智能家居系统设计与实现.docx
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智能家居系统设计与实现
本科毕业设计（论文）
智能家居系统设计与实现
TheDesignandImplementationof
SmartHomeSystem
学院：
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
2017年6月
毕业设计（论文）中文摘要
智能家居系统设计与实现
摘要：
随着科技的的发展，各种新兴的技术不断涌入我们大众的视野。
从人工智能阿法狗到家用智能机器人，智能化产业也开始飞速发展。
而如今，经济的发展使得人们开始对自己生活的环境和水平有了更高的要求。
智能家居极大的方便了人们的生活，使得人们生活的更舒适。
所以，在这种情况下，智能家居系统适应了人们的需求，并且飞速发展。
本文设计的是以STC89C52为中心，能够实时显示家居环境的温度、烟雾等情况。
当室内温度或者烟雾等情况超过预期的设定的范围，系统将会发出蜂鸣器报警，并且向用户发送报警信息的短消息提示。
根据报警系统，用户可以借助GSM模块得以实现远程手机短消息查询和控制家居环境的功能。
在本系统的功能上还能够根据不同的需要自行更改一些电路或者扩展的部分，以实现各种不同的功能。
关键词：
智能家居；STC89C52；报警系统；GSM
毕业设计（论文）外文摘要
TheDesignandImplementationofSmartHomeSystem
Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,moreandmoretechnologiesarecomingtothepublic.AlphaGoandsmartrobotarethesymbolizesofdevelopmentinintelligentindustry.Nowadays,peopleareaskingforenvironmentandqualityintheirdailylife.TheSmartHomeSystemcanSimplifypeople'swayoflifeandmakepeoplefeelmorecomfortable.italsocanadapttopeople’srequirements.So,underthiscircumstances,itdevelopsrapidly.
ThedesignofthisarticleismainlyfocusedonSTC89C52,throughwhichwecanqueryandcontrolsomethinginourhome.Whentheroomtemperatureorsmokemorethantheexpectedrangeoftheset,thesystembuzzerwillalarm,andsendthealarmmessagetotheuser.Accordingtothealarmsystem,wealsocanqueryandcontrolotherthingsinourhome.wealsocanaddsomeotherpartswhichweareneeded,toachieveotherdifferentfunctions.
Keywords:
Smarthome;STC89C52;Alarmsystem;GSM
1绪论
随着社会与科学技术的车轮的不断向前，各种先进的技术不停地出现，信息时代、智能科技时代已然悄然到来。
在不知不觉中，数字化已经开始渗透到生活的各个方面，极大地丰富人们的生活内容，提高了人民的生活水平。
从之前1997年的“深蓝”，到如今的“阿法狗”，人工智能也逐渐走进了我们大众的视野。
