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智能家居模型系统设计
本科学生毕业论文
论文题目：
智能家居模型系统设计
学院：
电子工程学院
年级：
2010级
专业：
通信工程
姓名：
张晓锋
学号：
指导教师：
刘勇
2014年X月XX日
摘要
关键词
Abstract
Keywords
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1课题背景及研究的目的和意义1
1.1.1课题背景1
1.1.2研究的目的与意义1
1.2智能家居的概况及国内外研究现状2
1.2.1国外智能家居控制系统发展状况2
1.2.2国内智能家居控制系统发展状况3
1.3本文研究内容3
第二章智能家居模型系统整体设计5
2.1引言5
2.2系统总体设计图5
2.3系统设计方案6
2.4本章小结6
第三章智能家居模型系统硬件设计7
3.1引言7
3.2主控制部分电路7
3.2.1控制芯片电路8
3.2.212864液晶显示模块电路9
3.2.3SYN6288语音模块电路10
3.2.4CC1101无线模块10
3.2.5GSM模块11
3.2.6蓝牙模块12
3.3传感器节点部分电路12
3.3.1传感器节点控制芯片电路13
3.3.2红外检测传感器电路14
3.3.3火焰传感器检测电路14
3.3.4烟雾传感器电路15
3.3.5电源模块电路16
3.4本章小结16
第四章智能家居模型系统软件设计17
4.1引言17
4.2ICCAVR编译软件17
4.2.1智能家居模型系统控制部分软件架构17
4.2.2传感器节点报警信号的采集18
4.2.3传感器节点定时器的实现19
4.2.4传感器节点串口通信的实现20
4.3AppInventor在线编译器22
4.4AltiumDesigner硬件板卡设计软件23
4.5本章小结25
第五章智能家居模型系统功能测试26
5.1引言26
5.2系统运行状态测试26
5.3系统报警功能测试27
5.4手机软件连接测试27
5.5系统远程控制功能测试29
5.6本章小结29
结论30
参考文献31
致谢32
第一章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
1.1.1课题背景
随着科学技术的飞速发展，人们生活水平的不断提高，普通的家庭住房已经远远不能满足人们的生活需求。
为了使人们居住的环境更舒适、更方便、更安全，智能家居便应运而生了。
嵌入式系统、自动控制和通信技术等已经深入到起千家万户，深刻地改变了人们的生活方式，极大的提高了各行各业的生产效率，为整个社会创造了巨大的财富，然而带给我们普通个人与家庭的好处却少之又少，传统的居住环境并没有因为这个信息时代的到来而产生改变，加之各种各样的家用电器产品日益增多，生活水品虽然有所提高，但随之而来的安全问题和分散控制给人们带来了极大的不便，居民住宅几乎变成了这个信息时代的孤岛。
在这样的种种情况下，人们开始越来越关注自己的居住环境，更加注重居住环境的安全性、舒适性，将各种各样的家用电器产品有机的结合为一个整体，并可以通过它远程对家用电器进行智能化控制与管理，实现智能化的新型住所。
智能家居是一个新的生产业，现在正处于婴儿期与成长期的临界点上，整体的市场消费观念并没有形成，但是随着智能家居的进一步普及与推广，培养消费者的使用习惯，它的市场潜力是巨大的，产业前景一片光明。
正是由于这个原因，国内许多优秀的企业越来越重视对智能家居行业的研究，一些国内的智能家居品牌诞生了，他们将成为智能家居产业的领头军。
智能家居控制系统作为智能家居的核心，他的功能设计必将推动着整个智能家居市场的发展，整个系统在保证功能同时，提高系统的集成化，简化用户的使用方法，将智能家居更平民化、普及化是未来智能家居的发展趋势。
