智能家居课程设计报告

南通大学智能家居监控系统设计学院：电气工程班级：电115姓名：刘家辰学号：1112002083目录1引言...................................................32系统设计...............................................33硬件设计...............................................43.1单片机的选型.......................................43.2温度监测模块.......................................53.2.1温度传感器简介................................53.2.2测量原理......................................53.2.3电路仿真......................................63.3烟雾监测模块......................................73.4Zigbee模块.......................................83.5报警模块..........................................93.6键盘输入模块......................................103.7液晶显示模块......................................113.8人体红外感应模块..................................114主机软件设计..........................................124.1主机程序整体框架.................................134.2无线发送/接收程序.................................134.3温度监测节点程序..................................154.4烟雾监测节点程序..................................174.5红外热释电监测节点程序............................185设计体会..............................................20第1页共22页6参考文献.......................................................................................................................................................................................................................207附录........................................................................................................................................................................................................................................21主机电路原理图........................................................................................................................................................................................21第2页共22页1引言随着社会经济和科学技术的发展，社会信息化程度越来越高，物联网的推出是时代发展的需要，“三网合一”、“三屏合一”等新概念不断提出，智能家居成为未来家居的发展方向。智能家居在两个方面具有重要作用：(1)家居智化，继而实现住户舒适最大化，家庭安全最大化。智能家居通过其智能家庭控制帮助人们改进生活方式，重新安排每天的时间计划表，并为高质量的生活环境提供安全保障。(2)智能家居的另一个重要作用是降低能源消耗，操作成本最小化，帮助人们节约日常能源消耗开支。智能家居主要通过智能家庭控制系统实现，家庭控制网络是实现智能家庭控制系统的关键。近几年，各种家庭网络推进组织相继成立，并各自推出了相关建议和标准，但这些技术标准缺乏统一的通信接口，相互间不兼容,无法提供家庭控制网络的完整解决方案。因此，智能家居研究者面临的最大挑战和机遇是家用电子领域缺乏统一的通信标准和互操作协议。2系统设计智能家居监控系统的总体设计框图如图1所示。该系统采用主从方式，主机负责接收无线信息、GSM远程报警、传感器阈值设置，从机负责温度、气体、烟雾、等环境信号采集处理及无线发送。本文研制的智能家居环境监测报警系统能够实时监测煤气泄漏、火灾、电热毯过热等温度异常、外人闯入等危险状态，并可实现电话号码报警，设置传感器阈值等功能。第3页共22页被检测对象温度检ZigBee测模块模块显示模块烟雾检ZigBee测模块模块温度监ZigBee蜂鸣器测模块模块ZigBee主单片报警模模块机块有害气ZigBee体监测模块模块红外感ZigBee应模块模块键盘输入模块图1智能家居监控系统的总体设计框图3硬件设计3.1单片机的选型采用AT89S51作为主要单片机AT89S51是一种可编程可擦除的只读存储器并带有4K字节的闪烁，具有是低功耗，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89S51内有4K字节可编程闪烁存储器，128字节的内部RAM，32个外部双向I/O口，6个中断源，两个16位定时计数器及两个全双工串行通信口,看门狗电路。AT89S51有片内振荡器和时钟电路，具有掉电模式和低功耗的闲置。AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，第4页共22页空闲方式是停止CPU的工作，但允许定时计数器、RAM、中断系统及串行通信口继续工作。掉电方式是保存RAM中的内容，但振荡器停止工作就要禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2温度监测模块3.2.1温度传感器简介温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。DS18B20具有以下特性：（1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；（2）简单的多点分布应用；（3）无需外部器件；（4）可通过数据线供电；（5）零待机功耗；（6）测温范围-50~+125℃，以0.5℃递增。华氏器件-67~+257℉，以0.9℉递增；(7)温度以9位数字量读出温度数字量转换时200ms（典型值）；(8)用户可定义的非易失性温度报警设置；(9)报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；(10)应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。3.2.2测量原理DS18B20有三个主要数字部件：1）64位激光ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20也可用外部5V电源供电。第5页共22页DS18B20+5VVDDI/OuP图3DS18B20与单片机的连接方式DS18B20依靠一个单线端口通讯，如图3所示。在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示DS18B20完成一次温度测量。测量结果放在DS18B20的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS18B20使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。图4DS18B20温度测量电路原理图3.2.3电路仿真1未达到设定值前：第6页共22页2到达设定值之后：3.3烟雾监测模块MQ系列气体传感器是常见的气体传感器，它有多种系列，可用于不同气体浓度的检测。它的工作原理为：其内部由活性很高的金属氧化物半导体（常用的是SnO2）组成，金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸第7页共22页附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过氧化物半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低，传感器的阻值减小。在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示：Rs=A[C]-σ其中：Rs：传感器电阻，A:常数，[C]:气体浓度，σ：Rs曲线的斜率通过对传感器两端电压的测量可以得到传感器的阻值，进而可以得到所测气体的浓度。MQ-7半导体气体传感器具有对一氧化碳的高灵敏度、优异的稳定性、长寿命、大的电信号输出、优异的选择性，常用于家庭、商业、工业环境的一氧化碳、煤气探测装置。MQ-7工作条件：环境温度：-20℃～+55℃湿度：≤95%RH环境含氧量：21%烟雾监测模块由一块MQ-7型气敏传感器芯片及若干外围电路组成。其测量电路如图5所示。图5烟雾监测模块测量电路3.4Zigbee模块ZigBee是一种低速无线个域网技术（LowRateWirelessPersonalNetwork,LRWPAN）。它用途很广泛，多适用于一些分布范围较小，通信数据量不大，数据传输速率相对较低，但同时对传输数据的可靠性和安全性有一定的要求，同时成本低和功耗低且易安装使用的场合。选用CC2530作为无线通信模块的核心芯片。外观图如图5.2所示。第8页共22页CC2530-ZigBee无线通讯模块是采用TI最新一代CC2530ZigBee标准芯片，适用于2.4GHz、IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用。CC2530芯片包括了极好性能的一流RF收发器，工业标准增强性8051MCU，系统中可编程的快闪内存，8KBRAM以及许多其他功能强大的特性，可广泛应用在2.4-GHzIEEE802.15.4系统、RF4CE控制系统、ZigBee系统，其应用领域可为：家庭∕医院∕建筑物自动化，工业控制测量和监视，低功耗无线感测器网络等各方面应用。无线模块的软件主要由两部分构成，一部分为主程序，实现串口数据到无线数据的转换；另一部分为中断服务程序，实现无线数据到串口数据的转换CC2530的开发环境是IAREmbeddedWorkbenchIDE，采用C语言编程，流程图6如下：