家用智能安保系統(tǒng)設(shè)計

孟 楊，李文森，廖欄椿，郭仿軍

(重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，重慶 永川 402160)

隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，家居安保技術(shù)應(yīng)運而生.安保系統(tǒng)是多功能的系統(tǒng)［1］，隨著人們的應(yīng)用需求和住宅智能化的發(fā)展，家居安保系統(tǒng)將擁有更豐富的內(nèi)容，系統(tǒng)也越來越復(fù)雜.在當(dāng)前市場中，家居安保系統(tǒng)相比傳統(tǒng)家居，所占的市場份額還是微乎其微.但隨著信息和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，家居安保技術(shù)在實現(xiàn)成本上大幅度降低，同時人們追求生活的智能化和舒適化，如果技術(shù)更加成熟，其市場需求會非常大.

1 系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)的總體框圖

本系統(tǒng)主要有5大模塊:主控模塊、傳感器模塊、聲控模塊、短信模塊和顯示模塊.本系統(tǒng)在實現(xiàn)安保功能的基礎(chǔ)上又通過聲控模塊和短信模塊進(jìn)行了對家居智能控制的擴充，實現(xiàn)家居控制的智能化，其總體設(shè)計框圖如圖1所示.

圖1 總設(shè)計框圖

1.2 系統(tǒng)布局及功能介紹

本系統(tǒng)的平面布局如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)平面布局圖

1)廚房里裝有煤氣監(jiān)測傳感器和電飯鍋模擬電機.無論什么時候，只要發(fā)生煤氣泄漏，系統(tǒng)就會發(fā)出聲光(蜂鳴器和報警燈)報警，并通過GSM模塊向用戶發(fā)送報警短信.另外，用戶在未到家之前就可以發(fā)送短信提前讓電飯鍋開始做飯，等到家時飯就做好了.

2)在大門口裝有人體釋電傳感器，進(jìn)行安防監(jiān)控.用戶離家時該模塊便會開啟，在此期間若有人闖入，系統(tǒng)便會發(fā)出聲光報警，并且會通過GSM模塊向用戶發(fā)送報警短信.

3)在大門外裝有光控裝置，可根據(jù)光線強弱自動控制路燈的開關(guān).

4)空調(diào)置于臥室，可以通過3種方式來控制空調(diào)開關(guān).第一，可根據(jù)室溫變化自動開啟和關(guān)閉.系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定最舒適溫度范圍，然后通過DS18B20溫度傳感器實時檢測的溫度數(shù)據(jù)控制臥室空調(diào)的開關(guān).第二，用戶可以在家通過語音控制空調(diào)開關(guān)，當(dāng)用戶說出“打開空調(diào)”時系統(tǒng)能智能識別該指令立即打開空調(diào);同樣說“關(guān)閉空調(diào)”，空調(diào)便立即關(guān)閉.第三，當(dāng)用戶不在家時可通過手機給系統(tǒng)發(fā)送短信控制空調(diào)開關(guān).比如，用戶在回家前可以發(fā)一條短信把空調(diào)打開，等到家時室內(nèi)溫度已達(dá)到最舒適范圍.

5)窗簾置于陽臺，臺燈置于臥室，均可通過用戶語音控制.當(dāng)用戶在家時可根據(jù)客廳光線的強弱通過語音口令控制窗簾或臺燈開關(guān)，如當(dāng)用戶說“打開窗簾”時，窗簾便自動打開，說“關(guān)閉窗簾”時，窗簾又能自動關(guān)閉.臺燈也是一樣.

1.3 系統(tǒng)的工作模式

本系統(tǒng)工作方式可分為用戶在家和離家兩種模式［2］.在家模式的設(shè)計如圖3所示.

圖3 在家模式功能圖

主要的功能有如下幾點:

首先是溫度的監(jiān)測，當(dāng)溫度過高的時候空調(diào)就會自動打開降溫;相反，溫度過低時會自動打開暖氣升溫.這樣就會使室內(nèi)溫度維持在最舒適范圍.

其次是聲控模塊.聲控模塊用來控制臺燈和窗簾開關(guān).當(dāng)語音模塊識別到語音“打開窗簾”后，會執(zhí)行打開窗簾動作;識別到“關(guān)閉窗簾”后，就執(zhí)行相應(yīng)的操作關(guān)閉窗簾.臺燈也是一樣.

最后是光敏模塊.利用光敏傳感器根據(jù)露天的光線強度來實現(xiàn)是否開啟路燈:當(dāng)光線弱到一定程度的時候路燈就會自動地開啟;當(dāng)光線強到一定程度的時候就會自動關(guān)閉路燈.

離家模式的設(shè)計如圖4所示.

