基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计.docx
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基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计
学校代码：
11059
学号：
HefeiUniversity
毕业设计（论文）
BACHELORDISSERTATION
论文题目：
基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计学位类别：
工学学士
学科专业：
自动化
作者姓名：
导师姓名：
丁健
完成时间：
基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计
中文摘要
随着人民生活水平的提高和安全防范意识的增强，人们开始关心自己的生活和工作环境，不但要求周边环境的舒适化和人性化，对居住工作环境的安全化和智能化也提出了更高的要求，智能远程家电控制和安防系统将成为今后生活中必不可少组成部分。
GSM网络是基于时分多址技术和频分多址技术的通信网络体系，是我国覆盖面最广，功能最强，用户最多的数字蜂窝移动通信网。
通过中国移动公司建成的无缝覆盖全国的GSM网，运用GSM短信技术传送警讯信息，具有安全可靠，安装方便等优点。
本设计采用STC-12C5A60S2单片机作为主控芯片，配合GSM的TC35模块控制继电器JQC-3FF的闭合与关断，以达到远程控制家电的目的，安防系统使用热释人体红外传感器作为信号采集模块，若检测到有人侵入住宅，则通过GSM模块发短信到用户手机完成报警功能。
如何实现这些功能，在本论文的第三四章有详细介绍。
本设计为了更加方便操作，特别增加了LCD12864显示模块和按键，使用户能更够加容易通过按键实现设防和撤防。
关键词：
GSM；串口通信；远程家电控制
THEDESIGNOFINTELLIGENTREMOTEHOMEAPPLIANCECONTROLANDSECURITYSYSTEMBASEDONSINGLECHIP
ABSTRACT
Withtheimprovementofpeople'slivingstandardsandsecurityawareness,peoplebegantocareabouttheirlivingandworkingenvironmentrequiresnotonlycomfortablesurroundingsandhumane,safeworkingenvironmentforlivingandintelligentalsoahigherrequirements,intelligentremotehomeappliancecontrolandsecuritysystemswillbecomeanessentialpartoflife.GSMnetworkisbasedontimedivisionmultipleaccesstechnologyandfrequencydivisionmultipleaccesstechnology,communicationnetworksystem,isthemostextensivecoverage,mostpowerful,mostusersdigitalcellularmobilecommunicationnetwork.BuiltthroughChinaMobile'sseamlessGSMnetworkcoveringthewholecountry,theuseoftechnologytosendGSMSMSalertinformation,withsafe,reliable,andeasyinstallation.
ThisdesignusesSTC-12C5A60S2microcontrollerasthemasterchip,withtheTC35GSMmodulecontrolrelayJQC-3FFclosedandoff,inordertoachievethepurposeofremotecontrolhomeappliances,securitysystemsusingpyroelectricinfraredsensorbodyasasignalacquisitionmodule,ifitwasdetectedhousebreaking,sendtextmessagesviatheGSMmoduletotheuser'sphonetocompletealarmfunction.Howtoachievethesefunctions,thethirdchaptersinthisthesisaredescribedindetail.
Inordertomoreconvenienttooperate,ThisdesignaddedaLCD12864displaymoduleandbuttons,allowinguserstomoreeasilyachievedthroughthekeystoarmanddisarm.
