓋了移動通信網(wǎng)絡(luò)，能夠不限地域的實(shí)現(xiàn)短信息業(yè)務(wù)的交互通信，并且短信息業(yè)務(wù)在全國范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無漫游和聯(lián)網(wǎng)，因此用戶可以借助強(qiáng)大的 GSM通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的通訊，不僅大大節(jié)約了成本，更縮短了施工周期，因此 GSM技術(shù)能夠很好的嵌入到智能家居 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，移植方便簡單，并且運(yùn)行穩(wěn)定，再加上無線傳感檢測技術(shù)能夠很好的實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境的監(jiān)測，傳感技術(shù)與 GSM 技術(shù)的完美融合，智能家居系統(tǒng)將會有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用市場。 國內(nèi)外研究狀況及 發(fā)展趨勢 實(shí)際上， 智能 家居環(huán)境的監(jiān)測 控制系統(tǒng)， 可以 定義 為 一個 遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制的 過程。利用 先進(jìn) 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī) 技術(shù) 以及 無線傳感器技術(shù)， 將智能控制與 家庭生活 環(huán)天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 境 有機(jī)地結(jié)合 在一起 ，通過綜合 的 管理 系統(tǒng)保證 人 們 生活家居 環(huán)境的 的舒適 和 安全。與普通的家 居 相比，智能家居 不 僅在傳統(tǒng)的功能可以提供所有的舒適 性 ， 其 安全 性能生活空間 的 高級保障 。智能家居 把 現(xiàn)有的被動、靜態(tài) 化 的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)化成具有遠(yuǎn)程信息交換的現(xiàn)代化生活 。 實(shí)現(xiàn)外部流動與家庭時刻關(guān)聯(lián)在一起，合理的安排自己的工作和生活時間，不僅保證了家庭生活的安全性，更提高了人們的工作和生活效率，有效的節(jié)省了時間和費(fèi)用 。 利用 GSM 移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的短消息業(yè)務(wù)功能，可以通過遠(yuǎn)程移動終端系統(tǒng)將命令發(fā)送到微控制器上，控制器通過命令識別，運(yùn)行相應(yīng)的內(nèi)部程序，然后根據(jù)控制器內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的程序和 SMS（ Short Messaging Service） 命令共同驅(qū)動相關(guān)的電器或電子設(shè)備開關(guān)，該設(shè)備可以通過多類型的檢測 傳感器，將室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行收集，并且通過 GSM 系統(tǒng)通過短信方式發(fā)送到遠(yuǎn)程移動終端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，預(yù)防危險，避免財(cái)產(chǎn)和人員的損失。智能家居監(jiān)控系統(tǒng)可以利用系統(tǒng)控制器與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行信息的交換，使人們的生活更加舒適，方便，安全。并且智能家居控制系統(tǒng)的布線非常簡單，但其強(qiáng)大的功能，靈活的移動與擴(kuò)展，能夠得到了市場的廣泛接受和應(yīng)用。 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 系統(tǒng) 方案 設(shè)計(jì) 與各模塊的選擇 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 智能家居系統(tǒng)概述 本課題的設(shè)計(jì)通過對 GSM 通信模塊和微控制器之間的通信協(xié)議的充分學(xué)習(xí)和研究，通過實(shí)踐，設(shè)計(jì)出一套比 較完整和實(shí)用可靠的遠(yuǎn)程控制和智能控制模塊，并且進(jìn)行實(shí)際的制作。 本次的設(shè)計(jì)是基于 STM32 單片機(jī)與 GSM 無線通信模塊 SIM900A 所制作的一套家庭環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)，它涉及微控制器和 GSM 模塊的短信息功能，溫濕度的檢測，煙霧濃度的檢測，雨量大小檢測，報(bào)警模組，無線通信以及 LCD 液晶顯示屏等硬件電路的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)方案 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括： GSM 無線通信模塊，傳感器模塊（溫濕度數(shù)據(jù)的采集、煙霧濃度采集、雨量大小采集），報(bào)警電路 以及系統(tǒng)軟件。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如圖 21 所示。本系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行整個系統(tǒng)的初始 化，收集一組環(huán)境數(shù)據(jù)，把室內(nèi)的溫度和濕度，煙霧濃度，雨量等環(huán)境參數(shù)顯示在 LCD12864 液晶屏上。并與預(yù)先設(shè)定的上限值進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到設(shè)置的預(yù)警值，進(jìn)行報(bào)警電路的驅(qū)動以及是否將報(bào)警信息發(fā)送到遠(yuǎn)程移動終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程短信息報(bào)警。