基于单片机的智能家居安防系统36Word下载.docx
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红外传感器；
GPRS模块；
智能安防
Intelligentsecuritysystemdesignandimplementationbasedon51-MCU
Abstract：
Withthedevelopmentofeconomy,urbanresidentialdistrictofriseandthepeoplelivingstandardunceasingenhancement,peoplegraduallychangingideasonfamilyhomes.Peoplenotonlyneedspaciousandluxurioushouses,aswellasmothballedasafe,restassuredoflivingspace.Security,thatis,thereisarapid,effective,thegearingoffireprevention,guardagainsttheft,explosion-proofsecuritysystem;
Alsoaskingfamilymembers,munitymanagementcenteranditsrelatedunitscantimelyaccesstorelevantinformationandtakecorrespondingmeasures.Theserequirefamilyisnolongeranisolatedplace,butaunitcapableofcarryingoutinformationexchangewiththeoutsideworld.
Sincethen,thispaperstudiesasetofintelligenthouseholdsecuritysystembasedon51singlechipmicroputer.Thissystemhasthecollectionsiteinformation,andanalysistheinformationprocessing,theresultsbytextmessageispassedontothepresetphonenumber.Thissystemcanalsodisplaydangerspeciesinformationfunction,andcancarryontheringatthesceneoffirealarmfunction.Smarthomesecuritysystemisafamilyhomeasaplatform,binedwithputertechnology,networkmunicationtechnologyandautomaticcontroltechnology,willandhouseholdlifeofallkindsofapplicationsubsystemsorganicunifiesintogether,providepeoplewithmorefortable,efficient,convenientandsafeenvironmentofmodernliving.Newintelligenthomesecurityalarmsysteminmagneticinductionendmainlythroughinfrareddetectorsuchas,temperature,gas,glassbrokentoinductionabnormalchanges,whenthesensorsensingabnormalities,automaticallysendalerttorelevantdepartmentsandpersonnel,inordertogettimelytreatment,reducecasualtiesandpropertylosses.
Keywords:
AT89C51.Temperaturesensor;
Smokesensor;
Infraredsensor;
GPRSmodule;
Intelligentsecurity
第1章绪论
1.1选题依据及其意义
随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，人们的家居生活条件不断得到改善。
由于当今社会城市化进程不断加快，城市人口膨胀，外来人口的增加，城市里建成了大量现代化小区。
另外，加上煤气和家用电器设备使用中的不安全因素等，对居民的生命和财产安全构成了很大的潜在威胁。
经过分析，给居民生命和财产安全带来最大的威胁包括有两大方面，一方面是人为引起的破坏（如盗窃、抢劫、凶杀），另一方面是自然灾害引起的破坏（如火灾）。
因此，人们迫切需要一种对室内出现的各种紧急意外事件（如发生入室盗窃、火灾等）自动发出报警信息并通知户主进行及时处理的住宅安防系统。
传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫系统在实际使用中暴露了很多隐患，除了操作繁琐之外，还没达到安全的效果。
