智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計

1、本科學(xué)生畢業(yè)論文論文題目：智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 院：電子工程學(xué)院年 級：2010級專 業(yè)：通信工程姓 名：張曉鋒學(xué) 號：20103516指導(dǎo)教師：劉勇2014年X月XX日摘要關(guān)鍵詞Abstract Key wordsII目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1課題背景及研究的目的和意義11.1.1 課題背景11.1.2 研究的目的與意義11.2 智能家居的概況及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國外智能家居控制系統(tǒng)發(fā)展狀況21.2.2 國內(nèi)智能家居控制系統(tǒng)發(fā)展狀況31.3本文研究內(nèi)容3第二章 智能家居模型系統(tǒng)整體設(shè)計52.1 引言52.2 系統(tǒng)總體設(shè)計圖52.3 系統(tǒng)設(shè)計方案62.4 本

2、章小結(jié)6第三章 智能家居模型系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1 引言73.2 主控制部分電路73.2.1 控制芯片電路83.2.2 12864液晶顯示模塊電路93.2.3 SYN6288語音模塊電路103.2.4 CC1101無線模塊103.2.5 GSM模塊113.2.6 藍牙模塊123.3 傳感器節(jié)點部分電路123.3.1 傳感器節(jié)點控制芯片電路133.3.2 紅外檢測傳感器電路143.3.3 火焰?zhèn)鞲衅鳈z測電路143.3.4 煙霧傳感器電路153.3.5 電源模塊電路163.4 本章小結(jié)16第四章 智能家居模型系統(tǒng)軟件設(shè)計174.1 引言174.2 ICCAVR編譯軟件174.2.1 智能家居模型系統(tǒng)

3、控制部分軟件架構(gòu)174.2.2 傳感器節(jié)點報警信號的采集184.2.3 傳感器節(jié)點定時器的實現(xiàn)194.2.4 傳感器節(jié)點串口通信的實現(xiàn)204.3 App Inventor在線編譯器224.4 Altium Designer硬件板卡設(shè)計軟件234.5 本章小結(jié)25第五章 智能家居模型系統(tǒng)功能測試265.1 引言265.2 系統(tǒng)運行狀態(tài)測試265.3 系統(tǒng)報警功能測試275.4 手機軟件連接測試275.5 系統(tǒng)遠程控制功能測試295.6 本章小結(jié)29結(jié)論30參考文獻31致謝32智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計第一章 緒論1.1課題背景及研究的目的和意義1.1.1 課題背景隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們生活水平的

4、不斷提高，普通的家庭住房已經(jīng)遠遠不能滿足人們的生活需求。為了使人們居住的環(huán)境更舒適、更方便、更安全，智能家居便應(yīng)運而生了。嵌入式系統(tǒng)、自動控制和通信技術(shù)等已經(jīng)深入到起千家萬戶，深刻地改變了人們的生活方式，極大的提高了各行各業(yè)的生產(chǎn)效率，為整個社會創(chuàng)造了巨大的財富，然而帶給我們普通個人與家庭的好處卻少之又少，傳統(tǒng)的居住環(huán)境并沒有因為這個信息時代的到來而產(chǎn)生改變，加之各種各樣的家用電器產(chǎn)品日益增多，生活水品雖然有所提高，但隨之而來的安全問題和分散控制給人們帶來了極大的不便，居民住宅幾乎變成了這個信息時代的孤島。在這樣的種種情況下，人們開始越來越關(guān)注自己的居住環(huán)境，更加注重居住環(huán)境的安全性、舒適性，

5、將各種各樣的家用電器產(chǎn)品有機的結(jié)合為一個整體，并可以通過它遠程對家用電器進行智能化控制與管理，實現(xiàn)智能化的新型住所。智能家居是一個新的生產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在正處于嬰兒期與成長期的臨界點上，整體的市場消費觀念并沒有形成，但是隨著智能家居的進一步普及與推廣，培養(yǎng)消費者的使用習(xí)慣，它的市場潛力是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景一片光明。正是由于這個原因，國內(nèi)許多優(yōu)秀的企業(yè)越來越重視對智能家居行業(yè)的研究，一些國內(nèi)的智能家居品牌誕生了，他們將成為智能家居產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)頭軍。智能家居控制系統(tǒng)作為智能家居的核心，他的功能設(shè)計必將推動著整個智能家居市場的發(fā)展，整個系統(tǒng)在保證功能同時，提高系統(tǒng)的集成化，簡化用戶的使用方法，將智能家居更平民化、

