基于單片機(jī)和GSM的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬

基于單片機(jī)和GSM的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

介紹了單片機(jī)操作系統(tǒng)、C語言技術(shù)與GSM模塊結(jié)合完成智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三大功能：監(jiān)控室內(nèi)溫度、防盜和檢測室內(nèi)可燃?xì)庖约盁熿F。首先通過3個(gè)傳感器模塊采集室內(nèi)信息，例如溫度、人體、可燃?xì)馀c煙霧等，然后發(fā)送到以51系列單片機(jī)為核心控制器構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集終端上進(jìn)行處理，若發(fā)生特殊情況，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警聲，并通過GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程接收端。仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)成本低，操作方便，并且達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)定性和可靠性。

單片機(jī)；C語言；傳感器；GSM

0 引言

智能家居的概念最早是美國在20世紀(jì)70年代提出來的。此后，在歐洲、新加坡、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，智能家居這個(gè)概念被引入，并且勢頭越來越猛[1]。20世紀(jì)90年代末傳入中國。隨著中國綜合國力的增強(qiáng)，人民生活水平的提高，住宅消費(fèi)觀念的不斷進(jìn)化，對于住宅的要求也相應(yīng)提高，于是形成智能住宅及智能家居的概念[2]。

本文結(jié)合單片機(jī)接口技術(shù)以及C語言的相關(guān)知識設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)以下功能：當(dāng)有人闖入住宅時(shí)，紅外報(bào)警模塊觸發(fā)，報(bào)警指示燈亮，并通過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，通過GSM模塊傳到遠(yuǎn)程的手機(jī)接收端，從而通過遠(yuǎn)程接收端對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行控制；通過溫度檢測模塊和煙霧傳感器模塊設(shè)置額定溫度值以及額定的煙霧值，當(dāng)溫度以及煙霧超過額定值時(shí)，報(bào)警指示燈亮并通過蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，然后通過GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程手機(jī)接收端，并通過接收端進(jìn)行控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：溫度檢測模塊、紅外監(jiān)控模塊、煙霧傳感器模塊、LCD液晶顯示模塊、GSM模塊等。本系統(tǒng)是基于安卓操作系統(tǒng)建立的遠(yuǎn)程控制平臺，以51系列單片機(jī)為核心控制器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集終端[3-4]。按鍵電路控制系統(tǒng)的額定值，并模擬門的狀態(tài)。蜂鳴器電路用以報(bào)警時(shí)發(fā)出警報(bào)，LED燈模擬報(bào)警時(shí)發(fā)出照明警報(bào)。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是系統(tǒng)的重要組成部分，其作用就是對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并依據(jù)事先設(shè)定好的參數(shù)和控制規(guī)則對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。它分為3個(gè)子系統(tǒng)：溫度監(jiān)控系統(tǒng)、紅外感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)、煙霧與可燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)[5]。溫度監(jiān)控系統(tǒng)將傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，同時(shí)單片機(jī)將實(shí)際溫度與設(shè)定的額定溫度進(jìn)行比較，如果實(shí)際值大于額定值，系統(tǒng)就會發(fā)出警報(bào)，并通過GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程控制平臺，通過接收端進(jìn)行控制。紅外傳感器檢測到有人非法進(jìn)入時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。數(shù)據(jù)采集終端會將報(bào)警信息及時(shí)反饋到安卓監(jiān)控平臺進(jìn)行控制。煙霧傳感器的原理類似于溫度傳感器，傳感器將采集到的煙霧值傳送給單片機(jī)，并與實(shí)際設(shè)定值進(jìn)行比較，若實(shí)際值大于額定值，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并通過GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程控制平臺，通過接收端進(jìn)行控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52作為系統(tǒng)的主控芯片，在其外圍添加溫度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、GSM模塊等硬件設(shè)備，這些設(shè)備主要用于檢測室內(nèi)環(huán)境因素，當(dāng)超過額定的設(shè)置值時(shí)，在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前值和額定值，并通過蜂鳴器報(bào)警以及GSM模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端，當(dāng)然，報(bào)警指示燈會亮。