人类社会从茹毛饮血、刀耕火种的原始社会，发展到今天的机械化、电子化社会，更有甚者部分地区已然出现的智能化社会。
伴随着先进技术的进步，智能化将会像洪流一样流遍世界的各个地区，变成无法阻挡的力量，提高人类生活的水平和质量。
所以说家居智能化的发展，必定将会是社会发展历程中不可缺少的一段路程。
智能家居，它是近几年在国内才兴起的名词，其依托家庭住宅为基础，在其基础上，集成了系统、服务、管理、控制各个部分，运用了先进的计算机技术、自动化技术、网络技术、无线通信技术等，把在家居生活的主要常用的各个电器设备综合到一起，使其能够通过网络综合检测和控制家里的环境与电器设备，以此来的到一个安全健康、优质舒适、便捷高效、节能环保的居住环境。
对智能家居来说，它不仅是一个国家的实力的体现，也将会是人类住宅发展道路上的的必经之路[1]。
1.1课题研究的意义
受互联网发展的影响，智能家居行业也发展迅速。
从单单的互联网发展到如今的物联网。
智能家居系统从最开始的简单功能到如今的集各种功能于一体。
它把家庭网络里的多种器件或系统集成在一起，如照明、温控、安保系统等，实现了能够室内外控制，防盗报警，环境监控，手机远程查询控制等功能。
与普通的家庭住所相比，智能化的家居不仅拥有传统的基本住宅生活功能，而且增加了新的建筑通信，配备信息家电，家庭电器基本实现了电器自动化。
智能家居系统已成为了现代先进的新型住宅的代表。
实现了效率、舒适、安全、环保等标准于一体。
它大大的方便了人们对家庭环境的要求的实现，将系统、结构、服务和管理进行整合，简化人与环境的信息的交换。
并且当家庭主人不在住宅内时，依然可以能够在外与家里环境沟通和调整。
这些使得人们的生活变得更加合理，时间也更灵活。
还有，它也使得住所安全性得到极大的提高，为住户提供安全的保障。
另外还可以减少能源的浪费，降低成本，从长远上来说间接为国家增大效益，为国家发展做出贡献。
当今社会，世界经济发展放缓，而中国经济依然保持较好的发展势头。
而这一情况的主要原因大都是建立在巨量的石油资源的消耗，不可再生能源的日益减少上的。
以此为基础，以保持人类可持续发展为目的，世界的大多数国家都提出适合自己国家的节能减排和面向低碳方向发展的措施。
在日常生活中，人们所处的地方所占时间最长的就属建筑里了，所以对于一栋能够节能环保的建筑需求就越来越显得迫切了[2]。
随着这种需求的发展，国家也开始注意到这个方面，逐步开始出台了一些和鼓励支持绿色建筑的政策。
而且建筑行业产业链较长，延伸有很多方面，单单的建筑业发展就能够带动带动很多其他的产业，比如制造业、服务业等。
谈到建筑行业，智能化的建筑就不得不提。
家居电器智能化的发展在这背景下就迅速发展起来。
建筑的智能化的发展也会反过来促进房地产等其他行业的持续性发展。
当前，由于我国各方面的快速发展，我国的家居智能化也有了一定的发展基础。
然而相比与其他发达国家，我国智能家居行业仍然相形见绌。
在我国，智能家居行业并没有一些通用的标准或准则，各个企业基本根据自己的发展方向，研发出自己公司的独特的智能家居产品。
然而，百花齐放，百家争鸣，越来越多的企业涉猎于此，却始终没有来约束方圆的规矩。
这些都大大阻碍了家居产品智能化的发展[3]。
另外，地球环境的逐渐恶劣，造成人们日常生活中的许多麻烦，就像严重雾霾，沙尘暴等天气，人们出行在外都是武装到牙齿。
在这样的外界环境下，人们怎能不担心自己的身体健康。
出行在外就已经提心吊胆，难道在家或者在办公室还要再继续担惊受怕？
社会越来越进步，科技愈来愈发达，人们对于日常的家居生活水平的要求也越来越高[4]。
智能家居能够依靠其带给用户优质的生活体验，简便的生活方式，逐渐涌入大众的眼球。
智能家居而作为不断其整体的发展恰好能够满足大众对于生活方面越来越高的要求，符合大众的心意。
所以，对于智能家居系统的发展来说，基本就是用前程似锦来形容，这也是本课题研究的重要意义[7]。