6、普及化是未來智能家居的發(fā)展趨勢。我想智能家居控制系統(tǒng)的最終成果是將家中所有的設(shè)備都有效結(jié)合在一起，讓我們能夠真真正正的享受一個溫馨舒適的家庭生活。1.1.2 研究的目的與意義智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計的目的在于設(shè)計并制作一個集智能家庭安防、家電與燈光自動控制的模擬系統(tǒng)，控制對象為模擬的家庭環(huán)境，可以實現(xiàn)家庭的安防報警、遠程布防、遠程撤防、家電與燈光的遠程控制等，并能夠?qū)⒓抑械男畔⒉杉l(fā)送出去。為了完成上述研究目標，本設(shè)計的具體設(shè)計目標為：（1） 家庭安防，實現(xiàn)家庭門或窗闖入檢測，并進行聲光報警；（2） 家庭室內(nèi)人員闖入的紅外無線檢測，進行一定范圍區(qū)域內(nèi)的人員出現(xiàn)的檢測，并進行聲光報警；（3） 家庭

7、的報警信息能夠傳送至遠程控制端，遠程控制端能夠及時的看到報警信息。（4） 智能家居系統(tǒng)的無線布防與撤防，如家人回到家中，將智能家居系統(tǒng)撤防，離開家的時候，將智能家居系統(tǒng)布防，使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。（5） 家庭燈光的無線控制，如模擬三種場景：會客模式（亮度明亮）、影院模式（亮度很暗）、睡眠模式（亮度適中）。（6） 家庭家電的遠程控制，通過遠程控制端對家里的燈光、家用電器等的控制。1.2 智能家居的概況及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀要想實現(xiàn)對智能家居控制系統(tǒng)的操控，從而達到遠程控制智能家居控制系統(tǒng)以及家里的家用電器，需要解決的一個關(guān)鍵性問題是組建和接入家庭網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)連接方面來看，組建家庭網(wǎng)絡(luò)的工作主要分為兩大部

8、分：一方面是在家庭范圍內(nèi)組建各種智能家居的子系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，另一方面是這個組建的家庭控制網(wǎng)絡(luò)與玩不互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)能夠結(jié)合在一起，形成一個智能家居網(wǎng)絡(luò)一體化的網(wǎng)絡(luò)平臺。最終的目標是是家庭中的各個子系統(tǒng)能夠互相連接，通過無線網(wǎng)絡(luò)語外界環(huán)境進行通信。建立一個低成本的、高效率的智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是現(xiàn)如今世界智能家居系統(tǒng)未來發(fā)展的一個重要的問題。近年來，國際上許多比較大的公司都提出了許多自己的解決方案，但是在這個領(lǐng)域到目前為止還沒有一個成熟的國際性的標注，各個公司都是在研究屬于自己品牌標準的智能家居控制系統(tǒng)。1.2.1 國外智能家居控制系統(tǒng)發(fā)展狀況1984年，在美國建立的世界上第一棟智能樓宇“城市空間建筑

9、”，開啟了智能家居控制系統(tǒng)的大門，此后，加拿大、德國、日本、新加坡等經(jīng)濟發(fā)展比較發(fā)達的國家也相繼提出了各種各樣的智能家居控制系統(tǒng)方案，但是由于市場經(jīng)濟和策略目標的不同，一直沒有形成一個同意的國際化標準。一直到20世紀九十年代初開始，家庭網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)逐漸發(fā)展了起來，在國際上比較有影響力的智能家居系統(tǒng)有：美國的LonWorks和X-10系統(tǒng)、德國的EIB系統(tǒng)、新加坡的8-X系統(tǒng)以及日本的HBS系統(tǒng)。目前應(yīng)用比較多的系統(tǒng)如表1-1所示。表1-1 國外目前應(yīng)用比較多的智能家居控制系統(tǒng)型號產(chǎn)地特點優(yōu)點缺點X-10美國使用輸電線路實現(xiàn)設(shè)備控制無需布線造價比較高8X新加坡總線集中控制家居設(shè)備集中控制靈活性不夠