Keywords:
GSM;Serialcommunication;Remotehomeappliancecontrol
第一章绪论
随着科技的发展和人民生活水平的提高，越来越多的科技产品进入了人们的日常生活，为人们的生活带来了极大的便利。
特别是各种远程控制系统，更是极大的方便了人们的日常生活。
本设计是一种通过发短信对家用电器和各种继电器进行远程控制的系统。
通过它，人们可以随时随地使用手机来控制各种家电或开关的状态。
1.1研究背景
随着经济的飞速发展，生活水平的日益提高，人们对居住的环境也有了更高的要求，家居行业逐步走向绿色环保、高科技智能化的发展阶段，未来的主流家居模式将是无线远程控制和远程安全防御。
在千里之外就能手机遥控自己的家用电器，实时监控家里的安全情况，早上离开家门的时候，只要控制面板上按下“离家”模式，家庭的家居设备将逐渐关闭，安防设备开启布防，在有人非法闯入家里的情况下及时发短信通知到用户，以确保家中安全。
下班路上，拿起手机轻轻一按，热水器已经提前启动，为您舒舒服服的冲个热水澡做好准备；空调已按您的指令自动打开，一进家门就是一个清凉的世界，舒适宜人；一身清爽之后，拿起自己的手机，随心操控各类设备，畅快的享受数码高清大片带来的震撼；躺在软软的床上，遥控灯光让环境变得温柔，远离一天的嘈杂，享受此时属于自己的静谧；入睡之前，窗帘在手机的指令下徐徐拉上，带着刚才满眼的星光和您一同进入梦乡……这一切的智能化运作将我们引入一个新的行业，就是智能家居[1]。
1.2智能家居的起源
智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。
最著名的智能家居要算比尔﹒盖茨的豪宅。
比尔﹒盖茨在他的“未来之路”一书中以很大篇幅描绘他正在华盛顿湖建造的私人豪宅。
他描绘他的住宅是“由硅片和软件建成的”并且要“采纳不断变化的尖端技术”。
经过7年的建设，1997年，比尔﹒盖茨的豪宅终于建成。
他的这个豪宅完全按照智能住宅的概念建造，不仅具备高速上网的专线，所有的门窗、灯具、电器都能够通过计算机控制，而且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台。
智能家居是IT技术（特别是计算机技术）、网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。
由社会背景之层面来看，近年来信息化的高度进展，通讯的自由化与高层次化、业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性、舒适性、效率性要求的提高，造成家居智能化的需求大为增加﹔此外在科学技术方面，由于计算机控制技术的发展与电子信息通讯技术之成长，也促成了智能家居的诞生。
20世纪80年代初,随着大量采用电子技术的家用电器面市,住宅电子化出现。
80年代中期，将家用电器/通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。
80年代末，通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信/家电/安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome,也就是现在智能家居的原型．智能家居最初的定义是这样的：
“将家庭中各种与信息相关的通信设备/家用电器和家庭安防装置，通过家庭总线技术（ＨＢＳ）连接到一个家庭智能系统上，进行集中或异地监视/控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调．”ＨＢＳ是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心．
世界上第一幢智能建筑1984年在美国康涅迪格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造，采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务。
智能家居最早沿于英文SmartHome，早先更多提法是HomeAutomation家庭自动化，因为早先涉及的产品都与家庭自动化产品和配件有关，自动化、智能化是其重要特点。
几年前，美国、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了“智能住宅”（即智能家居SmartHome）的概念。
其目标就是：
“将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调”。
智能家居（SmartHome）频繁出现在各大媒体上，成了人们耳熟能详的词汇。
目前关于智能家居的称谓多种多样，诸如：
