智能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

智能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 第一章 緒論 能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀 由現(xiàn)在科技的發(fā)展可推知未來智能家居將向固定終端控制、智能手機(jī)控制、無線與有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方向發(fā)展。 (1)終端控制，在現(xiàn)在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)和快速發(fā)展的今天，未來智能家居控制系統(tǒng)走進(jìn)千家萬戶將不只是一個(gè)設(shè)想，通過一個(gè)終端控制屏實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部溫度，濕度，氣體成分等的智能監(jiān)測(cè)和控制。 (2)智能手機(jī)，手機(jī)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了以前只有在小說和神話中才能實(shí)現(xiàn)的順風(fēng)耳和千里傳音，縮短了人與人之間的距離，極大的豐富了人們的生活，特別是智 能手機(jī)的出現(xiàn)將手機(jī)的應(yīng)用提高到了另一個(gè)平臺(tái)。不論人們?cè)诤螘r(shí)何地在做什么事基本上都是離不開智能手機(jī)，為此將智能手機(jī)應(yīng)用于智能家居是一個(gè)明智的選擇而且也是智能家居發(fā)展的必然趨勢(shì)，從此手機(jī)不僅僅是打電話、發(fā)信息和上網(wǎng)的娛樂工具，而且還是隨時(shí)隨地掌控家居內(nèi)的一切，如防火防盜等的不二選擇。通過將智能家居的客戶端軟件嵌入到智能手機(jī)中，只要?jiǎng)觿?dòng)手指就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。 (3)無線與有線控制系統(tǒng)有機(jī)融合。 能家居的國內(nèi)外現(xiàn)狀 (1)國內(nèi)現(xiàn)狀 我國的智能家居從 1994 年萌芽至今得到了快速的發(fā)展 ，是繼房地產(chǎn)行業(yè)后又一大發(fā)展熱潮，隨著軟件協(xié)議與硬件技術(shù)開始不斷的融合，各大行業(yè)進(jìn)軍智能家居市場(chǎng)，我國的智能家居行業(yè)進(jìn)入了發(fā)展的黃金時(shí)期。但是較國際國外智能家居行業(yè)起步晚，還沒有形成統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，這是對(duì)我國智能家居的發(fā)展是不利的，但是總體來說，我國的智能家居還是取得了相當(dāng)可觀的成果的。如： 海爾公司推出的 e 家庭，以電腦作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各種家庭用電設(shè)備聯(lián)系起來，利用海爾推出的手機(jī)作為遠(yuǎn)程控制器，使一些用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和智能控制成為可能。 另外，清華同方研發(fā)的 用嵌入式 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于國際成熟的智能家居技術(shù)，針對(duì)中國家庭的實(shí)際情況設(shè)計(jì)和制造，可謂是為整個(gè)中國家庭量身制作的。 但是就目前智能家居的發(fā)展?fàn)顩r來看，整個(gè)智能家居市場(chǎng)只適合中高消費(fèi)人群，遠(yuǎn)遠(yuǎn)還未走進(jìn)千家萬戶，中國智能家居的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)和成本還有待改善。隨著國內(nèi)各大軟、硬件機(jī)構(gòu)正在積極滲入智能家居行業(yè)，為智能家居行業(yè)注入新鮮的血液，可以展望我國的智能家居前途將是一片大好。 （ 2）國外現(xiàn)狀 國外智能家居起步較早，從 1984 年美國出現(xiàn)第一棟智能建筑以后，美國、加拿大和歐洲等一些發(fā)達(dá)國家就開始研究和退廣智能家居，而且 現(xiàn)在智能家居技術(shù)已相當(dāng)成熟，最具代表性的智能家居有： 美國推出的 系統(tǒng)不是使用一般數(shù)字設(shè)備控制的信號(hào)線利用低電平傳輸信息，而是利用電力線作為控制的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用集中控制 方式實(shí)現(xiàn)。這套的功能較為強(qiáng)大，而且不需要額外的布線，安裝時(shí)也省去了在墻上打孔等的不便，因此實(shí)現(xiàn)起來是很容易被廣泛的家庭接受，操作起來也相對(duì)簡(jiǎn)單。但是在中國國內(nèi)推廣造價(jià)很高，因此，在我國國內(nèi)未能得到很好的發(fā)展。 德國的 系統(tǒng)采用總線技術(shù)及中央控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制功能。但由于系統(tǒng)價(jià)格較高，且實(shí)際安裝不是很容易，因此在我國 也未得到理想的發(fā)展。 新加坡的 8X 系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是使用總線技術(shù)和集中控制方式來實(shí)現(xiàn)智能家居控制的功能。它可以利用的產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，技術(shù)較為成熟，適合中國國情。