我想智能家居控制系统的最终成果是将家中所有的设备都有效结合在一起，让我们能够真真正正的享受一个温馨舒适的家庭生活。
1.1.2研究的目的与意义
智能家居模型系统设计的目的在于设计并制作一个集智能家庭安防、家电与灯光自动控制的模拟系统，控制对象为模拟的家庭环境，可以实现家庭的安防报警、远程布防、远程撤防、家电与灯光的远程控制等，并能够将家中的信息采集并发送出去。
为了完成上述研究目标，本设计的具体设计目标为：
（1）家庭安防，实现家庭门或窗闯入检测，并进行声光报警；
（2）家庭室内人员闯入的红外无线检测，进行一定范围区域内的人员出现的检测，并进行声光报警；
（3）家庭的报警信息能够传送至远程控制端，远程控制端能够及时的看到报警信息。
（4）智能家居系统的无线布防与撤防，如家人回到家中，将智能家居系统撤防，离开家的时候，将智能家居系统布防，使系统处于工作状态。
（5）家庭灯光的无线控制，如模拟三种场景：
会客模式（亮度明亮）、影院模式（亮度很暗）、睡眠模式（亮度适中）。
（6）家庭家电的远程控制，通过远程控制端对家里的灯光、家用电器等的控制。
1.2智能家居的概况及国内外研究现状
要想实现对智能家居控制系统的操控，从而达到远程控制智能家居控制系统以及家里的家用电器，需要解决的一个关键性问题是组建和接入家庭网络。
从网络连接方面来看，组建家庭网络的工作主要分为两大部分：
一方面是在家庭范围内组建各种智能家居的子系统控制网络，另一方面是这个组建的家庭控制网络与玩不互联网等网络能够结合在一起，形成一个智能家居网络一体化的网络平台。
最终的目标是是家庭中的各个子系统能够互相连接，通过无线网络语外界环境进行通信。
建立一个低成本的、高效率的智能家居网络控制系统是现如今世界智能家居系统未来发展的一个重要的问题。
近年来，国际上许多比较大的公司都提出了许多自己的解决方案，但是在这个领域到目前为止还没有一个成熟的国际性的标注，各个公司都是在研究属于自己品牌标准的智能家居控制系统。
1.2.1国外智能家居控制系统发展状况
1984年，在美国建立的世界上第一栋智能楼宇——“城市空间建筑”，开启了智能家居控制系统的大门，此后，加拿大、德国、日本、新加坡等经济发展比较发达的国家也相继提出了各种各样的智能家居控制系统方案，但是由于市场经济和策略目标的不同，一直没有形成一个同意的国际化标准。
一直到20世纪九十年代初开始，家庭网络的技术逐渐发展了起来，在国际上比较有影响力的智能家居系统有：
美国的LonWorks和X-10系统、德国的EIB系统、新加坡的8-X系统以及日本的HBS系统。
目前应用比较多的系统如表1-1所示。
表1-1国外目前应用比较多的智能家居控制系统
型号
产地
特点
优点
缺点
X-10
美国
使用输电线路实现设备控制
无需布线
造价比较高
8X
新加坡
总线集中控制家居设备
集中控制
灵活性不够，不易扩展
EIB
德国
有线集中控制方式
集中控制
安装复杂，造价较高
1.2.2国内智能家居控制系统发展状况
我国是在2000年开始才引进了智能家居控制系统的概念，1999年，我国建设部制定了《居住小区智能化建设要点与技术导则》，该导则将我国的智能化小区分为三个星级标准，其中最为基本的系统包括家庭安全防护、智能设备管理以及网络通讯三个方面。
智能家居在我国经历了将近十年的起步阶段，由于投入的资金不足以及开发水平不够成熟，所以发展非常缓慢。
但是随着国家对智能化建筑行业的不断重视以及开发技术水平的不断提高，已经开始出现了一些智能化产品，比如远程抄表系统、门禁管理系统、楼宇对讲系统以及医疗救助系统等控制系统，但是这些系统都是分散的，不能实现统一的管理和控制，安装起来也不是很方便。
国能的一些知名品牌，比如联想、海尔、海信等也推出了自己的智能家居产品，但是由于缺乏统一的标准和协议，这些产品并没有真正的进入普通百姓的家中。
