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挑战杯三全家居卫士论文
第四届“挑战杯”合锻股份
安徽省大学生课外学术科技作品竞赛
研究与实现报告
作品名称：
“三全”家居卫士
申报单位：
申报者姓名：
单片机创新应用小组
联系电话：
E-mail：
类别：
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□科技发明制作A类
√□科技发明制作B类
2013年2
摘要
随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的越来越高，对家居环境的要求也越来越高，因此为了给人提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；改变原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效节约时间，增强家居生活的安全性、趣味性、幸福感，因此创作了“三全”家居卫士。
“三全”家居卫士基于智能控制软件系统和大量传感器模块、GSM远程通信模块、智能语音识别控制模块、无线数据传输模块等硬件模块，实现了全天候、全方位、全智能的家居智能控制系统。
该系统具有：
GSM远程通信功能、无线数据传输报警功能、智能语音识别功能、智能语音控制功能、防盗功能、家庭失火监测功能、煤气监测防护功能、温度控制功能、湿度控制功能、光度控制功能，场景控制功能等十多个功能。
“三全”家居卫士功能完备，制作成本低，性能稳定，功能模块可裁剪，因此适用于任何家庭或商业场景。
“三全”家居卫士的出现大大的优化人们的生活方式，帮助人们有效节约时间，增强家居生活的安全性，幸福感。
另外本系统功能独特，成本较低，市场中鲜有与之相似的产品，因此本产品利与推广，市场价值高。
关键词：
GSM通信、NRF905、智能语音识别、智能控制、煤气检
第一章引言…………………………………………………………5
1.1产品设计背景…………………………………………………5
1.2国内外智能家居研究现状……………………………………6
1.2.1国外的发展现状…………………………………………7
1.2.2国内发展现状……………………………………………9
1.3我国智能家居存在的主要问题………………………………10
1.3系统设计的总体思想…………………………………………12
1.3.1设计目标…………………………………………………12
1.3.2设计依据…………………………………………………13
1.3.3设计原则…………………………………………………13
1.4产品可行性分析………………………………………………15
1.4.1技术可行性分析…………………………………………15
1.4.2经济可行性分析…………………………………………15
1.4.3社会因素可行性分析……………………………………15
1.5应用前景………………………………………………………16
第二章系统模型……………………………………………………17
2.1系统总体框架…………………………………………………17
2.2系统特点………………………………………………………18
2.3系统关键技术…………………………………………………20
2.3.1GSM远程通信技术………………………………………20
2.3.2多层网络交换技术………………………………………21
2.3.3无线数据传输术…………………………………………22
2.3.4热释电人体红外感应技术………………………………23
2.3.5语音识别技术……………………………………………24
2.3.6环境安全监测技术………………………………………25
2.3.7智能环境调控技术………………………………………26
第三章系统设计分析………………………………………………28
3.1系统功能设计…………………………………………………28
3.2系统硬件结构设计……………………………………………28
3.2.1系统硬件总体设计………………………………………28
3.2.2系统功能模块设计………………………………………29
3.3系统软件设计…………………………………………………33
3.3.1中转控制系统……………………………………………33
3.3.2485通信系统程序………………………………………34
3.3.3终端数据采集系统程序…………………………………35
第四章系统的实现…………………………………………………37
4.1系统模型的整体实现…………………………………………37
4.2系统功能………………………………………………………39
4.2.1智能煤气监控……………………………………………40
4.2.2智能火灾监控……………………………………………41