电子家庭（ElectronicHome）、e-Home、数字家园（Digitalfamily）、家庭自动化（HomeAutomation）、家庭网络（Homenet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能化家庭（Inte1ligenthome）等等几十种，尽管名称是五花八门，但它们的含义和所要完成的功能大体是相同的[2]。
1.3智能家居在中国的发展现状
智能家居至今在中国已经历了近10年的发展，从人们初最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个漫长而艰难的过程。
提到智能化家居，人们立刻会联想到网络。
冰箱联网、洗衣机联网、电视机联网、微波炉联网……开发者高举智能家居大旗，宣称网络家电可以使生活达到全数字化，让人们感到轻松方便。
智能家居当然不止是这些。
在国内，智能家居不是一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区”概念，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案。
它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来，在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸，创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。
2000年——概念年：
2000年是智能家居在中国的一个概念年。
通过广播电台、电视、报纸和杂志等诸多媒体的广泛宣传，相当一部分居民已经接受了智能家居这个概念。
各小区的开发商在住宅的设计阶段也已经或多或少考虑了智能化功能的设施，少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网络，并在房地产的销售广告中，已经开始将“智能化”作为其一个“亮点”来宣传。
一些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司，已经看到这个市场的广阔前景，意识到这是一个难得的机遇，开始或已经研究和开发相关系统和产品作了先期的部署和规划。
2001年——研究开发年：
智能家居毕竟在硬件和软件方面都具有一定的难度，在数个月或一年的时间里是不可能研究开发成功的。
国外完成这个系统的过程一般要经过3～5年的时间，当然在中国也许用不了这么长的时间，因为已有了国外的一些经验可供参考，但估计2～3年的时间还是需要的。
因此，2001年是各个科研机构和公司从规划到实际研究和开发的关键一年。
如同以往相类似产品（如彩色电视机和VCD及DVD机）在我国的发展过程一样，有些机构和公司开始引进一些国外的系统和产品，在一些豪华的公寓和住宅中已经看到了它们的踪迹。
2002年～2003年——实验年：
在这一年中，有相当一部分高档和中档的住宅小区和私人住宅，将在控制和管理上实现一般意义上的智能化，宽带网将进入一般居民的住宅和小区，为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条件。
国内一些公司的网络产品将逐渐进入市场，一些国外的系统和产品也将在这一年开始以较大的规模进入中国市场，开始在市场上与中国的产品接触。
我国关于智能家庭网络系统的各种标准将陆续出台，各种具有一定智能的可以上网的终端产品（智能家电/设备）将根据这些标准陆续研发出来，并逐步进入市场。
2003年～2004年——推广年：
到2003～2004年，是智能家庭网络系统在中国推广应用的两年。
我国自行研制的系统已经较为成熟，并有能力与国外的系统和产品相抗衡。
新建的住宅和小区大部分将配备一定的智能化设施和设备。
美国和欧洲将在2003年～2004年全面普及智能家庭网络，各种可连网的终端电器/设备将大量出现在市场上。
我国自行设计和生产的可连网的家用电器/设备也将有相当的规模。
2005年～2007年——普及年：
我国在智能家居技术领域与欧美国家的差距并不大，估计仅滞后2～3年，在这几年中，我国将全面普及智能家庭网络系统和产品，即开始走进普通居民的家居中。
在这个时期，整个市场将是以我国自行研究和开发的系统和产品为主；国外的产品将在高档系统产品占有一席之地。
真正智能家庭网络的大市场将在2004～2007年中形成[3]。
2008年至今，智能家居行业在远程家电控制以及远程电子安防系统这两块得到了飞速的发展，国内做智能家居的公司如雨后春笋般崛起，各大家电厂商也把远程控制作为卖点，争夺国内家电行业的市场份额。
1.4智能家居的发展前景
我国人口占世界人口的六分之一，这15亿左右的人口无疑形成了世界上最具规模的需求市场，全世界没有任何一个国家可以相比中国的市场。