1.3本文研究内容
本论文的研究目的是设计并制作一个智能家居模型系统，整个系统包括家庭安防、远程监控家庭信息、远程智能家电控制等。
本论文的各个章节主要内容如下：
第二章对整个智能家居模型系统的功能进行了分析后，完成了智能家居模型系统总体设计，确定了智能家居控制系统的总体方案。
第三章从硬件方面入手，对智能家居模型系统的总控制系统以及各个报警信号采集节点的电路进行了设计，完成了整个智能家居模型系统的硬件结构设计。
第四章从软件方面入手，设计并完成了智能家居模型系统的总控制系统以及各个节点采集信号的程序，然后使用AltiumDesigner软件设计并制作了传感器节点PCB板卡，最后使用AppInventor制作了智能家居模型系统手机控制软件。
第五章从系统的运行状态、系统的报警功能、系统的软件控制功能以及系统的远程控制等方面对整个智能家居模型系统进行测试，完成整个智能家居模型系统设计工作。
第二章智能家居模型系统整体设计
2.1引言
系统的总体设计需要从系统的功能、总体规划、模块设计等方面入手，决定着整个系统以后的升级等。
本章主要针对智能家居模型系统的功能进行分析，设计模型的整体规划方案，各个节点模块的摆放位置等，最终确定智能家居模型系统的整体方案。
2.2系统总体设计图
本智能家居模型系统的总体设计图如图2-1所示，整个模型分为六个部分，分别是卧室、厨房、车库、活动室、客厅以及卫生间。
图中1号节点为房门报警信号采集，2号节点为窗户报警信号采集点，3号节点为客厅报警信号采集点，4号节点为厨房火警报警信息采集点，5号节点为车库门报警信息采集点，6号节点为LED模块，用来模拟室内灯光，7号节点为小风扇模块，用来模拟家用电器的控制，总控制以及一些相关的模块放在卧室。
图2-1智能家居模型系统总体设计图
2.3系统设计方案
本系统采用两块ATmega128单片机作为控制芯片，一块芯片作为主控芯片，一块芯片作为辅控芯片，主控芯片负责通过CC1101模块采集各个传感器的报警信号，得到报警信号后，迅速找出报警位置，并向辅控芯片发送报警信号，辅控芯片接到报警信号后，启动SYN6288语音模块播报报警信息，启动报警灯闪烁，进行声光报警，报警系统发出响亮的报警声，同时连接在辅控芯片上的GSM模块也会向设定的手机发送报警信息，远程接收报警信号，以便及时处理紧急情况。
GSM模块也可以向智能家居模型系统发送控制信息，远程操控家里的系统布防、撤防以及各种家电的控制。
本系统还提供基于安卓的智能家居系统控制软件，可以非常方便的对系统进行近距离的控制，比较适合青年人进行操作。
为了使老人和孩子也可以进行简单的操作，本系统还设计了简单的遥控器控制，操作非常方便，另外，在系统中加上了语音识别模块，在家中可以方便的控制家里的一些家用电器，实现家居智能化。
2.4本章小结
针对智能家居模型系统设计这个课题，本章从系统的功能、总体规划、模块设计等方面入手，完成了智能家居模型系统总体设计，确定了整个智能家居模型系统总体设计方案，为后面智能家居模型系统硬件和软件设计确定了研究方向。
第三章智能家居模型系统硬件设计
3.1引言
本系统设计的智能家居模型系统旨在建立一个智能家居的嵌入式系统，系统的总体的硬件设计可以分为三大部分：
主控制部分、传感器节点部分和功能子模块。
主控制部分采用ATmega128单片机作为控制芯片，传感器节点部分采用ATmega16单片机作为控制芯片。
主控制部分外接的功能子模块有：
LCD12864液晶显示模块、蓝牙模块、GSM通信、CC1101无线通信模块、SYN6288语音模块等，传感器节点部分外接的功能子模块有红外检测传感器、火焰传感器、烟雾传感器、LED模块、继电器模块、语音识别模块等，本章会对上述硬件部分详细介绍。
3.2主控制部分电路
1997年，ATMEL公司在挪威的设置中心的A先生和V先生利用了ATMEL公司的Flash新技术共同研发的基于RISC精简指令集的高速8位单片机，称之为AVR单片机。
