基于物联网的智能家居控制系统设计与实现 毕业设计.docx
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基于物联网的智能家居控制系统设计与实现毕业设计
基于物联网的智能家居控制系统设计与实现毕业设计
基于物联网的智能家居控制系统设计与实现
摘要
智能家居是网络繁华的这个家庭网络化时代的体现，已成为网络信息社会发展的一个重要组成部分，然而，物联网是各种信息结合的枢纽，是智能家居行业发展的伟大突破，对于智能家居行业具有非常重大的意义。
本文系统构造容易实现，容易操作，是现在化的大众设计理念，本设计采用STC89C52单片机为核心，一个控制端，控制多个模块，包括蓝牙，按钮，网络接口等模块来控制家电。
本文描述的硬件设计和软件设计两个部分来具体实现，第五章最后根据设计好的功能，搭建一个建议模型模块。
关键词：
物联网、智能家居、蓝牙、STC89C52、多模块控制
Thedesignandimplementationofintelligentcontrolsystem
basedonIOTHomeFurnishing
Abstract
SmartHomeastheimplementmodeofFamilyInformationhasbecomeanimportantpartofthesocialinformationdevelopment.Thenetworkingbecauseofitshugeprospecttodevelop.ItwillbearealwayduringtheSmartHome`sdevelopment.NetworkingmeansalottotheSmartHome.Thisarticlebaseonthedesignconceptoftryingtouseeasiestwaytodeliverhandleandclosingtouse.WetaketheSTC89C52asthecontrolcoreofthedesign.Therelayasthecontrolterminalmean.Whilewealsousethetraredremotecontrolkeywebpageetctocontrolthehomeappliances.Twotofourchaptersofthispaperdescribesthedesignofsoftwareandhardwaretoachievethespecific.ChapterVisbasedonfeaturesdesignedtobuildaspecificenvironmentinstance.
Keywords:
Networking、Intelligent、Home、Microcontroller、STC89C52、multi-sourcecontrol
第1章绪论
1.1物联网的发展过程
物联网是在信息社会发达的今所衍生的产品，他是基于互联网的模块上，利用射频识别技术、无线网等技术，打造一个联系世界不同物体，不同模块的“InternetofThings”。
在这个模块网络中，人们所需要的或不需要的物品等等能够相互的进行“沟通”，机械化，不需要人类去操作。
其根本是使用射频自动识别（RFID）这种技术，通过信息网络（互联网）来实现物品的互相识别和不同信息的互通与共享。
物联网这一想法的诞生，打破了传统的人类思维。
在过去，人们总是把物和信息网络分开，例如公路，机场，很多建筑物等等，他们都是与他们的控制中心分开（电脑）。
然而如今这一个时代,动物体内植入芯片、各种电视盒、机顶盒为一体等设备等等，从某种程度上说，这些设备就像一个新的智慧大脑。
所以有人认为，物联网和智能控制，就是像智慧大脑控制的一个新兴人类。
物联网在我们的生活中普及和使用，时间所有无生命的事物都可以变成了人的伙伴。
在这个不同事物与不同事物都相联系的世界，物体之间能互相“沟通”，不需要人类的干涉。
可以这么说，这已经渐渐演变成为一个新的智能化世界。
智能家居便是物联网在生活方便的最直接体现：
窗帘像“含羞草”一样可以感知光线而羞羞关闭;温控设备也更加“听话”了，温度高时胡自动调低温度，潮湿时会自动打开抽湿灯，灯光在感知没有人在房间时，会自动熄灭等等。
物联网在应用方便极其广泛，遍及智能交通、智能电网，智慧物流、智能安防、智慧医疗、智能农业、智能家居、工业监测、环境监测等各种领域。
物联网的众多不同应用，打造了一个巨型的商业模式，从互联网、平板、手机、电脑、无线等IT通讯领域，到智能卡、电子芯片、传感器、无线产品等工业领域，再到空调、电视盒等制造领域，各个领域联系紧密，其实利润之巨大。