1.2智能家居系统的发展现状
1.2.1国内智能家居发展现状
对我国来说，智能家居发展上比其他的国家要迟一些。
就拿上个世纪八十年代来说，我国整体发展的都比较迟缓，生活条件比较艰苦吃饱穿暖有地方住就是基本的生活需求。
要说在自家住宅上实现智能化，根本就沾不到边。
但逐渐随着国家和社会的发展及各种科学技术的进步，人们的生活水平慢慢从温饱型向着小康社会的水平迈进。
由于生活水平提高，条件的改善，对住房方面的要求也更多元化。
而且本来在我国就有着很大的人口基数，对于衣食住行中的住房方面有着比其他一般的国家更大的需求。
因此在这个背景下，智能家居在房地产行业逐渐并且快速地发展了起来。
各个公司都争相投入到其中，大力发展智能家居系统。
即使如此，其发展也遇到了很多困难。
首先，国内的大多数人都对智能家居了解甚少，只是单纯知道智能家居片面的意思，没有真正的从本质上了解智能家居的性质和原理，不太会接受智能家居的使用，这就给智能家居的普及造成一定的困难；其次，在智能家居系统行业内，没有一致的标准，各种技术的运用及效果参差不齐，兼容和稳定都不能达到大众的需求，与大众所想的成品效果相差较远。
从而使得大众容易误解，以偏概全，从而否定整个行业内的产品。
还有就是成本及造价费用高昂。
对一般的普通家庭来说，假如要一套一般智能建筑，它里带有智能家居系统，系统还要包含建筑里面所必须的智能电器设备，所需要的费用将会极大地超过普通的建筑所需要的费用，大大超过初期的预算。
但随着改革开放的深入和国家发展，一些初期的问题就慢慢得到了解决，智能家居行业逐渐出现蓬勃发展的态势。
国家的“十二五”规划也提出了的一些相应的政策，鼓励和支持其发展。
到如今的“十三五”，国内智能家居行业已经呈现百家争鸣的势头，他们在智能家居方面都各自有着自己的一些建树。
例如华为、小米、海尔、腾讯等。
他们都在智能家居的发展上花费了许许多多的金钱与精力，致力于钻研适合自己企业发展的并能够与其他公司的产品兼容的智能化家居系统[5]。
1.2.2国外智能家居发展现状
从上个世纪末期开始，电子技术的在家用电器方面的运用就已经变得逐渐广泛起来，住宅电子化也应运而生。
而后开始，家中的各个电器与通讯设备还有安保等融合在了一块，即成为了家居自动化。
这个概念自此而生并且逐渐发展，随着在其中运用到了总线技术后，能够对居住环境整个进行监控调整，成为一个更为实用的商业系统。
比如美国的WiseHome和欧洲的SmartHome，所指的就是如此[6]。
紧接着德国和日本等国家也发现其前景的广阔，纷纷效仿并且投入大量的精力，使得智能家居的发展进入空前的繁荣时期。
最开始世界首富比尔盖茨不惜重金，建造了属于自己的一套智能住所。
他的住所里面布局着很多很多的电缆，通过这些电缆将建筑里的电器等设备组合到一个巨大的网络里面。
从建筑里面的很小的单独的房间来说，主人都可以通过灵敏的触摸板来进行调整和控制屋里的温度、湿度、灯光的光照亮度等。
在此后不到一年，在“亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上面，就出现了一套更为功能强大的智能家居系统。
它已经基本包含了居住环境的各个方面。
有水表的示数、电表的示数、安全防盗功能、室内人员的识别、常用电器的控制、实时的监控等。
随着这套系统的展示，世界各地有着许多的家庭都先后对其进行改造，运用于自己住宅内。
观察到智能家居的兴起，各个商业巨头当然不会放过智能家居行业这块大蛋糕，各自都付出了不少的时间与资金，大力投资到智能家居行业。
在其行业国外比较有名的有三星、松下、苹果等公司。
就拿三星来说，从最开始进入智能家居行业，到如今，三星已经基本能够占领整条智能家电的产业链。
三星自己生产的智能家具电器的主要部分的零器件，绝大多数都是源于自己的开发和生产。
所以，三星掌握着许许多多的专利，建造者属于自己的生产基地，而且经销商遍布各个国家和地区。
