基于單片機智能家居系統設計

摘要：隨著科學技術的不斷發展，人們對日常生活的需求日益增加，在此背景下，智能家居系統迅速發展起來，其目的是為人們提供安適、方便的生活方式。智能家居系統主要應用在家居設計中，主要作用是監控家居環境，包括溫濕度、煙霧以及非法闖入等，它能夠滿足人們不斷提高的生活需求。文章設計的智能家居系統功能包括檢測家居環境、實現報警通信等，本智能家居系統使用STC12C5A60S2單片機為主控模塊，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器檢測家居環境，通過LED顯示屏進行溫濕度的數字顯示，通過GSM模塊通信實現煙霧、非法闖入的報警，用戶可通過短信得知家居情況。本設計的亮點是把家居環境與通信模塊結合在一起，實現對家居安全的遠程監控。

關鍵詞：智能家居；MCU；傳感器；通信模塊

中圖分類號：TU855 文獻標志碼：A

0 引言

基于人們日益增長的需求，智能家居系統也飛速發展，但同時也存在非常大的局限性：一方面受人們固定思維的影響，傳統的家居方式以及家用電器的使用方法根深蒂固，限制著智能家居系統的全面發展；另一方面受到影視的影響，人們對智能的印象不是太過正面，有一部分人對使用智能家居系統呈觀望態度，擔心太過智能是否會對人的生理或者心理產生不利的影響。智能家居系統起源于美國，發展的原因歸結于電子技術的發展，在電子技術發展之初，只是用簡簡單單的機械操作來代替人工煩瑣重復性的操作，極大地方便了人們的日常生活^［1］?？茖W技術的進一步發展，人們提出了智能家居的概念，計算機技術的發展為智能家居的建設提供了實際的基礎，基于計算機網絡技術，網絡測控技術構建了一個集合各種功能于一體的家居環境，包含家居環境控制、安防系統、報警功能、通信等^［2］。世界各個國家在家居系統上投入了大量的研究，在家居系統控制的基礎上加入了公共社會的智能，比如把家居防盜系統和公共區域的監控連接在一起，極大地提高了家居防盜系統的安全性和便捷性，一旦發生盜竊事件，能夠迅速調動所有能利用的資源，極大地降低了財產的損失。把家居智能控制系統拓展到一片小區、一整座城市，極大提高了住宅高新技術的智能含量和居民居住環境水平^［3］。本文描述的智能家居系統是以STC12C5A60S2單片機為主控核心，有機結合外圍設備溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器等檢測家居環境，通過LED顯示屏進行溫濕度的數字顯示，通過GSM模塊通信實現煙霧、非法闖入的報警提示，用戶可通過接收短信得知家居情況，為用戶提供安全、方便、智能的家居環境。

1 智能家居系統的功能需求及實現

作為新時代的智能家居產品，應該具備以下幾點功能：應具備智能防盜功能；應具備室內溫濕度實時監測功能；應具備室內火警監測功能；應具備遠程報警功能（見圖1）。

（1）智能防盜功能：人體表面的溫度是37℃左右，會發出一定波長的紅外線，當HC-SR501人體紅外傳感器的被動式紅外線探頭接觸到人體發射的紅外線時，經過菲尼爾濾光片后得到增強，然后聚焦到HC-SR501人體紅外傳感器的紅外感應器，紅外感應器接收到經過放大后的紅外線時，會向外釋放電荷，經過檢測之后就可以轉換成報警信號。主控單片機可通過紅外傳感器來獲取人員流通信息，同時結合主人的流動信息，判斷是否有陌生人闖入，從而達到防盜功能。

（2）室內溫濕度實時監測功能：DHT11溫濕度傳感器是以溫濕度一體式的探頭作為測量元件，采集室（a）HC-SR501傳感器；（b）DHT11傳感器；（c）MQ-2傳感器；（d）SIM900A模塊。圖1 智能家居系統功能模塊內溫度和濕度的模擬信號，經過電路處理（信號放大和濾波），變換為單片機可讀的二進制信號，同時也和溫度、濕度成函數關系，主控單片機可通過AD采樣、轉換，獲取室內溫度、濕度信息，達到實時監控室內溫濕度功能。

（3）室內火警監測功能：眾所周知，火災現場必定產生大量的二氧化碳，當二氧化碳接觸到MQ-2煙霧傳感器的二氧化錫氣敏探頭時，會使得其導電能力迅速增加，從而增大MQ-2煙霧傳感器的輸出信號，主控單片機可通過監測這一輸出信號的突變來獲得火警信息，實現火警監測功能。