4.2.3智能安防…………………………………………………41
4.2.4室内光线智能调节………………………………………42
4.2.5绿色节能…………………………………………………42
4.2.6智能语音控制……………………………………………43
4.2.7环境舒适度智能调节……………………………………43
4.2.8无线数据传输……………………………………………44
4.2.9GSM远程通信……………………………………………44
4.3系统的数据交互………………………………………………45
4.4远程监控平台…………………………………………………45
4.5手机终端远程监控……………………………………………47
4.6小区物业保安监控……………………………………………47
4.7系统数据的显示………………………………………………48
第五章系统主要特点及创新点……………………………………48
5.1系统主要特点…………………………………………………48
5.2系统创新点……………………………………………………49
结语…………………………………………………………………51
致谢…………………………………………………………………53
第一章引言
1.1产品设计背景
智能家居是人们的一种居住环境，其以住宅为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。
以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
2010年10月18日，国务院通过了《加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，提出了七大支持产业。
在2011年3月16日发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要中，也将推动战略性新兴产业发展作为单独章节列出。
七大战略性新兴产业，新一代信息技术位列其中。
新一代信息技术被分为六个方面，分别是下一代通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和以云计算为代表的高端软件。
当前，国家对新一代信息技术的推动，无疑给智能家居行业送来了暖风。
国家对新一代信息技术的支持，还对信息技术普及开来起到了非常好的宣传作用，将使人们更容易接纳信息技术产品融入家居生活之中。
目前，大部分豪华别墅已经离不开智能灯光控制、中央控制系统、可视对讲系统等基本的智能家居设备。
目前智能家居市场特点就是产品价格相对较高，产品的实用性功能开发还不够，在这种功能可有可无的市场情况下，唯一能满足的就是富人们的“炫耀消费”心理。
智能家居概念从广义上来说，几乎每一种智能电器，都可被称为智能家居的一部分，但我们今天市面上的智能家居应该是比较专业和狭义的，主要包括：
智能照明、远程电器控制、背景音乐、生物识物系统、湿度、温度、风向感应自动化系统等，这些设备都是一些享乐型的家用设备，它们在目前的市场情况下，对大众消费来说并不是必需品，并且这些产品价格昂贵，对于普通消费者来说，是难以承受的。
本系统正是在这一背景下进行研发创作的，目的就是让普通消费者也可以使用功能丰富、性能稳定、价格低廉的智能家居系统。
1.2国内外智能家居研究现状
智能家居的发展分为三个阶段：
首先是家庭电子化（HomeElectronics）阶段，这个时期主要是面向单个的电器，家庭电器之间并没有形成网络，亦没有大的联系。
其次是住宅自动化（HomeAutomation）阶段，这个时期是面向功能的阶段，一部分的家庭电器之间形成了简单的网络，主要是为了实现某个特定单一的功能，例如单一的自动抄表功能。
最后是家居智能化（欧洲称为SmartHome，美国称为WiseHouse）阶段，这个时期是面向系统设计的阶段，系统通过家庭分布总线把住宅内各种与信息相关的通信设备、家用电器、报警装置并到网络节点中进行集中的监控、管理，保持家电与环境的协调，提供生活、工作、学习以及娱乐的各种优质服务，营造一种温馨舒适的家庭氛围。
1.2.1国外的发展现状
1984年，世界上第一幢智能建筑在美国康涅迪格州落成，这栋意义非凡的建筑只是对一座旧式大楼的一定程度的改造而完成的。
它只是采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监控，并提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。
2000年，新加坡有近30个社区的约5000户家庭采用了这种家庭智能化系统，而美国的安装住户高达4万户。
2003年，网络化家居的建设带来了高达4500亿美元的市场价值，这其中有3700亿美元是智能家电硬件产品的价值，剩余的部分则是软件和技术支持服务的费用。
