智能家居安保系统设计.docx

智能家居安保系统设计.docx

《智能家居安保系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能家居安保系统设计.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能家居安保系统设计

毕业设计说明书

智能家居安保系统设计

摘要

论文介绍了基于STM32F103RB单片机系统的控制核心的智能家居安保系统设计。

系统分为三部分：

系统板（单片机，电源模块），GSM模块，传感器模块。

全文分别从五个方面对设计进行说明：

一、设计背景和意义。

智能家居的背景和发展现状以及GSM和AT指令集的介绍；二、主要器件的介绍；三、设计方案。

总体框图设计，用框图将设计中手机接收端、GSM模块、传感器、LCD、STM32F103RB、电源电路等各硬件组成部分之间的关系表示出来；接着在红外对管和声音传感器比较后，得出红外对管更适合用来防盗的结论，因此采用了红外对管方案。

四、系统的软件部分；有LCD屏显示和触摸屏程序设计（我觉得是最难的），硬件部分有STM32F103RB开发板、GSM模块、烟雾传感器、红外对管。

五、系统实现部分详细阐述了系统的各个模块和实现过程。

讲述了短信报警的过程和修改密码和手机的过程。

关键词：

智能家居STM32F103RBXPT2046GSMW25X40AT24C02

第1章绪论

1.1、课题研究背景和意义

随着国民经济的和科技的提高，特别是计算机技术，通信技术，网络技术，控制技术水平，信息技术的飞速发展和提高，推动现代家庭生活居住方式改变，人们更加追求舒适的衣食住行和安全环境。

人类科技的发展和方向的最终目标是服务于生活，这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，使得人们的生活习惯改变和生活质量提高。

在这些条件下的智能家居应运而生[1]。

智能家居住房作为一个平台，利用综合布线技术、 网络通信技术、 安全技术、 自动控制技术、 音频和视频技术集成家居生活相关设施、 居住设施和家庭计划管理系统的建设，加强家居安全、 方便、 舒适、 艺术和生活的环境，以实现环境保护和能源节约。

智能家居是物联网的影响下的表现。

通过智能家庭网络技术将家中（如声音和视频设备，照明系统，窗帘和控制，空调控制和安全系统以及数字影院系统和AV服务器和影子内阁系统和网络设备）的各种设备连接在一起，以提供所述电器控制和灯光控制和远程控制，室内和室外遥控控制，防盗报警器，环境监测和传输控制红外线传输和温度可以编程定时控制，各种各样功能和工具。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的生活、 建设、 通信、 信息家电、 自动化设备、 提供全方位的信息交互功能，甚至为节省能源费用的各种功能[2]。

1.1.1、家庭自动化

家庭自动化系统是基于一个中央微处理机（中央处理单元，CPU），从相关的电气和电子产品的接收到的消息（外部环境因素，如太阳升起或落下，所造成的变化的光线和其他变化），然后发送根据既定程序，其他电器和电子产品的相应信息。

通过许多中央微处理器接口的家电控制，这些接口可以是一个键盘，或者它可以是一个触摸屏，按钮，计算机，，遥控器，等等;消费者可将信号发送到中央微处理器，或者从中央微处理器接收信号[3]。