（4）遠程報警功能：如果室內環境出現異常現象，如煙霧濃度過高、有陌生人闖入等，系統將通過GMS模塊發送短信至用戶手機，告知主人室內情況，從而實時監測室內異?，F象。

本文研究的智能家居系統是以STC12C5A60S2單片機為主控核心，通過傳感器對溫濕度、煙霧濃度、人體等進行檢測，然后通過顯示屏顯示各個傳感器采集的數據。本系統由主控模塊、紅外人體檢測模塊、煙霧檢測模塊、溫濕度檢測模塊、數值顯示模塊、短信模塊等組成，將各項功能有機地結合在一起，通過STC12C5A60S2單片機主控控制各個模塊（見圖2），為用戶提供安全、方便、智能的家居環境。

2 智能家居系統硬件電路設計

市面上可供選擇的單片機種類多種多樣，其中，經常使用的是宏晶科技STC系列單片機、意法半導體STM32F系列單片機等。

STC12C5A60S2單片機是由宏晶科技生產的新一代51單片機，具有處理速度快、功耗低、抗干擾能力強等特點。STC12C5A60S2單片機的程序代碼和傳統的8051單片機程序代碼是完全一致的，可以相互兼容，但是STC12C5A60S2單片機的運行速度是8051單片機運行速度的好幾倍。它的內部集成了一個MAX810專用的電路，主要是用來進行復位的。除此之外，STC12C5A60S2單片機還具有2路PWM，能夠實現8路高速10位A/D轉換，比較適用于強干擾場合。

STM32F103C9T6單片機是32位增強型的單片機， 具有功能全面、成本低廉、能耗低等特點。對于用戶的各種需求，STM32F103C9T6單片機都能夠滿足，而且單片機內部架構能弱更快地執行用戶指令，使單片機的性能更強。

通過兩種單片機的對比分析，對于本文所需要的功能需求，兩種單片機都完全能實現。但是STM32F103C9T6單片機的價格高，而STC12C5A60S2單片機不僅完全能實現本設計的需求，在價格方面也更容易讓人接受，在市場也很常見。在開發的難度上面，STC12C5A60S2單片機相較于另外一款有顯著優勢。綜合考慮之后，選擇STC12C5A60S2單片機作為本智能家居系統的主控芯片。

本設計主要用到STC12C5A60S2單片機的P1，P2端口，如圖3所示，與外圍的HC-SR501傳感器、DHT11傳感器、 MQ-2傳感器、 SIM900A模塊相連接。

紅外人體檢測電路接口設計如圖4a所示，傳感器的1，3引腳分別接地和電源，2引腳與單片機P1.0相連接，將人體紅外信號采集輸送給單片機。其工作原理為：人體表皮溫度37 ℃，會散射出紅外線，當傳感器紅外線感知探頭接收到人體散射出的紅外線時，將會檢測到有陌生人傳入的信息，通過和單片機P1.0引腳相連接的導線傳輸給單片機。

室內溫濕度檢測電路接口設計如圖4b所示，傳感器的1，4引腳分別接電源和地面，2引腳為DATA串行數據單總線口，與單片機的P1.1引腳相連接，3引腳懸空。將室內的溫濕度數據傳輸給單片機，其工作原理為首先通過傳感器探頭將室內溫度、濕度非電信號轉換為模擬電信號，然后將模擬電信號轉換為數字電信號，通過單總線傳輸的方式，將溫濕度數據傳輸給單片機。

煙霧檢測電路接口如圖4c所示，傳感器的第3，4引腳分別接地和電源，1引腳為Dout口，數字量輸出，單煙霧濃度超過設定濃度，輸出高電平，反之輸出低電平，接單片機P1.5口；2引腳為Aout口，輸出和煙霧濃度成函數關系式的模擬電壓亮，接單片機P1.4口，采用單片機引腳復用AD采樣功能來讀取模擬電壓值。

GSM通信模塊的電路接口設計如圖5所示，1號引腳接地，4號引腳接電源，2，3接口是5 V/3.3 V TTL電平引腳，與單片機的P1.2，P1.3引腳相連，建立數據連接通道，當有異常反應時，接收單片機傳遞的數據信號，進行報警處理，發送報警短信。

選擇0.96寸12864 OLED液晶顯示屏作為顯示模塊，如圖6所示，1，2號引腳分別接GND和VCC；3號引腳為D0口時鐘信號；4號引腳為D1口接收數據信息；5號引腳為RES負責復位功能；6號引腳為DC，用來進行數據和命令的選擇；7號引腳為CS，用來進行片段選擇。顯示屏通過引腳與單片機的部分P2相連接，接受經過單片機處理后的數據信號，把溫濕度示值展現在OLED 屏幕上。