三星在三年前就收购了SmartThings。
由此，三星的智能家居方面又有了一块坚固的后盾。
其提供的各种技术支持可以广泛运用到三星的各种设备上。
通过这些智能设备，三星的智能家居发展到现在已经非常成熟。
而且在德国柏林举行的IFA展会上，三星就发布了第二代SmartThingsHub智能家居套件。
而苹果在2014年发布的智能家居平台HomeKit，其已经成为了一个智能家居的应用。
早在2015年5月15日，苹果就宣布，首批支持其HomeKit平台的智能家居设备在下个月月上市；2016年6月13日，苹果开发者大会WWDC在旧金山召开，会议宣布建筑商开始支持HomeKit。
将苹果系统iOS10更新之后,就会多出了一个新的APP——家庭系统。
当打开了该APP后，就能够直观地了解到家庭里的情况。
而且，对于我们熟悉的Siri，也支持了第三方的应用程序。
当我们与Siri进行交互时，就能够直接控制家庭住宅的的智能家电等。
比如告知Siri自己要睡觉时，它就可以控制家里的智能灯的关闭，锁上家里的智能门等。
当然，用户也可以根据自己的个人喜好来进行一些自定义的操作或者功能的实现等。
所以说，智能家居系统内部的功能也逐渐丰富起来，从最初的对家用电器的简单控制，到门禁系统、对环境的检测和报警和调整，远程抄表等功能。
国外的发展都极为迅速。
2系统总体设计
本次设计的智能家居系统主要是以STC89C52为主控芯片，通过主要的家庭用的传感器来对家庭内部的环境进行监测，通过GSM模块，用短消息的方式发送给手机端，使得即使主人没有待在家里，也可以了解到家庭内实时的环境，从而选择对家庭电器的控制进而进行调整，本系统硬件部分主要有主控芯片模块、显示模块、报警模块、按键控制模块、传感器监测模块、GSM模块等，另外还有系统软件等部分的设计[8]。
2.1系统总体设计
本次的系统设计主要为智能家居控制系统。
其主要设计要求如下：
1、温度、烟雾的实时监测与显示。
通过家庭内部终端传感器对家居环境的温度、烟雾参数进行采集，并将得到的数据传到主控芯片，在主控芯片内完成分析及处理等，然后可以通过LCD显示屏显示当前环境的主要值，主要为温度及烟雾的情况，在后期可以根据实际情况再进行适当的更改。
另外，当住所的住户或者主人不在房间内部或者不能观察到显示屏时，能够在外地使用手机进行实时的主要情况的查询。
2、阈值调整。
当然，住户或主人可以根据不同的时间段，不同的环境，适当以外界季节环境或者天气环境的变化为基础，以实际的情况来适当调整温度或者烟雾的限制范围。
通过调整温度及烟雾的上下限，也可为阈值，来调整不同情况下温度或者烟雾的临界值，或者为报警值。
3、报警功能。
即通过蜂鸣器的声音报警和发送的短消息进行报警。
当终端的传感器采集到的温度值和烟雾值超出了预期设定的阈值时候，就会进行报警。
报警时蜂鸣器正常工作。
与此同时在主芯片控制下，经由GSM模块发送信息到预期留下的手机号码上，以便提示告知用户家里突然的变化或者实时的情况等。
4、控制功能。
在电路的外围部分添加了继电器电路。
该继电器可以经由手机端的短消息指令，控制电路的开关。
继电器可以连接或者扩展到其他的终端电路上。
例如将其连接或者扩展成窗帘的控制系统、照明系统等。
通过简单的短信息控制继电器的工作与否就完成可控制窗帘、照明系统等。
2.2设计原则
在进行一个系统的设计之初，需要考虑许多重要的方面。
如果在开始设计之前没有充分进行这些方面，就可能导致在整个系统完成之后出现一系列的问题。
因此要在准备进行设计之前就做好相应的准备。
做好调研考察，尽量熟悉整个系统的目的、成本、可行性等，需要考虑到的原则大致如下：
2.2.1稳定可靠
一个系统在运行过程中可能会跳出意想不到的问题。
有的系统在完成之后就不再容易进行部分的修改。
所以整个系统运行的稳定状况就成为系统效率或者使用周期的基础。
