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作者：青岛职业技术学院 焦华斌 姜欢 杨闯闯
指导教师：赵秋玲 吴辉

　　作品简介

　　随着人们生活水平的提高和居住环境的不断升级，智能家居的发展日益迅速，人们越来越重视居住环境的安全、舒适和便利。为此，我们以单片机开发板为平台，采用传感器技术、红外遥控技术和GSM无线通讯技术，设计开发了一种多功能智能家居安防控制系统。
　　一、开发背景
　　在设计此系统之前，基于智能家居概念，已完成家庭安检控制器和红外遥控智能电源控制器的设计，如图1、图2所示。　　

　　在安装、调试过程中，感到家中如配备太多这样的装置，不仅繁杂，且不利于用户操作和使用。在此基础上,将家庭安防报警、室内环境测控、红外遥感控制和GSM无线远程控制多功能融合在一起，设计开发了该系统。

　　二、系统结构
　　多功能智能家居安防控制系统主要结构如图3所示，这些模块构成了控制系统的核心。

 　　将图3所示各模块和电源模块、居家机械装置、用电设施及手机等组合在一起，制作的智能家居安防控制系统实物模型如图4所示。　　

 　　三、功能和使用说明
　　1、防盗报警
　　对陌生人入侵、空调室外机被盗等情况及时发现，语音警告，短信通知主人。

　　2、防火测控
　　煤气泄漏、烟雾检测，语音警告，短信通知主人，自动打开窗户、关闭阀门或切断电源。

　　3、室内空气质量测控
　　空气质量、温度、湿度等室内参数检测，如超标，自动开启通风、换气装置，保持室内空气清新、室内环境良好。

　　4、声光报警
　　通过集成语音警报系统提醒，随意组合语音，不同的安全隐患发出不同的真人声音，同时配有LCD显示屏幕，通过声音和LCD屏幕闪烁及相应字幕，提醒主人，降低不安全因素的有害影响。

　　5、GSM无线控制
　　发生安全隐患，立刻通过GSM模块发送短信通知主人。如主人外出时忘记关闭煤气阀门或家中用电设备，也可发送一条短信系统，远程控制相应装置动作。

　　6、红外遥控
　　通过遥控器设定、查询系统的参数，也可随时用遥控控制家用设施动作，如窗户的自动开、关，排气扇的启、停。

　　平台选型说明

　　因我们为机电一体化技术专业学生，所学电子技术方面知识较少，综合考虑各种因素，拟选用15F2K61S2单片机开发板为大赛平台，其价格低，上手快，体积小，抗干扰能力强，性价比高。

　　设计说明

　　多功能智能家居安防控制系统是基于单片机技术、传感器技术和GSM技术而开发设计的一种功能集成、扩展性强、自动化程度高的智能家居控制系统，目的在于便捷人们的生活，减少安全隐患，提升人们的生活质量。

　　一、设计目标
　　1.采集易引起火灾的参数，包括可燃气体、烟雾、温度，如达到安全隐患设定值，语音报警，发短信通知户主。并可配合适当装置，自动关闭阀门、切断电源、打开窗户，避免次生灾害的发生。
　　2.采集家居环境参数，包括温度、湿度、空气质量等，如超过影响人体健康参数的设定值，语音报警，自动开启窗户、换气装置等，保持室内空气清新，保证室内生活环境的良好。
　　3. 防盗信息检测，包括空调室外机防盗检测、红外热释电人体检测或门磁检测，如有异常，语音警告，并发短信通知户主，通过异常的语音吓走非法入侵者，减少财产损失。
　　4. 配备红外遥感和GSM远程控制，可遥控或发送短信控制家中相应机械装置或电器动作，随时随地便捷人们的生活。

　　二、设计方案和设计原理
　　多功能智能家居安防控制系统是参照国内外相关技术发展状况、根据我国家居建设实际情况、为满足新时期居民要求、并充分考虑其经济性和可靠性而设计开发的，系统总体设计方案如图5所示。　　

 　　整个系统分为五个层次：感知层、数据传输层、中央处理层、输出层和应用层。感知层通过各种传感器采集与家居相关的环境、防火和防盗参数，数据传输层通过相应的接口电路将数据采集传送给单片机，经中央处理层处理、运算后，发送给输出层，有输出层相应接口电路控制相应装置动作。另外，系统还包括电源模块、红外遥控和无线通讯模块。

　　三、硬件设计
　　该系统以STC15F2K61S2单片机控制为核心，采用传感器技术、红外遥控技术、TC35无线通信技术和LCD液晶显示技术进行设计, 系统电路原理图如图6所示。
　　利用图5中感知层的各种传感器检测防盗、防火和空气质量信息，传输给STC15F2K61S2单片机进行处理，根据处理结果，通过输出电路控制相应装置报警、显示、动作、或发送报警信息给户主。也可利用红外遥控通过单片机设置系统参数或控制相应继电器动作，或通过户主手机向TC35无线通讯模块发送信息，经单片机处理后进行远程控制。　　

 　　根据系统目标要求，主要设计了传感器、语音芯片、STC89C52单片机扩展、TC35无线通讯模块和继电器输出模块等外围硬件电路，还有简易智能家居模型的设计。

　　1、传感器电路
　　传感器电路的功能是将防盗、防火和室内环境参数信号传送给单片机，并可通过调节滑动变阻器的阻值来调节传感器的预置值，包括MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器、MQ-5可燃气体传感器、SB-AQ1空气质量传感器、湿敏电阻传感器，BISS001红外热释电人体检测传感器，这些传感器信号直接连接到大赛开发板单片机相应I/O口上, 如图7所示。　　

