智能家居生態(tài)與安防系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張紅葉,陳 燕,馬春燕,趙楊竹雨，竇銀科

(太原理工大學 a.信息工程學院,b.電氣與動力工程學院,太原 030024)

智能家居生態(tài)與安防系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張紅葉a,陳 燕b,馬春燕b,趙楊竹雨b，竇銀科b

(太原理工大學 a.信息工程學院,b.電氣與動力工程學院,太原 030024)

研究并設計了一種智能家居生態(tài)與安防系統(tǒng),采用C8051F020為主控制芯片,監(jiān)測室內溫度、濕度、光照強度、CO濃度、CO2濃度和甲醛濃度,同時監(jiān)測門窗以及特殊環(huán)境的安防情況。將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線和無線通訊傳輸至上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、顯示和報警,實現(xiàn)家居生態(tài)及安防系統(tǒng)的智能控制。該系統(tǒng)結構設計簡單,成本低,適合普通家居需求,便于推廣使用。

智能家居;室內環(huán)境監(jiān)測;LabVIEW

隨著人們生活品質的不斷提高,智能家居越來越受到青睞。智能家居是利用先進技術將與家居生活相關的子系統(tǒng)有機聯(lián)系起來,對家居環(huán)境進行智能監(jiān)測與控制,實現(xiàn)家居生活的智能化、信息化[1],為人們提供快捷高效、舒適安全、健康宜人的家居環(huán)境[2]。但是,目前市場上的智能家居產品費用極高,主要用于高檔小區(qū)和別墅等,很難走入普通百姓的生活。筆者研究并設計了一種智能家居生態(tài)與安防系統(tǒng),采用便宜常見的硬件搭建,結構設計簡單,適合普通家庭使用。

1 系統(tǒng)整體結構設計

本系統(tǒng)包括智能家居生態(tài)系統(tǒng)和安防系統(tǒng)。智能家居生態(tài)系統(tǒng)采用單片機C8051F020為下位機主控制芯片,利用智能傳感器檢測室內環(huán)境指標參數(shù),如溫度、濕度、光照強度及CO濃度等,判斷室內環(huán)境質量是否符合家居要求。根據(jù)檢測和判斷的結果,做出相應控制決策,并上傳數(shù)據(jù)到基于LabVIEW的上位機系統(tǒng)界面進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、顯示和報警。單片機C8051F020通過有線/無線方式對電機及傳動裝置發(fā)出指令,控制智能窗與智能窗簾的開啟、閉合,改善室內生態(tài)環(huán)境質量。智能家居生態(tài)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能家居生態(tài)系統(tǒng)結構框圖

智能家居安防系統(tǒng)是采用單片機C8051F020為下位機主控制芯片,通過熱釋電傳感器、溫度傳感

器、CO傳感器、煙霧傳感器等,監(jiān)測門、窗以及特殊環(huán)境的安全。如發(fā)現(xiàn)異常情況則進行報警,提醒業(yè)主或小區(qū)安保人員解決處理。通過終端設備聯(lián)網將業(yè)主家中安防信息上傳到小區(qū)的總監(jiān)控室,并實時顯示,發(fā)現(xiàn)事故隱患及時防范處理,實現(xiàn)整個小區(qū)的安防網絡系統(tǒng)。智能家居安防系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智能家居安防系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件選擇便宜常見且應用成熟的芯片,采用模塊化思想進行設計,便于推廣,也容易被普通家庭所接受。

2.1 下位機主控制芯片

下位機主控制芯片為美國Cygnal公司生產的C8051F020。這款單片機是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng),單片機含有64 kB片內Flash程序存儲器,4 352 B的RAM、8個I/O端口、64根I/O線、一個8通道12位A/D轉換器和一個8位A/D轉換器以及一個兩路12位D/A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)/定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。與以前的5l系列單片機相比,C8051F020具有內核流水線結構,速度更快,高度集成避免外擴,簡化硬件電路,通信靈活等特點。其最突出的優(yōu)點就是可通過設置交叉開關寄存器來控制片內數(shù)字資源并將其映射到外部I/O引腳,從而允許用戶根據(jù)自己的特定需求,選擇通用I/O端口和所需數(shù)字資源,使設計更加靈活。

2.2 智能家居生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)測量模塊

智能家居生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)測量模塊主要包括溫度、濕度、光照強度、CO濃度、CO2濃度、甲醛濃度的測量模塊,系統(tǒng)傳感器型號及參數(shù)見表1[3-7]。

表1 生態(tài)系統(tǒng)傳感器型號及參數(shù)

2.3 智能家居安防系統(tǒng)各測量模塊

智能家居安防系統(tǒng)主要包括熱釋電傳感器檢測和溫度、煙霧、CO濃度的測量模塊,系統(tǒng)傳感器型號及參數(shù)見表2。

表2 安防系統(tǒng)傳感器及參數(shù)

2.4 智能窗簾控制模塊

智能家居生態(tài)系統(tǒng)的智能窗簾選用DOOYA公司生產的皮帶式交流開合簾,采用220 V交流同步電動機DT52E作為動力,包括電子行程、內置遙控、電機、離合和減速裝置等部分,具有電子行程限位和內置遙控功能、遇阻停止功能、輕觸啟動功能和第三行程點功能等。