AVR单片机开发的门槛是比较低的，只需要一个下载器或者JTAG仿真器就可以进行程序的下载与仿真等试验，而且AVR单片机价格比较低廉，其内置的高质量Flash程序存储器擦写非常方便，支持ISP和IAP，非常有利于产品的开发、调试、生产等。
另外，AVR单片机还具有高速、低功耗、保密性能好、I/O接口功能强，内部资源丰富等特点，不愧为八位单片机中的佼佼者。
主控制部分是整个智能家居模型系统的核心部分，也是整个系统的重中之重。
因此主控制部分采用两块ATMEL公司ATmega128单片机作为控制芯片，一块芯片作为主控芯片，一块芯片作为辅控芯片，主控芯片负责通过CC1101模块采集各个传感器的报警信号，得到报警信号后，迅速找出报警位置，并向辅控芯片发送报警信号，辅控芯片接到报警信号后，启动SYN6288语音模块播报报警信息，启动报警灯闪烁，进行声光报警，报警系统发出响亮的报警声，同时连接在辅控芯片上的GSM模块也会向设定的手机发送报警信息，远程接收报警信号，以便及时处理紧急情况。
GSM模块也可以向智能家居模型系统发送控制信息，远程操控家里的系统布防、撤防以及各种家电的控制。
本系统还提供基于安卓的智能家居系统控制软件，可以非常方便的对系统进行近距离的控制，比较适合青年人进行操作。
为了使老人和孩子也可以进行简单的操作，本系统还设计了简单的遥控器控制，操作非常方便，另外，在系统中加上了语音识别模块，在家中可以方便的控制家里的一些家用电器，实现家居智能化。
智能家居模型系统总控制部分的总体框架如图3-1所示
图3-1智能家居模型系统控制部分框架图
3.2.1控制芯片电路
智能家居模型系统控制芯片使用的是ATMEAL公司生产的高性能、低功耗的8位AVR单片机ATmega128单片机，该单片机的最小系统电路包括：
CPU、电源电路、复位电路、晶振电路，其电路图如图3-2所示。
图3-2ATmega128单片机最小系统
3.2.212864液晶显示模块电路
智能家居模型系统使用一块12864液晶显示屏显示系统的运行状态，从一开始的系统名称，制作者信息到系统启动工程中的提示信息，再到每一个传感器节点的报警信息都可以一一显示出来，让使用者可以实时看到整个系统的运行状态。
12864液晶显示屏是一个128
64点阵的液晶显示模块，该模块可以显示汉字和图形，其内置8192个中文汉字、128个字符以及64
256点阵显示RAM。
可以直接接CPU，提供8位并行接口和串行接口两种连接方式，本系统采用的是串行连接方式，串行连接方式下的引脚定义如表3-1所示。
表3-1串行方式下12864液晶屏引脚定义
引脚号
引脚名称
电平状态
功能
1
VSS
0V
电源地
2
VDD
+5V
电源正（3.0V——5.5V
3
V0
—
对比度（亮度）调节
4
CS
H/L
片选端，高电平有效
5
SID
H/L
串行数据输入端
6
CLK
H/L
串行同步时钟，上升沿时读取SID数据
15
PSB
L
串行方式选择端
17
RESET
H/L
复位端，低电平有效
19
A
VDD
背光源电压+5V
20
K
VSS
背光源负端0V
12864液晶显示模块与单片机的链接方式分为串行连接和并行连接两种方式，本系统使用的是串行连接方式，编程时需要将15号PSB引脚设置为低电平，液晶显示屏与单片机的连接电路如图3-3所示。
图3-312864液晶显示屏电路图
3.2.3SYN6288语音模块电路
在智能家居模型系统中采用了SYN6288语音模块，语音模块会将系统启动的信息以及各个传感器节点的报警信息合成为语音信息播报出来，报警信息合成后会发出响亮的报警声。
SYN6288语音合成模块是一款性价比比较高的，效果比较自然的一款中高端语音合成芯片。
通过一部串口接收待合成的文本，实现文本转换成语音的功能。