1.1.2、家庭网络

大家必须把这个家庭网络和纯粹的“家庭局域网”分开来，它是指连接家庭里的计算机、各种外设和与因特网互联的网络系统，它仅仅是家庭网络的一个组成部份。

家庭网络是在家庭X围内（可扩展到邻居，小区）将PC、家电、安全系统、照明系统和广域网相连接的一种新技术。

当前在家庭网络所采用的连接技术可以分为“有线”和“无线”两大类。

有线方案主要包括：

双绞线或同轴电缆连接、线连接、电力线连接等；无线方案主要包括：

红外线连接、无线电连接、基于RF技术的连接和基于PC的无线连接等[4]。

1.1.3、网络家电

网络家电是普通的家用电器使用数字技术、 网络技术和智能控制技术改进的新型家用电器。

网络设备可以相互连接，形成一个家庭网络，而家庭网络，可以连接到外部互联网。

可见，网络家电技术包括两个层次：

 第一种装置，这是所以不同电器可以相互承认，并一起工作之间的联网。

第二个层次是解决通信设备和外部网络，以便家庭真正成为扩展到外部网络的网络设备。

1.1.4、信息家电

信息家电是一种廉价，简单实用，家电和PC的主要特点。

使用电脑，电信和电子技术与传统家电产品和创新产品相联合，是数字化和网络技术应用越来越广深入设计新的家庭生活和家电，信息家电包括PC，机顶盒，HPC，DVD，超级VCD，无线数据通信设备，视频游戏设备，WEBTV，网络等，都可以通过网络交换信息器具，其可以被称为信息家电。

音频，视频和通讯设备是信息家电的主要组成部分。

而在另一方面，基于整合传统的商品，这使得它更强大和更容易使用，方便实用的传统家电，信息技术，并创造对生活更高品质的家庭生活环境。

例如，模拟电视发展到数字电视，VCD到DVD，冰箱，洗衣机，微波炉，也将是一个数字化，网络化，智能化的家电产品。

1.2、国内外发展现状

随着经济水平的发展和进步，人们的生活开始追求个性化、自动化、快节奏，追求趣味十足的生活方式。

因此，越来越多的智能家居的兴起，在我国如雨后春笋一般的局势已显露暴露无疑。

然而，国内智能家居市场的发展并非一帆风顺，混乱，缺乏市场和行业标准。

如何发展智能家居仍扑朔迷离。

国外智能家居行业发展势头越来越好，国内智能家居业内人士有必要思考这样一个问题：

是什么阻碍了智能家居发展的步伐，我们应该如何借鉴国外的智能家居企业学习

事实上，美国开始是第一个研究智能家居，但普及工作做的更好的，是韩国，韩国的智能家居做的很好，这与韩国先进的电子技术密不可分，也多亏政府的对智能小区和智能家居的政策支持。

韩国政府一直大力支持做智能家居，除了提高人民生活水平，更重要的是，它可以有效地减少犯罪，增加了家庭和社会，对政府管理大有裨益，提高了社会与家庭之间的信息流动的速度。

韩国政府在汉城和新区的规定，新建小区必须有智能家居系统这一个工程，因此韩国产生了很多知名品牌的智能家居。

在我国，住房建设部麾下的全国智能建筑居住区数字标准化技术委员会和长虹一起合资建设子公司发布了“中国城市居民e家生活指数报告”，同时，宣布第一个智能家居发展的评价标准“e家生活指数“。

对智能家居的发展发挥了积极作用。

智能家居在刚刚起始的时候做的非常艰苦，在小区智能家居尝试3-5年内逐步企稳，如果没有问题，就可以推出大规模推广。

我们的国内和国外的环境是在国外不同，他们的生活环境，主要原因是别墅，独立式的主屋，让智能家居的发展更集中在联通的信息网络，控制和家庭娱乐等方面;我们的生活环境主要是住宅小区的类型，所以重点发展主要体现在安全监控方面。

韩国的生活习惯和我们接近，重点发展主要体现在安全监控方面，但他们的电子行业发展非常好，所以在多媒体娱乐控制速度比我们的发展..