同时，随着社会信息化进程的逐步深入，特别是传感器技术和先进的电子通信技术的迅猛发展，家居生活的网络化与智能化将成为人们新的需求，智能家居系统也由此成为了目前世界X围内的热门的研究领域之一。
因此，研究智能家居安防系统很有必要。
本课题旨在开发出能够准确检测是否有陌生人闯入居室、是否有发生火灾的入门级家居安防报警系统。
该课题的研究，符合社会的需求，与同类的智能家居系统相比具有使用简单方便、价格低廉、安装简单等优点，具有广阔的市场前景，同时有利于更好的改善人们生活水平，保障家居人身和财产安全，是一项非常具有研究和开发意义的题目。
文中设计基于51单片机为核心的新型智能家居安防系统，使原来小区安防系统的实时性和可靠性有了一个新层次的提高。
本系统可以对整个家居的安全环境进行实时监控，监控的X围包括室内防盗、火灾报警、煤气泄露等一系列不安全因素。
一旦有上述事故发生，该报警系统就会发出相应的报警信息，用警报音向用户发出警报，并且向远方用户发送相应的短信。
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。
1.2国内外研究现状
在如今互联网经济日益繁荣的时代，小区和家庭智能化的安防建设已经受到越来越多的重视，国外很多知名企业已经能为用户提供带有安防报警系统的智能化的住宅解决方案，为众多小区和家庭用户提供全面的安全防护和信息服务，其自动化、智能化水平已相当的高。
如西方发达国家，他们具有比较完善的火灾，闯入等预防，监测，报警，抢救及善后处理等体系。
他们采用有计算机通过网络将各个节点的数据信息采集，统一到中央计算机来进行实时的分析处理，准确地发现险情隐患点，同时判断出险情的类型，特点，以启动不同的应急预案。
这些发达国家已经将家居火灾报警等安防系统和公共监控系统连接在一起，及时准确的发现险情，最大化的降低损失，值得我们学习！
在国外各大企业研发智能家居安防产品的同时，国内厂商也已开始智能家居安防产品的研发和生产，特别是一些大型IT企业利用自身在资金与技术方面的优势，在低端产品市场上占据了相当重要的地位。
总体来说，由于国内智能安防报警系统起步较晚，相对于国外来说还是有不少差距。
但有些产品，比如家庭智能终端，中国的几个厂商的产品已经做的很好了，不但外观漂亮，而且功能齐全，与国外的品牌相比非常具有竞争力，比如海尔和联想公司出的家庭智能终端。
由于目前国家尚没有正式颁布相关的行业技术标准，厂家采用各自不同的技术解决方案，这在某种程度上制约了我国家居安防行业的发展，在今后相当长一段时问内技术的整合趋势将形成统一的标准。
另外国内建成的智能安防系统大部分采用的是有线通信技术，系统设计、施工成本较高，基于无线通信技术的家居安防系统目前还处于起步阶段，具有广阔的发展前景。
1.3本系统特点
本设计研究的内容是以单片机为主要控制元件，利用热释电红外传感器实现对住宅陌生人的入侵检测，利用温度传感器实现对火灾的检测，利用液晶屏显示当前的安防信息。
当出现警情时，通过单片机控制报警电路完成警情的声光报警，并在显示屏上显示警情种类，用户可以根据安置场所可能出现的警情种类，开启合适的报警器开关，以达到针对性的布防效果。
本系统制作简单、成本低，功能齐全，安装方便，而且防盗性能比较稳定，抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。
它是可以广泛应用于小区住宅、酒店、仓库等领域的多功能安防报警系统。
本系统还可以通过GPRS模块发送相应险情到指定手机上，具有很强的实时性和可靠性。
第2章基本原理
2.1单片机技术及AT89c51系列的简介
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），
常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
AT89C51是带4k字节闪烁可编程可擦除的低电压高性能CMOS8位微处理器。
也就是我们通常所说的单片机。
它是ATMEL公司生产的一种高效微处理器，采用了ATMEL高密度非易失存储制造技术，和MCS-51指令集兼容。
同时ATMEL的AT89c51可以应用到很多的嵌入式系统中。
①主要特性：
寿命1000写/擦循环
4k字节可编程闪烁存储器
数据保留时间10年
128*8位内部RAM
5个中断源
可编程串行通道
全静态工作：
0HZ-24HZ
三级程序存储器锁定
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
低功耗的闲置及掉电模式
片内振荡器及时钟电路
②管脚原理图如图2-1所示
图2-1
①管脚说明
VCC：
接入电源。
VSS:
接地。
P0口：
P0口是8位漏极开路双向I/0口，每个脚可以吸收8TTL门电流。
它可以用于外部的程序数据存储器，为地址/数据分时复用口。
P1口：
p1口是内部已经提供了上拉电阻的8位双向I/O口，它的缓冲器能接受4TTL门电流。
P2口：
p2口也是内部上拉电阻的8位准双向I/O接口。