圖3 智能窗簾控制電路的硬件原理圖

智能窗簾有兩種控制方式:單片機直接控制和無線射頻信號控制。單片機直接控制的電路如圖3所示[8-9]。用4P4C水晶頭線連接DT52E型電機中控弱電接口與P10接口,當需要開啟智能窗簾時(數(shù)字式光照強度傳感器TSL2561檢測到室內的光照強度低于預先設定值,或定時開啟時間到),C8051F020的引腳P6.3輸出低電平,繼電器線圈K1吸合,常開觸點閉合,并點亮狀態(tài)指示燈D22,連接導通正轉線(黑色)和信號線(黃色),控制電機正轉,開啟窗簾。當引腳P6.4輸出低電平,控制繼電器連接導通反轉線(紅色)和信號線(黃色),電機反轉,閉合窗簾。繼電器線圈兩端并接二極管IN4148,用于吸收反向電動勢,起保護作用,防止反向電勢擊穿三極管及干擾其他電路。單片機直接控制方式接線簡單,穩(wěn)定可靠,且容易實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機程序設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)下位機程序采用C語言在Keil uVision3集成環(huán)境中編寫、編譯,通過SILICON LABORATORIES仿真器下載到C8051F020單片機中運行。系統(tǒng)下位機程序采用結構化設計方案,分為傳感器信號采集、單片機數(shù)據(jù)處理、按鍵識別、液晶顯示、通訊和電機控制等子程序。其中溫度測量、顯示并控制開啟智能窗的程序流程圖如圖4所示。將DS18b20的I/O引腳與單片機C8051F020的P3.7引腳相連,實現(xiàn)溫度傳感器與單片機之間數(shù)據(jù)的交互操作。經過多次實驗調試,驗證系統(tǒng)的可行性。

圖4 溫度測量的程序流程圖

3.2 上位機程序設計與實現(xiàn)

上位機人機交互界面采用虛擬儀器LabVIEW程序開發(fā),實現(xiàn)對下位機環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和室內安全的實時監(jiān)控、顯示和報警。數(shù)值顯示控件顯示實時測量的溫度值,溫度波形圖控件反映了室內環(huán)境溫度的歷史變化。下位機檢測到環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)后發(fā)送到單片機C8051F020的串口。單片機C8051F020的串口與上位機PC機的串口通信通過RS-232總線實現(xiàn)[10], RX0和TX0引腳與PC交叉連接時通過電平轉換芯片MAX232進行電平轉換。上位機的串口通信程序的功能是將下位機傳輸過來的數(shù)據(jù)顯示到前面板。

4 系統(tǒng)整體調試與結果分析

整個系統(tǒng)搭建完成后,在實驗室進行了系統(tǒng)調試。按先部分再整體的思路,首先調試了下位機各傳感器參數(shù)測量、按鍵識別、液晶顯示及報警等程序,然后調試了上位機串口通信程序,最后進行上位機和下位機聯(lián)調。

用戶能夠通過上位機LabVIEW軟件隨時查看系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù),存儲、打印測量結果。在調試過程中進行了大量的實驗并測量了多組數(shù)據(jù)。每天上午9：00左右監(jiān)測實驗室環(huán)境參數(shù),連續(xù)測量了一周,測量結果見表3。測量結果表明,智能家居生態(tài)系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測數(shù)據(jù),為調節(jié)改善室內環(huán)境參數(shù)提供實時準確的依據(jù)。

表3 室內環(huán)境參數(shù)測量結果

5 結束語

設計了一種智能家居生態(tài)環(huán)境與安防系統(tǒng),詳細闡述了整個控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設計。系統(tǒng)采用單片機C8051F020為下位機主控芯片,LabVIEW為上位機平臺監(jiān)測整個家居系統(tǒng)。經調試運行,系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫度、濕度、光照強度、CO濃度、CO2濃度和甲醛濃度的監(jiān)測、顯示與報警,能夠監(jiān)測門、窗以及特殊環(huán)境安防情況,控制智能窗和智能窗簾,為人們的家居生活提供健康舒適、安全放心的環(huán)境。通過家中的電腦等終端設備聯(lián)網遠程監(jiān)控,隨時隨地了解家中的一切信息。

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(編輯：劉笑達)

The Design of Ecology and Security System for Smart Home

ZHANG Hongyea,CHEN Yanb,MA Chunyanb，ZHAO Yangzhuyub,DOU Yinkeb

(a.CollegeofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;b.CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

A kind of ecology and security system for smart home has been researched and designed to monitor indoor temperature, humidity, light intensity, CO concentration, CO2concentration and formaldehyde concentration.The security of doors and windows as well as the special circumstances is monitored at the same time. The acquired data is uploaded to the system in the host computer for data monitoring, displaying and alarming through wired and wireless communications and the smart control of ecology and security system for home is implemented. The design of the system’s structure is simple and the cost is low, so it’s very suitable for the ordinary home and easy to promote.

smart home;indoor environment monitoring;LabVIEW

1007-9432(2015)04-0448-03

2014-12-07

縱向國家級項目：南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE2015-02-02)

張紅葉(1987- )，女，河北唐山人，碩士生，主要從事傳感器與智能控制研究，(Tel)13233697702

陳燕,女，博士，(Tel)13593182148

TP212.9

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.017