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作者：滨州学院 王克会 史传宝 张传卓

指导教师：李卫兵 张显江

　　作品简介

　　本系统结合智能家居节能、安全、自动化的特点，设计了以STC15F2K60S2为核心的大管家智能家居管理系统。利用无线路由器实现局域网和外网监控，在电脑端和手机端上利用上位机进行远程视频观看和控制家电，通过GSM主人发送短信或飞信亦可对家电进行控制。自制的FM收音机实现音频无线传输。系统可设为户外模式和户内模式两种。当系统为户外模式时，震动传感器和报警器在门被破坏、打开和碰撞时都会报警，GSM也会向主人发送报警短信。当系统设为户内模式，同时满足光线强度弱和有人靠近两个条件时，红外热释电感应模块和光学传感器控制开启电灯，不满足条件时控制电灯关闭。系统还设计了家庭用电实时保护子系统，可以实现家庭用电参数如电压、功率等信息的实时显示，还能通过wifi模块，在手机和电脑端上，通过上位机观测等同的信息，在上位机上可以设定电压及功率预定值，超出预定值后系统发出报警并自动切断总电源。

　　系统的总体框图如图1所示

　　平台选型说明

　　选用大赛指定的单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心)。STC15系列单片机集成了上电复位电路与高精准R/C振荡器， 给单片机芯片加上电源就可跑程序;集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及EEPRM，集成了A/D、 PWM、 SPI等高功能接口部件，大大地简化了单片机应用系统的外围电路。STC15F2K60S2单片机操作简单，资源丰富，完全满足本系统的设计要求。

　　设计说明

　　1.视频无线传输模块

　　(1)局域网视频无线传输

　　把普通的无线路由器通过刷入开源的Openwrt系统，使之成为一个运行了Linux系统的小电脑，我们可以在上面安装各种程序、驱动，以路由为平台，用户可以自由地加载USB摄像头、网卡、声卡、等等设备。我们就是将其加载了USB摄像头，利用路由器上的程序把USB摄像头的视频进行编码，然后通过wifi返回给上位机，这样，我们就可以从上位机上看到摄像头采集的视频信息了。同时路由一般都预留有TTL串口，TTL串口是用来调试或者刷机用的，我们把这个TTL串口引出来，然后通过安装在路由器里面的Ser2net软件，把来自WIFI信道的指令转到串口输出，而串口在这里的作用就是与单片机芯片MCU通信。局域网视频无线传输图解如图2所示

　　(2)外网视频无线传输

　　外网控制的基本原理就是“端口映射”+“动态域名”。就是在家里的无线路由器上做一个设置，使得外网对于路由器上一个特定的端口的访问会被路由器重新转到一个指定的IP主机和端口，这样一来，家里的无线路由器就等于是一个“桥”，联通了外网和摄像头上面的路由，使得我们可以在外网控制家居。

　　家里的路由器每次开机后，对外的IP地址都是不同的，那么控制摄像头就需要每次通过查询路由对外的IP地址，然后重新设置控制端的IP，先向动态域名提供商申请一个动态域名，这个域名是不变的，提供商会提供账号密码，把这个账号密码填入路由的动态域名功能里面，每次开机的时候，路由就会向域名提供商的服务器登录，服务器就可以获取本次登录时路由对外网的地址，然后自动把这个新IP绑定在www. baidu.com这个域名上面，这样一来，我们就没必要每次都去找路由当前的IP了，直接输这个域名就可以连到我们的路由。外网视频无线传输图解如图3所示

　　2.音频无线传输模块

　　无线电波发生电路能够产生无线电波信号，远方的FM收音机能够接收到无线信号进而还原信号。无线电波发生电路如图4所示，MIC首先将自然界的声音信号变成音频电信号，经C11耦合给Q-Relay3的基极进行调制，当有声音信号时，三极管的结电容会发生变化，振荡频率发生变化，完成频率调制，即调频。再经C7耦合给高频调谐放大电路对已调制的高频信号放大，在经过C5、L3和天线向外发射频率随声音信号便利而变化的高频电磁波。R5为话筒MIC的偏置电阻，一般在2K到5.6K选取。R1为集电极电阻，R4为基极电阻，给三极管提供偏置电流。R9为发射极电阻，起稳定三极管直流工作点;Q-Relay1、C2、R10、C12、C7、R2、L1、C6、C14组成了高频振荡网络，R2给Q-Relay1提供偏流，C2和L1振荡回路，改变其值可以改变其发射频率，，C12为反馈电容，R10起稳定Q2直流工作点的作用，C7隔直流通交流;Q-Relay2 、R3、R8、L2、C3、C13组成高频功率放大电路。R3给Q-Relay2提供基极电流，C3、L2放大调谐回路，和振荡回落C2和L1调谐在同一频点时获得最大输出功率，发射距离最远。当我们将发射频率调节到FM收音机波段内，就可以配合带FM波段的收音机接收到该高频信号，并从该高频信号还原出声音信号。无线电波产生电路如图4所示。

　　3.GSM远程控制模块

　　GSM模块内置了移动通信网络的SMS(短消息)及GPRS(通用分组无线业务)协议，对外接口仅为一UART串口。使用单片机编写AT指令程序，即可通过GSM模块发送短信和打电话，也可以给GSM模块发送短信和打电话，从而与GSM模块相连接的单片机接收到指令信息作出相应的指令动作。GSM模块的指令与作用功能表如表一所示，GSM模块与STC单片机连接电路如图5所示。

　　4.家庭用电实时保护模块

　　(1)MQ-2气体传感器

　　MQ-2气体传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。烟雾传感器通过一个可变电阻输出电平信号，调节可变电阻可以改变传感器灵敏度。其电路图如图6所示。

　　(2)互感器电路设计

　　电压互感器采用PT2531，电流互感器采用HCT256A。这两种互感器电路设计比较简单，只需几个电阻分压和几个电容去耦即可，电路设计如图7所示。

　　(3)家庭用电实时保护模块控制器设计

　　C8051F020件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片， 具有64字I/O 引脚。每个 MCU都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)内用 2.7V-3.6V的电压工作。端口 I/O、/RST 和 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压。与 8051 完全兼容。

　　C8051F020最小系统图如图8所示：