基于单片机的智能家居安防系统设计.docx

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基于单片机的智能家居安防系统设计

基于单片机的智能家居安防系统设计

学生姓名：

学生学号：

院（系）：

电气信息工程学院

年级专业：

电子信息工程

指导教师：

助理指导教师：

二〇一五年五月

摘要

随着智能家居在市场上不断的得到推广，智能家居市场的潜力肯定是非常大的，智能家居防盗报警系统作为一个新型产品，其前景必然是一片光明的。

因此，在国内许多智能家居生产企业越来越加强了对该行业市场的重视。

所以对智能家居防盗系统产品的研究具有重要意义。

近年来，电子技术以及应用需求发展迅速，单片机技术也得到了快速的发展，并且在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面都取得了很大的进步。

我们现在完全可以运用单片机、电子温度传感器、热释电传感器、气体传感器等器件构成智能家庭控制系统，使我们的生活更加方便、安全。

本设计采用一块STC12C5202单片机作为控制核心，将温度传感器获取的温度传输给单片机，通过单片机控制液晶显示屏将当前的温度值显示出，并利用按键设置布防和撤销防盗报警。

当设置布防时，热释电传感器将检测入侵者是否闯入。

如果闯入室内，热释电传感器将产生信号，无线发送模块将信号发送出去，接收模块接受到告警信号后解码送给单片机进行处理，单片机控制报警灯亮同时蜂鸣器开始报警，从而达到防盗的作用。

关键词单片机，无线收发，温度采集，智能家居

ABSTRACT

Smarthomesecurityalarmsystem,asanewindustrywithintelligenthouseholdcontinuouslypromotedinthemarket,thesmarthomemarketpotentialisverylarge,theindustrymustbeabrightfuture.Therefore,inthedomesticmanyintelligenthouseholdproductionenterprisesistostrengthentherecognitionoftheindustrymarket,Don'tstrengthenstotheenterprisedevelopmentenvironmentandconsumerdemandchangeofdeeperresearch.

Withthedevelopmentofelectronictechnologyandapplicationrequirements,microcontrollertechnologyhasbeenrapiddevelopment,andinhighintegration,highspeed,lowpowerconsumptionandhighperformancehasmadegreatprogress.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,electronictechnologyhasahigherleap,wenowcanusesinglechipmicrocomputer,electronictemperaturesensorandpyroelectricsensor,gassensorcomponentssuchasintelligenthomecontrolsystem,makeourlifemoreconvenientandsafe.

ThisdesignUSESaSTC12C5202singlechipmicrocomputerascontrolcore,transmittoMCU,thetemperatureofthetemperaturesensorsthroughthesingle-chipmicrocomputercontrolLCDdisplaythecurrenttemperaturevalueshows,andusetheSettingsprotectionandalarm.Whensettingprotection,pyroelectricsensorswilldetectifanintruderbrokeinto.Ifenterindoor,pyroelectricsensorwillproduceasignal,wirelesstransmissionmodulewillsignalsentout,receivethealarmsignalreceivingmoduleafterdecodingtosinglechipmicrocomputerforprocessing,single-chipmicrocomputercontrolalarmlightsatthesametimeabuzzeralarm.

KeywordsMicrocontroller,wirelesstransceiver,temperatureacquisition,intelligenthousehold

1绪论

1.1研究意义 

当代家庭防范盗贼的主要方式是以安装防盗安全门、防盗锁为主,但是这些防盗设备主要是通过增加相应入室的难度来达到防盗目的。

这种传统的安防系统在实际使用时暴露出很多缺点,且防盗效果往往不尽如人意。

这种防盗方式不仅影响房屋的美观,而且在发生火灾等事故时,住户难以逃生,威胁人们的生命安全。

因此,人们需要有新型的防盗系统--智能家居防盗报警系统。

随着现代科技的快速发展，原来那些简单化、局部化的报警系统已向智能化、集成化的方向发展。

当前市场上常规防盗报警系统主要的通信形式为家庭电话、以太网、集群系统等等，但是这些通信方式都存在各自的缺点。

（1）盗贼在入室前比较容易切断固定电话线或者恶意占线，使其在关键时刻失灵。

（2）以太网和固定电话一样都面临着线路被剪切的问题，且以太网不易被推广使用。

（3）集群系统功耗相当大，其网络架设和管理维护费用很高，其正常使用需要购买固定的频点

随着新器件和新技术的出现，家居安防系统将会更加智能化，选择智能家居防盗报警系统，也将为人们提供更加安全可靠的保障。

智能家居安防系统将为我们的家庭构筑一道坚固的安全防线，有了它我们的生活将会更加美好。

1.2国内外的发展现状

智能家居的发展主要分为三个阶段：

首先是家庭电子化（Home Electronics）阶段，这个时期主要是面向单个的电器，家庭电器之间并没有形成网络，亦没有大的联系。

其次是住宅自动化（Home Automation）阶段，这个时期是面向功能的阶段，一部分的家庭电器之间形成了简单的网络，主要是为了实现某个特定单一的功能，例如单一的自动抄表功能。

