基于單片機和GSM的智能家居系統(tǒng)的設計

崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬

基于單片機和GSM的智能家居系統(tǒng)的設計

崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬

(遼寧工業(yè)大學 電子與信息工程學院，遼寧 錦州 121001)

介紹了單片機操作系統(tǒng)、C語言技術與GSM模塊結(jié)合完成智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)三大功能：監(jiān)控室內(nèi)溫度、防盜和檢測室內(nèi)可燃氣以及煙霧。首先通過3個傳感器模塊采集室內(nèi)信息，例如溫度、人體、可燃氣與煙霧等，然后發(fā)送到以51系列單片機為核心控制器構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集終端上進行處理，若發(fā)生特殊情況，系統(tǒng)發(fā)出報警聲，并通過GSM模塊發(fā)送報警信息到遠程接收端。仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)成本低，操作方便，并且達到了預期的穩(wěn)定性和可靠性。

單片機；C語言；傳感器；GSM

0 引言

智能家居的概念最早是美國在20世紀70年代提出來的。此后，在歐洲、新加坡、日本等發(fā)達國家和地區(qū)，智能家居這個概念被引入，并且勢頭越來越猛[1]。20世紀90年代末傳入中國。隨著中國綜合國力的增強，人民生活水平的提高，住宅消費觀念的不斷進化，對于住宅的要求也相應提高，于是形成智能住宅及智能家居的概念[2]。

本文結(jié)合單片機接口技術以及C語言的相關知識設計了智能家居系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)以下功能：當有人闖入住宅時，紅外報警模塊觸發(fā)，報警指示燈亮，并通過蜂鳴器發(fā)出警報，通過GSM模塊傳到遠程的手機接收端，從而通過遠程接收端對智能家居系統(tǒng)進行控制；通過溫度檢測模塊和煙霧傳感器模塊設置額定溫度值以及額定的煙霧值，當溫度以及煙霧超過額定值時，報警指示燈亮并通過蜂鳴器發(fā)出警報，然后通過GSM模塊發(fā)送到遠程手機接收端，并通過接收端進行控制。

1 系統(tǒng)總體設計

本文所設計的智能家居系統(tǒng)包括以下幾個部分：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)建立的遠程控制平臺，以51系列單片機為核心控制器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集終端[3-4]。按鍵電路控制系統(tǒng)的額定值，并模擬門的狀態(tài)。蜂鳴器電路用以報警時發(fā)出警報，LED燈模擬報警時發(fā)出照明警報。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)境進行實時監(jiān)測，并依據(jù)事先設定好的參數(shù)和控制規(guī)則對室內(nèi)環(huán)境進行干預。它分為3個子系統(tǒng)：溫度監(jiān)控系統(tǒng)、紅外感應報警系統(tǒng)、煙霧與可燃氣報警系統(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，同時單片機將實際溫度與設定的額定溫度進行比較，如果實際值大于額定值，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，并通過GSM模塊發(fā)送到遠程控制平臺，通過接收端進行控制。紅外傳感器檢測到有人非法進入時，觸發(fā)報警。數(shù)據(jù)采集終端會將報警信息及時反饋到安卓監(jiān)控平臺進行控制。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，并與實際設定值進行比較，若實際值大于額定值，系統(tǒng)發(fā)出警報，并通過GSM模塊發(fā)送到遠程控制平臺，通過接收端進行控制。系統(tǒng)設計的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計的總體框圖

2 硬件設計

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模塊等硬件設備，這些設備主要用于檢測室內(nèi)環(huán)境因素，當超過額定的設置值時，在液晶顯示屏上顯示當前值和額定值，并通過蜂鳴器報警以及GSM模塊發(fā)送到遠程接收端，當然，報警指示燈會亮。

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)部也分別設置了溫度的上限與下限的報警設置。除此之外，DS18B20的成本也比較廉價，適合推廣。

2.2 煙霧傳感器模塊

煙霧與可燃氣報警系統(tǒng)的作用是監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的氣體成分，當監(jiān)測到特定煙霧或者可燃氣體時，系統(tǒng)立即發(fā)出警報。該系統(tǒng)檢測到特定煙霧或者可燃氣體時，會發(fā)出聲光報警，并將報警信息反饋至遠程監(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。

圖2 MQ-2電路連接圖

可以通過RV1上下兩個箭頭調(diào)節(jié)接收到的煙霧值。當調(diào)到大于或者等于設定的額定值時，系統(tǒng)就會發(fā)生警報。

2.3 紅外人體感應傳感器

本系統(tǒng)采用的紅外人體感應傳感器模塊是HC-SR501。該模塊靈敏度高，可靠性強，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。