2.1 溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)溫度傳感器模塊選用的是DS18B20。它采用單總線通信方式，其內(nèi)部包含地址，非常適合于各種工業(yè)和民用場合的應(yīng)用[6]。其測溫范圍是-55°～+125°；其分辨率用戶可以自行選擇，9～12 bit之間；內(nèi)部也分別設(shè)置了溫度的上限與下限的報(bào)警設(shè)置。除此之外，DS18B20的成本也比較廉價(jià)，適合推廣。

2.2 煙霧傳感器模塊

煙霧與可燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的作用是監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的氣體成分，當(dāng)監(jiān)測到特定煙霧或者可燃?xì)怏w時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出警報(bào)。該系統(tǒng)檢測到特定煙霧或者可燃?xì)怏w時(shí)，會發(fā)出聲光報(bào)警，并將報(bào)警信息反饋至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺[7]。

本系統(tǒng)選用MQ-2氣體傳感器模塊作為前端數(shù)據(jù)采集器件。MQ-2的電路連接圖如圖2所示。

圖2 MQ-2電路連接圖

可以通過RV1上下兩個(gè)箭頭調(diào)節(jié)接收到的煙霧值。當(dāng)調(diào)到大于或者等于設(shè)定的額定值時(shí)，系統(tǒng)就會發(fā)生警報(bào)。

2.3 紅外人體感應(yīng)傳感器

本系統(tǒng)采用的紅外人體感應(yīng)傳感器模塊是HC-SR501。該模塊靈敏度高，可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。

其硬件電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 HC-SR501電路連接圖

2.4 GSM模塊

GSM模塊是一個(gè)類似于手機(jī)的通訊模塊，集成了手機(jī)的若干功能于一塊小電路板上，與手機(jī)部分功能一樣，具備發(fā)短信、打電話的功能。它在很多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。通過使用AT指令才能對GSM模塊進(jìn)行控制。模塊可以與電腦RS232串口連接，也可以用單片機(jī)來進(jìn)行控制。

本系統(tǒng)通過SIM800模塊對溫度、煙霧以及紅外模塊信號進(jìn)行接收，將報(bào)警信號發(fā)送到用戶接收端。其主要功能部分包括：(1)GSM基帶;(2)GSM射頻;(3)天線接口;(4)其他接口。

模塊功能圖如圖4所示。

圖4 GSM模塊功能框圖

2.5 12864LCD液晶顯示屏模塊

由于LCD具有顯示信息量大、能夠?qū)崿F(xiàn)良好人機(jī)交互的特性，所以得到了廣泛的使用[8]。常見的液晶有字符型液晶和圖形型液晶，由于字符型液晶只能顯示字母和數(shù)字，不能顯示漢字，所以在國內(nèi)用得比較少。而圖形型液晶在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，它可以顯示漢字、圖形等各種信息。其中12864LCD液晶顯示電路如圖5所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)的仿真部分是在Proteus軟件中進(jìn)行的，相應(yīng)的軟件程序是在Keil C51中完成。在一般由單片機(jī)控制的系統(tǒng)中，主程序中某一部分是被系統(tǒng)反復(fù)執(zhí)行的 。當(dāng)然本系統(tǒng)也不例外，當(dāng)單片機(jī)上電后，系統(tǒng)開始運(yùn)行，從main函數(shù)中開始執(zhí)行。在本系統(tǒng)的主函數(shù)中，主要完成一些外設(shè)的初始化，并根據(jù)用戶對于按鍵的操作來控制外部信息的接收。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有監(jiān)控室內(nèi)溫度、檢測室內(nèi)煙霧以及可燃?xì)狻⒎辣I等，并且通過GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程終端。對于軟件程序的編寫，可以通過按鍵對單片機(jī)設(shè)計(jì)最小初始的最高溫度和最低溫度、額定的煙霧值以及紅外感應(yīng)等各方面的數(shù)值來達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。下面是主程序的部分代碼：