10、，不易擴展EIB德國有線集中控制方式集中控制安裝復(fù)雜，造價較高1.2.2 國內(nèi)智能家居控制系統(tǒng)發(fā)展狀況我國是在2000年開始才引進了智能家居控制系統(tǒng)的概念，1999年，我國建設(shè)部制定了居住小區(qū)智能化建設(shè)要點與技術(shù)導(dǎo)則，該導(dǎo)則將我國的智能化小區(qū)分為三個星級標準，其中最為基本的系統(tǒng)包括家庭安全防護、智能設(shè)備管理以及網(wǎng)絡(luò)通訊三個方面。智能家居在我國經(jīng)歷了將近十年的起步階段，由于投入的資金不足以及開發(fā)水平不夠成熟，所以發(fā)展非常緩慢。但是隨著國家對智能化建筑行業(yè)的不斷重視以及開發(fā)技術(shù)水平的不斷提高，已經(jīng)開始出現(xiàn)了一些智能化產(chǎn)品，比如遠程抄表系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、樓宇對講系統(tǒng)以及醫(yī)療救助系統(tǒng)等控制系統(tǒng)，但是

11、這些系統(tǒng)都是分散的，不能實現(xiàn)統(tǒng)一的管理和控制，安裝起來也不是很方便。國能的一些知名品牌，比如聯(lián)想、海爾、海信等也推出了自己的智能家居產(chǎn)品，但是由于缺乏統(tǒng)一的標準和協(xié)議，這些產(chǎn)品并沒有真正的進入普通百姓的家中。1.3本文研究內(nèi)容本論文的研究目的是設(shè)計并制作一個智能家居模型系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括家庭安防、遠程監(jiān)控家庭信息、遠程智能家電控制等。本論文的各個章節(jié)主要內(nèi)容如下：第二章對整個智能家居模型系統(tǒng)的功能進行了分析后，完成了智能家居模型系統(tǒng)總體設(shè)計，確定了智能家居控制系統(tǒng)的總體方案。第三章從硬件方面入手，對智能家居模型系統(tǒng)的總控制系統(tǒng)以及各個報警信號采集節(jié)點的電路進行了設(shè)計，完成了整個智能家居模型系統(tǒng)

12、的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。第四章從軟件方面入手，設(shè)計并完成了智能家居模型系統(tǒng)的總控制系統(tǒng)以及各個節(jié)點采集信號的程序，然后使用Altium Designer軟件設(shè)計并制作了傳感器節(jié)點PCB板卡，最后使用App Inventor制作了智能家居模型系統(tǒng)手機控制軟件。第五章從系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)的報警功能、系統(tǒng)的軟件控制功能以及系統(tǒng)的遠程控制等方面對整個智能家居模型系統(tǒng)進行測試，完成整個智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計工作。第二章 智能家居模型系統(tǒng)整體設(shè)計2.1 引言系統(tǒng)的總體設(shè)計需要從系統(tǒng)的功能、總體規(guī)劃、模塊設(shè)計等方面入手，決定著整個系統(tǒng)以后的升級等。本章主要針對智能家居模型系統(tǒng)的功能進行分析，設(shè)計模型的整體規(guī)劃方案，

13、各個節(jié)點模塊的擺放位置等，最終確定智能家居模型系統(tǒng)的整體方案。2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計圖本智能家居模型系統(tǒng)的總體設(shè)計圖如圖2-1所示，整個模型分為六個部分，分別是臥室、廚房、車庫、活動室、客廳以及衛(wèi)生間。圖中1號節(jié)點為房門報警信號采集，2號節(jié)點為窗戶報警信號采集點，3號節(jié)點為客廳報警信號采集點，4號節(jié)點為廚房火警報警信息采集點，5號節(jié)點為車庫門報警信息采集點，6號節(jié)點為LED模塊，用來模擬室內(nèi)燈光，7號節(jié)點為小風(fēng)扇模塊，用來模擬家用電器的控制，總控制以及一些相關(guān)的模塊放在臥室。圖2-1 智能家居模型系統(tǒng)總體設(shè)計圖2.3 系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)采用兩塊ATmega128單片機作為控制芯片，一塊芯片作為主

