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)
摘要：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。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；C語言；傳感器；GSM
中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.07.015
引用格式：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.
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［34］。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。
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。
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。
2.4GSM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。
2.512864LCD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)控圖512864LCD液晶顯示屏電路連接圖制的系統(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 <reg52.h>
#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_onbuzzer=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;
ucharbuzzer_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。
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