但是由于系統(tǒng)架構(gòu)、靈活性等方面還難以達(dá)到要求且價(jià)格也是較高，所以目前在國內(nèi)也是沒有得到廣泛的應(yīng)用。 能家居監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)研究的目的及意義 能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研究的目的 火是可燃物燃燒，發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)的過程，縱觀人類的發(fā)展歷史可知，火的使用和人工取火的發(fā)明是人類文明史進(jìn)步的催化劑，而在當(dāng)今人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)中再也離不開火的使 用。常言道水火無情，火失控時(shí)就會(huì)發(fā)生火災(zāi)，在世界上每年因火災(zāi)喪失幸福的家庭不計(jì)其數(shù)，因此在我們?cè)谑褂没鸬倪^程中還需對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)控。因?yàn)樵诋a(chǎn)生火的同時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生煙霧等物質(zhì)，因此要對(duì)火災(zāi)的監(jiān)控和報(bào)警就可以通過對(duì)空氣中的可疑氣體的監(jiān)控和報(bào)警來實(shí)現(xiàn)。溫度和濕度是影響人們居住的最重要的因素。研究表明最適宜人們居住的溫濕度：冬天分別為 1825和 30%80%；夏天分別為 2328和 30%60%的室內(nèi)，人會(huì)感到最舒適，精神狀態(tài)好，思維最活躍，也就是說 這種環(huán)境最適合人類的居住。不僅如此，現(xiàn)代人追求的是舒適便捷的 生活，因此智能家居研究的目的不只是提供安全舒適的家居環(huán)境。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代科技的發(fā)展，智能家居逐步走上移動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制的發(fā)展軌跡。將智能家居控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與 110、 119 等聯(lián)系起來，當(dāng)家居內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)事件，如發(fā)生火災(zāi)、有非法人員闖入等，家居主人和 110或 119 第一時(shí)間收到信息通知，并且智能家居控制系統(tǒng)還可以做出相應(yīng)的處理，例如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，離火源最近的消防設(shè)備將自動(dòng)噴水或者自動(dòng)釋放滅火泡沫等。同時(shí)，互聯(lián)后的智能家居可以通過手機(jī)、電腦等終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，例如可以在回家的途中通過終 端設(shè)備提前打開空調(diào)、播放背景音樂、打開電視機(jī)選擇自己喜歡的節(jié)目、讓熱水器燒熱水等等，為住戶盡可能地提供舒適、安全、便捷的居住環(huán)境。 因此，對(duì)于追求高端上檔次的物質(zhì)生活和精神生活的現(xiàn)代人來說，安全的家居環(huán)境只是選擇居住的最基本的要求，舒適健康安全便捷的居住環(huán)境才是現(xiàn)代人所向往的和追求的，所以對(duì)家庭居住環(huán)境方方面面的要求也是越來越高的，顯然對(duì)家居智能化的研究就顯得非常重要了。 能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)研究的意義 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類文明的進(jìn)步發(fā)展，人們追求高端上檔次的生活的渴望是越來越激烈，特別是對(duì)家居的選 擇要求越來越高，不僅是要追求安全，而且還要居住起來舒適，因此對(duì)現(xiàn)在的人來說又形成了新的社會(huì)矛盾，也就是落后的家居環(huán)境與人們?nèi)找嬖鲩L的家居享受之間的矛盾。雖然我國的智能家居從 1994年萌芽至今已有近二十年的歷史，智能家居技術(shù)已得到飛速的發(fā)展，但是就總體而言還是不容樂觀。并且國外成熟的智能家居在國內(nèi)的推 廣有諸多的不便，因此我國的智能家居還亟待研究與發(fā)展。本設(shè)計(jì)對(duì)智能家居監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究可以豐富對(duì)智能家居的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)自身的動(dòng)手能力和發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力，有利于激發(fā)智能家居研究的熱情。同時(shí)智能家居監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)可 以讓住戶安心入住，利用方便、高效的控制方案為住戶提供舒適的家居環(huán)境。 達(dá)到的技術(shù)要求 必須有火災(zāi)，煤氣煙霧、溫濕度探測(cè)的功能，能現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生聲光報(bào)警及做出相應(yīng)的反應(yīng)。 