14、控芯片，一塊芯片作為輔控芯片，主控芯片負責(zé)通過CC1101模塊采集各個傳感器的報警信號，得到報警信號后，迅速找出報警位置，并向輔控芯片發(fā)送報警信號，輔控芯片接到報警信號后，啟動SYN6288語音模塊播報報警信息，啟動報警燈閃爍，進行聲光報警，報警系統(tǒng)發(fā)出響亮的報警聲，同時連接在輔控芯片上的GSM模塊也會向設(shè)定的手機發(fā)送報警信息，遠程接收報警信號，以便及時處理緊急情況。GSM模塊也可以向智能家居模型系統(tǒng)發(fā)送控制信息，遠程操控家里的系統(tǒng)布防、撤防以及各種家電的控制。本系統(tǒng)還提供基于安卓的智能家居系統(tǒng)控制軟件，可以非常方便的對系統(tǒng)進行近距離的控制，比較適合青年人進行操作。為了使老人和孩子也可以進行簡

15、單的操作，本系統(tǒng)還設(shè)計了簡單的遙控器控制，操作非常方便，另外，在系統(tǒng)中加上了語音識別模塊，在家中可以方便的控制家里的一些家用電器，實現(xiàn)家居智能化。2.4 本章小結(jié)針對智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計這個課題，本章從系統(tǒng)的功能、總體規(guī)劃、模塊設(shè)計等方面入手，完成了智能家居模型系統(tǒng)總體設(shè)計，確定了整個智能家居模型系統(tǒng)總體設(shè)計方案，為后面智能家居模型系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計確定了研究方向。第三章 智能家居模型系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 引言本系統(tǒng)設(shè)計的智能家居模型系統(tǒng)旨在建立一個智能家居的嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體的硬件設(shè)計可以分為三大部分：主控制部分、傳感器節(jié)點部分和功能子模塊。主控制部分采用ATmega128單片機作為控制芯

16、片，傳感器節(jié)點部分采用ATmega16單片機作為控制芯片。主控制部分外接的功能子模塊有：LCD12864液晶顯示模塊、藍牙模塊、GSM通信、CC1101無線通信模塊、SYN6288語音模塊等，傳感器節(jié)點部分外接的功能子模塊有紅外檢測傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、LED模塊、繼電器模塊、語音識別模塊等，本章會對上述硬件部分詳細介紹。3.2 主控制部分電路1997年，ATMEL公司在挪威的設(shè)置中心的A先生和V先生利用了ATMEL公司的Flash新技術(shù)共同研發(fā)的基于RISC精簡指令集的高速8位單片機，稱之為AVR單片機。AVR單片機開發(fā)的門檻是比較低的，只需要一個下載器或者JTAG仿真器就可以進行

17、程序的下載與仿真等試驗，而且AVR單片機價格比較低廉，其內(nèi)置的高質(zhì)量Flash程序存儲器擦寫非常方便，支持ISP和IAP，非常有利于產(chǎn)品的開發(fā)、調(diào)試、生產(chǎn)等。另外，AVR單片機還具有高速、低功耗、保密性能好、I/O接口功能強，內(nèi)部資源豐富等特點，不愧為八位單片機中的佼佼者。主控制部分是整個智能家居模型系統(tǒng)的核心部分，也是整個系統(tǒng)的重中之重。因此主控制部分采用兩塊ATMEL公司ATmega128單片機作為控制芯片，一塊芯片作為主控芯片，一塊芯片作為輔控芯片，主控芯片負責(zé)通過CC1101模塊采集各個傳感器的報警信號，得到報警信號后，迅速找出報警位置，并向輔控芯片發(fā)送報警信號，輔控芯片接到報警信號后

18、，啟動SYN6288語音模塊播報報警信息，啟動報警燈閃爍，進行聲光報警，報警系統(tǒng)發(fā)出響亮的報警聲，同時連接在輔控芯片上的GSM模塊也會向設(shè)定的手機發(fā)送報警信息，遠程接收報警信號，以便及時處理緊急情況。GSM模塊也可以向智能家居模型系統(tǒng)發(fā)送控制信息，遠程操控家里的系統(tǒng)布防、撤防以及各種家電的控制。本系統(tǒng)還提供基于安卓的智能家居系統(tǒng)控制軟件，可以非常方便的對系統(tǒng)進行近距離的控制，比較適合青年人進行操作。為了使老人和孩子也可以進行簡單的操作，本系統(tǒng)還設(shè)計了簡單的遙控器控制，操作非常方便，另外，在系統(tǒng)中加上了語音識別模塊，在家中可以方便的控制家里的一些家用電器，實現(xiàn)家居智能化。智能家居模型系統(tǒng)總控制部