它的特点是体积小、硬件接口简单、性价比极高，另外，SYN6288语音合成模块对文本的识别比较智能，能智能识别多音字、电话、年份等特殊字符，语音合成效果自然流畅。
SYN6288语音合成模块电路图如图3-4所示。
图3-4SYN6288语音模块电路图
3.2.4CC1101无线模块
CC1101无线收发模块使用的是TI公式生产的CC1101低功耗的无线通信芯片，发射功率可调，最大发射功率10mW。
该模块工作于433MHz频段，该频段为免费ISM频段。
模块式基于FSK的调制方式，采用高效的前向纠错编码技术和信道交织编码技术，提高了数据抵抗随机干扰和抗突发干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可以得到的实际误码率为10-5~10-6。
在直线可视情况下，天线的放置高度大于2米，9600bps可靠传输距离大于100米，1200bps传输距离最大可以达到200米。
模块还提供透明的数据传输接口，能适应任何标准的或者非标准的用户协议，可以自动过滤掉空中产生的假数据，使用非常方便。
CC1101无线模块目前支持三种接口，分别是TTL接口、485接口和USB接口，可以直接连接到单片机，、串行口232/485设备以及PC上。
本系统使用的是串行口的连接方式，将CC1101无线模块连接在主控芯片和各个传感器节点模块上。
CC1101无线模块的引脚定义如表3-2所示。
表3-2CC1101无线模块引脚定义
引脚标号
引脚定义
说明
连接方式
1
SLEEP
休眠
此功能暂不具备
2
RESET
复位引脚
可不连
3
VCC
电源正极
2.7V~5.5V之间
4
RXD
数据输入
串口数据输入
5
TXD
数据输出
串口数据输出
6
GND
电源负极
GND
在本系统中，CC1101无线模块的作用是将各个传感器节点采集到的报警信息通过无线信道发送出去，然后连接在主控芯片上的无线模块接收到报警信号后，向GSM模块、12864模块、SYN6288模块等发送报警信息。
或者主控芯片收到由GSM模块或者蓝牙模块发送的控制信号后，主控芯片通过无线模块控制LED节点和继电器节点来控制LED的亮灭以及小风扇的开和关，用来模拟家用电器的控制。
3.2.5GSM模块
TC35模块是由德国西门子公司生产的新一代的无线通信GSM模块。
带有RS232通讯接口，可以非常方便地与PC机、单片机通讯。
可以实现非常快速、安全、可靠的数据、语音传输、传真以及短消息服务。
TC35模块的正常工作电压为3.3V~5.5V，能在900MHz和1800MHz两个频段，功耗分别为2W和1W。
模块支持AT命令接口，支持文本和PDU格式的短消息等，模块还支持2400bps、4800bps、9600bps的非透明传输模式。
另外，TC35模块还有电话簿功能、多方通话功能、漫游检测功能，常用的工作模式有等电模式、IDLE模式、TALK模式等。
TC35模块通过使用独特的40引脚ZIF连接器，实现电源连接指令、语音信号、数据以及控制信号的双向传输。
通过ZIF连接器以及50欧姆天线连接器，可以分别连接SIM卡的支架和天线。
TC35模块设计小巧、功耗较低，主要由GSM基带处理器、GSM无线模块、闪存、电源模块、天线接口以及ZIF连接器六部分组成，其结构框图如图3-5所示。
作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内部的数据和语音信号，并且涵盖了蜂窝射频通信设备中的所有的模拟功能和数字功能。
在不用外部硬件电路的支持下，可以使用FR、EFR和HR语音通道的编码。
图3-5TC35模块结构框图
3.2.6蓝牙模块
蓝牙模块指的是集成了蓝牙功能的芯片的基本电路板，可以用于无线通讯网络。
蓝牙模块大致可以分为数据传输模块和远程控制模块等。
