家居安防系统设计毕业设计.docx

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家居安防系统设计毕业设计

家居安防系统设计

摘要

家居安防监控系统包括家居保安系统和家用电器远程控制系统两个重要组成部分，其对于提高人们的生活质量，尤其是普通家庭的生活质量有着重要的意义。

家居保安系统能够准确无误的检测出偷盗和火灾信号，同时当有偷盗和火灾信号发生时，能够及时地将信号发送出去报警，即实现对住宅的火灾、有害气体泄露、盗窃以及入室抢劫等的准确检测和自动报警功能；家用电器远程控制系统通过GSM模块来实现用户和系统的交互，实现对家用电器的远程控制功能，即用户通过手机实现远程控制家用电器的功能。

本设计详细介绍了家居保安系统和家用电器远程控制系统的硬件配置与软件流程，并通过单片机实现上述两个功能。

关键词:

单片机，智能，家居，控制系统，GSM模块

Abstract

Homefurnishingsecuritymonitoringsystemwasconstructedbytwoimportantfacts:

homesecuritysystemandhouseholdappliancesremotecontrolsystem.Itisofgreatsignificancetoimprovingpeople'squalityoflife,especiallyforordinaryfamilies.Thesignalsofpilferageandfirecouldbedetectedperfectlyandsendtimelyforgivinganalarmbyhomesecuritysystem.Sothedetectionandautomaticalarmsystemforfamilyaccidentscouldberealized,suchasfire,harmfulgasleakage,pilferageandhouserobbery.Theinteractionofuserandsystem,andtheremotecontrolofhouseholdappliancescouldberealizedGSMmodelofhouseholdappliancesremotecontrolsystem.Asitwere,usersmaycontrolhouseholdapplianceremotelyviatelephoneline.Thestudyexpatiateddetailedonhardwareconfigurationandsoftwareflowofhomesecuritysystemandhouseholdappliancesremotecontrolsystem.Andbothofthemhasbeenrealizedbysingle-chipmicro-computer.

Keywords:

Single-chip,Micro-computer,Intelligent,Homecontrolsystem,GSMmodel

Contents

第一章绪论

1.1研究的背景、目的和意义

随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，实现了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。

这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居安防系统也因此而产生。

现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快。

对于全身投入竞争的人们，家务工作方面必然力不从心，家务管理因此就显得尤为重要。

家居安防控制器可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，既快捷又省力。

还提供舒适健康的环境，可以监视室内的温度、湿度，同时还可以通过远程通讯，实时反馈家中情况，避免如火灾，盗窃造成的经济和安全损失，使人们能够全身心地投入工作，从而提高生活质量。

一切发明和创造都是为了人类的生活更加方便和舒适[1]。

住宅智能化控制的开发与建设是21世纪发展的必然趋势。

由于信息技术的大力普及和应用，极大推动住宅小区智能化建设的进程，更为住宅小区智能化提供了可靠的技术保障，实施起来更加容易和简捷。

智能信息家电及智能家居安防系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，它对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。

我国的家居安防开发相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，因此很多公司开发出的产品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握，有很多产品是针对特定的环境开发的产品，因此，限制了其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系统很不方便，限制了其进一步的发展。

还有的系统成本太高，普通用户难以承受，所以也没能广泛推广使用。

因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居安防控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义[2]。

1.2国内外发展情况

1.2.1国外发展现状

自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居安防系统的方案。

家居安防在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。

1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。

它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。

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，国外的智能家居安防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，这些新型智能家居安防系统将比比尔.盖茨耗资6000万美元的高端别墅便宜得多。

由于家居安防的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食家居安防市场。

虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信念：

山那边遍地是金。

IBM公司的迈克尔。

凯罗斯克说：

“这是个不容IBM公司忽视的市场机会[3]。

”

在智能家居安防系统研发方面，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安放系统的研发中。

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”等均已日趋成熟的技术强占家居市场。

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[4]。

目前市场上出现得智能家居安防控制系统主要有：

（1）美国的X-10系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现多种功能，目前在国内应用极少，这套系统的功能较为强大，但它暂时不具备在国内市场推广的条件。

