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作者：浙江农林大学 董露 吴忠惠 黄小平

指导教师：曾松伟

 

　　作品简介

 

　　作品照片：

　　

　　开发背景：

　　智能家居开始流行于二十世纪七十年代的美国，并且在欧洲有很大的应用[5]。二十世纪九十年代后期，智能家居的概念开始在国内出现。2000年智能家居开始在国内推广。经过十来年的发展，智能家居在中国已经得到了一定程度的应用[6]。虽然智能家居在中国的发展时间虽不长，但是从国内家电巨头(奉化向往、厦门振威、广州市聚晖)及网络巨子(北京易至居)的纷纷出手试水智能家居市场以及许多国际大企业(美国Control4)对国内智能家居厂家并购案可以看出，中国智能家居市场潜在着巨大商机。全国房地产业蓬勃发展，小区智能化已成为一项基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然给房地产业带来新的卖点和活力，因此“全智能”是二十一世纪房产开发商力推的主题，这也意

　　味着，我国智能家居产业迎来发展契机。随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求个性化、自动化、快节奏，充满乐趣的生活方式，家装要求的档次越来越高，生活家居要求一种人性化、智能化。智能电子技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。而计算机网络与通讯技术的应用，给人们的家居生活带来了全新的感受。智能家居正在日渐兴起，家居智能化成为一种趋势。

　　结构说明：

　　智能家居监控系统，实现家居环境参数采集，数据传输，监控平台数据分析处理，再发指令控制相关使能设备。是一个以家居为平台，集系统、结构、监控、管理于一体，总体上可分为四个部分：(1)家居参数传感。(2)数据传输。(3)上位机数据处理。(4)设备使能。

　　

　　系统控制系统采用STC15F2K60S2芯片为处理核心单片机作为控制核心。为了达到低功耗且运用方便的性能，用MSP430芯片为主控制，混合使用51芯片为数据采集点，通过RS485通讯发给上位机，上位机根据信号进行判断并驱动家电，实现自动化控制。

　　功能与使用说明：

　　该系统主要是以STC15F2K60S2为核心的主控制系统，通过检测家居环境，如外部光线亮暗，CO2浓度，烟雾浓度，人体释热等，将检测到环境参数通过单片机控制以RS485通讯的方式传递给上位机，上位机根据检测到的环境参数作出相应变化。并设计自动窗帘进行窗帘的自动拉动，自动开关模块进行家居中的电灯进行控制，以达到方便简捷的效果，以及设计密码门进行智能的家居控制。

 

　　平台选型说明

 

　　单片机开发板(以STC15F2K60S2芯片为控制核心)

 

　　设计说明

 

　　检测模块：

　　1.DYPME003人体红外热释防盗报警模块

　　该模块人体红外感应报警，探测人体发出的红外线，当人进入报警器监控区域内，即可发出报警声。热释电红外探头的工作原理及特性：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10um左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10um左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。其如图2所示。

　　

　　2.MQ-2气体模块

　　MQ-2是一种二氧化锡型半导体气敏元件，对可燃性气体具有高度灵敏性和快速响应性，适用于液化石油气、液化天然气、丁烷、甲烷、氢气的便携式监测装置等。敏感体(半导体气体敏感材料)是一个微型珠状小球，内嵌加热丝和金属电极，这种敏感元件安装在有防爆功能的双层100目不锈钢网的金属壳内。

　　

　　3. MQ5烟雾传感器模块

　　MQ5气体传感器所使用的气敏材料是清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处的环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中空气的可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ5传感器对丁烷，丙烷，甲烷的灵敏度很高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

　　图4为MQ5灵敏度特性。

　　

　　4. DHT11温湿度传感器

　　DHT11数字式温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性[14]。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在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。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。在系统中，DHT11温湿度传感器的主要功能就是采集数据。采集的是房间中的温度和湿度，其在系统

　　

　　中电路原理图：

　　图中的DHT11的1脚接电源，2脚为单总线数据和命令传送口，接到单片机的P1^5口，3脚悬空，4脚接地。在电源与地之间接一个100nf的瓷片电容用以去耦滤波，在2脚还接一个4.7K的上拉电阻来拉高的2脚的电压。

　　

　　DHT11温湿度传感器的工作原理：DHT11的供电电压为3~5.5V，传感器上电后，要等待1s以达到稳定状态，期间无需发送任何指令。当要读取该器件的数据时单片机先发送一个指令，然后等待DHT11的响应，当单片机接收到DHT11的响应后才能读取DHT11采集到的数据。