对于用户本身来说，蓝牙模块只是半成品，蓝牙适配器才是成品。
常见的蓝牙适配器一般是用于传输数据。
蓝牙模块根据它的协议可以分为1.1版、1.2版、2.0版、3.0版和4.0版，通常后者是可以兼容前者的。
蓝牙技术作为可以取代数据型电缆的一种短距离无线通信技术，可以支持点对点和点对多的通信。
蓝牙模块的接口分为串行接口、数字型I/O接口、模拟型I/O接口、USB接口、SPI编程接口以及语音接口。
目前市场上比较常见的蓝牙模块都是使用串行接口，便于系统的调试等工作。
在本系统中，蓝牙模块的主要作用是接收来自手机端的布防、撤防、灯光亮度、风扇开关等命令，接收到这些命令后，蓝牙模块先传给主控芯片，主控芯片通过CC1101无线模块将蓝牙模块接收到的信息发送给相应的节点，相应的节点收到信息后作出相应的反应。
3.3传感器节点部分电路
传感器节点部分也是整个系统的一个重要组成部分，它需要采集的是各个节点的报警信号，以及控制每一个节点上面所连接的一些用电设备，所以传感器节点的稳定性与可靠性是尤为重要的。
本系统中的传感器节点采用的是ATMEL公司生产的ATmega16单片机，ATmega16单片机虽然较ATmega128单片机功能少，但是作为传感器节点是完全够用的。
传感器节点主要是由ATmega16单片机最小系统、传感器接口、CC1101无线模块接口、电源模块组成。
传感器节点的结构图如图3-6所示。
图3-6传感器节点结构框图
3.3.1传感器节点控制芯片电路
传感器节点控制芯片是ATmega16单片机，它是基于增强型的AVRRISC结构的低功耗8位微控制器。
由于其拥有先进的指令集和单时钟周期，ATmega16单片机的数据吞吐率可以高达1MIPS/MHz，从而可以缓解系统系统在处理速度和功耗问题之间的矛盾。
该单片机的最小系统电路包括：
CPU、电源电路、复位电路、晶振电路，其电路图如图3-7所示。
图3-7ATmega16最小系统电路图
3.3.2红外检测传感器电路
在智能家居模型系统中，门窗的报警信号是非常重要的，本系统所采用的传感器是利用红外线反射原理，利用红外线在不同的物体表面上具有不同的反射特性。
红外检测传感器电路如图3-8所示。
当该节点接通电源后，TCRT5000红外检测模块开始工作，当红外光遇到不吸收红外光的东西时会发生漫反射，这样反射的光就会被红外接收管接收到，而如果遇到黑色的介质或者没有介质反射红外光时，接收管不会收到发射的红外信号。
图3-8红外检测传感器电路图
如图3-8所示，当有介发射管发出的红外光反射回来时，红外接收管就会接收到红外信号，此时电阻R1电平会被拉低，然后再经过LM393电压比较后输出低电平，当红外光没有被发射回来时，经过LM393电压比较器后就会输出高电平。
通过调节电阻R1的阻值大小来调节红外传感器的灵敏度，LM393同相输入端的电压就会有所改变，比较器的阈值电压就会有所改变，从而达到检测门窗的效果。
单片机只需要时时检测电压比较器的输出引脚电平即可。
3.3.3火焰传感器检测电路
目前，市场上的检测火警的报警器一般是利用烟雾传感器加上温度传感器来判断是否有险情，但是往往不能检测到明火的险情，如果发生火灾，不能及时将报警信息发送出去，对人的生命和财产安全造成危害。
本系统中采用的JNHB1004火焰传感器，当传感器周围有火源产生时，火焰传感器会探测到空气中红外线强度的变化，如图3-9所示，这时IS1上面的电阻值会变小，相应的，电压比较器反相输入端的电压会降低，从而使得输出端产生高电平。
相反，当没有火情时，就会产生低电平，这样就达到了检测明火危险的作用。
图3-9火焰传感器电路图
3.3.4烟雾传感器电路
虽然有了火焰传感器，但是烟雾传感器也是必不可少的，它可以检测到家里的煤气情况，将火灾
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