最后是家居智能化（欧洲称为Smart Home，美国称为 Wise House）阶段，这个时期是面向系统设计的阶段，系统通过家庭分布总线把住宅内各种与信息相关的通信设备、家用电器、报警装置并到网络节点中进行集中的监控、管理，保持家电与环境的协调，提供生活、工作、学习以及娱乐的各种优质服务，营造一种温馨舒适的家庭氛围。

 智能家居控制系统提供高效、舒适的家居环境，确保住户的生命财产安全；集中或远程调节家居环境的温度、湿度以及风的速度等，同时检查空气成分，提高空气质量；调节音响，电视等娱乐设施，愉悦心情；合理利用太阳能活周遭环境的变化，尽可能的节约能耗，达到合理利用资源；提供现代化的通信、信息服务。

1.2.1国外的发展现状  

1984年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。

它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。

2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。

2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。

现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。

于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多。

在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。

近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。

例如:

微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成熟的技术强占家居市场。

此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。

目前市场上出现得智能家居控制系统主要有：

（1）X-10系统（美国），该系统是利用电力线作为网络平台，采用集中控制方式实现。

这套系统的功能较为强大，与其它家居控制系统如ABB、C_BUS等比起来更容易接收，使用也相对简单。

因为实现同样的功能，X-10家居控制系统是利用220v电力线将发射器发出的X-10信号传送给接收器从而实现智能化的控制，因此采用这套系统不需要额外的布线，这也是这套系统的最大的一个优势，因为其它系统基本上都需要布低压线，在墙上或地面开槽、钻孔，施工难度大、费用高、工期长。

但由于缺乏在国内市场推广的条件且价格昂贵，该系统在国内应用极少。

（2）EIB系统（德国），该系统采用预埋总线及中央控制方式实现控制功能。

但由于其工程要求复杂严苛，并且价格较高，因此一直无法打开国内市场。

（3）8X系统（新加坡），该系统采用预处理总线跟集中控制方式来实现功能。

它的优点在于利用的产品对系统进行扩展，系统较为成熟，比较适合中国国情。

但是由于系统架构、灵活性及产品价格等方面还难以达到要求，所以目前在国内还较少应用。

 1.2.2国内发展现状 

20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。

众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。

在97香港回归之际，在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。

1999年，建设部勘察设计公司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住宅小区智能化进入了一个新阶段。

随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。

据建设部要求，截止今年，我国将有70%以上的家庭拥有Internet入网设备，大中城市中50%的住宅要实现智能化。

我国的智能家居相对于国外起步较晚， 尚未形成一定的国家标准。

目前，主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企业推出了自己的产品，主要有：

（1）e家庭（海尔），该系列产品以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，海尔移动电话作为移动数字控制中心。

海尔在技术上同微软合作，利用微软的Windows Me技术和海尔的网络家电，使“e家庭”已具雏形，已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电。

（2）e-home数字家园（清华同方），该智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备。

产品以功能模块开发为主，基于国外成熟的智能家居标准之上。

其智能家居控制系统主要有以下三个部分：

A系列：

遵循EIB协议的家庭控制产品，适用于中高档住宅区。

B系列：

遵循X-10协议的家庭控制产品，适用于中档住宅区。

易家三代：

配电箱集中安装式家庭控制产品。

国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备，以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点，而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来值得期待。

1.3发展趋势 

经过去年的哥本哈根会议，我国更加明确了节能减排，绿色建筑的目标，这就使住宅智能化凸显出了其合理规划，最大限度的节约能源的优势。

如果我国大力推广绿色建筑，仅在铺设智能化系统上所需的新设备的生产上就有2000亿到3000亿人民币的新市场。

而中国“智能家居网络”必在“智能化住宅”的框架下形成一个新型IT产业，而这一切必将对未来几十年我国房地产的健康有效发展起着深远的影响。

2系统设计

2.1系统基本方案

根据题目设计，系统可以划分为单片机控制器模块，温度测量模块，液晶显示模块,电源模块电路，入侵信号发送模块，无线接收及告警模块电路。

模块框图如图2.1所示。

为了实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

图2.1智能家庭控制系统框图

功能说明：

温度实时监控系统主要是将温度传感器采集的温度显示在LCD液晶显示屏上。

主机上有两个按键，功能分别是布防、清除布防及清除告警。

当主机设置了布防功能后，此时热释电传感器监测是否有入侵者闯入，如果有入侵者闯入，则将信号经无线发射模块传输给主机，无线接收模块接收到信号后，识别具体是哪个位置有入侵者闯入，显示在主机上，同时通过蜂鸣器发出告警声并点亮警告灯作为指示。