有专家预算，中国物联网的整体产业在2015年将会超过一万亿元规模，2050年传感器将在我们的生活中完全普及。
可以想象，物联网发展某一个地步时，家中的各种设备可以和外界的网络相互连接在一起，通过各类传感器传输设备的信号。
开发人员在公司就能知道你家中各种设备的使用状况，也许在我们还没发现家中设备有问题的时候。
有一天就突然有工作人员联系你，说你家中的设备坏了，已经安排好工作人员准备帮你维修，那时候的我们将会是多么的惊讶。
1.1.1国外物联网发展历程
随着互联网的出现，我们进入这个信息互通的时代，慢慢的就提出了一些划时代的概念，然而物联网这个概念是由美国Auto-ID实验室在1999年第一次提出来的，在2005年，国际电信联盟这一组织在发布了《ITU互联网报告2005：
物联网》，正是提出了“物联网”着一个概念，这也预示了一个物联网时代的即将到来。
对于国外来说，没一个国家的物联网技术都有其特点已经代表性，其中比较有代表性的几个国家是美国、韩国、德国、日本。
例如：
美国苹果、IBM、英特、通用电气等公司，还有就是利用加速器基金和创投基金发展了许多个人的企业，让其纷纷推出了自己的物联网设备，大型发展物联网技术。
1.1.2国内物联网发展的历程
随着第一个物联网概念的提出，中国也慢慢的发展自己的物联网事业，我们国家的得物联网事业与时俱进，慢慢地将物联网这个概念贴上了中国制造的标签。
例如在四川省，在2010年的时候就把物联网产业链纳入了其全省重点开发的的信息产业，到了2014年已经实现了一个巨大的突破，在物联网产业销售大道理近900亿元，比同期增长了30%以上。
1.1.3国内外物联网未来展望
无论是国外，还是国内，其对物联网的未来都带有非常巨大的期待，在未来的物联网发展趋势，应该是一个物物相连的世界，物联网与其他技术有一定的区别，物联网他由政府机构兴起，在未来，它必然是有政府机构大力支持发展的项目，这样的物联网技术必使人们的生活和工作走进一个全新的时代，这将会是一个物与物相连的世界，将是依靠只能系统驱动的世界。
1.2智能家居的概念
智能家居（SmartHome）是以家庭为载体，兼容建筑、自动化，智能化于一整体的高科技、居住舒畅、安全、便捷的家庭居住环境。
智能家居是在物联网的影响之下物联化体现。
智能家居常通过一些有线或者无线的技术将家庭中的各种电器设备（如电视播放、家具灯光系统、智能窗帘控制、空调调温、家具防盗系统等各种家电电系统，还包括三表抄送等）连接到一起，给家居加点提供了一个控制平台，其中包括家居灯光照明控制、家居窗帘定时控制、远程监控控制、远程无线操作、家居安全监测、温湿度控制、红外转发和很多可通过设定时间的定时定点控制等等。
和普通的家居系统对比，智能家居更青出于蓝，不仅可以提供人们一个传统的居住环境，它更兼备了多方面的技术、首选一个是传统的建设技术、还有就是信息一体化、各种电器设备智能化，集一个系统性、结构完整、便捷服务、便于管理的一个具有的舒适、便利、高校、节能、安全的家居居住环境环境，这样的环境提供；了所有的信息交换功能，帮助家庭的信息网络可以随时与外界的信息保持交流畅通，以更新自身信息，提高人们的生活质量，有利于人类合理的安排自己的时间，提高了家居的生活的高质量，让生活变得更加安逸舒心，甚至还可以环保的，节约能源，为环境保护做出贡献。
智能家居这个概念的在很早之前就给人们提出来了，但是在之后的电子行业发展中没有做出一个真正的模型，然而，智能家居并没有停止发展，在1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem）将建筑中的电子设备连接都了一起，实现了建筑信息化，这个信息应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，出现了第一栋智能家居模型，从那之后，全世界走进了一个智能家居化的新时代【1】。
智能家居在中国称做智能住宅，在外面人们用SmartHome来表达智能家居。
与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在中国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。
