基于wifi的智能家居系统设计.docx

1、基于wifi的智能家居系统设计基于wifi的智能家居系统设计报告组 员： 组 号： 指导教师： 1. 智能家居系统简介随着社会的发展，人民生活水平的提高，越来越多的人感受到智能家居系统方便，智能家居（英文：smart home, home automation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防技术、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。智能家居的概念起源很早，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（United Technolo

2、gies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康涅狄格州（Connecticut)哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居派的序幕。智能家居系统的功能如下所示：(1) 始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件。(2) 安全防：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防。(3) 家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电

3、器的自动控制和远程控制等。(4) 交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应。(5) 环境自动控制。如家庭中央空调系统。(6) 提供全方位家庭娱乐。如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统。(7) 现代化的厨卫环境。主要指整体厨房和整体卫浴。(8) 家庭信息服务：管理家庭信息及与小区物业管理公司联系。(9) 家庭理财服务。通过网络完成理财和消费服务。(10) 自动维护功能：智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。 图1 智能家居系

4、统原理图2. WiFi技术简介 Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。1 无线保真是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。有人把使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为无线保真。甚至把无线保真等同于无线网际网路（Wi-Fi是WLAN的重要组成部分） 一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可

5、不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，无线保真更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。图2 WiFi连接结构图3. 系统硬件组成本系统由核心控制板、WiFi联网模块、路由器、服务器(PC)、四路

6、继电器电路、DS18B20温度传感器等组成一个简化的智能家居模型，动手实现基于WiFi技术的智能家居的模型，体验科技带来的便利，感受电子世界的美丽。硬件结构框图如图3所示。图3 硬件结构框图3.1 核心控制板(1) 核心实训板如图4所示。图4核心控制板图(2) STC89C52STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提

7、供高灵活、超有效的解决方案。标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。主要特性：a) 8K字节程序存储

8、空间；b) 512字节数据存储空间；c) 带4K字节EEPROM存储空间；d) 可直接使用串口下载。(3) UART接口通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。将资料由串行通信与并行通信间作传输转换，作为并行输入成为串行输出的芯片，通常集成于其他通讯接口的连结上。计算机部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时存块）中，再通过FIFO（First Input Fir

9、st Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。 它是用于控制计算机与串行设备的芯片。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机部并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。3.2 以WiFi模块为核心的无线网络一般架设无线网络的

10、基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，无线保真更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻

11、里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。如图4所示为以WiFi为核心的无线网络。图5以WiFi为核心的无线网络(1) 服务器本文是一台PC机，作为一个开放的教学模型，也能使用其他嵌入式核心系统板来代替和扩展，仅要将其设置为服务器即可。(2) 路由器路由器(Router)，又称网关设备(Gateway)是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。其是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选

12、择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。路由器如图5所示。图6 路由器(3)WiFi模块a) WiFi模块引脚分步WiFi模块引脚分步图如图6所示。各个引脚的功能描述详情如图7所示。图7WiFi模块引脚分步图图8 WiFi模块引脚功能详情b) 电平转换模块电平转换模块如图8所示。图9 电平转换模块由于WiFi模块的所需电平电压为3.3V，而核心板的供给电压为TTL的高电平电压5V。因而借助电平转换模块将5V 电压转换为3.3V电压。其中接线方式为接线如图9所示。具体如

13、下： 实训板电源连接电平转换模块的输入端实训板+5V电平转换模块VIN实训板GND电平转换模块GND Wifi 模块连接电平转换模块的输出端电平转换模块 VOUTWifi 模块第2 脚电平转换模块 GNDWifi 模块第1 脚 Wifi 模块连接到PC 串口（通过实训板的串口转USB 电路）Wifi 模块第5 脚实训板P3.0Wifi 模块第6 脚实训板P3.1给系统供电（打开实训板电源），等待大约 3-6 秒，wifi 模块启动完成。图10 接线方式(4) 相关AT命令AT+UART=9600,8,1,None,NFC /设置/查询串口通信参数AT+MID /查询模块ID （默认USR-WI

14、FI232-T）AT+WRMID=USR-WIFI232-TYX /设置模块IDAP+TCP server通信模式AT+LANN=10.10.100.254,255.255.255.0 /设置/查询AP模式下的网络参数AT+WAP=11BGN,USR-WIFI232-TXY,CH1 /设置/查询AP的WIFI参数STA+TCP Client通信模式AT+WSSSID= Tenda_YX /设置/查询关联AP的SSIDAT+WSKEY=WPA2PSK,AES,12345678 /设置/查询STA的加密参数AT+WANN=static,192.168.0.XX,255.255.255.0,192.