　　2脚的DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯与同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间为4ms左右。数据分为小数部分和整数部分具体格式如下：

　　DATA=湿度数据高位+湿度数据低位+温度数据高位+温度数据低位+校验和图5为DHT11湿温度传感器性能参数

　　

　　5. 定时开关模块

　　定时开关是家电的良好伴侣，可对路灯、广告灯、电饭煲、饮水机、水族箱、电热水器、电热毯、抽水机排气扇空调机、防盗器、台灯等多数用电器进行定时控制，方便你的日常生活。本次设计采用的是STC89C52主控芯片。用STC89C52代替AT89C52，功能更加强大，速度更快，寿命更长，价格也更低。STC89C52可以完成ISP在线编程功能，利用伟福软件、Keil软件等可直接将编写好的程序下载到STC89C52中，MCU则可执行相应的功能，而且STC89C51芯片还可以反复的进行擦写，断电不丢失。采用DS1302时钟芯片实现计时。DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,用于高速数据暂存的31*8RAM，工作电压在2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA，采用这种专用时钟芯片可以更精确地实现定时插座的定时目的，定时准确又不占用太多系统资源。采用独立式按键独立式按键每个键单独占一个I/O口，工作状态互不影响，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。此次定时插座的制作，空留出的I/O口较多，且需要的按键不多，故本设计采用独立式按键。

　　电路如图6所示

　　

　　6. 自动窗帘模块

　　在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再进行数据处理，实现实时测控。采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。此次系统设计系统正是利用AT89C51单片机的优点，顺利的完成了本设计的要求。并且实现了自动控制功能，根据需求还设计了可以根据光照强度自动开闭窗帘的功能，采用步进电机进行窗帘的正转、反转和停止功能。环境亮度的控制通过光敏电阻和运放组成的电路来控制单片机输出电平继而控制电机的正转和反转。关闭时，电机旋转全部放下卷帘;打开时，电机将卷帘全部卷起。其电路图如图7所示。

　　

　　主控模块：

　　主控模块以MSP430系列单片机为核心。MSP430单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。运行速度快。

　　MSP430 单片机有着超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA。下图9为模块的电路图。

　　

　　此模块通过通讯模块485实现与分机之间的数据传输;然后，主控元件对接收到的数据通过LCD显示模块进行实时显示，是室内情况一目了然，对危险的情况也可以通过报警模块实现报警。

　　通讯模块：

　　485 总线是一种用于设备联网的、经济型的、传统的工业总线方式，单独组网，不会受到其他设备的共用网络的干扰。RS-485接口支持点对多点通信，半双工通信模式。稳定性相对较高。其通讯模块如图10 所示

　　

　　显示模块

　　LCD为兼容的液晶显示模块，本设计中采用两行16字符型的模式，显示亮度可调，是一种使用较方便、价格较便宜的液晶显示器件。他有液晶显示屏和驱动器两部分组成，单片机通过写控制字方式访问驱动器来实现对液晶显示屏的控制，系统是利用液晶显示屏来显示测量的结果，图7为液晶显示部分的原理图，它的外围器件是一个精密电位器，它的功能是实现液晶显示屏亮度的调节。通过对其的调节，可自如的改变液晶显示屏的亮度，其操作方法较简单，绝大多数人都可以使用，与有技术等问题无关，且调节电位器对电路的的影响不大。

 

　　作品特色

 

　　先进性：

　　1. 系统可根据数据传输对居住环境进行及时的反馈，智能化，人性化。

   　2. 系统合理运用传感器，满足自动化管理、安全防范监控、对家居中烟雾、可燃气体进行监控。

　　3. 在本系统中，软件结构采用模块化设计，各功能程序分别编写调试。成功后，再将所有的模块连接起来，构成系统的软件。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程，调试，维护及协作。

　　4. 低功耗，采用有线通讯，其稳定性较高。且低成本，集成度高，功能强大

　　实用性：

　　1. 使用大量的硬件电路实现部分功能模块，其目的是充分利用硬件电路的可靠性，稳定性，使整体电路达到比较高的可靠性。

　　2. 全自动的控制，极具智能化。

　　3. 在设计印制电路板时，合理布线，力求将系统中各元件之间，电路之间可能产生的不利影响限制在了最低程度。

　　创新性：

　　1. 本系统可对分机系统进行自由修改和远程控制，体现家居的智能化

　　2. 该系统在原有传统智能家居系统的基础上，以MSP430为控制核心并互联通讯485，克服以其他主控模块带来的稳定性差，速度慢的缺点，使智能家居系统的理念进一步完善与延伸。

 

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2784