现在，国外的智能家居系统技术己日趋成熟，预计今年，50%以上的新房将具有一定的“智能型家居”功能。
于此同时，由于技术的日益标准化，这些新型智能家居系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多。
在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。
近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。
例如:
微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳得技术强占家居市场。
此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。
目前市场上出现得智能家居控制系统主要有：
（1）X-10系统（美国），该系统是利用电力线作为网络平台，采用集中控制方式实现。
这套系统的功能较为强大，与其它家居控制系统如ABB、C_BUS等比起来更容易接收，使用也相对简单。
因为实现同样的功能，X-10家居控制系统是利用220v电力线将发射器发出的X-10信号传送给接收器从而实现智能化的控制，因此采用这套系统不需要额外的布线，这也是这套系统的最大的一个优势，因为其它系统基本上都需要布低压线，在墙上或地面开槽、钻孔，施工难度大、费用高、工期长。
但由于缺乏在国内市场推广的条件且价格昂贵，该系统在国内应用极少。
（2）EIB系统（德国），该系统采用预埋总线及中央控制方式实现控制功能。
但由于其工程要求复杂严苛，并且价格较高，因此一直无法打开国内市场。
（3）8X系统（新加坡），该系统采用预处理总线跟集中控制方式来实现功能。
它的优点在于利用的产品对系统进行扩展，系统较为成熟，比较适合中国国情。
但是由于系统架构、灵活性及产品价格等方面还难以达到要求，所以目前在国内还较少应用。
1.2.2国内发展现状
20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。
众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。
在97香港回归之际，在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。
1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住宅小区智能化进入了一个新阶段。
随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。
据建设部要求，截止今年，我国将有70%以上的家庭拥有Internet入网设备，大中城市中50%的住宅要实现智能化。
我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准。
目前，主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企业推出了自己的产品，主要有：
（1）e家庭（海尔），该系列产品以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，海尔移动电话作为移动数字控制中心。
海尔在技术上同微软合作，利用微软的WindowsMe技术和海尔的网络家电，使“e家庭”已具雏形，已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电。
（2）e-home数字家园（清华同方），该智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备。
产品以功能模块开发为主，基于国外成熟的智能家居标准之上。
其智能家居控制系统主要有以下三个部分：
A系列：
遵循EIB协议的家庭控制产品，适用于中高档住宅区。
B系列：
遵循X-10协议的家庭控制产品，适用于中档住宅区。
易家三代：
配电箱集中安装式家庭控制产品。
国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备，以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点，而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来值得期待。
1.3我国智能家居存在的主要问题
智能家居发展了20多年，至今为止取得了一定的进步，但技术落后、观点陈旧、创新乏力一直是中国传统智能家居企业的整体特征，这些都是我国智能家居一直得不到大规模应用的制约因素。
今天，随着物联网技术的高速发展，无线物联网技术给传统智能家居带来了全新的产业机会，一些全球优秀企业纷纷涉足物联网智能家居行业，在我国，虽然部分企业在无线物联网核心技术上取得了很大突破，但我们也应该清醒地看到大量技术落后的产品充斥市场仍是今天我国智能家居行业的重要特征。