当需要关闭告警时，按清除按键即可。

2.2各模块的方案选择和论证

2.2.1控制器模块

方案一：

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

它将所有的器件集成在一块芯片上，缩小了它的体积，增强了它的稳定性，而且能够利用EDA软件进行仿真和调试，以至于能够方便的实施功能的扩展。

另外，FPGA能够实现系统的各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，FPGA使用的输入方式为并行的，这样就很大的提升了系统的处理速度，合适用来作为大规模的实时系统的控制核心部分。

但是因为该设计对处理数据方面的速度的要求不是太高，FPGA高速处理的这一优点不能够充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，并且因为芯片的引脚很多，物体的硬件电路板的布线比较复杂，这样就对电路设计以及实际焊接的操作加重了负担。

方案二:

采用宏晶公司的STC12C5202单片机作为系统的MCU控制器。

它具有算术运算能力强，编程方式自由灵活，算法实现容易，且技术成熟，体积小，具有功耗低，成本低廉等有点，使其在各个领域应用广泛。

综上所述，选择方案二，采用单片机构成系统控制部分。

2.2.2温度检测模块

温度检测模块用于测量温度。

系统需要利用测温传感器检测出实时温度，使控制模块做出正确的反应。

对于测温传感器的选择有以下几种方案。

方案一：

采用基础模拟温度传感器。

集成温度传感器LM35灵敏度为10mV每摄氏度，常温下测量精度控制在±5℃以内，电流消耗最大也仅有70UA,自身发热量对精度测量也会造成一定影响，所以其精度高。

并且传感器输出的模拟信号还要交给AD转换器处理，使得外围电路复杂。

方案二：

采用单总线可编程温度传感器测温度。

DS18B20数字可编程温度传感器可测温范围－55℃～＋125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃。

能够进行编程的分辨率的范围在9～12位，相应的能够分辨的温度对应为0.5℃、0.25℃、0.125℃以及0.0625℃，能够进行高精度的测温。

在9位分辨率的时候，能够温度值转换为数字所用的时间最多在93.75ms内，在12位分辨率的时候，能够把温度值转换为数字所用时间最多在750ms内，相比速度更快。

测量结果将会以数字温度信号的形式直接输出，以"一线总线"串行的形式输送到CPU，同时还可以传输CRC校验码，抗干扰以及纠错能力极其的强。

所以其外围电路简单,精度很高,且编程也较容易,优势明显.

综上所述，选用方案二，利用单总线可编程温度传感器测量温度。

2.2.3显示模块

方案一：

使用传统的数码管显示。

其驱动每段数码管大约10毫安,所以能耗很大,静态显示占用的端口多,动态显示又容易出现闪烁感。

方案二：

采用LCD液晶显示屏来显示温度。

由于液晶显示屏具有轻薄短小，低耗电量，显示稳定不闪烁等优点。

画面效果好，显示的信息多,分辨率高，抗干扰能力强等特点。

综上所述，选择方案二，采用液晶显示屏显示温度。

2.2.4电源模块

在本设计中，用于控制和运算的单片机以及液晶显示屏都需要在+5V直流电压下才能工作，因此，这里需要一个能输出+5V的直流电压源。

采用外接直流电源，输入7伏-9伏的直流电，然后输入芯片LM7805的输入脚后稳压输出为+5V。

2.2.5无线发送、接收模块

方案一：

采用2.4G无线传输方式，如Nrf2401模块进行告警信号的传输。

优点：

较为新颖的技术。

缺点：

成本高，在本设计中不能体现其优点，本设计中不是大量数据传输，用此模块较为浪费。

方案二：

采用400M无线发送、接受模块进行告警信号传输，优点：

简单、成本低，实用性好。

综上所述，选择方案二，普通无线发送、接收模块进行告警信号的传输。

2.2.6入侵检测模块

方案一：

采用红外传感器架设在门、窗等地方进行监测，当有入侵者闯入时，红外传感器发射的红外光被遮挡时，红外接收头接收到红外光后，三极管导通输出信号。

因此可以利用输出的信号给无线发射模块，让无线发射模块发射信号给主机。

其优点是价格相对便宜，缺点是容易受小动物、灯光等干扰。

方案二：

采用热释电红外传感器

它主要是由锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等高热电系数的材料制成大小约为两平方毫米的探测元件。

在每一个探测器中加入一个或者甚至多个探测元件，接着把两个探测元件的极性相反串联，从而抑制由于本身温度变高而带来的一些不必要的干扰。

探测元件会把探测和接收到的红外辐射以电压信号的形式，再经过探头内的放大器进行放大后向外输出。

为了增加探测器的探测范围，可以在探测器的前面部分安装一个菲涅尔透镜，此透镜的材料是透明的塑料，造制成为一个显有特别的光学系统的透镜，如果将这种透镜和放大电路配合，至少能够将信号放大70db，那么就可以探测到10-20米范围内人的行为。