圖4 離家模式功能圖

當(dāng)啟動離家模式后，STC89C52單片機就會與各個傳感器模塊密切合作協(xié)調(diào)，實現(xiàn)安防、報警的功能;與GSM短信模塊進(jìn)行通信實現(xiàn)家居的監(jiān)測與控制.

本系統(tǒng)要由DS18B20傳感器、氣體—煙霧傳感器、紅外釋電傳感器完成.如果家里有煤氣泄漏、溫度達(dá)到了50℃及以上(說明可能有火災(zāi)發(fā)生)，或者安裝在大門附近的紅外釋電傳感器檢測到有人非正常進(jìn)入家里，各傳感器就會收集數(shù)據(jù)傳到單片機進(jìn)行處理、分析后經(jīng)GSM模塊以短信的形式把信息傳達(dá)給用戶，實現(xiàn)用戶實時地監(jiān)測家庭環(huán)境的目的.

當(dāng)然，用戶也可以由手機終端發(fā)短信控制家里的用電器.如發(fā)短信“cook”，單片機接收到后就控制電飯煲的開關(guān)，進(jìn)行煮飯;還可以發(fā)短信控制空調(diào)的開啟，靈活、方便地控制家電，達(dá)到無地域限制、實時地監(jiān)測和控制家居的目的，讓用戶更放心.

2 硬件電路的設(shè)計

2.1 溫度傳感器(DS18B20)

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合.由于其耐磨耐碰，體積小，使用方便，測量精度為±0.5℃，本系統(tǒng)采用該傳感器作為溫度采集部分.硬件電路圖如下:

圖5 DS18B20硬件設(shè)計圖

2.2 氣體檢測模塊(MQ-2)

MQ-2氣敏元件由微型陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件組成，可以對多種有毒有害氣體進(jìn)行檢測，靈敏度高，并且可調(diào).其電路圖如圖6所示.

圖6 氣體—煙霧傳感器外圍電路

2.3 紅外檢測模塊

熱釋電紅外人體傳感器把探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出，可以檢測外人的非法闖入.其硬件電路如圖7所示.

圖7 釋電傳感器外圍電路設(shè)計

2.4 聲控模塊(LD3320)

LD3320是一顆基于非特定人語音識別技術(shù)的語音識別/聲控芯片.提供真正的單芯片語音識別解決方案，可以用聲音對家居進(jìn)行智能控制［3-4］.設(shè)計電路如圖8所示.

圖8 LD3320硬件電路

2.5 短信通信模塊(TC35I)

西門子GSM模塊TC35I是一塊功能強大的通信模塊，具有TC35/TC35I短信模塊，體積小、重量輕、低功耗，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真等，可以作為本系統(tǒng)的通信部分［5］.硬件電路如圖9和圖10所示.

圖9 短信模塊中的SIM部分電路

圖10 通信模塊TC35I主控芯片及外接電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體流程圖如圖11所示.將各個子系統(tǒng)高效連接起來以后，總系統(tǒng)可完成的功能可分為在家和離家兩種模式.

圖11 系統(tǒng)軟件設(shè)計總體流程圖

在家模式可以分為白天和夜晚兩種模式.白天溫度檢測部分可完成智能調(diào)節(jié)溫度的功能，給用戶造就一個舒適的溫度環(huán)境，而用戶可根據(jù)光線強弱以及需要隨時聲控窗簾的開啟與關(guān)閉.夜晚降臨后，光線檢測部分會為用戶自動開啟路燈，用戶回家后可隨時聲控屋內(nèi)的臺燈開啟，睡覺時可直接聲控關(guān)閉臺燈.

處于離家模式時，溫度檢測部分可監(jiān)測屋內(nèi)異常高溫，紅外人體檢測模塊可對非法闖入進(jìn)行監(jiān)測并報警，并及時通過短信告知用戶，確保用戶的財產(chǎn)安全.另外，用戶可以通過短信對家電進(jìn)行遠(yuǎn)程操控.最后，對于出現(xiàn)煙霧或者天然氣等有害氣體泄漏的情況，無論是在離家模式還是在家模式，都會馬上報警，并通過GSM通信系統(tǒng)告知用戶，確保用戶生命以及財產(chǎn)的安全.

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 MQ-2氣體檢查部分的測試結(jié)果

MQ-2在外加5 V電源進(jìn)行加熱后，無論是處于離家模式還是在家模式.在空氣中如若沒有煙霧或可燃?xì)怏w時，其輸出電壓為5 V高電平.當(dāng)用香煙的煙霧或者打火機對其進(jìn)行灌入丁烷時，其輸出電平急劇下降，很快降為0 V低電平，同時蜂鳴器發(fā)出警報，GSM模塊立即發(fā)短信告訴用戶.如將其靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其報警的速度就會隨著靈敏度的大小而改變.