 虽然目前，国务院、住建部、工业信息化部出台一系列政策鼓励智能家居发展，但这些只是指导方针，智能家居在中国的未来发展，政府的行为会越来越弱，最终的成败是由市场决定的，政府的主要职能，统筹，制定统一的标准就可以不需要太多的干预。

总体来说，智能家居的在中国的普及还需要几年的时间。

现在一些国外的智能家居厂商也非常看好中国智能家居市场，这些国外企业的进入将推动国内智能家居行业市场的发展。

 2012年上半年，在XX博世安防系统推出了全新的智能家居系统。

据悉，该系统是专为高端住宅的设计，为客户提供基于IP网络的高端可视对讲产品的光幕具有智能控制系统和集成安全模块，红外转发器，遥控器和家电产品等万能遥控器。

推出的新系统，标志着博世正式进入智能家居市场。

鉴于目前的市场调控，博世注入了新的活力，智能家居市场。

 智能家居“钱”途无量，但目前仍处于学习外国公司的阶段。

在这里学习是不是所有的照本宣科，而是根据我们国家的环境政策，从国外的成功经验吸取营养，通过“机”生鸡蛋，增加了国内企业成功的“筹码”，让国内智能家居行业的发展更加欣欣向荣[5]。

1.3、GSM技术介绍

全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilemunication）就是大家都在使用的GSM，是最广泛使用的移动标准。

在超过 200个国家和地区的世界和超过 10 亿人每天使用 GSM 标准的移动。

在"漫游协议"GSM 国际漫游服务成为标准之间移动运营商签署了种类繁多的用户更广泛地使用。

以前比较 GSM 标准的最大区别在于它信号和语音通道是数字，因此 GSM 被视为第二代 （2g） 移动系统。

数字通信是内置于系统。

GSM 是一种开放的标准，由 3GPP 开发。

GSM是第2代（即2G）蜂窝移动通信技术。

模拟蜂窝技术被称为一代移动通信技术，宽带CDMA技术被称为三代移动通信技术，即3G。

GSM属于一个蜂窝网络，也就是说移动必须要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域才能使用。

GSM网络运行在多个不同的无线电频率上。

GSM网络，共有四种不同的蜂窝单元尺寸：

巨蜂窝，微蜂窝，微微蜂窝和伞蜂窝。

覆盖因不同的环境而不同。

巨蜂窝可以看出基站天线安装在最重要的是在天线或建筑物上的那种。

微蜂窝天线高度比那些平均建筑物高度，一般用在市区。

微微蜂窝是一种小型蜂窝覆盖X围只有几十平方米，主要用于室内。

伞蜂窝被用于覆盖一个较小的蜂窝网络盲点，填补之间的空白区域蜂窝信号。

根据天线高度，增益和传播条件，从一百多米到数十公里的半径。

最大距离GSM规X支持实际使用可以支持到35公里。

有蜂窝扩X的概念，小区半径可以增加一倍，甚至更多。

GSM还支持室内覆盖，可以把室外天线分布功率分配器到室内天线分布系统中。

这是一个典型的配置方发，以满足在房子内高密度的内部的要求，在商场，机场很常见的。

然而，这是没有必要的，因为建筑物通过室内覆盖X围可以通过无线信号来实现，但是这可以减少干扰并提高回波信号的质量[6]。

GSM900MHz频段GSM900MHz频段双工间隔为45MHz，有效带宽为25MHz，124个载频，每个载频8个信道。

GSM900：

上行（MHz）890-915；下行（MHz）935-960（GSM最先实现的频段，也是使用最广的频段）GSM900E：

上行（MHz）880-915；下行（MHz）925-960（900MHz扩展频段）

2、中国GSM900使用频率

①中国移动

●上行频段：

890-909MHz

●下行频段：

935-954Mhz

②中国联通

●上行频段：

909-915MHz

●下行频段：

954-960Mhz

3、DCS1800MHz频段

GSM1800MHz频段双工间隔为95MHz，有效带宽为75MHz，374个载频，每个载频8个信道。

GSM1800：

上行（MHz）1710-1785；

下行（MHz）1805-1880（适用于对信道容量需求大的市场，应用X围仅次于900M。

）

中国DCS1800使用频率

①中国移动

●上行频段：

1710-1720MHz

●下行频段：

1805-1815Mhz

②中国联通

●上行频段：

1745-1755Mhz

●下行频段：

1840-1850MHz

1.4、AT指令简介

AT即Attention，AT指令集是从终端设备（TerminalEquipment，TE）或数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）向终端适配器（TerminalAdapter，TA）或数据电路终端设备（DataCircuitTerminalEquipment，DCE）发送的。