这种透镜——菲涅尔透镜是由特殊的光学原理透镜做成，在探测镜头的前面部分产生两个区域，这两个区域是相互交替变化的，探测灵敏度以及接收灵敏度因此会提高。

一旦有人在透镜前面出现时，从人身体发出的红外线将会连续地交替地从盲区进入高灵敏区，从而使所接收到的红外信号转变成以强弱交替的脉冲方式输入，增强它的能量幅度。

人体辐射的红外线波长范围为9~10um，然而探测元件的波长灵敏度的范围是0.2~20um并且几乎不会发生变化。

在传感器的顶端部分开设了一个窗口，这个窗口装有滤光镜片。

这个滤光片能够通过的光的波长在7~10um范围内，并且人体红外辐射的范围就刚好包含这个范围，对对于其它波长的红外线，就用滤光片去予以吸收，因此就这样形成了专门用来探测人体辐射的红外线传感器。

优点是抗干扰能力强。

综上所述，选择方案二。

3硬件设计

整体电路如图3.1所示。

由于板上芯片需求5V，所以采用三端稳压芯片LM7805，输入电源电压范围为8V－12V，经过分压电阻R1分压，防止在稳压芯片上承受过高压降导致发热量过大，输入的电源电压经过线性稳压芯片滤波后输出恒定的5V电压，为各芯片提供电源，D1发光二极管为电源指示灯，当接入电源后，开关打开，D1发光二极管点亮，表示开始供电。

三个按键分别是加，减，确认，用于设置告警温度。

当单片机启动后，读取当前温度值，并显示在液晶显示屏中。

PT2262的地址码用拨码开关选择，这样可通过选择地址对应多台接收器。

当有数据开始发送时，发光二极管D2点亮。

图3.1整体电路图

3.1单片机基本电路

图3.2单片机基本电路图

STC12C5202单片机是一种性能高、功耗低的微控制器，电路如图3.2所示。

该单片机具有2K在系统可编程Flash存储器，芯片上的存储区允许程序存储器在系统可编程。

在单芯片上，拥有8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC12C5202可以给许多嵌入式控制提供较高灵活性和较有效的解决方案。

STC12C5202的时钟可以降到0Hz，支持2种软件可选择的节电模式。

在低功耗模式下CPU不工作，允许内部数据存储器、定时器/计数器、中断串口、继续工作。

在掉电的情况下，内部数据寄存器内容被保存，振荡器被停止，单片机所有的工作会被停止，直到下一个中断的到来或硬件复位为止。

STC12C5202单片机主要性能如下：

1、速度高：

增强型8051内核；

2、增加第二复位功能脚；

3、增加了外部掉电电路检测；

4、采用掉电模式可以降低功耗；

5、工作频率：

0MHZ到35MHz，是普通8051的10多倍；

6、时钟：

可以选择外部晶体或内部RC振荡器；

7、8到64K字节片内Flash程序存储器，采用均衡擦写延长寿命；

8、1280字节片内RAM数据存储器；

9、芯片片内自带EEPROM功能；

10、两种方式系统编程：

ISP/IAP，无需编程器/仿真器；

11、8通道,16位高速AD转换器，速度可达250000次/秒,2路PWM还可当4路数模转换使用；

12、4通道捕获/比较单元，可用来再实现2个定时器或2个外部中断；

13、3个16位定时器，兼容普通单片机的定时器,2路比较器实现2个定时器；

14、可编程时钟输出功能；

15、硬件看门狗；

16、高速SPI串行通信接口；

17、全双工异步串行口；

18、采用冯洛伊曼指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法

指令；

19、通用I/O口，复位后为：

准双向口/弱上拉可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，芯片整个最大不得超过100毫安。

STC12C5202单片机引脚功能描述如下：

P0端口：

单片机的P0口是一个双向I/O输入输出口。

每bit能带动8个TTL逻辑电平。

8位漏极开路设置，对P0端口写高电平时，端口被用来作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器被访问的时候，此端口也被作为低8位地址/数据复用。

P0具有内部上拉电阻的功能。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

P1端口内部具有上拉电阻，有8bit双向输入输出端口，P1输出缓冲器能够驱动的TTL逻辑电平的个数为4个。

双向输入输出端写高电平，该端口上的上拉电阻拉高，那么就能够用来作为输入。

用作输入引脚被外部拉低变成低电平，由于自身内部电阻的一些因素，输出电流。

定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器触发输入2，具体如下表所示。

当闪存编程和验证，双向输入输出端口地址来接收低8个字节。

其端口引脚还具有第二功能，功能如表3.1所示。

表3.1P1端口引脚第二功能

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平