同样其缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P2口在FLASH编程和校验时接收控制信号和高八位地址信号。
P3口：
它是双功能口。
可以作为一般的准双向I/O口。
RST：
复位输入口。
ALE/PROG：
在访问外部存储器是，ALE（允许地址锁存信号）用于锁存出现在P0口的低8位地址。
当不访问外部存储器是，ALE仍以振荡器频率的1/6周期性的输出正脉冲信号，可用作对外输出的时钟脉冲或定时目的。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或常数时，每个机器周期/PSEN两次有效，而访问外部数据存储器是，/PSEN信号将不出现。
/EA/Vpp:
/EA位访问外部程序存储器控制信号。
当/EA低电平时，不管片内是否有程序存储器，都只是访问外部程序存储器。
而在高电平时访问片内程序存储器。
XTAL1：
方向放大器的输入和内部时钟电路的输入。
XTAL2：
片内振荡器的反相放大器的输出端。
2.2GPRS模块基本原理
通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService）的简称，它是GSM移动用户可用的一种移动数据业务。
GPRS可说是GSM的延续。
GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。
GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。
自从首次实现文本信息传输以来，无线数据应用已经历了飞跃式的增长，单是看看欧美知名厂商大肆宣传通用分组无线业务（GPRS）的劲头，似乎也能让人感到下一代移动数据应用时代的行将来临。
将在99年底或是2000年初开启的通用分组无线业务GPRS，作为迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑，将使移动通信与数据网络合二为一，使IP业务得以引入广阔的移动市场。
尽管目前移动数据的使用相对较少，但在某些市场中，不同的用户群却正在快速发展，其推动力量主要是在移动领域中采用数据业务的商业市场。
不论是爱立信、诺基亚还是阿尔卡特，几乎所有宣传GPRS的厂商都以商业用户市场的快速成长来游说运营商。
GSM系统的分组移动数据通信（即GPRS）是基本分组无线业务，采用分组交换的方式，数据速率最高可达164kb／s、它可以给GSM用户提供移动环境下的高速数据业务，还可以提供收发Emai1、Internet例览等功能。
2.3传感器原理
2.3.1红外传感器
红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。
它已经在科技国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。
红外光传感器按其应用可以分为以下几个方面1红外辐射计用于辐射和光谱辐射测量2搜索和跟踪系统用于搜索和跟踪红外目标确定其空间位置并对其运动进行跟踪3热成像系统可以产生整个目标红外辐射的分布图像如红外图像仪多光谱扫描仪等。
4红外测距和通讯系5混合系统是指以上各类系统中的两个或多个的组合一红外辐射基础红外辐射又称红外线它是一种不可见光由于是位于可见光中红色光以外的光线故称为红外线。
它的波长在0.76um——1000um红外线在电磁波谱中的位置如图所示工程上又把红外线所占据的波段分为四部分即近红外中红外远红外和极远红外红外光传感器按工作原理可以分为光量子型和热电型两大类其量子型可以直接把红外光能转换成电能如对红外线敏感的光敏电阻和PN结型光生伏特效应器件它们能在低温下工作灵敏度高响应速度快但红外光的波长响应X围窄可以用于遥感成像等方面。
热电型吸收红外光后变成热能使材料的温度上升电化学特性改变人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。
这类器件中应用最广泛的是红外光敏热释电效应器件
2.3.2烟雾气体传感器
在探测器的电离室内放一α放射源Am241，其不断地持续放射出α粒子射线，以高速运动撞击空气中的氮、氧等分子，在α粒子的轰击下引起电离，产生大量的带正负电荷的离子，从而使得原来不导电的空气具有导电性，当在电离室两端加上一定的电压后，使得空气中的正负离子向相反的电极移动，形成电离电流。
具体电流的大小与电离室本身的几何形状、放射源活度、α粒子能量、电极电压的大小及空气的密度、温度、湿度和气流速度等因素有关。
当烟雾粒子进入电离室后，由于气熔胶吸附大量的正负离子，使其中和。
烟雾越浓，导致离子复合几率加快，从而使空气中电离电流迅速下降，电离室阻抗增加，因此根据R值变化可以感受到烟雾浓度的变化，从而实现对火灾的探测。
传感器的感烟时当火灾场所发生的烟雾进入到监测电离室，位于电离室中的检测源镅241放射a射线，使电离室内的空气离成正负离子。
当烟雾进入时，内外电离室因极性相反，所产生的离子电流保持相对稳定，处于平衡状态；