这对智能家居行业的发展是一种实实在在的保障，在世界第一的市场国成长，发展，我国本土的智能家居业一定会发展成最具市场效应，最受市场欢迎，最符合市场需求的智能家居行业。
中国的市场不仅大，而且有着自己的独特性。
中国人口多，但经济发展区相对比较密集，不比欧美一些国家，国民有着独体别墅的居住模式，国外的一些大的智能家居品牌，在此居住模式上已经形成独到的成熟。
而中国的国民普遍的都是楼宇住宅居住模式。
有此差别，中国的智能家居行业的兴盛，相信指日可待，低廉的成本，有机遇，有市场，如此大好的环境，我们的智能家居行业的发展也一定会为我们打造一个非常智能化的家居环境，并在国际竞争中也牢牢占据有利地位[4]。
1.5本章小结
本章介绍了什么是智能家居，智能家居的产生背景和目前在中国的发展情况，还展望了智能家居系统的未来的发展前景。
第二章系统结构及工作原理
随着电子技术的发展、信息服务的普及，人们生活水平越来越高，人们的生活节奏越来越快，由此，基于GSM模块的远程家电控制应运而生！
2.1无线远程家电控制的设计方案
2.1.1控制终端实现方式
因为工作现场只限定在家庭里面，其控制器只需接收处理手机发来的开关信息和处理传感器采集到数据信息以决定是否需要向用户进行打电话报警，对数据的处理和实时功能要求都不高，如果用功能强大的台式机作为主控制器是一种浪费，而且安装也不方便，所以为了降低成本和控制功耗，本设计选择了单片机作为主控制器[5]。
2.1.2控制系统软件设计
本课题选择用基于单片机的设计方案，通常不需要移植操作系统。
而且系统的任务相对比较简单，在家庭环境下对实时性的需求也不高。
所以采用C语言从系统底层开始直接编写控制程序就可以很好的达到要求。
2.1.3无线通信实现方式的选择
由于该课题的系统是对要实现远程控制继电器家电，对传输的信息量和传输的速度要求都不高，无线通信方式只要操作简单性能可高即可，因此无需使用3G网络。
GSM（GlobalSystemforMobile）属于第2代（2G）蜂窝移动通信技术。
2代的说法是相对于应用于80年代的模拟蜂窝移动通信技术以及目前正逐渐进入商用的宽带CDMA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[6]。
GSM有以下特点：
GSM是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。
GSM网络运行在多个不同的无线电频率上。
蜂窝半径范围根据天线高度、增益和传播条件可以从百米以上至数十公里。
实际使用的最长距离GSM规范支持到35公里。
还有个扩展蜂窝的概念，蜂窝半径可以增加一倍甚至更多。
GSM性能稳定，抗干扰能力强，其网络覆盖面积是目前所有无线通信方式中最大的，而且发短信价格便宜，是普通人都能承受的价格，通过点对点发短信进行远程控制家电，操作不复杂，即使从没接触过智能家居的人也能轻松操作，便于该系统的普及[7]。
2.2系统的组成及功能介绍
本系统由单片机外围电路和GSM模块电路组成。
单片机外围电路除了包括单片机正常工作所必须的元件外，还包括键盘、复位及继电器控制电路等，GSM模块电路由TC35及其外围电路组成。
在此以发光二极管的亮/灭来模拟家用电器的开/关作，此系统有两大功能：
用手机向TC35上的SIM卡发送启动/关闭发光二极管的信息，经单片机处理后，将正式启动/关闭发光二极管，当启动/关闭成功后，系统会向手机返回启动/关闭成功的信息。
当系统的红外装置检测到有人非法进入房子后，系统经GSM模块向事先设定的电话号码拨打电话，实现安防报警功能。
系统具体实现过程如图2-1所示：
图2-1系统框图
2.3本章小结
本章主要讲了无线远程家电控制的设计方案，控制终端选择基于单片机的实现方式，无线通信方式选择GSM模块，系统由时钟电路、红外传感器、按键、LCD显示模块、继电器家电、GSM模块和单片机构成。
第三章系统硬件设计
系统主要功能为：
实现短消息的收发，根据接收到的短消息控制相应的模拟家电，实现对家用电器的远程控制。
它主要由热释人体红外传感器模块、家电控制模块、主控制器、液晶显示模块、GSM通信模块及电源模块等组成。
热释人体红外传感器模块的作用是检测是否有人非法进入等信息，负责各类家电的开启与关闭本设计采用远程家电控制模块，主控制的作用是对传感器检测到的信息进行分析处理，判断是否要进行报警，若需要则进行报警，否则继续在主程序中循环，若用户发短信控制家电，主控制器需要解析短信并做相应的动作。
测试系统和安装系统以及演示时使用液晶显示模块LCD12864，主控制器的报警通道为GSM通信模块，同时也是用户远程控制的通道，负责信息的接收和发送。
通过这几个部分的协调工作，就完成了远程家电控制及防盗功能[8]。