在系统的整个生命周期里，是否会出现运行不稳定而造成系统的崩溃，或者因为系统运行错误而造成的一些难以挽回的损失，这些都需要进行慎重的考虑。
所以说，整个系统能稳定和可靠的运行，才是其他方面的基础。
2.2.2成本低廉
对于一个系统来说，不管在什么情况下，要完成整个个系统的花费肯定是越少越好。
不论是对生产者还是用户，少花钱多赚钱是不变的真理。
设计之初就要想好整个系统大致的成本，如果成本太高是否能够找到一些降低成本的方法。
如果不能降低成本，整个系统的花费能否接受。
这一些问题在初期都需要考虑。
2.2.3使用简便有效
在进行系统的设计时，大多都是站在设计者自己的高度来进行设想，无法实地了解到真正使用的人的知识、背景或其他的一些使用时的特殊状况。
不能细致的考虑到这一些，完成的系统往往就无法满足使用者的要求等。
从而就会造成双方的一些不必要的损失。
2.3硬件设计总体框图
本系统采用STC89C52作为中心芯片，通过对外部终端的传感器获取到的温度、烟雾等信号进行分析与处理，在显示屏上能够显示相应的环境状况。
但是，当终端传感器采集到的温度或者烟雾情况超出了初期预设的范围，蜂鸣器就会发出声音报警。
同时，GSM模块就会通过本身模块上的SIM卡，往另一个手机端的号码发送信息。
这个接收到信息的手机号码便是一开始已经设定的手机号码。
另外，该系统也可以由用户自己设定温度和烟雾的限制范围，即设定温度和烟雾的上下阈值。
通过切换不同的模式，切换到温度或者烟雾显示部分，在根据不同环境条件或不同时期的需求适当的调整温度与烟雾范围。
并且，在当户主或主人用户出行在外或者没有及时回到家中的时候，他就可以通过短消息来查询或控制家里的环境状况或者电器基本运作情况等。
本系统的主要运作方式如下图2-1所示：
图2-1系统总体框图
3硬件电路设计
整个系统主要分为中心芯片控制模块STC89C52、GSM通信模块、家庭终端电路模块，其中家庭终端电路可以随意自行调整和修改，主要最终得到适合自己家庭的模块或者网络即可。
本章主要举例讲述温度传感器、烟雾传感器及有能够自行控制的继电器模块。
继电器部分可适当扩展成其他功能模块，这里不做赘述。
3.1STC89C52
单片机STC89C52主控制模块即整个系统的核心模块，主要通过执行其程序存储器Rom中的程序来对其4个并行I/O口进行读写操作完成对其他模块的控制，STC89C52型号芯片主要带有以下功能和特性[9]，如下表所示：
表3-1主要功能特性表
模块
特点
指令
兼容MCS51指令系统
FlashROM
8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM
I/O口
32个双向I/O口
RAM
256x8bit内部RAM
时钟频率
时钟频率0-24MHz
定时/计数器中断
3个16位可编程定时/计数器中断
I/O口
32个双向I/O口
中断源
2个外部中断源，共8个中断源
其他
低功耗空闲、掉电模式软件设置睡眠、唤醒功能
STC89C52实物如下所示：
图3-1STC89C52实物图
各个引脚的具体介绍主要如下：
除了基本的VCC需要接高电平5伏电压和VSS接地外，其他主要的引脚主要功能大致如下表所示：
表3-2引脚功能表
引脚
功能特性
XTAL1、XTAL2
晶体振荡电路反相输入端和输出端。
RST/VPD
RST（Reset）：
复位信号输入端。
VPD：
在VCC掉电情况下，接备用电源。
ALE/PROG
ALE：
用来锁存P0口送出的8低位地址。
PROG：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
EA/VPP
EA：
内外ROM选择端。
VPP：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。
?