很多企业更是借用物联网的春风偷换概念大肆宣扬早已淘汰的产品，甚至大量举办各种所谓智能家居品牌评选评审，让消费者看得眼花缭乱，无所适从。
从严格意义上讲基于物联网技术的智能家居产品技术在全球也只有少数企业掌握，在国内更是屈指可数，为方便普通消费者甄别真伪，鼓励具备技术实力的创新型企业，推动我国智能家居产业的健康发展。
另外，国内智能家居市场上也存在一些严重问题，影响着本行业的良性发展。
1.高定位造成目标市场狭窄
目前，无论是国外还是国内的智能家居产品，都基本定位到两类：
新建住宅、高档消费人群。
这就造成了目标市场太狭窄。
动辄几万、几十万的投入，在市场还为完全培育出来的情况下，很难让人接受，即便是富人阶层，也是少数的人肯使用。
2.没有统一的技术标准
这个问题在短时间内很难解决。
智能建筑的技术来自于工业自动化，工业自动化在漫长的发展历史中形成了诸多技术标准，由于每个公司的利益之争，形成了多个技术标准和联盟，很难有完全的统一。
在智能家居行业，国内的很多中小企业，采用的技术标准更是几乎每家都不一样，这样就给用户选择造成了很大的困扰。
此外，由于一个建筑的生命周期相对较长，所以很难像手机、PC产品频
繁更新换代，因此使用非标的产品企业的经营风险就可能转嫁到用户头上，为以后的维护和升级换代造成一定困扰。
3.产品质量参差不齐
目前的智能家居行业还处在培育阶段，不可否认有些公司在市场操作上有点心急，这也和我们的国情有关。
国内的大财团可能更感兴趣房地产开发，投入智能家居产品开发的大部分是中小企业，资金实力不够。
因此，在等待市场培育的冬天，一是耐不住寒冷死去，再就是迫切的在市场上收回投资，而对产品的投入不够细心。
这样就不可避免的造成产品质量上的缺陷，反过来不良的使用体验让刚培养起来的市场陷入恶性循环。
因此，综合以上因素，这个行业的发展期待更多的耐心培育。
在定位、技术标准、质量等问题上有所作为。
1.3系统设计的总体思想
1.3.1设计目标
由于国内智能家居技术落后、观点陈旧、创新乏力、产品质量参差不齐等不良因素，导致我国智能家居一直得不到大规模应用和发展。
为了解决这种不良局面，本小组经过不懈努力利用GSM远程通信技术、多层网络交换技术、无线数据传输技术、热释电人体红外感应技术、智能语音识别控制技术、环境安全监测技术、智能环境调控技术等众多技术创造了“三全”家居卫士。
“三全”家居卫士创新的应用了众多先进技术，解决了国内智能家居技术落后，创新乏力等顽疾。
另外，“三全”家居卫士给人提供了舒适安全、高品位且宜人的家庭生活环境；改变原来被动静止的生活结构，使之转变为动态智慧的情趣生活结构；并且提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效节约时间，增强家居生活的安全性、便利性、舒适性、趣味性，并实现了家居的环保节能。
1.3.2设计依据
本系统利用了STC11F32XE单片机、Nokia5110显示屏、MAX485通信模块、弹跳式按键、GSM通信模块、NRF905无线通信模块、各类传感器传感器模块、固态继电器控制电路、智能语音控制模块等功能模块构成，并创造了：
多层网络交换技术、GSM远程通信技术、智能语音识别控制技术、无线数据传输技术、热释人体红外感应技术、、环境安全监测技术、智能环境调控技术等众多智能先进技术，从而实现了GSM远程通信报警；住宅保安无线监控报警（警情报知）；水、煤气、各类家用电器通/断控制；智能语音识别控制与声音报警；室内空气、温度、光线的自动调节；火警、烟警、有毒气体泄露报警等众多先进功能。
使得家居生活更加安全、快乐、幸福，并且使家庭得到了全方位、全天候、全智能的保护，从而家居生活更加舒适、方便、安全、快捷，帮组人们获得更多的幸福感、安全感。
1.3.3设计原则
实用性
智能家居最基本的目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。
对智能家居产品来说，最重要的是以实用为核心，摒弃掉那些华而不实，只能充作摆设的功能，产品以实用性、易用性和人性化为主。
我们认为在设计智能家居系统时，应根据用户对智能家居功能的需求，整合以下最实用最基本的家居控制功能：
包括智能家电控制、智能灯光控制、电动窗帘控制、防盗报警、煤气泄露检测报警，火灾检测报警，无线数据传输报警等，同时还可以拓展诸如GSM远程通信、智能语音识别控制等功能。
另外，实行功能可裁剪，满足不同家庭的需要，实现个性化设计。
可靠性
整个家居的各个智能化子系统应能二十四小时运转，系统的安全性、可靠性和容错能力必须予以高度重视。
对各个子系统，以电源、系统备份等方面采取相应的容错措施，保证系统正常安全使用、质量、性能良好，具备应付各种复杂环境变化的能力。
经济性