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 STM 32 單片機(jī)GSM 無線通訊模塊LCD 顯示模組傳感器模組報(bào)警電路電源模塊通訊協(xié)議天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 各 功能 模塊 的 選擇 單片機(jī)的 選擇 方案一： STM32F103C8T6 單片機(jī)，工作電壓為 ，且含有 32 位的 高速 處理芯片。其運(yùn)算 和 運(yùn)行速度 都非常 快， 編程環(huán)境是 Keil uVision4，編程界面較為簡單并且該控制器的 強(qiáng)大之處在于其代碼的移植非常方便，能夠很好的進(jìn)行編程 。 CortexM3系列的單片機(jī)的內(nèi)部資源和接口非常強(qiáng)大，擁有多路串口、 A/D 接口、 SPI 接口及外部中斷，能夠很好的應(yīng)用到系統(tǒng)中，并且該單片機(jī)的 價格 便宜 ， 工作也穩(wěn)定 [1]。 方案二： AT89C51 單片機(jī)， 該單片機(jī)的外部 IO 資源和內(nèi)部寄存器的資源相對較少，是目前市場上功能較為落后的一款控制芯片，但是該芯片是上市比較早的一款高性能的 8 位微處理器芯片，并且該芯片的市場價位相對較低，比較適合用于對系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度要求不是很苛刻的場合，而且該芯片的編程方法比較簡單 ，非常適合剛開始接觸微控制器的初學(xué)者 [2]。 AT89C51 的運(yùn)算速度相對 于 STM32 單片機(jī) 來說有一定的差距 ，而且其外部 IO 資源和寄存器較少 ， 與 STM32 單片機(jī)相比 較 顯得有些不足。 經(jīng)過對本系統(tǒng)的功能分析 ，因?yàn)?本系統(tǒng) 在整個工作過程中需要不斷地對數(shù)據(jù)通過 SPI 接口發(fā)送和接收，對系統(tǒng)的運(yùn)算速度有很高的 要求， 并且還用到了很多內(nèi)部定時器及中斷資源。并且個人對STM32 運(yùn)用的比較多，因此選用 STM32F103C8T6 單片機(jī)作為 系統(tǒng)的 控制 器。STM32F103C8T6 芯片 如圖 22 所示。 圖 22 STM32F103C8T6 芯片 溫濕度傳感器的選擇 方案一： 數(shù)字式溫度傳感器的選擇在目前很多工農(nóng)業(yè)場合很多 采用 DS18B20 作為系統(tǒng)的測溫元器件 ， 由于該測溫元件的輸出信號為數(shù)字信號，能很好的與微控制器進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳輸，并且該測溫元件的外圍電路要求簡單，穩(wěn)定性也相對不錯，能夠很大程度上簡化硬件電路的設(shè)計(jì) ， 但其檢測范圍僅限于溫度測量，檢測功能單一，天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 需要搭配濕度檢測器件才能滿足本設(shè)計(jì)要求，因此，該器件不適用于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 方案二： DHT11 傳感器是一款能夠輸出溫度和濕度的數(shù)字式溫濕度一體傳感器，并且 該傳感器的輸出信號已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)后輸出給控制器。為了確保該傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，傳感器內(nèi)部采用了專用的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù) [3]。該傳感器采用單總線的數(shù)據(jù)傳輸方式，并且其體積小，功耗低，傳輸距離能達(dá)到 20 米以上，能夠很好的與單片機(jī)進(jìn)行連接并嵌入到系統(tǒng)中。 DS18B20 與 DHT11 相比，在功能和檢測精度上都低于 DHT11 溫濕度傳感器，因此本設(shè)計(jì)選用方案二作為環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測器件。 DHT11 溫濕度傳感器實(shí)物圖如圖23 所示。 圖 23 DHT11 溫濕度傳感器 煙霧傳感器的選 擇 防止室內(nèi)由于可燃?xì)怏w的泄露而造成的重大事故，導(dǎo)致人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，因而設(shè)計(jì)了煙霧濃度檢測裝置。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，所使用的敏感材料二氧化錫 (SnO2)，在正常的空間環(huán)境里，空氣中導(dǎo)電率比較低。當(dāng)出現(xiàn)可燃?xì)怏w或煙霧時，隨著空氣中可燃?xì)怏w的濃度增高，煙霧傳感器的電導(dǎo)率便會呈現(xiàn)線性增大 [4]。使用簡單的電路就可以把電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)換為與可燃?xì)怏w的濃度呈線性關(guān)系的模擬量信號進(jìn)行輸出。 煙霧傳感器主要針對液化氣，氫靈，丙烷的敏度較高，對于檢測天然氣等易燃蒸氣的效果也非常好。該傳感器可以檢測的可燃?xì)怏w很多，因此非 常適合用于各種應(yīng)用場合的低成本傳感器。煙霧傳感器如圖 24 所示。 圖 24 煙霧傳感器 天津職 業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 201 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 震動傳感器模塊的 選擇 震動傳感器是用于檢測樓房或者周圍環(huán)境有沒有強(qiáng)烈的震感，以避免地震或危險震動所帶來的災(zāi)害和損失。 SW420 為常閉式振動傳感器，用于檢測各種振動觸發(fā)動作，被廣泛應(yīng)用于家庭防盜報(bào)警，地震震感報(bào)警器，汽車防盜器等。本設(shè)計(jì)中利用此震動傳感器檢測室內(nèi)震感，預(yù)防地震災(zāi)害。震動傳感器如圖 25 所示。 雨滴傳感器模塊的 選擇 雨滴傳感器是用于檢測室外環(huán)境下雨天氣及雨量大小，提醒終端 操作者，及時關(guān)閉窗戶，防止雨水過大進(jìn)入房間，造成地板、家具或窗簾的損害，減小不必要的物品和財(cái)產(chǎn)損失，本課題選用模擬量輸出信號的雨滴傳感器，該傳感器檢測范圍寬泛，能夠根據(jù)雨水量的大小，對系統(tǒng)預(yù)警值進(jìn)行精確的報(bào)警，避免報(bào)警的誤觸發(fā)。雨滴傳感器如圖 26 所示。 圖 25 震動傳感器 圖 26 雨滴傳感器 GSM 無線通訊模塊的 選擇 SIMCom 公司生產(chǎn)的無線異步收發(fā)芯片 SIM900A 基于 GS