PSEN
此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。
P0
P0是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用
P1
专门供用户使用的I/O口,是准双向口
P2
是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。
P3
双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
电源模块：
主芯片STC89C52的工作电压范围基本为，最高不能超过5.5伏电压，最低不得低于3.4伏电压（5伏单片机）。
由上可知就可以知道这个芯片在正常的工作时候，驱动的电压是个范围区间，只要电源VCC的电压在3.4伏至5.5伏之间时候，该芯片基本可以正常工作，。
但是，如果芯片的驱动电源的电压高过5.5伏，这种情况下是不能够接到主芯片上的，因为由于电压太高了，会烧坏芯片；另外，当电源的驱动电压少于3.4伏时，芯片虽然不至于损坏，但是他也不能够正常地工作。
所以在这个范围内的电源电压，最基础、最常见的电压值就是5伏了，这也是后面括号里“5伏单片机”这个名称的来源。
除了这种情况之外，还有一种常见的就是，主芯片的工作电压范围区间是2.7伏到3.6伏之间。
它的芯片这种就是用的我们常说的3.3伏的电压，即为“3.3伏单片机”。
本次使用的电源电路使用USB供电，电路图主要如下所示：
图3-2电源部分电路图
晶振电路：
说到单片机，就得提到他的“心脏”--晶振。
晶振就是咱们平常在书上看到的石英晶体振荡器。
根据不同的需要，在其上接入合适的电路，就能够让其生出具有特定的正弦波。
这个产生的正弦波因为其电路特点，晶振的不同，而具有特定的频率和极值。
晶振通常可以划分为无源的晶振和有源的晶振这两类。
他们的作用等基本都相同，稍微有点差别就是：
无源的只是有着2只引脚的无极性元器件，由于其无法自身启振，要依托时钟电路，才会产生振荡信号。
有源的不同之处就在于它一般有着4只外接的引脚，一般体积上稍微大一些。
有源的晶振是一个振荡器的完全体，它里面含有了石英晶体、晶体管、阻容元器件等。
它在外文中也叫震荡器（oscillator）。
有源的晶振需要外部来对其进行供电，当在为有源晶振提供电源后就可以主动产生振荡频率。
无源晶振不可以自己自行启振，所以需要主控芯片为其启振。
从各个的价钱方面价格来说，购买无源晶振一般都要比有源晶振花费更少的钱。
本系统的使用的晶振电路主要如下图所示：
图3-3晶振电路图
复位电路：
单片机一般都需要一个复位电路连接在其固定的复位脚上，不同的芯片有着不同的复位方式。
本文使用的复位电路主要如下：
图3-4复位电路图
3.2GSM模块
3.2.1GSM模块介绍
GSM模块是一个集成的功能模块。
在对外方面，它提供了标准的借口，而其内部则大有天地。
里面含有许多的子模块部分，主要有射频部分、存储部分、功放部分和基带处理部分。
另外还有能够给射频与基带处理相呼应的，并且是独立的操作系统[10]。
在其功能方面，与普通的手机功能不同的地方只有很少的几个部分。
除了缺少了按钮控制的部分、画面显示的部分、电源供电部分等，其能够实现的功能就像手机一样，如简单的发送短信、与其他端进行语音通话、GPRS传输数据等。
所以在我们看来，它与手机作用几乎类似，这也与其开始开发及使用时期的用途有关。
在其初期发展的时候，与手机商家的关系可谓密不可分。
部分生产手机的一些商家在购得GSM模块后，就在其基础上稍微添加一些简单的器件就完成一部手机的制造。
因为此模块解决了制造手机过程中的困难的部分。
就是它本身就能够完成手机中射频的发送，还有一些基带处理方面的问题等。
这些优点让手机制造业大大减少了生产周期。
但近些年来，手机行业发展地飞快，这种情况也慢慢的就越来越少了。
本文使用的是由西门子公司生产的TC35模块。
即使在没有外接上其他额外的电路时候，它也能够完成FR、HR、EFR等编码。
实现一些基本的数据传输，像音频的传输、短信息的传输及与其他的终端进行通信等。
它对所使用的的电源要求较为苛刻，电源的电压一般在3.3伏到4.8伏之间。
电流状况变化的幅度较大，从休眠的时候只有3.
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