通过TA，TE发送AT指令来控制移动台（MobileStation，MS）的功能，与GSM网络业务进行交互。

用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、本、数据业务、传真等方面的控制。

AT指令必须以"AT"或"at"开头，以回车（）结尾。

模块的响应通常紧随其后，格式为：

<回车><换行><响应内容><回车><换行>[7]。

SIM900A模块提供的AT命令包含符合GSM07.05、GSM07.07和ITU-TRemendationV.25ter的指令，以及SIM自己开发的指令。

接下来我们介绍几个常用的AT指令：

1、AT+CPIN？

这个指令用于查询SIM卡的状态，主要是查询PIN码，如果该指令返回：

+CPIN:

READY，则表明SIM卡状态正常，返回其他值，则有可能是没有SIM卡。

2、AT+CSQ

这个指令用于查询信号质量，返回SIM900A模块的接收信号强度，如返回：

+CSQ:

24,0，表示信号强度是24（最大有效值是31）。

如果信号强度过低，则要检查天线是否接好了？

3、AT+COPS?

这个指令用于查询当前运营商，该指令只有在连上网络后，才返回运营商，否则返回空，如返回：

+COPS:

0,0,"CHINAMOBILE"，表示当前选择的运营商是中国移动。

4、AT+CGMI

这个指令用于查询模块制造商，如返回：

SIM_Ltd，说明SIM900A模块是SIM公司生产的。

5，、AT+CGMM

这个指令用于查询模块型号，如返回：

SIM_SIM900A，说明模块型号是SIM900A。

6、AT+CGSN

这个指令用于查询产品序列号（即IMEI号），每个模块的IMEI号都是不一样的，具有全球唯一性，如返回：

8905，说明模块的产品序列号是：

8905。

7、AT+UM

这个指令用于查询本机，必须在SIM卡在位的时候才可查询，如返回：

+UM:

"","",129,7,4，则表明本机为：

。

另外，不是所有的SIM卡都支持这个指令，有个别SIM卡无法通过此指令得到其。

8、ATE1

这个指令用于设置回显模式（默认开启），即模块将收到的AT指令完整的返回给发送端，启用该功能，有利于调试模块。

如果不需要开启回显模式，则发送ATE0指令即可关闭，这样收到的指令将不再返回给发送端，这样方便程序控制。

9、AT+MI

这个指令用于设置新消息指示。

发送：

AT+MI=2,1，设置新消息提示，当收到新消息，且SIM卡未满的时候，SIM900A模块会返回数据给串口，如：

+CMTI:

"SM",2，表示收到接收到新消息，存储在SIM卡的位置2。

10、AT+CMGF

这个指令用于设置短消息模式，SIM900A支持PDU模式和文本（TEXT）模式等2种模式，发送：

AT+CMGF=1，即可设置为文本模式。

11、AT+CSCS

这个指令用于设置TE字符集，默认的为GSM7位缺省字符集，在发送纯英文短信的时候，发送：

AT+CSCS="GSM"，设置为缺省字符集即可。

在发送中英文短信的时候，需要发送：

AT+CSCS="UCS2"，设置为16位通用8字节倍数编码字符集。

12、AT+CSMP

这个指令用于设置短消息文本模式参数，在使用UCS2方式发送中文短信的时候，

需要发送：

AT+CSMP=17,167,2,25，设置文本模式参数。

13、AT+CMGR

这个指令用于读取短信，比如发送：

AT+CMGR=1，则可以读取SIM卡存储在位置1的短信。

14、AT+CMGS

这个指令用于发送短信，在"GSM"字符集下，最大可以发送180个字节的英文字符，在"UCS2"字符集下，最大可以发送70个汉字（包括字符/数字）。

该指令我们在后面详细介绍。

15、AT+CPMS

这个指令用于查询/设置优选消息存储器，通过发送：

AT+CPMS?