19、分的總體框架如圖3-1所示圖3-1 智能家居模型系統(tǒng)控制部分框架圖3.2.1 控制芯片電路智能家居模型系統(tǒng)控制芯片使用的是ATMEAL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位AVR單片機ATmega128單片機，該單片機的最小系統(tǒng)電路包括：CPU、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路，其電路圖如圖3-2所示。圖3-2 ATmega128單片機最小系統(tǒng)3.2.2 12864液晶顯示模塊電路智能家居模型系統(tǒng)使用一塊12864液晶顯示屏顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從一開始的系統(tǒng)名稱，制作者信息到系統(tǒng)啟動工程中的提示信息，再到每一個傳感器節(jié)點的報警信息都可以一一顯示出來，讓使用者可以實時看到整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。12864液晶顯

20、示屏是一個12864點陣的液晶顯示模塊，該模塊可以顯示漢字和圖形，其內(nèi)置8192個中文漢字、128個字符以及64256點陣顯示RAM?？梢灾苯咏覥PU，提供8位并行接口和串行接口兩種連接方式，本系統(tǒng)采用的是串行連接方式，串行連接方式下的引腳定義如表3-1所示。表3-1 串行方式下12864液晶屏引腳定義引腳號引腳名稱電平狀態(tài)功能1VSS0V電源地2VDD+5V電源正（3.0V5.5V3V0對比度（亮度）調(diào)節(jié)4CSH/L片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時鐘，上升沿時讀取SID數(shù)據(jù)15PSBL串行方式選擇端17RESETH/L復(fù)位端，低電平有效19AVDD背光源

21、電壓+5V20KVSS背光源負端0V12864液晶顯示模塊與單片機的鏈接方式分為串行連接和并行連接兩種方式，本系統(tǒng)使用的是串行連接方式，編程時需要將15號PSB引腳設(shè)置為低電平，液晶顯示屏與單片機的連接電路如圖3-3所示。圖3-3 12864液晶顯示屏電路圖3.2.3 SYN6288語音模塊電路在智能家居模型系統(tǒng)中采用了SYN6288語音模塊，語音模塊會將系統(tǒng)啟動的信息以及各個傳感器節(jié)點的報警信息合成為語音信息播報出來，報警信息合成后會發(fā)出響亮的報警聲。SYN6288語音合成模塊是一款性價比比較高的，效果比較自然的一款中高端語音合成芯片。通過一部串口接收待合成的文本，實現(xiàn)文本轉(zhuǎn)換成語音的功能。

22、它的特點是體積小、硬件接口簡單、性價比極高，另外，SYN6288語音合成模塊對文本的識別比較智能，能智能識別多音字、電話、年份等特殊字符，語音合成效果自然流暢。SYN6288語音合成模塊電路圖如圖3-4所示。圖3-4 SYN6288語音模塊電路圖3.2.4 CC1101無線模塊CC1101無線收發(fā)模塊使用的是TI公式生產(chǎn)的CC1101低功耗的無線通信芯片，發(fā)射功率可調(diào)，最大發(fā)射功率10mW。該模塊工作于433MHz頻段，該頻段為免費ISM頻段。模塊式基于FSK的調(diào)制方式，采用高效的前向糾錯編碼技術(shù)和信道交織編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抵抗隨機干擾和抗突發(fā)干擾的能力，在信道誤碼率為10-2時，可以得到的

23、實際誤碼率為10-510-6。在直線可視情況下，天線的放置高度大于2米，9600bps可靠傳輸距離大于100米，1200bps傳輸距離最大可以達到200米。模塊還提供透明的數(shù)據(jù)傳輸接口，能適應(yīng)任何標準的或者非標準的用戶協(xié)議，可以自動過濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)，使用非常方便。CC1101無線模塊目前支持三種接口，分別是TTL接口、485接口和USB接口，可以直接連接到單片機，、串行口232/485設(shè)備以及PC上。本系統(tǒng)使用的是串行口的連接方式，將CC1101無線模塊連接在主控芯片和各個傳感器節(jié)點模塊上。CC1101無線模塊的引腳定義如表3-2所示。表3-2 CC1101無線模塊引腳定義引腳標號引腳定