智能家居让用户以更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过触摸屏、手持遥控器、电话、互联网来控制家用设备，更可以执行情景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的方便、高效、安全与舒适。
所谓智能家居时代就是物联网进入家庭的时代。
它不仅指那些手机、平板电脑、大小家电、计算机、私家车，还应该包括吃喝拉撒睡、安全、健康、交友、甚至家具等家中几乎所有的物品和生活。
其目的是让人们的家庭生活更舒适、更简单、更方便、更快乐。
1.3物联网智能家居在一些领域上面的应用
智家能庭控制系统的主要功能包括家庭各种设备智能控制、家庭安防这些方面。
其中家庭设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地（通过电话或Internet）的监视、控制及数据采集。
（1）与可是对讲的无缝对接，可进行远程通话，指令的发送等等。
（2）与智能手机和PAD的完美结合，可以通过手机，平板，在随时随地，监控操作一些电子设备。
（3）安防系统，只要分为四方面：
第一种防护（周界防范系统），第二层防护（闭路电视监控系统），第三层防护（门禁系统），第四层防护（家居安防系统）。
（4）灯光控制系统，实现对光线的暗亮控制，实现对光线的色调控制，实现对灯光的开启控制等等。
（5）智能窗帘控制系统，可以按照外界光线刺激，自我判断是否拉下窗帘，是否开启窗帘。
还可以设置时间，在某个时间段开启，或者关闭窗帘。
（6）家电控制系统。
实现在对家庭电视，只要是控制家电的开关，声音，已经亮度的显示。
（7）空调新风控制系统，实现对家庭温度的监控与调节，可让其判断是否开启或者变风，制冷抽湿等。
（8）还有电梯音乐等各种控制系统。
不一一罗列。
第二章总体设计
2.1整体介绍
本次设计以STC89C52芯片为控制核心，适度、温度、振动、气体检测等传感器为信息采集模块，以蓝牙模块控制实现，来制作一个简单的智能家居系统。
抛弃原来的机械化按键模块，，采用蓝牙或是WIFI模块进行远程控制，来控制灯光调节，温湿度检测，气体检测，振动检测等功能，实现了各种程度，多方位实时监控家居安全与控制。
此外在本次设计中，采用多种传感器模块结合，智能实现家居中各种设备的信息采集，如灯光的暗亮调节，温度的检测，湿度的检测，气体检测，振动检测等。
并且能将温度湿度显示在电脑上面，气体或振动值显示出来。
具体类似于下图所示：
图2-1整体的系统控制图
2.2系统设计方案选择
其实在这一次的设计中，我们可以选择很多个不同的方案来实现着一个功能，下面我就来列举几个方案来分析其优缺点：
2.2.1WIFI模块来实现这样一个无线传输功能
WIFI模块又名串口WIFI模块，在物联网技术中属于传输层，其功能是把TTL点评和串口数据转化为符合WIFI模块通信协议的嵌入式模块，在WIFI模块里那只有TCP/IP协议和无线网络协议IEEE802.11协议线。
WIFI模块可以直接嵌入传送的硬件设备，使其与互联网通讯，是实现家居智能化、M2M物联网的重要组成部分。
优点：
WIFI模块能让串口设备轻松联网，实现在全透明的数据胡同，可以保持一个很好的兼容性和实用性；WIFI模块的可靠性系统核心比较适合安全性和长期运行的系统应用；WIFI模块的无限通讯距离较长，具体可以长达100米。
缺点：
需要无线数据网络，串口协议编写较为困难。
2.2.2GPRS（短信控制）模块来实现这样一个无线传输功能
通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService）的简称，是属于第一代移动通信技术的代表。
优点：
GPRS模块是属于非常简洁、方便快速。
缺点：
GPRS很容易出现丢包现象，并且GPRS模块属于短信控制，在使用的过程中非常耗费信息流量，所以耗费的成本过高。
2.2.3蓝牙模块来实现这样一个无线传输功能
蓝牙模块式是一种低功耗、段距离无线通讯技术，其设计意图是取代现有的一些有线设备（计算机、打印机、传真机等）的接口有线电缆。
是一门新的技术。
蓝牙的主要优点：
可以方便快捷的建立起无线通讯，可以代替掉有线电缆；它的移植性强，适用于很多领域；安全性也非常的高，每台蓝牙设备的地址由具有唯一性；支持分散网、微型网等多种组网工作模式。
应用的范围非常广阔；蓝牙设备功耗极低，成本也很少，比起WIFI模块和CPRS模块，设计起来相对容易很多。
蓝牙模块的缺点：
技术善为完全成熟、通讯具体距离短。
2.2.4总结
介绍了上面三种方式，在根据我此刻的能力范围以及我所拥有的设器件，我选用的蓝牙模块来实现我这个设计的功能，接下来是各个模块的分析。