系统的创作成本及布线安装是否简单直接关系到市场价格，一定要设计布线简单的系统，并且具有可扩展性、可维护性;设备应用方面应容易学习掌握和操作。
系统在工程安装调试中的方便设计也非常重要。
家庭智能化有一个显着的特点，就是安装、调试与维护的工作量非常大，需要大量的人力物力财力投入，成为制约行业发展的瓶颈。
针对这个问题，系统在设计时，我们就考虑了创作成本、安装及维护的成本，本系统成本低廉，性能稳定，利于维护。
1.4产品可行性分析
1.4.1技术可行性分析
本系统采用了众多可靠的创新技术，比如GSM远程通信技术、多层网络交换技术、无线数据传输技术、热释人体红外感应技术、语音识别技术、环境安全监测技术、智能环境调控技术等。
由于研发使用了这些先进技术，使得本系统性能稳定，功能齐全，可在各种环境下运行使用，全方位、全天候、全智能的保护了家居生活，使得家庭生活更加幸福、快乐、安全、舒适。
1.4.2经济可行性分析
本产品硬件由STC11F32XE单片机、Nokia5110显示屏、MAX485通信模块、弹跳式按键组成、GSM通信模块、NRF905无线通信模块、各类传感器模块、语音识别模块等组成，各个模块都是价格低廉，性能稳定的产品。
软件方面皆为由本小组成员自己研发创造，价格成本几乎不用计算。
因此本系统价格低廉，性能稳定。
1.4.3社会因素可行性分析
虽然目前智能家居系统有了一定的发展，并且市场上也开始出现相应的产品，但从总体的发展来看，不容乐观，特别是统一标准和高质量产品的缺乏严重影响了家居智能化的发展。
随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分——智能家居控制系统也越发显得重要。
家居智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势。
智能家居控制系统可以提供智能控制方案，使住户的控制更便捷，更高效，更能为家庭的日常活动节约不必要的能耗。
而且在现在这个注重绿色环保的世界里，智能的为住户控制好空气的湿度、温度等，检查分析空气成分，让住户安心入住。
同时，智能家居控系统应可以根据住户的要求调整方案，加强紧急处理，危机救护等急救控制，充分做到只要是“用户想要的，就是我们追求的”宗旨。
1.5应用前景
我们关注到，近些年来一些开发商开始加大智能化特别是家庭智能化方面的投入，新装修的业主也开始选择体验这个时尚且极具诱惑力的全新智能家居生活。
据统计，中国中产阶层正在不断扩大，该部分家庭户年均收入在15万元左右，据查找资料估计合肥市中产阶层人口约100万人，若两人住一套房子，则需要50万套住房，而全国有282个地级城市，然而东部地区经济较为发达，县级城市经济也相当发达，而且其中中产阶级人数占城市总人口比例较大；所以综和来说，全国大概有200个像合肥一样的城市，总需要10000万套住房，则主要针对这部分人的智能家居系统其市场总量为10000万套，并且随着经济的发展和城镇化建设，这种需求还会逐步扩大；因此我们相信，随着经济环境的进一步改善，特别是加快城镇化建设、国家经济结构转型和收入的二次分配方案改革带来的丰厚利润，已经为智能家居产品的市场营销创造了一个前所未有的发展良机，创业者多年的积累必将在未来两年内产生巨大的回报，智能家居行业的第一轮红日也即将升起。
第二章系统模型
2.1系统总体框架
在人们的居住环境中，由于房屋结构的不同，环境设施的异样，以及人们了解家里的情况受到时间和空间的限制。
根据这些情况，我们针对其设计成多层网络监控模型，该模型分为远程通信网络，智能调控网络和本地监测传输网络。
在本地传输网络中，它由多个从机以及传感器网关和功能模块组成，可以进行多点监控和管理。
在智能调控网络中，它是集多平台多管理于一身，是整个系统的核心，负责传递信息给通信网络和处理来自传感器的信息。
在远程通信网络中，它是链接系统核心的终端，直接与用户进行智能交互通信。
本系统模型与各个模块的对应关系其结构图如图2-1所示：
图2-1系统模型
2.2系统特点
一、“三全”性
1、全方位
本系统通过多中断控制器，实现了多点监测。
体现了系统全方位特点。
从安防到环境调节，从单系统监测到高层用户交互终端，让用户全方位了解家里的情况。
2、全天候
由于系统的功耗低、性能稳定，用户不用担心该系统浪费资源二而不能进行全天二十四小时监测。
该系统通过微型控制系统，全天候对家庭环境实时监控与调节。
3、全智能
本系统运用了许多智能控制模块，而且系统环境监测采用的是系统信息反馈技术，当底层传感器感知周围有情况发生时，会立即通过反馈网络反映给上一层处理系统，处理系统会根据反馈来的信息作出智能化处理。
二、开放性
本系统采用独特的创新可裁剪技术，可以将各个功能模块随意的分开或连接，不受时间、空间限制。
因此它适用于任何环境
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