15、168.0.1 /设置/查询STA的网络参数设置AT+NETP=TCP,Client,8899,192.168.0.100 /设置/查询Socked A连接的服务器的端口和IPAT+WMODE=APSTA 最后将通信模式修改为AP+STA模式 TCP (5) 测试软件USR-WIFI232-Setup V1.2.0，串口调试助手，有人网络助手。其中串口调试助手的界面如图11所示。图11(6) 测试过程a) AT命令修改模块参数打开USR-WIFI232-Setup V1.2.0, 设置实际的串口号，波特率设置为115200，单击“打开串口”按钮。 发送“AT+MID”，查询当前模块名称。发送“

16、AT+WRMID=USR-WIFI232-TXX”修改模块名为USR-WIFI232-T08发送“AT+UART”，查询当前串口参数（出厂默认为AT+UART=115200,8,1,None,NFC）。发送“AT+UART=9600,8,1,None,NFC”，修改串口波特率位9600。模块重启，点击Alt+Z。USR-WIFI232-Setup V1.2.界面如图12所示。图12USR-WIFI232-Setup V1.2.界面b) 手机WiFi 控制单片机Wifi模块连接到单片机串口，启动模块。Wifi 模块第5 脚实训板P3.1/TXDWifi 模块第6 脚实训板P3.0/RXD 安装手

17、机软件“USR-TCP-Test（有人网络助手）” 手机WLAN 搜索WiFi设备AP，连接WiFi模块。打开手机软件“USR-TCP-Test（有人网络助手）”，以客户端形式连接wifi 模块IP（默认为10.10.100.254）。 手机与单片机通过wifi模块进行无线通讯，即发生一些数据指令。c) 模块设置为APSTA+TCP Server 方式 给WiFi模块供电（借助电平转换模块和实训板），启动WiFi模块。 电脑连接wifi模块AP（需要PC具有wifi连接功能）。. 搜索WiFi热点名为USR-WIFI232-T08即是模块的默认网络名称(SSID)。. 加入网络，PC自动获取I

18、P（WIFI 模块支持DHCP Server 功能并默认开启）。查看PC获得的IP，“开始运行输入cmd输入ipconfig+回车”。. 在浏览器输入默认IP：10.10.100.254. 用户名和密码都是admin。. 进入网页页面后，即可以查看或者设置参数。设置完成后点击重启栏中的确认按钮。得到如图13图13 系统信息设置 (4) 手机或平板电脑控制端用手机或者电脑打开WLAN连接，搜索名为USR-WIFI232-T08的WiFi热点，进行连接如图14.1所示。打开有人网络助手软件，点击tcp clilent栏，增加连接，再进行连接，如图14.2所示。再通过有人手机助手发送数据到电脑串口，

19、如图14.3所示。图14.1 连接WLAN 图14.2 tcp增加连接 图14.3 tcp发送数据3.3 基于单片机的智能控制模块(1) 四路继电器继电器(relay)是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。单片机开发板4 路继电器扩展板支持

20、AVR_51_PIC，四路继电器输出模块，继电器输出触点最大250V 10A。输入IN1、IN2、IN3、IN4信号线低电平有效。VCC，GND 电源输入端， 可以继电器单独供电。继电器电源输入端JD-VCC。图15 四路继电器电路原理图(2) 继电器硬件连线图16 继电器硬件连线3.4 基于单片机的采集模块(1) DS18B20温度传感器简介DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅

21、炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20的元件图如图17所示。技术性能描述： 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 测温围 55+125，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定 工作电源: 3.05.5V/DC （可以数据线寄

22、生电源） 在使用中不需要任何外围元件 测量结果以912位数字量方式串行传送 不锈钢保护管直径 6 图17 适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。工作原理：DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1

23、对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。(2) 硬件连线图18 DS18B20硬件连线4. 系统软件及仿真4.1 基于单片机的智能控制程序设计继电器控制流程图如图19所示。通过传感器接收的电信号经过处理放大以后为我们所用，经过与阈值进行比较后，即设置标志位，当满足预定要求，比如温度达到一定

24、值时，继电器闭合，控制电风扇进行运作，当温度不满足此要求时，继电器断开，电风扇运作停止。其他电子元器件也可以用类似的方式进行智能控制。如图20所示为继电器仿真图，其中LED表示电子元器件。图19 智能控制程序流程图图20 继电器仿真图4.2 基于单片机的采集模块程序设计进行DS18B20的初始化，通过DS18B20进行数据采集温度数据，然后进行数据的传输与处理，将其显示在显示屏上。图21温度采集模块程序流程图5. 系统集成与测试结果系统由以WiFi模块为核心的无线网络、基于单片机的智能控制模块、基于单片机的采集模块三部分组成，通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供家电控制、室外遥控、防

25、盗报警、环境监测以及可编程定时控制等多种功能和手段。包装的系统图如图23所示。图23 包装的系统图附录：源代码:#include reg51.hsbit DQ = P3 7; /DS18b20数据端 /继电器控制sbit SW1 =P24;sbit SW2 =P25;sbit SW3 =P26;sbit SW4 =P27;/数码管控制sbit LED1 =P20;sbit LED2 =P21;sbit LED3 =P22;sbit LED4 =P23;/数据接收标准及变量unsigned char myReg;bit read_flag;/蜂鸣器sbit BT = P36;unsigned c

26、har tx10=0,0,0x2E,0,0,0,0,0xDF,0x43,0x0A;unsigned code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82, 0xf8,0x80,0x90;/*/void Delay(int num)/延时函数 while(num-) ;/*/void Delaynms(unsigned int di) /延时 unsigned int da,db; for(da=0;dadi;da+) for(db=0;db0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x

27、80; Delay(4); return(dat);/*/void WriteOneChar(unsigned char dat)/写一个字节 unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; Delay(2); DQ = 1; dat=1; /*/void ReadTemperature(void)/读取温度 unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned char Data_L=0; unsigned char num=0; Init_DS18B20(); WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换