，可以查询当前SIM卡最大支持多少条短信存储，以及当前存储了多少条短信等信息。

1.5、本章小结

本章主要阐述了智能家居的发展背景，发展过程和GSM的一些介绍。

阐述了智能家居的优点和其发展的必然性，介绍了GSM工作的频率等一些情况，最重要的是简单介绍了一些AT指令的使用说明，最后简单说明了本设计的主要工作。

第2章系统主要器件介绍

2.1、核心控制芯片STM32F103RB

在本系统中STM32F103RB是核心控制芯片，异常情况的判定、GSM模块的控制、LCD触摸屏的控制等都离不开本芯片，它是本系统的心胀如图2.1。

STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。

根据片上闪存的大小可分为三大类的芯片：

小容量（16K和32K），中容量（64K和128K），高容量（256K，384K和512K）[8]。

芯片上集成了很多外设如：

定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等。

内核

-ARM32位的Cortex-M3

-72MHz的最大运行频率，可达1.25DMIPS/MHZ（DhrystONe2.1）在零等待周期的存储器访问

-单周期乘法和硬件除法

存储器

-从闪存程序存储器32K到512K字节（STM32F103XXXX第二个X代表的闪存容量，其中包括：

“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）

-最大64K字节的SRAM

电源管理

--2.0-3.6V电源和I/O引脚

-电源开/关复位（POR/PDR），可编程电压检测器（PVD）

-4-16MHZ晶体振荡器

-通过工厂调整为8MHz阻容振荡器嵌入式

-嵌入式与校准的RC振荡器40KHz的

-要生成CPU时钟锁相环

-随着32KHz的标定RC振荡器低功耗

-待机，睡眠和停机模式

--Vbat电源到RTC和备份寄存器

模数转换器图2.1STM32F103RBT6

-多达16个输入通道的两个12位ADC，1微秒转换时间

-转换X围：

0〜3.6V

-保持功能和双采样

-温度传感器

DMA

-两个DMA控制器，一共有12个DMA通道：

DMA1具有七个频道，DMA2有五个通道

-支持的外设有：

定时器，ADC，SPI，USB，IIC和UART

-多达112个快速I/O端口（仅Z系列拥有超过100引脚）

--26/37/51/80/112I/O端口，所有的I/O端口的图像16个外部中断;几乎所有的端口可以容忍5V信号

调试模式

-串行线调试（SWD）和JTAG接口

-多达8个定时器

-三个16位定时器，每个定时器有多达四个输入捕捉/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入

-一个16死区时间控制和紧急制动，用于电机控制的PWM高级控制定时器

-两个看门狗定时器（独立的和窗口型）

-系统定时器：

24从零下计数器

-截至九通讯接口：

2个I2C接口（支持SMBus/PMBus的）

3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，红外线接口和调制解调器控制）

2个SPI接口（18M比特/秒）

CAN接口（2.0B有源）

USB2.0全速接口

计算单元

CRC计算单元，新批96位的唯一代码

封装

ECOPACK封装

2.2、触摸屏控制器XPT2046

XPT2046是一款4线触摸屏控制器芯片，他在本系统中

如图2.2所示，XPT2046是一款4线触摸屏控制器芯片，含有12位分辨率的，125KHz的转换率的逐次逼近型A/D转换器。

XPT2046有支持从1.5V到5.25V低电压I/O接口。

XPT2046通过两个A/D转换器，以检测在屏幕的位置的执行被按压，此外，还可以测量施加到触摸屏上的压力。

自己的内部2.5V参考电压，可被用作使用的辅助输入，温度测量和电池监测模式时，0V到6V。

它集成XPT2046薄膜内的温度传感器。

在2.7V的典型操作中，关闭基准电压后，功率消耗可以达到小于0.75MW。

XPT2046有微型封装：

TSSOP-16，QFN-16（高度仅0.75mm厚度）和VFBGA-48。

在-40℃〜+85℃可以正常工作[9]。

芯片主要特点[10]