第二章 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 務(wù)分析 硬件設(shè)計(jì)：首先是設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)，使單片機(jī)具有一定的功能，如燒寫程序的功能和復(fù)位等功能。其次是設(shè)計(jì)顯示電路，主要目的是用于溫濕度的顯示，使檢測(cè)的電信號(hào)直觀的顯示出來便于程序調(diào)試、數(shù)據(jù)的理解和操作。再次是設(shè)計(jì)傳感器檢測(cè)電路，采集家居環(huán)境參數(shù)用于下一步設(shè)計(jì)。第四是設(shè)計(jì)報(bào)警電路，用于參數(shù)異 常報(bào)警。最后就是設(shè)計(jì)按鍵等其他電路。 軟件設(shè)計(jì)：首先是設(shè)計(jì)液晶顯示器的初始化程序，其次是設(shè)計(jì)溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外線傳感器等的驅(qū)動(dòng)程序，將溫濕度傳感器等傳感器采集的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為液晶顯示器能夠顯示的信號(hào)在顯示器上顯示出來，并且為下一步的控制設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)來源。再次是設(shè)計(jì)煙霧驅(qū)動(dòng)和報(bào)警驅(qū)動(dòng)。最后是設(shè)計(jì)控制程序。 計(jì)思想 健康性：做到家居控制區(qū)域自動(dòng)控溫、控濕，提供適宜的溫濕度，保持 空氣清新。 安全性：自動(dòng)檢測(cè)家居內(nèi)部空氣成分，做到火災(zāi)報(bào)警和提供一定的解決措施。 方便性：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易生產(chǎn)安裝且容 易使用，系統(tǒng)有一定的可擴(kuò)展性。 智能性：可以根據(jù)主人的喜好進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，遇見火災(zāi)時(shí)能自動(dòng)噴水滅火。 統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇 方案一：采用 片機(jī)作為控制芯片，利用 度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度， 氣濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境濕度，其設(shè)計(jì)框圖如下所示： A L 6 02 顯示器 B 20 A /D 轉(zhuǎn)換 N 按 鍵L E D 燈蜂 鳴 器圖 2案一設(shè)計(jì)框圖 （ 1）單片機(jī)的選擇 美國 產(chǎn)的低電壓、高性能 腳圖如下所示： 圖 2腳圖 參數(shù)： 1) 4K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間 ; 2) 工作頻率： 043) 128 8 位內(nèi)部 4) 32 個(gè) I/O 口 ; 5) 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ; 6) 5 個(gè)中斷源 ; （ 2）溫、濕度傳感器的選擇 采用單個(gè)的溫度傳感器和濕度傳感器，溫度傳感器選擇 度傳感器選擇 氣濕度傳感器。 度傳感器 : 字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式。型號(hào)多種多樣，有 等?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的 用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫， 彈藥庫測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 圖 2裝圖 參數(shù)：溫范圍 55 125，在 +85時(shí)精度為 氣濕度傳感器 : 低成本的可持續(xù)測(cè)量相對(duì)濕度的傳感器，需外接電源才能工作。采用聚合體電阻制成，輸出線性信號(hào)，并能保持反應(yīng)靈敏度和長期穩(wěn)定性。 參數(shù)： ) 輸出信號(hào)： 線性模擬電壓； ) 換算： % 相對(duì)濕度 = 電壓 x 20； ) 測(cè)量范圍： 0 95 % 相對(duì)濕度； )電源： :10 36 V 12V 1.2 )尺寸： 115 * 1024) * 80； )重量： 1.5 方案二：使用宏晶 強(qiáng)型單片機(jī)做為控制芯片，采用溫濕度模塊作為環(huán)境溫濕度采集傳感器設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)框圖如圖 2示。 （ 1）單片機(jī)的選擇： 司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 微控制器，與 片機(jī)完全兼容，軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)基本無需較大的修改。 圖 2腳圖 參數(shù)： ) 工作頻率范圍： 0 40當(dāng)于普通 8051 單片機(jī)的兩倍，實(shí)際工作頻率最高可達(dá) 48 ) 8節(jié)。 ) 512 字節(jié) 存。 ) 增加 ，共有 32 個(gè) I/O 口，復(fù)位后為： 準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， 和傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)一樣，總線擴(kuò)展時(shí)，無需上拉電阻，用作 I/O 口時(shí)，需加上拉電阻。 ) 具有 線系統(tǒng)可編程功 能。 ) 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 ) 4 路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 ) 通用異步串行口（ 可用軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) ）溫、濕度傳感器的選擇 濕度傳感器，該傳感器將溫度傳感器和濕度傳感器集成在一起，而且具有較高的靈敏度。 ) 濕度測(cè)量范圍： 20% 95%，測(cè)量誤差： 5%; ) 溫度測(cè)量范圍： 0 50，測(cè)量誤差： 2 ; ) 工作電壓 : 5V; ) 輸出形式 : 數(shù)字輸出 ; ) 設(shè)有固定螺栓孔 ,方便安裝 ; ) 小板 寸： ) 每套重量約為 8g。 兩個(gè)方案綜合比較，方案二更加適合做設(shè)計(jì)研究。原因是：首先，就單片機(jī)而言， 片機(jī)較 片機(jī)性能更佳，主要表現(xiàn)在工作頻率范圍更加大，程序存儲(chǔ)空間擴(kuò)大一倍，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間擴(kuò)大兩倍， I/O 更多，而且最有利開發(fā)就是具有 線系統(tǒng)可編程功能，使調(diào)試變得簡(jiǎn)單方便。其次，使用 濕度傳感器將溫度傳感器和濕度傳感器集成為一個(gè)元件，使硬件電路設(shè)計(jì)和焊接變得簡(jiǎn)單，并且 入的是數(shù)字信號(hào)，且電壓與單片機(jī)兼容，無需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換就能直接被單片機(jī)接受，省去了 A/。 體框圖 由以上任務(wù)分析和設(shè)計(jì)思想可設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的總框圖如下所示： A L 6 02 顯示器 按 鍵L E D 燈蜂 鳴 器D H T 1 1圖 2能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖 使用 片機(jī)作為中央處理芯片，選用 濕度傳感器和 過單片機(jī)綜合處理轉(zhuǎn)化為可顯示的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將單片機(jī)和遠(yuǎn)程終端設(shè)備聯(lián)系起 來，可以通過對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置使智能家居控制系統(tǒng)自動(dòng)的根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化自動(dòng)地做出相應(yīng)的響應(yīng)，達(dá)到環(huán)境參數(shù)恒定的效果。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單片機(jī)就是將一些具有特殊功能的物理電路（如 儲(chǔ)器、 I/O 接 口以及總線）集成在一起作為能被人們所使用的大規(guī)模集成電路。 隨著集成電路的發(fā)展，單片機(jī)的發(fā)展也是非常迅速的，至今單片的種類已非常多，能滿足各種基于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的控制需求。市場(chǎng)上最多的單片機(jī)是 司推出的 列的單片機(jī)等等，本設(shè)計(jì)采用的是國內(nèi)自主研發(fā)的增強(qiáng)型 單片機(jī)相對(duì)于國外的 8051 內(nèi)核單片機(jī)，在片內(nèi)資源和性能以及工作速度上都有很大的提高，特別是它使用在線系統(tǒng)編程（ 術(shù)，使得基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)變得更簡(jiǎn)單了，不需要使用仿真器和專用編程器就可以對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，而且更加有利于對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)。 片機(jī) 片機(jī)是國產(chǎn)的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容 8051 單片機(jī)，有 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期 和 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可供選擇。 主要特性如下： 1） 單片機(jī)是增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可供選擇，指令代碼完全兼容 8051 單片機(jī)。 2）工作電壓： 3）工作頻率范圍： 0 40當(dāng)于普通 8051 單片機(jī)的兩倍，實(shí)際工作頻率最高可達(dá) 48 4） 8節(jié)。 5） 512 字節(jié) 存。 6）增加 ，共有 35個(gè) I/位后為： 準(zhǔn)雙 向口 /弱上拉， 051 單片機(jī)一樣，總 線擴(kuò)展時(shí)，無需上拉電阻，用作 I/O 口時(shí)，需加上拉電阻。 7）具有 8）具有 能。 9）看門狗功能。 10） 6 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 11）路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。 12）通用異步串行口（ 可用軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) 13）工作溫度范圍： +85 /0 75。 1