其硬件電路設計圖如圖3所示。

圖3 HC-SR501電路連接圖

2.4 GSM模塊

GSM模塊是一個類似于手機的通訊模塊，集成了手機的若干功能于一塊小電路板上，與手機部分功能一樣，具備發(fā)短信、打電話的功能。它在很多領域中都有著廣泛的應用。通過使用AT指令才能對GSM模塊進行控制。模塊可以與電腦RS232串口連接，也可以用單片機來進行控制。

本系統(tǒng)通過SIM800模塊對溫度、煙霧以及紅外模塊信號進行接收，將報警信號發(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。

圖4 GSM模塊功能框圖

2.5 12864LCD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 軟件程序設計

本次實驗的仿真部分是在Proteus軟件中進行的，相應的軟件程序是在Keil C51中完成。在一般由單片機控制的系統(tǒng)中，主程序中某一部分是被系統(tǒng)反復執(zhí)行的 。當然本系統(tǒng)也不例外，當單片機上電后，系統(tǒng)開始運行，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)煙霧以及可燃氣、防盜等，并且通過GSM模塊發(fā)送報警信息到遠程終端。對于軟件程序的編寫，可以通過按鍵對單片機設計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等各方面的數(shù)值來達到設計的目的。下面是主程序的部分代碼：

#include

#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_on buzzer=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;

uchar buzzer_flag=0;

4 仿真結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的各項指標，對系統(tǒng)進行仿真，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，并模擬報警。首先測試第一個功能：監(jiān)控室內(nèi)溫度。設置初始的額定溫度報警值最高為38°，最低為5°，通過溫度傳感器改變溫度值，當溫度達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，LCD顯示屏顯示當前溫度，報警指示燈亮，蜂鳴器工作，GSM模塊發(fā)送報警信息到接收端。實驗結(jié)果顯示該功能可以正常工作。其次測試第二個功能：檢測室內(nèi)是否有煙霧以及可燃氣，該功能與第一個功能類似。設置初始額定煙霧指數(shù)為25，給煙霧傳感器一個煙霧值，當煙霧達到或超過額定煙霧指數(shù)時，LCD顯示屏顯示當前煙霧指數(shù)，蜂鳴器工作，報警指示燈變亮，GSM模塊發(fā)送報警信息到遠程終端。通過仿真驗證，該功能能正常工作。測試最后一個功能：防盜。當人體感應傳感器檢測到有人非法進入時，顯示屏上入侵狀態(tài)顯示有，反之，則顯示無。

5 結(jié)論

本次設計采用了單片機作為中央處理器，各個傳感器采集家居的內(nèi)部環(huán)境因素，并通過GSM模塊發(fā)送報警信息到接收端。各個硬件設備的互相有效協(xié)作，完成了智能家居的模擬。

[1] 呂莉,羅杰.智能家居及其發(fā)展趨勢[J].計算機與現(xiàn)代化,2007(11)：18-20.

[2] 高小平.中國智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].低壓電器,2005(4)：18-21.

[3] 王朝華,陳德艷,黃國宏,等.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展,2012，22(6)：225-228.

[4] 李濤.基于Android的智能家居APP的設計與實現(xiàn)[D].蘇州:蘇州大學,2014.

[5] 花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術探討[J].智能建筑電氣技術,2009，3(1)：92-98.

[6] 劉曉彤.嵌入式智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京:北京交通大學,2009.

[7] 崔若飛.基于ARM和GPRS智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究[D].北京:北京交通大學,2009.

[8] 徐子豪,張騰飛.基于語音識別和無線傳感網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制,2012，20(1)：180-182.

The design of smart home system based on MCU and GSM

Cui Bingqing,Chu Lili,Du Renpeng

(School of Electronic & Information Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

This paper describes the single chip microcomputer operating system and technology combined with C language and GSM module to complete the design and implementation of smart home system. The system mainly achieves three functions: monitoring indoor temperature, theft and detection of indoor gas and smoke. Firstly, through three sensor moduls to collect information in the home, for example, temperature, the human body, combustible gas and smoke,and then sent to the 51 series microcontroller ,which as the core controller to build data collection terminal,dealing with the data. If it has special case happened,the system will give out the alarm, meanwhile sent message to the remote terminal through the GSM module. Practice has proved that this system is low cost, easy to operate, and achieves the desired stability and reliability.

single-chip microcomputer; C language; sensor; GSM

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.07.015

崔冰清,褚麗莉,杜仁鵬.基于單片機和GSM的智能家居系統(tǒng)的設計[J].微型機與應用，2017,36(7)：50-52.

2016-12-04)

崔冰清(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代通信網(wǎng)絡理論與技術。

褚麗莉(1970-)，通信作者，女，博士，教授，主要研究方向：現(xiàn)代通信網(wǎng)絡理論與技術、數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡。E-mail：chulili902@126.com。

杜仁鵬(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理。