#include

#include "lcd12864.c"

#include "key.c"

#include "ds18b20.h"

#include "gsm_model.c"

sbit buzzer=P1^5;

//蜂鳴器

sbit mq_2=P1^4;

//mq_2

#define buzzer_on buzzer=0;

#define buzzer_off buzzer=1;

extern uchar temp_value;

uchar TxRxBuf[4]={0xff,0x00,0x00,0x00};

uchar high_temp=29;

uchar low_temp=2;

uchar temp_now=0;

uchar set_flag=0;

bit warn_flag=1;

uchar buzzer_flag=0;

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在仿真測試過程中，主要模擬測試了智能家居系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境，包括室內(nèi)溫度值、煙霧值以及是否有人闖入等方面的監(jiān)測，并模擬報(bào)警。首先測試第一個(gè)功能：監(jiān)控室內(nèi)溫度。設(shè)置初始的額定溫度報(bào)警值最高為38°，最低為5°，通過溫度傳感器改變溫度值，當(dāng)溫度達(dá)到或超過額定最高溫度值或者等于或低于額定最低溫度值時(shí)，LCD顯示屏顯示當(dāng)前溫度，報(bào)警指示燈亮，蜂鳴器工作，GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到接收端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該功能可以正常工作。其次測試第二個(gè)功能：檢測室內(nèi)是否有煙霧以及可燃?xì)?，該功能與第一個(gè)功能類似。設(shè)置初始額定煙霧指數(shù)為25，給煙霧傳感器一個(gè)煙霧值，當(dāng)煙霧達(dá)到或超過額定煙霧指數(shù)時(shí)，LCD顯示屏顯示當(dāng)前煙霧指數(shù)，蜂鳴器工作，報(bào)警指示燈變亮，GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到遠(yuǎn)程終端。通過仿真驗(yàn)證，該功能能正常工作。測試最后一個(gè)功能：防盜。當(dāng)人體感應(yīng)傳感器檢測到有人非法進(jìn)入時(shí)，顯示屏上入侵狀態(tài)顯示有，反之，則顯示無。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)作為中央處理器，各個(gè)傳感器采集家居的內(nèi)部環(huán)境因素，并通過GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到接收端。各個(gè)硬件設(shè)備的互相有效協(xié)作，完成了智能家居的模擬。

[1] 呂莉,羅杰.智能家居及其發(fā)展趨勢[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2007(11)：18-20.

[2] 高小平.中國智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].低壓電器,2005(4)：18-21.

[3] 王朝華,陳德艷,黃國宏,等.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012，22(6)：225-228.

[4] 李濤.基于Android的智能家居APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州:蘇州大學(xué),2014.

[5] 花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討[J].智能建筑電氣技術(shù),2009，3(1)：92-98.

[6] 劉曉彤.嵌入式智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[7] 崔若飛.基于ARM和GPRS智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[8] 徐子豪,張騰飛.基于語音識別和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2012，20(1)：180-182.

The design of smart home system based on MCU and GSM

Cui Bingqing,Chu Lili,Du Renpeng

(School of Electronic & Information Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

This paper describes the single chip microcomputer operating system and technology combined with C language and GSM module to complete the design and implementation of smart home system. The system mainly achieves three functions: monitoring indoor temperature, theft and detection of indoor gas and smoke. Firstly, through three sensor moduls to collect information in the home, for example, temperature, the human body, combustible gas and smoke,and then sent to the 51 series microcontroller ,which as the core controller to build data collection terminal,dealing with the data. If it has special case happened,the system will give out the alarm, meanwhile sent message to the remote terminal through the GSM module. Practice has proved that this system is low cost, easy to operate, and achieves the desired stability and reliability.

single-chip microcomputer; C language; sensor; GSM

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.015

崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬.基于單片機(jī)和GSM的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(7)：50-52.

2016-12-04)

崔冰清(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)。

褚麗莉(1970-)，通信作者，女，博士，教授，主要研究方向：現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)。E-mail：chulili902@126.com。

杜仁鵬(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理。