2.3功能设计
2.3.1多源控制
为了人们的高质量生活，简单快捷的生活需求，此次设计采用多模块分开控制，即有蓝牙远程控制，按键控制，系统自动控制，这三类型控制相补充。
其中蓝牙无线控制是远程控制，是指在在一定具体范围内，通过无线蓝牙信号在特定区域内对特定模块的控制，通过这样，来实现，来管理当前灯光等各种室内智能模块的运行，只需在手机上面的控制按钮，就可以轻易的打开，关闭，控制家中的各种电器，这样我们就能达到远程控制的功能。
系统方便的自动控制是系统的核心可以根据外部其他模块所采集的环境信息（如温度，湿度等）与用户设定的的功能、需求可以让人类生活的更加舒适作为比较而进行信息方面的检测，然后据检测到的结果对对应的模块进行调整控制，以此来保持一个相对舒适的平衡值，给人类创造一个更为舒适的居住环境。
限于本人能力有限，下面是我从网上找来的智能家居多源控制展示图：
图2.2智能家居多源控制模拟图
2.3.2温湿度控制
通过温湿度传感器采集的此刻的温度和湿度信息，把采集的信息进行转换，由系统软件进行分析，然后通过一些模块把这些值显示出来，来表达当日的温湿度，以作为警示，让人们知道当天的温湿度情况，决定外出，是否多添衣，是否才采取其他措施来应对当天的环境。
同时为了更好的控制，系统会通过软件将采集到的温湿度值发送到液晶屏上显示出来。
下面是温湿度传感器的实物图：
图2.3温湿度传感器DHT22
2.3.4灯光控制
系统功能在控制与被控制之间完全采用无线连接，不需要经过转换，可以实现从最简单的一个控制器控制一个灯的开关直到复杂的一个控制器控制整个网络的灯光。
目前市场上可见的一般是通过智能手机控制灯光的颜色，亮度以及整个场景布置。
随着智能手机越来越普及现在市场上新出现的典型应用基本是通过智能手机来控制整个家庭或是整栋楼宇的灯光，亮度以及开关。
然而本设计只为了达到方便快捷。
只采取了其中现对简单的无线控制灯光的开启。
如下图，是一个LED灯光控制不模块：
图2.4LED灯光控制模块
2.3.5气体检测控制
气体检测器，又称气体检测仪，是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具，主要是指便携式/手持式气体检测器。
主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。
气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。
一般认为，气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的，也就是说，凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器，不管它是用物理方法，还是用化学方法。
比如，检测气体流量的传感器不被看作气体传感器，但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器，尽管它们有时使用大体一致的检测原理。
常用品牌为:
美国华瑞、特安、安可信、长春弈扬等。
在这次设计中，只要的气体检测时检测室内的煤气等有害气体，当此类气体浓度到一定值得时候，就会通过报警来警示用户，使用户拥有更为安全的生
第3章硬件设计
3.1系统的整体硬件设计电路图
此次设计的要求是设计一个基于物联网的智能家居控制系统，利用单片机控制系统，辅助多个传感器模块，多种模块，实现要求控制的对象元素是5个，分别是湿度、温度、气体检测、振动报警、灯光控制系统。
而在本设计中，在控制的对像比预计的较多一些，下面是这一次设计的整体硬件电路图：
图3.1整体硬件电路图
3.2最小系统模块
STC89C52芯片共40引脚，1~8脚是通用I/O接口（p1.0~p1.7），9脚rst复位键，10、11脚RXD串口输入、TXD串口输出，12~19脚:
p3接口（12,13脚INT0中断0、INT1中断1，14,15:
计数脉冲T0T116,17:
WR写控制RD读控制输出端）,18,19脚:
晶振谐振器，20脚接地线，21~28p2接口高8位地址总线29:
psen片外rom选通端，单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平30:
ALE/PROG地址锁存器31:
EArom取指令控制器，电源+5V。
3.3串口模块
串口采用HC06蓝牙模块，具体介绍如下：
