【文章內(nèi)容簡介】 便捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的居住環(huán)境放。 以家為平臺，兼?zhèn)渥≌ㄖ?、自動化，智能化?一體的高效、舒適、安全、便捷的家居環(huán)境就是人們所期待的智能家居[6]。住宅的智能化技術(shù)起源于美國，其中最具代表性的就是X10技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各個設(shè)備都可以通過X10網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實現(xiàn)資源的共享。因為其布線相對簡單、功能靈活，擴(kuò)展容易從而被人們廣泛的接受和應(yīng)用，僅在美國一個國家，就已經(jīng)有超過600萬個家庭在使用，至今X10技術(shù)的產(chǎn)品已銷售超過兩億個，所以說自動化的智能家居不再只是一幢被動的建筑，相反，使家庭更為安全、節(jié)能、 高效和舒適，成了幫助其主人最大化利用時間的工具[7]。智能家居是現(xiàn)今社會中最熱門的話題之一，它的目的是通過網(wǎng)絡(luò)等信息通信技術(shù)手段實現(xiàn)對室內(nèi)家用電器等的智能調(diào)控，使其能夠按照人們設(shè)定的工作運(yùn)行，而不論距離的遠(yuǎn)近。智能家居的兩大特點(diǎn)就是智能化與遠(yuǎn)程控制。目前，已經(jīng)有越來越多的科研機(jī)構(gòu)和個人開始對智能家居進(jìn)行分析研究，網(wǎng)絡(luò)化的智能家居系統(tǒng)隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可以提供遙控、家電（空調(diào)，熱水器等）控制、室內(nèi)外遙控、照明控制、防盜報警、窗簾自控、電話遠(yuǎn)程控制、可編程的定時調(diào)控及計算機(jī)調(diào)控等多種功能和手段，使人們的生活更加舒適、便利、安全和高效。物聯(lián)網(wǎng)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造的一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Thing”[8]。在無需人的干預(yù)的情況下，物品(商品)之間在這個網(wǎng)絡(luò)中能夠彼此進(jìn)行“交流”。其實質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)的技術(shù)，通過計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)和共享[9]。物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)，打破了之前的傳統(tǒng)思維。人們過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施與IT基礎(chǔ)設(shè)施分開，一方面是機(jī)場、公路、建筑物，另一方面是數(shù)據(jù)中心、個人電腦、寬帶等。而在物聯(lián)網(wǎng)時代，電纜將與芯片、鋼筋混凝土、寬帶將整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，在此意義上，硬件基礎(chǔ)設(shè)施更像是一塊新的地球[10]。所以也有不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)均是智慧地球的有機(jī)構(gòu)成部分。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)慢慢把人們的生活擬人化了，萬物成了人的同類。各式各樣的物品（商品）在這個物物相聯(lián)的世界中可以彼此“交流”，而無需人們的干預(yù)[11]?？梢哉f，這是一個智能化的世界。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)最生活化的應(yīng)用之一：空調(diào)更“聽話”了，天熱的話它會把溫度調(diào)低，太潮就會自動抽濕；室內(nèi)窗簾也可以自動感知光線而開啟或關(guān)閉；電燈也知道節(jié)能了，房間里沒人的話會自動關(guān)閉。如此等等，不一而足。所以物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，遍及工業(yè)監(jiān)測、智能交通、平安家居、公共安全、環(huán)境保護(hù)、智能消防、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)繁多的應(yīng)用造就了一個龐大的產(chǎn)業(yè)鏈，從互聯(lián)網(wǎng)、電腦、手機(jī)、天線等IT通訊領(lǐng)域，到傳感器、芯片、智能識別卡、紅外線產(chǎn)品等工業(yè)領(lǐng)域，再到冰箱、電視機(jī)、空調(diào)等制造領(lǐng)域，環(huán)環(huán)相扣，商機(jī)巨大[12]。