24、義說明連接方式1SLEEP休眠此功能暫不具備2RESET復(fù)位引腳可不連3VCC電源正極2.7V5.5V之間4RXD數(shù)據(jù)輸入串口數(shù)據(jù)輸入5TXD數(shù)據(jù)輸出串口數(shù)據(jù)輸出6GND電源負極GND在本系統(tǒng)中，CC1101無線模塊的作用是將各個傳感器節(jié)點采集到的報警信息通過無線信道發(fā)送出去，然后連接在主控芯片上的無線模塊接收到報警信號后，向GSM模塊、12864模塊、SYN6288模塊等發(fā)送報警信息?；蛘咧骺匦酒盏接蒅SM模塊或者藍牙模塊發(fā)送的控制信號后，主控芯片通過無線模塊控制LED節(jié)點和繼電器節(jié)點來控制LED的亮滅以及小風(fēng)扇的開和關(guān)，用來模擬家用電器的控制。3.2.5 GSM模塊TC35模塊是由德國西

25、門子公司生產(chǎn)的新一代的無線通信GSM模塊。帶有RS232通訊接口，可以非常方便地與PC機、單片機通訊?？梢詫崿F(xiàn)非常快速、安全、可靠的數(shù)據(jù)、語音傳輸、傳真以及短消息服務(wù)。TC35模塊的正常工作電壓為3.3V5.5V，能在900MHz和1800MHz兩個頻段，功耗分別為2W和1W。模塊支持AT命令接口，支持文本和PDU格式的短消息等，模塊還支持2400bps、4800bps、9600bps的非透明傳輸模式。另外，TC35模塊還有電話簿功能、多方通話功能、漫游檢測功能，常用的工作模式有等電模式、IDLE模式、TALK模式等。TC35模塊通過使用獨特的40引腳ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接指令、語音信號、

26、數(shù)據(jù)以及控制信號的雙向傳輸。通過ZIF連接器以及50歐姆天線連接器，可以分別連接SIM卡的支架和天線。TC35模塊設(shè)計小巧、功耗較低，主要由GSM基帶處理器、GSM無線模塊、閃存、電源模塊、天線接口以及ZIF連接器六部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-5所示。作為TC35的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)部的數(shù)據(jù)和語音信號，并且涵蓋了蜂窩射頻通信設(shè)備中的所有的模擬功能和數(shù)字功能。在不用外部硬件電路的支持下，可以使用FR、EFR和HR語音通道的編碼。圖3-5 TC35模塊結(jié)構(gòu)框圖3.2.6 藍牙模塊藍牙模塊指的是集成了藍牙功能的芯片的基本電路板，可以用于無線通訊網(wǎng)絡(luò)。藍牙模塊大致可以分為數(shù)據(jù)傳輸模塊

27、和遠程控制模塊等。對于用戶本身來說，藍牙模塊只是半成品，藍牙適配器才是成品。常見的藍牙適配器一般是用于傳輸數(shù)據(jù)。藍牙模塊根據(jù)它的協(xié)議可以分為1.1版、1.2版、2.0版、3.0版和4.0版，通常后者是可以兼容前者的。藍牙技術(shù)作為可以取代數(shù)據(jù)型電纜的一種短距離無線通信技術(shù)，可以支持點對點和點對多的通信。藍牙模塊的接口分為串行接口、數(shù)字型I/O接口、模擬型I/O接口、USB接口、SPI編程接口以及語音接口。目前市場上比較常見的藍牙模塊都是使用串行接口，便于系統(tǒng)的調(diào)試等工作。在本系統(tǒng)中，藍牙模塊的主要作用是接收來自手機端的布防、撤防、燈光亮度、風(fēng)扇開關(guān)等命令，接收到這些命令后，藍牙模塊先傳給主控芯片