3 智能家居系統軟件設計

主程序的主要功能是負責讓主控中心接受來自各數據采集模塊采集的數據，即溫濕度、煙霧濃度、紅外感應等。程序運行時，通過主控中心分析判斷，將采集的溫濕度數值送到顯示屏進行顯示，判斷煙霧濃度，通過GSM通信模塊發送報警短信，當有人非法闖入時，主控中心控制發出聲光報警以及GSM通信模塊發送報警短信，整個智能家居系統的總體程序設計如圖7所示。

對于數據采集部分，共有3個傳感器的數據進行讀取，HC-SR501人體紅外傳感器通過T2口與單片機P1.0引腳相連接，建立數據傳輸通道。每當采樣周期到來，單片機讀取P1.0口的電平（高電平為有人進入，低電平為無人進入）。

DHT11溫濕度傳感器通過雙向單總線的方式進行數據傳輸。首先，單片機發送一次開始信號，DHT11發送響應信號，送出40 bit的數據，數據格式為：8 bit濕度整數數據、8 bit濕度小數數據、8 bit溫度整數數據、8 bit溫度小數數據、8 bit數據校驗和。單片機接收DHT11發送一幀數據，首先通過檢驗和判斷數據在傳輸過程中是否出現錯誤，若無錯誤，則按照幀格式內容讀取出本次測量的溫度值和濕度值。

MQ-2煙霧傳感器與單片機的P1.5，P1.4引腳相連接。P1.5引腳接收傳感器的開關信號，每當采樣周期到來，單片機去讀取P1.5口的電平（有火災輸出高電平，無火災輸出低電平）；P1.4引腳為模擬電壓信號，單片機采用內部集成AD采集電路去讀取模擬電壓信號，然后通過煙霧濃度-電壓函數關系式計算出當前煙霧濃度。

GSM通信模塊工作流程：首先，設置系統進入PDU模式和設置接收短信的用戶手機號，然后是接收主控單元決策出需要發送給用戶的消息，最后是將消息準確無誤地發送給用戶。

0.96OLED屏幕與51單片機采用SPI通訊方式，其程序控制流程為：首先初始化OLED設置（包括OLED清屏、初始化顯示指針、對比度等），然后是查詢要顯示的字符串的編碼值（英文字符查詢ASCII碼，中文字符查詢HZK碼），最后將字符串的編碼依次顯示在屏幕上，包括溫度值、濕度值、煙霧濃度值，是否需要報警等。

4 結語

本設計為基于單片機的智能家居系統，具有監測室內環境的溫濕度、火警、陌生人闖入等功能，完成了智能家居的基本任務，同時該設計擁有成本低、系統穩定、安全高效等特點。

參考文獻

［1］陶瑤瑤，許靖雯，呂紅.我國智能家居存在的問題與對策［J］.北方經貿，2019（4）：58-60.

［2］盧希.智能家居互聯互通大勢所趨［J］.中國建設信息化，2019（7）：41.

［3］黨鵬，馬菁.物聯網在智能家居中的應用與發展［J］.計算機產品與流通，2019（4）：120.

（編輯 何 琳編輯）

Design of AI home system based on MCU

Huang Bin1， Zhang Li²

（1.Tsinghua Yuan Architecture and Planning Design Research Co.， Ltd.， Shenzhen 518054， China;

2.Sichuan Technology Transfer Center， Chengdu 610095， China）

Abstract： With the continuous development of science and technology， people’s demand for daily life is also increasing. In this context， the smart home system developed rapidly， its purpose is to provide people with a comfortable and convenient way of life. Smart home system is mainly used in home design， the main role is to monitor the home environment， including temperature and humidity， smoke， and illegal break-in and so on. It can meet people’s ever-increasing living needs. The functions of the smart home system designed in this paper include the detection of the home environment， alarm communication， etc. The smart home system uses STC12C5A60S2 MCU as the main control module， uses temperature and humidity sensor， smoke sensor， human body infrared sensor to detect the home environment， and displays the temperature and humidity digital through the LED display screen. The alarm of smoke and illegal intrusion is realized through GSM module communication， and the user can know the home situation through SMS. The highlight of this design is to combine the home environment with the communication module to realize the remote monitoring of home security.Key words： AI home; MCU; sensor; communication module