美國的獨(dú)立市場權(quán)威研究機(jī)構(gòu)FORESTER預(yù)測，到2020年全球“物物互聯(lián)業(yè)務(wù)”(即物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù))，與“人與人通信”業(yè)務(wù)(即互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù))之比將達(dá)到30∶1。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，中國的物聯(lián)網(wǎng)整體產(chǎn)業(yè)在2015年有望超過一萬億元的規(guī)模，而2050年傳感器在人們的生活中將無處不在[13]。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到一定階段，所以可以想象，室內(nèi)的電器就可以通過傳感器來傳達(dá)電器的信號從而和外網(wǎng)連接起來。廠家在工廠內(nèi)就可以了解你家中電器的使用情況，也許在人們了解之前就已經(jīng)知道家中電器的故障。某一天突然有維修工人上門告訴家中的空調(diào)有問題，人們可能還驚異地不相信[14]。 選題的意義 智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括室內(nèi)設(shè)備的自動控制、家庭的安全防范兩個方面。其中室內(nèi)設(shè)備自動監(jiān)控包括電器設(shè)備的集中、遙控、遠(yuǎn)距離異地(通過手機(jī)或Internet)的監(jiān)測、控制及數(shù)據(jù)的采集。(1)家用電器的監(jiān)視和控制，按照主人預(yù)先所設(shè)定程序要求對熱水器、空氣加濕器、視像音響、空調(diào)等家用電器進(jìn)行監(jiān)視和控制。(2) 燃?xì)獗?、熱能表、水表、電表?shù)據(jù)的采集、計量和傳送。而且可以根據(jù)小區(qū)物業(yè)管理的要求設(shè)置數(shù)據(jù)采集程序，通過傳感器對熱能表、水表、燃?xì)獗?、電表的使用量進(jìn)行自動數(shù)據(jù)采集、計量，然后將所得結(jié)果遠(yuǎn)程傳送給小區(qū)管理物業(yè)的管理系統(tǒng)。(3)空調(diào)機(jī)的監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，按照預(yù)先所設(shè)定的程序，根據(jù)時間、濕度、溫度等相關(guān)參數(shù)對空調(diào)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)視和控制。(4)照明設(shè)備的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制按照預(yù)先所設(shè)定的時間程序，分別對各個房間的照明設(shè)備開、關(guān)進(jìn)行控制，并可以根據(jù)自然條件自動調(diào)節(jié)各個房間的照明度。(5)窗簾的控制，按照預(yù)先所設(shè)定的時間程序，對窗簾的開啟和關(guān)閉進(jìn)行控制。 論文的主要研究內(nèi)容 本次設(shè)計以STM8芯片為控制核心，溫濕度傳感器DHT11，空氣質(zhì)量煙霧傳感器WQ2為環(huán)境信息采集源，以無線通信模塊GSM控制為輔助，通過對室內(nèi)環(huán)境檢測進(jìn)行實時監(jiān)測，必要時進(jìn)行報警，也可通過GSM進(jìn)行與無線智能設(shè)備進(jìn)行連接，實現(xiàn)實時的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制室內(nèi)家電如空調(diào)，電扇，排風(fēng)扇，空氣加濕器，凈化器等電器的啟動和關(guān)閉達(dá)到最佳的室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)。49第2章 智能家居分析及系統(tǒng)設(shè)計第2章 智能家居分析及系統(tǒng)設(shè)計 智能家居分析 智能家居主要的環(huán)境因素是溫濕度情況，煙霧情況，甲醛情況與防盜情況，智能家居需要隨時對室內(nèi)的環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)整，使環(huán)境情況達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值或者主人預(yù)設(shè)的范圍，并且智能家居能實時地將室內(nèi)情況遠(yuǎn)程發(fā)送到用戶手中，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。