火灾发生初期释放的气溶胶亚微粒子及可见烟雾大量进入检测电离室，吸附并中和正负离子，使电离电流急剧减少，改变电离平衡状态而输出检测电信号，经后级电路处理识别后，发出报警，并向配套监控系统输出报警开关信号。
2.4本系统基本框架
本设计包括硬件设计和软件设计两个部分。
硬件模块划分为红外传感器模块、烟雾传感器模块、单片机控制模块、声报警模块、TFT显示模块、控制模块。
就此设计的几个模块来说，单片机是设计的中心模块，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
从设计的要求来分析该设计需包含如下结构：
电源、传感器电路、单片机控制电路、铃音报警电路、复位电路、TFT显示组成。
处理器采用51系列单片机。
整个系统是在系统软件控制下工作的。
设置在监测点上的各种数据采集模块将原始信息转化成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至单片机。
在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出报警状态控制信号。
驱动电路将控制信号放大并驱动声光报警电路完成相应动作。
当报警延迟5秒后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路可使系统复位。
第3章系统设计
3.1方案选择论证
家庭安防报警系统一般包含几个部分，包括数据采集部分、数据处理部分、报警显示部分。
数据采集部分具体可分为：
红外入侵检测报警，火灾报警，煤气泄漏报警三大块。
可以看出数据采集部分可供选择的只有传感器模块，数据处理部分和报警显示部分有多重选择。
该部分系统设计方案有以下三种：
方案一；
利用ARM作为数据处理器，以GPRS模块发送短息为报警警示，以TFT显示屏作为显示警报。
好无疑问，ARM具备强大的计算能力，能够轻易胜任此数据处理工作。
但是目前市场上ARM模块价格大大增加的本系统的成本。
本方案有待商榷。
方案三：
以MSP430芯片为数据处理器，配合GPRS模块等进行作业。
MSP拥有低功耗，片上资源丰富等优点。
但是考虑到本系统需求，采用MSP将浪费大两资源。
以MCU51作为数据处理中心。
目前MCU技术已经相当成熟，价格便宜，开发容易，后期维护简单。
就功能而言，MCU完全能够处理本系统数据。
通过比较，方案三能满足我们的多样化需求，更加人性化，更加简单有效，故本设计选择方案三
3.2系统硬件总体设计
单片机是本设计的中心模块，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
传感器ADC电路、单片机控制模块、GPRS模块、TFT显示模块组成。
它们之间的构成框图如图3-1所示：
图3-1系统设计框图
处理器采用58系列单片机。
设置在监测点上的各种数据采集模块将原始信息转化成电信号，经ADC模拟转数字电路，将TTL电平至单片机。
驱动电路将控制信号放大并驱动声光报警电路和GPRS模块完成相应报警。
3.3系统软件总体设计
系统软件的设计主要是通过单片机实时检测ADC输入电平变化。
当单片机判断出警情时，单片机会处理并控制声光报警电路、显示电路和GPRS模块完成报警动作。
本系统软件部分流程大致为：
首先初始化MCU，判断ADC信号是否正常，如果指标不正常，进行烟雾气体报警，指标正常则返回初始化阶段反复进行检测；
同时进行红外传感器的检测，如果不正常，则进行闯入报警，正常则返回初始化阶段，反复检测数据。
在确认发生险情的情况下，发送相应的短信到指定的手机上，并可与物管点电脑进行互动，达到防火灭火保护人身财产安全的目的。
本系统所涉及的软件部分的框图如图3-2所示：
图3-2主程序工作流程图
本主程序实现的功能是：
当单片机检测到ADC数据异常时，表示有人闯入监控区或发生了火灾险情，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续5秒钟后自动停止报警，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。
同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到5秒钟时，用手工按键复位停止声光报警的作用。
第4章系统的实现
4.1系统硬件平台介绍
4.1.1YT-16D实验箱
本系统以单片机实验箱YT-16D为硬件平台，该试验箱功能强大，携带方便，能实现多个功能。
下图4-1为试验箱具体功能构造图样。
图4-1YT-16D试验箱
4.1.2GPRD模块
系统采用SIM300GPRS/GSM模块进行短信报警。
SIM300是小体积即插即用模组中完善的三频/四频*GSM/GPRS解决方案。
使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS900/1800/1900MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息
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