当系统正常工作后，可以通过手机终端发送短信来操控家中电器运作，比如，下班前通过手机操控家中空调、电热水器、电饭煲的启动等，提高了时间利用率，还可以开启或者关闭防盗监控系统，来监测是否有小偷进入住宅，如果发生就会通过TC35无线通信模块自动拨打指定号码进行语音报警。
3.1核心器件选型
3.1.1 TC35模块
TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块。
自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。
可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真。
TC35模块的工作电压为3.3—5.5V,可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,所在频段功耗分别为2w（900M）和1w（1800M）。
模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k,4.8k,9.6k的非透明模式。
此外,该模块还具有电话簿功能、多方通话,漫游检测功能,常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。
通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。
通过ZIF连接器及50Ω天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。
TC35模块主要由ZIF连接器、GSM射频模块、GSM基带处理器、供电模块（ASIC）、天线接口、闪存等六部分组成。
作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码[9~10]。
以下为TC35模块的接口设计。
由图3-1可以看出，TC35接口电路的设计并不复杂。
在进行串口设计时，虽然单片机串口管脚的工作电平为TTL电平，TC35模块串口管脚的工作电平却是CMOS电平，但由于单片机的低电平和高电平的逻辑判断电平可以实现与TC35的管脚进行连接，因此单片机的串口线可直接与TC35模块串口进行连接。
由于TC35模块的输入管脚需要分别通过10KΩ的电阻将其拉高，因此DTR0和RTS0这两个输出管脚需要接入两个10KΩ的电阻。
TC35模块的工作状态控制管脚/IGT也要通过一个电阻拉高，平时该管脚处于不工作状态，为高电平；另外工作状态控制管脚/IGT还同时与单片机的一般I/O端口进行连接，这样通过单片机来实现对TC35模块的工作状态的控制，当TC35模块工作时，需要单片机在该管脚送低电平。
TC35模块用来指示GSM模块的工作状态的是SYNC管脚，为了便于指示其工作状态，通常会连接一个指示灯。
图3-1TC-35_ZIF管脚接口电路
3.1.2SIM卡电路
SIM卡是一个装有微处理器的芯片卡，它的内部有5个模块，并且每个模块都对应一个功能：
微处理器CPU（8位）、程序存储器ROM（3～8kbit）、工作存储器RAM（6～16kbit）数据存储器EEPROM（128～256kbit）和串行通信单元。
这5个模块被胶封在SIM卡铜制接口后与普通IC卡封装方式相同，SIM卡的存储容量有8KB、16KB、32KB、64KB、甚至1MB等，多为16KB和32KB[11]。
其接口示意图如图3-2所示：
图3-2SIM卡接口示意图
图3-2所示的图为SIM座接口电路图，由图可以看出SIM座直接与TC35模块的ZIF连接器对应的SIM卡管脚进行连接，在需要的地方加了电容进行滤波处理。
当SIM座的管脚7与TC35模块的SIMDATA进行连接时，则用来模拟SIM卡插入的情况；当SIM座的管脚7不与TC35模块的SIMDATA进行连接时，则用来模拟SIM卡没有插入的情况。
图3-3为SIM座接口电路。
图3-3SIM座接口电路图
3.2单片机电源
3.2.1电源模块电路图
单片机电源主要为整个系统提供5V工作电压，同时产生其他电路所需要的高电平，它由三端电源模块LM7805将外部双12V交流电源经整流后变成+12V直流电源，最后转换为+5V。
如图3-4所示：
图3-4单片机电源模块
3.2.2LM7805简介
LM78××系列是用在三端稳压集成电路作正电压输出时用到的器件，它采用TO-220的标准封装。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏，因此在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。
因为LM78××系列按照固定电压值来设计的，要想
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