所以本文將從環(huán)境因素，智能調(diào)控，遠(yuǎn)程監(jiān)測三個方面對智能家居進(jìn)行分析。 人一生中三分之二時間在室內(nèi)度過；現(xiàn)代人生活和工作在室內(nèi)環(huán)境中的時間已達(dá)到全天的80%～90%，因此室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的好壞會直接影響人們的身體健康[15]。有研究顯示，室內(nèi)并不是安全的場所，有時反而室內(nèi)污染更加嚴(yán)重。室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要性不言而喻。一個人每天需要1公斤食品2公斤飲水，但所需空氣則為10公斤，室內(nèi)空氣質(zhì)量對人的健康保障、工作學(xué)習(xí)效率和舒適感受尤為重要[16]。而對于室內(nèi)環(huán)境主要的影響因素有溫濕度，煙霧情況，甲醛的含量。（1）溫濕度：對人體健康影響最大的就是溫度和濕度。當(dāng)室內(nèi)的溫度過高時，人體的體溫調(diào)節(jié)功能會受到直接影響，進(jìn)而人體會由于散熱不良引起脈搏加速、體溫升高，血管擴(kuò)張，甚至?xí)霈F(xiàn)頭昏等癥狀；溫度過低時，又會使人體代謝的功能下降，脈搏和呼吸都會減弱，皮膚過緊，皮下的血管收縮，進(jìn)而導(dǎo)致呼吸道抵抗力下降。盡管人體對外界的溫度變化有一定的適應(yīng)能力，機(jī)體可以借助體溫調(diào)節(jié)保持平衡，但這種調(diào)節(jié)是有一定限度的[17]。一旦超出這個限度，身體就開始受到損傷。對于濕度，夏天室內(nèi)的濕度大時，人體的蒸發(fā)散熱會受到很強(qiáng)的抑制，使人感到不適；而冬天要是濕度過大，會加速熱傳導(dǎo)而使人覺得寒冷。室內(nèi)濕度過低時，因呼吸道黏膜的水分大量散失而感到口干舌燥，這時極易引發(fā)感冒。所以室內(nèi)的濕度也要一個人體適應(yīng)的范圍。（2）煙霧：室內(nèi)煙霧可以分為可燃物燃燒煙霧，香煙煙霧，烹調(diào)煙霧。如果戶主經(jīng)常性吸煙的話，不僅會直接影響自己的身體，而且吸煙產(chǎn)生的煙霧，也會影響家人的身體健康，研究表明：吸煙家庭的致癌率要比非吸煙家庭高出40%左右。烹調(diào)油煙中有多種有毒化學(xué)成分，廚房煮飯炒菜產(chǎn)生的一氧化碳、氮氧化物及強(qiáng)致癌物；對機(jī)體具有肺臟毒性、致癌致突變性、免疫毒性[18]。烹調(diào)油煙對人外周血淋巴細(xì)胞具有一定的毒性作用，烹調(diào)油煙對機(jī)體的細(xì)胞免疫和體液免疫功能均有一定的影響?？扇嘉锶紵鼤a(chǎn)生大量的有害氣體，直接影響人體健康，甚至生命安全。（3）甲醛：對于新夠買的家居和新裝修的房屋，室內(nèi)的甲醛含量一般都超出正常值，甲醛對嬰幼兒危害非常嚴(yán)重，會降低嬰幼兒的代謝能力和免疫力，很容易誘發(fā)疾病。而甲醛對孕婦更是危害深遠(yuǎn)，生活在甲醛含量嚴(yán)重超標(biāo)的室內(nèi)，很容易造成孕婦流產(chǎn)或者產(chǎn)下畸形兒。所以對于室內(nèi)的甲醛檢測對于人們是非常重要的，在保持新裝修的房屋盡量通風(fēng)，盡量使用木質(zhì)家居的同時，也要時刻監(jiān)測室內(nèi)的甲醛含量，人們也要經(jīng)常使用室內(nèi)一些電器，例如除甲醛的空調(diào)，排風(fēng)扇等來降低室內(nèi)的甲醛含量。（4）防盜：作為智能家居智能調(diào)控室內(nèi)環(huán)境是一方面，另一方就是實現(xiàn)自我保護(hù)的功能，能夠在陌生人強(qiáng)行進(jìn)入時，實現(xiàn)自動報警。 智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 對于智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計直接關(guān)系到整個項目的成敗，如果總體的系統(tǒng)設(shè)計周詳、得當(dāng)，那么整個項目才能順利的進(jìn)行下去，即便遇到臨時的變動也不會過大的影響總體的設(shè)計。相反，如果系統(tǒng)總體設(shè)計的不夠完善、缺乏前瞻性，那么即使很小的變更，也會引起巨大的改變，不利于系統(tǒng)的部署、開發(fā)、完善和維護(hù)，甚至直接影響整個項目的成敗。本文將從以下三個步驟詳細(xì)論述系統(tǒng)總體設(shè)計。 (1) 通過常用的溫濕度傳感器DHT11等一系列傳感器采集室內(nèi)的溫濕度等環(huán)境情況，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，利用單片機(jī)與TM1638將室內(nèi)的溫濕度等情況實時的顯示在數(shù)碼管上。