　　2、STC89C52单片机扩展电路
　　因存储空间受限，设计了STC89C52单片机扩展电路，如图8所示。目的是连接GSM无线通信模块，并存储、处理红外遥控和无线通讯程序。图中，P1.0、P1.1接控制继电器;P3.0、P3.1与TC35模块连接;P1.6、P3.6接短信接收、短信发送指示灯;P0.2-P0.5连接红外遥控控制指示灯;P2.0-P2.3与STC15F2K61S2单片机相连接，控制继电器输出。　　

 　　3、GSM无线通信电路
　　GSM无线通信电路如图9所示，选用了TC35无线通信模块，24-29引脚与模块内置SIM卡连接，开机、联网、等待、执行命令操作与单片机相连，实现远程无线控制和报警提醒。　　

 　　4、语音报警电路
　　电路如图10所示，采用了WT588D语音芯片，外围传感器采集信息超标后，通过单片机控制语音芯片，然后驱动扬声器，及时发出警告信息。可针对人们个性需求设置不同真人声音，方便识别警报类别，采取不同应急措施。　　

　　5、继电器输出控制和应急电路
　　如图11所示，传感器数据处理结果超标时，单片机控制继电器动作，控制相应家用设施或应急装置动作，同时继电器指示灯亮。不同传感器检测超标，对应不同继电器动作。　　

　　该作品制作了一个模拟的窗户和排气扇(见作品介绍图4)。空气质量参数超标时，单片机驱动继电器，排气扇得电，实施换气功能，空气质量恢复正常，排气扇停转;当家中瓦斯漏气、烟雾超标时，继电器动作控制电机自动开窗或打开消防设施。

　　四、软件设计
　　软件部分设计主要采用模块化设计思想，分为主程序、数据处理程序、扫键程序、红外遥控程序、语音报警程序、无线通讯程序等。于此，重点介绍主程序和无线通讯程序的编程思路。

　　1、主程序设计
　　主程序流程图见图12。首先，对单片机进行初始化。接着，STC15单片机将接在P1.0红外接收器、P1.1可燃气体传感器、P1.2温度传感器、 P1.3 烟雾传感器、P1.4空气质量传感器、P1.5湿度传感器、P4.1红外热释电传感器、P2.1空调室外机检测传感器数值采集进来，并进行处理，将其与设定值进行比较。若其中一个或多个达到报警条件，就会触发相应继电器动作，同时会触发相应的语音报警以达到自动调节环境状况和户主的目的。

　　2、GSM无线通讯程序设计
　　在本系统中，GSM模块软件设计是通过串口发送AT指令给GSM模块来实现发送短信的功能，其流程图如图13所示。
　　首先，串口发送字符串“AT+CMGF=1\r”给GSM模块，设置短信为TXT模式。然后，发送“AT+CMGS=13760727792\r”，设置收信方的手机号码。接着，将待发送短信的内容发给GSM模块。最后，发送十六进制的0x1A(回车)确认发送，这样就能通过GSM模块最终实现报警通知用户的功能。

　　在GSM模块和单片机的串行通信中，选用定时器T1在工作方式2设定波特率为9600，其初值计算公式如下：　　

 　　已知f为11.00592MHz，设波特率控制位SMOD=0，则有　　

 　　故在程序设计时，定时器初值设置为0xFD　　

 　　五、结论与展望
　　该控制系统使居民可随时随地通过语音、短信知道家中存在的安全隐患，也可通过一些配套装置自动开启窗户、关闭阀门或切断电源，避免次生灾害的发生，并可随时随地控制家中设施，方便了人们的生活

　　该系统设计目前基本达到了预期的目标：
　　(1)系统功能齐全，能对家庭中出现的火灾隐患、盗窃事件、空气质量进行检测，及时发出报警信息，降低用户生命、财产损失。
　　(2)系统能通过单片机控制的LCD显示检测参数，能语音报警，能通过GSM模块短信通知户主，使用户及时快速做出应对措施。
　　(3)系统能根据检测结果，自动控制窗户、换气装置或消防装置动作，也可通过红外遥控或GSM模块控制相应装置动作。
　　(4)能通过开发板上的按键或红外遥控修改系统设定参数。
　　因时间紧迫，该系统还需要进一步改进和完善，主要存在以下几个方面的问题：
　　(1)增强远程控制功能，增加用户可自行设定监控电话号码功能。
　　(2)减少布线，无线化设计，传感器信号和家居装置控制信号尽量采用无线传输。
　　(3)进一步细化设计，将其做成完整的产品，可直接用到用户中。

　　作品特色

　　1、多功能集成，声光报警、远程控制和机械动作融为一体，实现了智能家居的自动化。
　　(1)将防盗、防火、空气质量等多种检测融为一体，
　　(2)配备GSM远程监控和红外遥感控制，可遥控或发送短信控制家中相应机械装置或电器动作。
　　(3)机电一体化，当检测参数超标，自动控制相应装置动作。

　　2、人性化和智能化
　　既可通过红外遥控对液晶屏上的参数进行设定、查询，也可通过开发板上按键进行。在没有报警的情况下，可随时用遥控控制相应机械装置或家用电器动作，也可通过手机远程控制。

　　3、可拓展性，适用性强
　　该系统功能多、扩展性强，不仅可用于家庭，系统完善后可普遍应用于高档小区、学校、医院、企事业单位等。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2303