4线触摸屏接口

触摸压力测量功能

可直接测量电源电压（0V〜6V）

低功耗（260μA）

可单电源，2.2V-5.25V的z工作电压X围1.5V支持5.25V〜级数码I/O端口

自己内部的+2.5V参考电压

具有125KHz的转换率

使用QSPI™和SPI™3线通信接口

可编程，8位或12位分辨率，具有1路辅助模拟输入

它可以自动断电

小型封装，节约电路面积：

TSSOP-16，QFN-16（高度仅0.75mm厚度）和VFBGA-48

完全兼容TSC2046，ADS7843/7846和AK4182

图2.2XPT2046原理框图

2.3、GSM通信芯片SIM900A

如图2.3所示，SIM900A芯讯通推出了一款新的紧凑型产品。

它属于双频GSM/GPRS模块，完整的SMT封装，只SIM900A针对中国市场，其性能在一个紧凑的，稳定的高性价比。

SIM900A行业标准接口，能够以GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz的频率，可以实现语音，短信，数据低功耗传输和传真信息。

此外，SIM900A的24x24x3mm的大小，M2M应用可以适用于各种类型的设计要求，尤其是对纤细和紧凑的设计[11]。

主要特点

*双频900/1800MHz的

*GPRS多时隙等级10/8

*GPRS移动台B级

*符合GSM+2/2标准

-4类（2W900兆赫）

-第1类（1W1800MHz的）

*尺寸：

24*24*3毫米

*重量：

3.4g图2.3SIM900A

*通过AT命令（GSM07.07，07.05和控制

SIM增强型AT命令集）

*电源电压X围：

3.1V~4.8V

*低功耗：

1.5毫安（睡眠模式）

*工作温度X围：

-40°C至+85°C

数据传输

*GPRSclass10：

最大85.6kbps（下行速率）

*支持PBCCH

*编码方案CS1，2，3，4

*CSD高达14.4kbps的

*USSD

*非透明

*PPP协议栈短信

*点对点MOandMT

*短信广播

*文本和PDU模式

接口

*支持SIM卡3V/1.8V接口

*模拟音频接口

*支持RTC

*SPI接口

*串行接口

*天线焊盘

*I2C

*GPIO

*PWM

*ADC

2.4、GSM模块

GSM模块有很多的功能，比如收发短信、接打、GPRS上网等。

在本系统中是用来发报警短信的短信的。

ATK-SIM900A-V12（V12是版本号，下面均以ATK-SIM900A表示该产品）是ALIENTEK推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块（开发板）。

ATK-SIM900A模块板载SIM公司的工业级双频GSM/GPRS模块：

SIM900A，工作频率双频：

900/1800Mhz，可降低功耗实现语音，数据和信息，短信传真传输（SMS，MMS，不支持）。

ATK-SIM900A模块支持RS232串口和LVTTL，并与硬件流控制，支持5V〜24V宽工作电压X围，所以该模块可以与我的系统连接非常方便实现语音，短信和GPRS数据传递函数，如图2.4所示。

[12]

ATK-SIM900A模块的基本特性如下所示：

通信接口1RS232串口/LVTTL串口

支持AT命令控制（GSM07.07，07.05以及SIM增强AT命令集）

支持RTS/CTS硬件流控控制

支持从1200bps~115200bpsX围的通信速率（带自动波特率检测）

支持调试接口（可用于调试和软件升级）

语音接口3.5mm耳机+麦克风座

天线接口SMA接口,自带GSM（900M/1800M）专用小辣椒天线

电源接口DC