并且在單片機(jī)的智能系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)定一個正常的環(huán)境范圍。例如室內(nèi)溫度在25—30℃內(nèi)為正常情況，而室內(nèi)的相對濕度在30—35%RH內(nèi)為正常情況[19]。當(dāng)室內(nèi)的溫濕度變化在預(yù)設(shè)定的范圍內(nèi)時，單片機(jī)智能斷開家用電器的電源達(dá)到節(jié)能的效果，當(dāng)室內(nèi)的溫濕度變化超出預(yù)設(shè)定的范圍時，單片機(jī)智能開啟家用設(shè)備，例如空調(diào)，加濕器，排風(fēng)扇等設(shè)備將室內(nèi)的溫濕度調(diào)節(jié)到正常范圍內(nèi)，而且再智能斷開，達(dá)到智能節(jié)能的目的。 （2）利用單片機(jī)和GSM通信模塊，將溫濕度，煙霧等傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，以短信息的形式發(fā)送到用戶手機(jī)中。實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測的目的，并且在單片機(jī)上加一個帶中文字庫的LCD顯示模塊，將發(fā)送的內(nèi)容以及實時的溫濕度等情況顯示在屏幕上，更好的演示實現(xiàn)的功能。 （3）用戶通過發(fā)送預(yù)設(shè)的字符到GSM模塊上的SIM卡，利用GSM模塊和單片機(jī)的程序，通過識別字符，然后智能控制單片機(jī)上的繼電器的開啟關(guān)閉，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。 系統(tǒng)設(shè)計要求 本設(shè)計的目標(biāo)是設(shè)計出一個完整的智能系統(tǒng)，基于STM8單片機(jī)控制，收集處理傳感器模塊的數(shù)據(jù)，輸出控制信號，達(dá)到智能監(jiān)測，智能調(diào)控，自動維護(hù)室內(nèi)環(huán)境使之保持在正常范圍，從而實現(xiàn)方便，快捷，安全的目的。對于所選用的傳感器，要求溫濕度傳感器能在室內(nèi)溫度0℃～50℃的室內(nèi)極限情況下能正常工作。要求溫度傳感器分辨率為1℃，濕度傳感器分辨率為1RH%。要求煙霧傳感器能靈敏的檢測到煤氣，甲烷，液化氣，煙霧等可燃性氣體，以此來預(yù)防室內(nèi)的可燃性氣體的泄漏或者火災(zāi)的發(fā)生[20]。要求監(jiān)測甲醛的傳感器，能夠?qū)κ覂?nèi)的甲醛情況實現(xiàn)精確的顯示。 對于防盜這方面，有兩種解決的辦法，一種是用紅外傳感器實現(xiàn)報警功能，另一種就是攝像頭抓拍，由于本次設(shè)計會用到遠(yuǎn)程通信模塊，所以攝像頭抓拍更完美些。 本次設(shè)計要實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的，需要室內(nèi)模塊和外界用戶的手機(jī)實現(xiàn)通信，要求信息的互傳能夠快捷方便，任何時候都能得到室內(nèi)的情況。并且能夠簡單的控制功能，即用戶可以通過手機(jī)等設(shè)備遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的設(shè)備，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。本系統(tǒng)的設(shè)計要求可概括為以下幾點(diǎn)：（1）精度和可靠性高。要求采集數(shù)據(jù)的傳感器，能夠精確的感知室內(nèi)環(huán)境的變化情況，并且實時的將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)信號的方式穩(wěn)定的傳給單片機(jī)。（2）高安全性。安全性是系統(tǒng)的最基本的性能,產(chǎn)品的安全性越高,產(chǎn)品可以無故障工作的時間就越長。只有高安全性才能防止誤動作,造成不必要的財產(chǎn)損失。本次設(shè)計的主要的目的就是保護(hù)室內(nèi)一切正常。（3）低成本。在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下,成本越低,利用價值也越大。這也是設(shè)計產(chǎn)品的重要因素。對于遠(yuǎn)程通信模塊，選擇的種類比較多，所以盡量能做到物盡其用，避免不必要的浪費(fèi)。 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計是以單片機(jī)作為控制主芯片，通過模擬信號采集模塊中的溫濕度、相關(guān)傳感器采集室內(nèi)環(huán)境信息，然后將之傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的處理后，顯示在顯示屏上。