首先，它是基于美国的电力环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽然强大，但是针对西方消费的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求；最后，也是最为重要的因素，它的价格也是国内的房地产品和普通消费难以接受的。

（2）德国的EIB系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能，目前在国内应用极少。

究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格；另一方面，由于它需要进行线路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它较高的价格是这些开发商所难以承受的，所以一直无法打开国内市场。

（3）新加坡8x系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用的产品可对系统进行扩展。

目前该系统在国内有少量应用。

应该说8x系统最大优势在于系统较为成熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场有成功应用的范例，但在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。

首先，BR采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是新建小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力；8x系统的集中控制的方式降低了用户的可选择性，前期投入成本较高，而这正是房地产商最为关心的问题[5]。

1.2.2国内发展现状

20世纪90年代中后期，国内的智能小区逐步兴起。

我国的智能化住宅和智能化小区建设，最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展。

智能住宅在我国的初次出现是在1997年。

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”开了全国智能住宅小区之先河[6]。

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。

为此，建设部住宅产业化促进中心先后颁布了《全国住宅小区智能化系统示范工程建设要点与技术导则》等对智能小区的建设加以指导，规范了智能化住宅小区建设中的目标与原则，拟自2000年起，用五年左右的时间，组织实施全国智能化住宅小区系统示范工程，以此带动和促进我国智能化住宅小区建设。

通过采用现代信息传输技术、网络技术和信息集成技术，进行精密设计，优化集成，精心建设和工程示范提高住宅高、新技术的含量和居住环境水平，以适应21世纪现代居住生活的需要。

进入2000年后，上半年颁布了由信息产业部负责编制的《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》GB/T50311-2000及《建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范》GB/T50312-2000，下半年，由建设部负责编制的《智能建筑设计标准GB/T50314-2000，结束了多年来智能建筑设计处于无章可循，无标准可依的情况，这无疑为我国智能建筑健康有序地发展奠定了基础。

在2000年8月建设部颁发了《建筑物防雷设计规范》GB50057-94的局部修改条文，重点就是解决在建筑中大量电子产品的防雷和防止浪涌对设备的破坏问题。

这为智能建筑各种电子设备的安全提出了安全的措施。

2001年底，建设部住宅产业中心又在着手修改《全国智能化住宅小区系统示范工程建设要点与技术导则》己面世。

法规性文件的制定与修订，为智能建筑及智能化住宅小区的建设和发展给出了依据和保障，随着技术的进步，许多新技术将应用到其中来。

到2010年我国超过7096家庭将有Internet入网设备，有5096以上会有多台设备，从而产生共享访问Internet的需求。

建设部要求“到2010年，大中城市中60%-80%的住宅要实现智能化”。

1.2.3国内外发展趋势

人类己进入21世纪，在高度物质文明的今天，追求环境绿色化、生活信息化己开成时尚，安全、舒适、方便、现代成为21世纪居家生活的象征。

日益更新的现代科技的力量，打破了传统的时空界线，借助计算机网络和层出不穷的信息技术，改变了人类的生产、生活方式，科技正以超乎想象的速度更深刻地影响到人类的思维模式和生存状态。