主机模块从机与实物一样，模块上有白点，主机模块会自动和从机模块配对，省却配对的麻烦，适合在需要两个设备间通过蓝牙串口无线通信的应用，无需电脑。
蓝牙串口模块可以脱离原来线缆的束缚，使硬件设备之间可以通过串口来进行通讯（在一定范围内进行串口通信）。
在使用该模块不需要去了解过于复杂的蓝牙通信协议，只需要使用几个比较简单的步骤，就可以实现两个设备之间的无线通讯了。
具体蓝牙模块有4个AT指令，分别vieshi测试通讯，改配对密码，改名称，改波特率，AT指令必须从TXD，RXD信号脚设置，不能通过蓝牙通信枢纽设置。
发送AT指令的设备可以使各种类型的MCU（比如avr、pic、arm、51、asp430等等），也可以是电脑通过串口（MAX232接PC串口或者USB串口）发送。
3.4温湿度传感器模块
温湿度采集模块选用了DHT22温湿度传感器，其参数如下：
（2）测湿范围：
传感器类型：
温度：
-40~+80度温度：
电阻式传感器
湿度：
0~99%RH湿度：
电容式传感器
精度：
（25度环境下）响应时间：
温度：
正负0.5度温度：
0.5S
湿度；正负2%RH湿度：
5S1/e（63%）
分辨率：
工作温度范围-40度~正80度
温度：
0.1度湿度：
0.1%RH电源；DC：
3.3~5.5V
衰减值：
外壳材料；PC塑料
温度：
小于0.1度每年重量：
1g
湿度：
小于1%RH每年
图3.5DHT11的电路连接图
3.5气体检测模块
烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室。
干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。
烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。
本设计只要采用MQ-2烟雾报警器
图3.5MQ-2烟雾报警器
图3.6单片机控制的烟雾报警器
具体参数如下：
此模块的特色:
1:
采用优质的双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；
2：
具有DO开关信号输出和AO模拟信号输出；
3：
TTL输出有效信号为低电平。
（当输出低电平时信号等亮，可直接单片机或继电器模块）
4：
模拟量输出模块随浓度越高电压越高；
5：
对液化气。
天然其。
城市煤气，烟雾有较好的灵敏度。
电器性能：
输出电压：
DC5V功耗（电流）：
150mA
DO输出TTL数量0和1（0.1和5V）
AO输出：
0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压4V左右。
3.6灯光模块
灯光控制模块是无线智能家居中不可或缺的一个部分，它的设计是符合了智能家居系统设计中的简易性和维护方便性，同时它也具备了智能家居设计方便的各种功能需求，可以通过一个简单模块来控制家中的灯光系统。
这个模块具有完整的一个电路系统，可以通过简易的扩展来扩大这个系统的覆盖范围，并且在扩大的过程中我们不需要对家居内部进行任何形式的修改。
只要在原有的灯光模块上面修改一些智能单元就可以了，因为不需要连接线缆，所以可以在不同的位置，不同的地方来增加控制模块来实现新的控制目的。
本设计采用比较单间的LED灯光模块作为控制。
通过无线网络，来进行对灯光的控制开，与关，可是让人们感受到方便快捷，舒适。
3.7、LCD模块
LCD模块采用LCD12864液晶模块。
是一种带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
如下图所示为此次设计LCD屏：
图3.7LCD屏
第4章软件系统设计
4.1系统的组成和结构
系统软件是单片机控制系统的一个关键部分，要较好的实现一个单片机的控制功能，在一定程度上，基本取决于软件方便的设计。
在本次系统设计中，分为两个模块，一个是主控单元，也就是主机程序，另外一个是分机程序，只要针对各个小模块。
下面我具体来阐述这样两个模块>
4.1.1主控单片机系统软件设计
用举例的方式来说，主控单元相当于一个计算机网络的一个服务器，主要是负责整一个系统的工作的协调性，不会让各个模块之间的通讯产生混乱，其功能方便时接受各个模块（分机）发送过来的数据，在转发到各个模块（分机、控制开关）中。
在整个系统中，STC89C52就是一个集成的系统模块。
下面是这一次系统软
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