同時，單片機(jī)將根據(jù)初始的設(shè)置，可以對傳感器采集回來的環(huán)境因子進(jìn)行判斷，進(jìn)而合理的調(diào)控負(fù)載動作部分執(zhí)行相應(yīng)的動作輸出，從而實現(xiàn)環(huán)境因子的自動檢測和調(diào)節(jié)控制的目的。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖21所示。圖 21 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié) 本章首先論述了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)因子對家庭成員安全和財產(chǎn)安全的影響，包括溫度、濕度、煙霧、甲醛和防盜五個主要因素，并通過查閱資料得出了適合家庭成員健康生活的溫濕度參數(shù)范圍以及有害煙霧的控制范圍，為室內(nèi)環(huán)境溫濕度及有害氣體監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)；其次，對室內(nèi)的環(huán)境溫濕度及有害煙霧氣體監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計，確定了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，以溫濕度、煙霧、甲醛為環(huán)境監(jiān)測控制對象，以排風(fēng)扇、空調(diào)、加濕器等為環(huán)境控制調(diào)節(jié)設(shè)備，并且確立了以單片機(jī)為處理主核心的自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計。本章節(jié)的內(nèi)容將是后續(xù)工作的重要依據(jù)和綱要。 第3章 智能家居的硬件系統(tǒng)設(shè)計第3章 智能家居的硬件系統(tǒng)設(shè)計本章主要介紹智能家居系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，根據(jù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的要求，在實現(xiàn)系統(tǒng)性能目的的情況下，然后綜合考慮價格、實用性和使用壽命等一系列相關(guān)因素，選擇性價比高的器件來搭建硬件系統(tǒng)。本章的硬件設(shè)計主要是從傳感器的選擇、數(shù)據(jù)采集部分、單片機(jī)的選擇、顯示部分和調(diào)控驅(qū)動負(fù)載幾個部分分別進(jìn)行介紹。 傳感器的選擇 傳感器是和人們感覺器官相對應(yīng)的元器件，提供整個閉環(huán)系統(tǒng)的干擾信號和輸入信號來源，傳感器的特征包括：數(shù)字化、微型化、智能化、系統(tǒng)化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化，其不僅僅推動了整個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改變和更新?lián)Q代的步伐，而且還可能創(chuàng)建新型的工業(yè)領(lǐng)域，從而有望成為21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)。傳感器的微型化是基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，并且已經(jīng)成功應(yīng)用在硅器件上制成硅壓力傳感器[21]。它的主要性能指標(biāo)為:重復(fù)性、線性度、遲滯性、分辨力與靈敏度。在挑選相關(guān)傳感器時，這幾項指標(biāo)并不都需要達(dá)到最好，而是應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實情況，在保證主要功能指標(biāo)達(dá)到要求的前提下，可靠性好，價格合適，從而使整機(jī)性價比達(dá)到最優(yōu)。本次設(shè)計中數(shù)據(jù)采集部分使用到的傳感器主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器和甲醛傳感器，下面將對各傳感器的選擇和參數(shù)做詳細(xì)的介紹，以及所選傳感器的使用方法和注意事項。 溫濕度傳感器 伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的溫濕度傳感器開始走入人們的視野，而且其體積也是越來越小，精準(zhǔn)度越來越高，集成化程度也是越來越高，使用起來也越來越便捷。由于濕度和溫度不