4.2 紅外傳感部分的測試結(jié)果

上電后，紅外人體傳感器開始工作.當(dāng)處于在家模式的時候，單片機不對紅外人體傳感器采集的信號進(jìn)行處理，所以無論人在紅外人體傳感器前怎么晃動，都不會有什么影響.當(dāng)處于離家模式的時候，傳感器感應(yīng)到有人非法闖入信號后將該信息傳遞給單片機，單片機對該信號立即處理，警報響起.紅外人體傳感器檢測的范圍比較大，理論上有5～6 m.

4.3 溫度傳感部分的測試結(jié)果

上電后DS18B20開始工作，在默認(rèn)情況是在家模式，當(dāng)高于或者低于預(yù)設(shè)的溫度時，主控板馬上就獲取信息，空調(diào)立刻開啟，在預(yù)設(shè)最舒適溫度范圍內(nèi)空調(diào)是處于關(guān)閉狀態(tài).而當(dāng)切換成離家模式時，空調(diào)關(guān)閉，即使溫度過高或者過低也不開啟，但會在異常高溫的情況下，進(jìn)行報警并短信通知用戶.

4.4 光線檢測部分的測試結(jié)果

光線檢測部分能在光照充足的情況下關(guān)閉照明燈，而當(dāng)用手遮蔽或者移至光線較暗的地方時自動打開照明燈，并且能在一定程度內(nèi)使得照明燈的亮度隨光線的強度減弱而變強.

4.5 聲控部分的測試結(jié)果

本系統(tǒng)采用的是直接觸發(fā)模式，因此只要用戶下達(dá)語音控制命令，就能很快被該部分識別，主控板隨即獲取指令并執(zhí)行相應(yīng)的操作.當(dāng)完成命令后，會通過喇叭發(fā)出相應(yīng)指令完成的情況.值得注意的是，下命令時語音要相對清晰，語速正常，太模糊或者太快可能無法識別，下達(dá)完一條指令后，最好稍微停頓幾秒再下達(dá)下一個口令，因為口令識別需要一定的緩沖時間.

4.6 GSM通信部分的測試結(jié)果

該模塊裝入一張SIM卡上電后便可開始工作，在主控板發(fā)來報警信號后立刻發(fā)送短信通知用戶，并且根據(jù)險情的種類、險情發(fā)生的次數(shù)，發(fā)送相應(yīng)的內(nèi)容通知用戶.當(dāng)接收到用戶遠(yuǎn)程的命令短信后可以立即發(fā)送指令給主控板，執(zhí)行相應(yīng)的操作.

4.7 顯示部分的測試結(jié)果

該部分可以把收到主控板接收到的溫度數(shù)據(jù)顯示出來，顯示溫度的精度達(dá)到0.01℃，并實時更新.另外，可根據(jù)用戶需要將顯示亮度調(diào)為用戶的理想狀態(tài).

4.8 總體部分的測試結(jié)果

從測試結(jié)果來看，各子系統(tǒng)能相互協(xié)調(diào)配合工作，不論離家模式還是在家模式各個預(yù)期功能都能實現(xiàn)，且相互間的干擾較小，系統(tǒng)也很穩(wěn)定.在保證安保功能的基礎(chǔ)上還完成了對普通家居的智能化改造.

4.9 系統(tǒng)不足

在調(diào)試本系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)聲控模塊偶爾會在用戶沒下達(dá)指令時執(zhí)行錯誤動作，或者發(fā)出噪聲.經(jīng)分析，可能是外界的干擾信號干擾造成的，解決方法是將識別指令設(shè)置長一些，或者對其進(jìn)行屏蔽干擾的措施，以提高其工作的正確率.

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用單片機、傳感器、短信通信模塊以及聲控模塊對普通家庭進(jìn)行改造，實現(xiàn)了智能安保功能，并對其擴展加入家居智能控制的功能，使其更加智能化、人性化.但本作品還有些瑕疵:在試驗時，發(fā)現(xiàn)聲控模塊有時會誤識別聲音指令或者執(zhí)行錯誤動作，這些都是由于外界信號干擾產(chǎn)生，不可能完全避免.但相信在科技飛速發(fā)展的今天，不久以后應(yīng)該可以逐漸克服這些問題，使得該系統(tǒng)更加完善.

圖12 作品實物圖

［1］王凱明.智能家居系統(tǒng)的研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2005：2-12.

［2］廖高華，謝矗.智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2011(7)：21-24.

［3］金鑫，田犇，闕大順.基于LD3320的語音控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)［J］.電腦與信息技術(shù)，2011(1)：22-25.

［4］洪家平.LD3320的嵌入式語音識別系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012(2)：47-53.

［5］施自華，伍臣周，余晃晶.基于GSM的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.三明學(xué)院學(xué)報，2010(4)：341-344.