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作者：山东理工大学 曹亚飞 刘明 孙照兴
指导教师：刘国柱 刘连鑫

　　作品简介

　　随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展,智能家居逐渐成为21世纪最具有发展潜力的产业之一。但是，现今智能家居系统普遍价格较高，少则几千元，多则几十万元的价格让一些中、低收入家庭望而却步。因此，我们团队本着尽量降低成本，而能基本满足用户要求的原则下，设计出STC15F2K61S2芯片为控制核心的家居智能管家。
　　家居智能管家由GSM模块、语音模块、电机驱动模块、液晶显示模块、超声波寻迹模块、温度采集模块、人体红外检测模块、稳压模块、无线控制模块、时钟模块组成。其中液晶显示模块、温度采集模块、时钟模块是利用开发板自带的资源。各模块具体如图1.1和图1.2所示。
　　家居智能管家是集防火防盗、日常事务提醒、音乐播放、娱乐遥控于一身的智能化作品。该作品以智能寻迹小车为载体，通过加装无线遥控模块和GSM模块来实现无线遥控和手机控制这两种方式对家居智能管家的控制。
　　该作品有两种工作模式：居家工作模式和离家工作模式。上电之后，语音会自动提示您选择工作模式，通过无线遥控可以切换工作模式。在居家模式下，有日常事务提醒，烟雾、可燃性气体检测，音乐欣赏，玩具车遥控等功能，这些功能也是通过遥控按键切换的。在此模式下，智能管家会进行日常事务语音提醒，所谓日常事务提醒是指当用户设定日常的作息规律或是重要的事务之后，智能管家会到用户设定的时间进行语音提示，以避免用户作息时间不规律或是错过什么重要的事情。智能管家也会时时检测可燃性气体的含量，一旦发现异常就是立即语音报警，保护用户的生命安全。此外，用户还可以按键选择音乐欣赏，或是选择玩具车遥控，闲暇之余，可供主人娱乐。
　　在离家模式下，智能管家有防火防盗的功能。在静态检测状态下，智能管家会时时检测可燃性气体浓度和通过人体红外传感器检测是否有小偷进入，一旦发现异常，智能管家会立即发送短信到主人的手机上。此外用户还可以通过手机发送短信让智能管家处于自主巡航状态，此时，智能管家会通过三个超声波传感器自主寻迹，这时的智能管家就变成了会动的可燃性气体和人体红外传感器，探测的距离明显加大，提高了防火、防盗的准确度。
　　无论是在居家模式下，还是离家模式下，家居管家的液晶显示模块都会显示当前所处的模式和状态，当前的日期、时间和室内温度，便于用户对智能管家进行操作和及时了解家居环境。　　

图1.2

　　平台选型说明

　　本设计以单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心)为设计平台。

　　设计说明

　　一： 总体方案设计
　　我们设定的家居智能管家有防火防盗、日常事务提醒、音乐播放、娱乐遥控等功能，因此，我们设计出的总体框架图如图2.1所示。(注：详细的电路图见附件一)　　

　　图2.1

　　二： 系统硬件电路设计
　　2.1 GSM模块
　　GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。本系统所采用的GSM模块为西门子公司生产的TC35，是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，其工作的波特率为300bps...115kbps ，并且该GSM模块支持AT指令集，通信模式为RS232(指令和数据的双向传送)，从而可利用单片机的串行口来发送相应的控制命令，并且单片机可接受由TC35所传送过来的数据，实现对于所发送短信内容的读取。
　　TC35所支持的短信模式有PDU，text格式的短信，其中PDU格式的短信支持汉字以及英文字符，但相应的解码需要大量的算法，因此本系统只采用对于几个简单汉字字符的识别的方案，并利用相应汉字的特殊字符作为控制TC35模块的密码，比如信息的内容为“刘明巡航”，其中刘明unicode编码为5218 660E ，而且假设所设定发送的PDU信息内容中和TC35所返回的命令中，仅会出现一次“0E”，则可以将其中的“0E”作为判别短信内容的标志位。在检测到TC35模块通过串行口所返回的数据中判断是否有“0E”，若有则利用这对于此条短信的内容的所设定的特殊算法，将短信的所包含的命令读出。同样在硬件方面通过将TC35模块RING端口通过一个TTL电平转换并连接到单片机的中断端口中，在短信来临时或有电话来临时，检测在RING端口所出现的下降沿，从而开始执行读取短信内容的操作，并执行所设置的命令。