智能住宅是住宅技术创新的必然趋势。

从智能建筑的发展进程看，它经历了单一专用系统、多功能系统、部分集成系统、一体化的集成管理系统等几个阶段，每个阶段都是技术创新的成果。

总之，建设智能化住宅具有时代的前瞻性，顺应了当今信息社会的潮流，对进一步提高居民水平和生活质量具有非常重要的意义。

可见，智能化住宅具有非常广阔的发展前景[7]。

作为智能住宅的核心系统—智能家居安防控制器，它的设计功能完善将推动住宅的发展。

系统功能的集成化、客户使用的傻瓜化和市场的平民化将是未来智能家居安防控制器发展的趋势。

系统的发展方向是绿色化。

智能家居安防控制器的最终目标是囊括家务杂事。

第二章家居安防系统的整体设计

2.1系统的整体结构

本设计采用51单片机为主体，外接各种传感器设备实现，家居保安系统和家用电器远程控制系统是家居系统的两个重要组成部分。

特别是对普通家庭，提高人们生活质量有着重要的意义。

其中，家居保安系统需要气体传感器和温度传感器，红外传感器能对住宅的火灾、有害气体泄露，等实现自动报警，能对盗窃以及入室抢劫实现自动报警。

另一组成部分家用电器远程控制系统，通过GSMMODEM协议远程连接系统实现遥控一些开关和接收报警信号。

系统的整体框图如图2.1所示[8]。

图2-1系统整体设计框图

整个系统所要完成的主要内容有:

1、偷盗和火灾信号的检测。

2、偷盗和火灾信号的及时发送。

3、远程控制一些设备对特殊情况紧急处理。

2.251单片机

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多[9]。

2.2.1单片机的分类

单片机的分类，按应用领域可分为：

家电类，工控类，通信类，个人信息终端类等等；按通用性可分为：

通用型和专用型。

通用型单片机的主要特点是：

内部资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可覆盖多种应用要求。

所谓资源丰富就是指功能强。

性能全面通用性强就是指可以应用在非常广泛的领域。

通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。

小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。

专用型单片机的主要特点是：

针对某一种产品或某一种控制应用而专门设计的，设计时已使结构最简，软硬件应用最优，可靠性及应用成本最佳。

专用型单片机用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修该的单片机。

例如电子表里的单片机就是其中的一种。

其生产成本很低。

3.按总线结构可分为总线型和非总线型。

如我们常常见到的89C51单片机就是总线结构，在后面讲解单片机的内部结构时，我们就可以看到，89C51单片机内部有数据总线，地址总线，还有控制总线（WR，RD，EA，ALE等）。

非总线型的单片机其外部的引脚很少，可使成本降低[10]。

2.2.2单片机的工作原理

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即逐条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。

存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一的一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令逐条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

2.3GSM模块

GSMModem是一种使用移动通讯系统的调制解调器。

GSMModem就像一部手机一样通过SIM卡注册到运营商，当GSMModem连接到电脑上的时候，电脑可以通过它与移动网络进行通讯，用户还可以通过它来接收和发送彩信以及短信。

传统的调制解调器连接到电脑，让拨号连接到其他计算机系统。

而GSM调制解调器以类似的方式运作，除了它发送和接收数据通过无线电波比一条电话线。

这种类型的调制解调器可通过通用串行总线（USB）电缆或串行电缆连接外部设备。

然而，更普遍的是，它是一个小装置，可直接插入电脑或笔记本电脑的USB端口或卡插槽[11]。

2.3.1GSMModem模块的工作原理

GSMModem是一个通用的通信设备，但因为服务是基于订阅的，它必须安装SIM卡。

此卡的调制解调器连接到正确的供应商和运营商网络设备的用户标识。

这样，GSMModem运作就像一个手机，事实上，许多蜂窝电话也为同一目的使用SIM卡。

由于SIM卡实际上包含了所有的用户数据，这些卡通常GSMModem和GSM手机的互换。

类似的方式拨号调制解调器将信号由模拟信号和数字信号之间相互转换，GSMModem转换到数字数据短消息服务（SMS）通过无线网络发送和接收消息的消息。

SMS消息的小型脉冲拨号调制解调器的数据包一样的发送和接收的数据。

许多第三代（3G）和第四代（4G）智能手机使用GSM技术，使他们可以作为电脑的无线热点。

它们可以连接到电脑通过无线宽保真网络或通过蓝牙。

这允许用户访问自己的智能手机作为GSM调制解调器，而不是传统的WIFI连接互联网。

2.3.2GSMModem模块的主要功能和消息的发送协议

GSM模块的主要功能有以下5点：

1.收发短信；

2.借助短信实现远程小批量数据传输；

3.语音通话（GSM电话）；

4.数传模式实现无线实时数据通信；

5.无线上网（自动应答型）；

欧洲电信标准协会（ETSI）指定了一个短消息发送协议作为GSM标准的一部分。

该规程定义了三个接口协议:

即块模式，文本模式和PDU印模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接口传送SMS短消息。

块模式是一个二进制协议，用于移动台和SMSC（shortmessageservicecenter短信服务中心）之间短消息传输的PDU封装。

这个协议包括了错误检测，适用于应用和移动台之间链路容易出错的情况，特别是在需要控制远程设备时。

文本模式是在为GSM修改的AT指令集的基础上定义的基于字符的协议。

这种模式适合非智能终端或终端仿真器，及建立在ITUV25ter之类的命令结构上的应用软件。

应用将消息按简单文本传递到手机组成TPDU。

这意味着文本模式提供的功能较少，它不支持或不会自动将收到的消息传给应用（除非通知）。

PDU模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息TPDU的任务留给应用完成。

该模式使AT命令集能方便地组构更多复杂的PDU，例如既可以传递二进制数据又可以传送字符数据[12]。

基于文本的协议的优点是用户不需要任何特殊的客户软件发送短消息。

他们能用任何终端仿真软件拨叫适当的消息中心，并用提供的不同选项发送短消息。

但最大的缺点是对扩展字符集的支持能力有限。

用户只能发送短消息和接收发送确认，SMSC不能通知用户是否己经成功传递了消息。

在显示SMS信息，可能使用不同的字符集和不同的编码方式。

如果你想阅读手机上的信息，手机会为你选择一种合适的编码。

那么一个可以阅读SMS消息的应用要么使用Text模式，要么是PDU模式。

如果使用Text模式，那么应用将绑定（或限制在）一些可能的编码选择中。

在某些情况下是不够的，如果使用PDU模式，那么就可以使用任何编码方式。

2.3.3常用的AT命令

AT命令集是调制解调器通信接口的工业标准，AT命令是调制解调器可以识别并执行的命令。

AT命令简单、容易掌握，使用它可以配置调制解调器，配合通信软件工作，与远端系统通信，发起或应答一个呼叫。

使用AT命令设置调制解调器时，用户使用的通信软件必须提供一个到调制解调器的直接连接状态，使用户能够从命令行输入所需的AT命令，如在WINDOWS98下的“超级终端”中建立一个直接到串口的连接便可使用AT命令，也可直接用AT命令设置串口属性，通过串口控制调制解调器。

AT命令集从TE（TerminalEquipment）或DTE（DataTerminalEquipment）向TA（TerminalAdapter）或DCE（DataCircuitTerminatingEquipment）发送的。

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

用户可以通过AT命令来进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。

GMS模块的通信全部采用AT+XXX的格式完成。

常见的AT指令表2.1如下:

表2.1常见的AT指令

连机

AT回车

GSM模块连机后应答:

OK

网络注册

AT+CREG？

回车

回答x（x=2）脱网，x=1注册，x=2状态不明）

发送模式设置

AT+CMGF=1回车

采用文本模式，PUD模式为AT+CMGF=0

设置短消息中心

AT+CSCA=XXX回车

具体号码由当地运营商决定

接收短消息

AT+CMGR=X回车

从X存储区读取号码

删除短消息

AT+CMGD=X回车

从X存储区删除号码

发送短消息

AT+CMGS=XXX回车

发送短消息的目标号码

改变波特率

AT+IPR=XXX回车

改变波特率

保存已有参数

AT&W回车

保存已有参数

2.4红外线传感器

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。

早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。

热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。

它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。

除了在我们熟知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。

比如：

在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。

电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。

开启监视器或自动门铃上的应用。

结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等。

您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置[13]。

2.4.1热电释红外线传感器的工作原理和结构

在自然界中，任何高于绝对温度（-273℃）的物体都将产生红外光谱，物体的温度不同，其释放的红外能量的波长也不一样，因此红外波长与物体温度有着密切联系。

被动红外探测器有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器，它可将波长为8-12m间变化的红外信号转变为电信号，同时能对自然界中的白光信号具有抑制作用。

在设置了被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器所感应到的只是背景温度，一旦人体进人警戒区移动时，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器所感应到的则是人体温度