　　2.2 语音模块：
　　我们采用HSTAMFP作为该作品的语音模块,其内部采用的是华邦公司生产的工业级语音芯片，和功放数字式功放做为的功率放大部件。而本模块数字功放的好处则是它的效率极高，不用散热片就能达到高功率输出，并且是常用的OTL功放的4-5倍高，是一种大功率高品质的语音模块。HSTAMFP支持6-22K动态采样，动态加载不同采样率音频文件不需要改运外部时钟，易于用单片机进行控制。模块支持AT指令集，通信方式为RS232串口。

　　2.3 时钟模块
　　时钟模块采用板上自带的PCF8563时钟芯片。PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务。是一款性价比极高的时钟芯片，如图2.2所示。　　

　　2.4 人体红外感应模块
　　我们采用HC-SR501作为该作品的人体红外感应模块，HC-SR501采用全自动感应工作模式，当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。其感应角度小于120度锥角，感应距离7米以内，完全符合该作品的设计要求。该模块的电路图如图2.3所示。

　　2.5 电机驱动模块
　　我们采用L298N模块作为我们的电机驱动模块。L298N内部有两路桥式电路，一个　　

　　L298N驱动芯片可以同时控制两个直流电机工作或者一个步进电机工作。OUT1和OUT2驱动电机B1，OUT3和OUT4驱动电机B2，直接通过单片机I/O输出控制L298N的输出，从而控制电机转动。2组二极管起整流和稳压作用，在供电电压突变时对电机产生保护作用。电机两端的并联电容，消除电机火花干扰其他线路，抑制电源的波动，泻放瞬间变化的能量，从而起到保护电机的作用。电路如图2.4所示:　　

　　2.6超声波寻迹模块
　　我们采用三个HC-SR04 超声波测距模块组成该作品的寻迹模块，。HC-SR04 超声波测距模块性能稳定，测度距离精确，盲区只有两厘米。符合我们的要求。HC-SR04 的一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,接着就可以计算出距离障碍物的距离。通过对三个超声波测距传感器采集来的距离进行一些算法的处理，就完全可以达到室内自主巡航的目的。

　　2.7 温度采集模块
　　我们采用开发板自带的DS18B20芯片作为该作品的温度采集模块。DS18B20数字化温度传感器是 "一线总线"接口的温度传感器，在其内部使用了在板(ON-B0ARD)技术，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，使用较为灵活，所占用的端口较少，满足该作品的设计要求。

　　2.8 无线遥控模块
　　我们采用PT2262作为该作品的无线遥控模块。 PT2262 是4路集成无线遥控模块。 四键遥控器和超再生固定码接收模块可以组成四路无线发射接收电路，遥控器的四位数据码对应模块的四路输出，四路输出高低电平，方便单片机采集信息，并执行相应的操作命令。
　　满座该作品的设计要求。
　　下表是接收模块一共有八个外部接口的名称及其功能说明。　　

 　　2.9 液晶显示模块
　　我们采用开发板自带的12864的接口和一块12864液晶作为该作品的液晶显示模块。12864液晶成本相对较低，最多可以显示4*8个汉字，完全满足该作品的设计要求，并且降低了成本。

　　2.10 电源模块
　　该作品需要5V,7.2V,12V三种电源，我们采用7.2v可充电电池。7.2v可以直接给语音模块和电机模块，7.2v经MC34063芯片可以升压到12v，给GSM模块供电。7.2v经7805芯片降压到5v，给单片机和其他模块供电。升压电路和降压电路如图2.5和2.6所示。　　

　　作品特色

　　从先进性角度看，本作品选用GSM模块作为控制信号接收源之一，众所周知，手机已成为人们必需品之一，用人人必备的手机控制而不是按键操作，这本身就是与时俱进的表现。
　　从创新性角度看， 本作品的设计灵感来源于智能家居系统，却又有别于此。现在智能家居市场的大多数要对住房进行整修，所耗时间长，价格高，而此作品本身就是一个单独的系统，不必再对整个住房进行整修。此外，本作品一改诸如烟雾、可燃性气体传感器，人体红外传感器只能定点的传统安置方法，移动的传感器既可以提高防火、防盗的精准度，又能够减少传感器的安置数量，一举两得。
　　从实用性角度看，本作品能够较好的实现防火防盗、日常事务提醒、音乐播放、娱乐遥控的功能，并且用户对于本作品的每一步都有相应的语音提示和液晶显示所处的状态，用户能够快速的学会其操作的方法，用户体验感较好。再者，如若将此作品与冰箱，洗衣机，电视等家电通信，再加上互联网接入模块，就完全可以升级到基于物联网的智能家居系统，改造潜力大。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2305