28、，主控芯片通過CC1101無線模塊將藍牙模塊接收到的信息發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點，相應(yīng)的節(jié)點收到信息后作出相應(yīng)的反應(yīng)。3.3 傳感器節(jié)點部分電路傳感器節(jié)點部分也是整個系統(tǒng)的一個重要組成部分，它需要采集的是各個節(jié)點的報警信號，以及控制每一個節(jié)點上面所連接的一些用電設(shè)備，所以傳感器節(jié)點的穩(wěn)定性與可靠性是尤為重要的。本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega16單片機，ATmega16單片機雖然較ATmega128單片機功能少，但是作為傳感器節(jié)點是完全夠用的。傳感器節(jié)點主要是由ATmega16單片機最小系統(tǒng)、傳感器接口、CC1101無線模塊接口、電源模塊組成。傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所

29、示。圖3-6 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖3.3.1 傳感器節(jié)點控制芯片電路傳感器節(jié)點控制芯片是ATmega16單片機，它是基于增強型的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位微控制器。由于其擁有先進的指令集和單時鐘周期，ATmega16單片機的數(shù)據(jù)吞吐率可以高達1MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)系統(tǒng)在處理速度和功耗問題之間的矛盾。該單片機的最小系統(tǒng)電路包括：CPU、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路，其電路圖如圖3-7所示。圖3-7 ATmega16最小系統(tǒng)電路圖3.3.2 紅外檢測傳感器電路在智能家居模型系統(tǒng)中，門窗的報警信號是非常重要的，本系統(tǒng)所采用的傳感器是利用紅外線反射原理，利用紅外線在不同的物體表面上具

30、有不同的反射特性。紅外檢測傳感器電路如圖3-8所示。當該節(jié)點接通電源后，TCRT5000紅外檢測模塊開始工作，當紅外光遇到不吸收紅外光的東西時會發(fā)生漫反射，這樣反射的光就會被紅外接收管接收到，而如果遇到黑色的介質(zhì)或者沒有介質(zhì)反射紅外光時，接收管不會收到發(fā)射的紅外信號。圖3-8 紅外檢測傳感器電路圖如圖3-8所示，當有介發(fā)射管發(fā)出的紅外光反射回來時，紅外接收管就會接收到紅外信號，此時電阻R1電平會被拉低，然后再經(jīng)過LM393電壓比較后輸出低電平，當紅外光沒有被發(fā)射回來時，經(jīng)過LM393電壓比較器后就會輸出高電平。通過調(diào)節(jié)電阻R1的阻值大小來調(diào)節(jié)紅外傳感器的靈敏度，LM393同相輸入端的電壓就會有

31、所改變，比較器的閾值電壓就會有所改變，從而達到檢測門窗的效果。單片機只需要時時檢測電壓比較器的輸出引腳電平即可。3.3.3 火焰?zhèn)鞲衅鳈z測電路目前，市場上的檢測火警的報警器一般是利用煙霧傳感器加上溫度傳感器來判斷是否有險情，但是往往不能檢測到明火的險情，如果發(fā)生火災(zāi)，不能及時將報警信息發(fā)送出去，對人的生命和財產(chǎn)安全造成危害。本系統(tǒng)中采用的JNHB1004火焰?zhèn)鞲衅?，當傳感器周圍有火源產(chǎn)生時，火焰?zhèn)鞲衅鲿綔y到空氣中紅外線強度的變化，如圖3-9所示，這時IS1上面的電阻值會變小，相應(yīng)的，電壓比較器反相輸入端的電壓會降低，從而使得輸出端產(chǎn)生高電平。相反，當沒有火情時，就會產(chǎn)生低電平，這樣就達到了檢

32、測明火危險的作用。圖3-9 火焰?zhèn)鞲衅麟娐穲D3.3.4 煙霧傳感器電路雖然有了火焰?zhèn)鞲衅鳎菬熿F傳感器也是必不可少的，它可以檢測到家里的煤氣情況，將火災(zāi)危險消滅在萌芽狀態(tài)。煙霧傳感器的電路圖如圖3-10所示。圖3-10 煙霧傳感器電路圖3.3.5 電源模塊電路電源模塊采用低壓降的三端線性穩(wěn)壓芯片78M05，外部輸入電壓為兩節(jié)18650點出串聯(lián)，輸入電壓在7.2V左右，最后得到的輸出電壓為5V，用來給單片機和各個模塊供電。其電路圖如圖3-11所示，其中電容C6和C7是為了濾除低頻雜波，電容C3和C4是為了濾除高頻雜波，最終得到穩(wěn)定的直流電源。圖3-11 電源模塊電路3.4 本章小結(jié)本章是智能家

33、居模型系統(tǒng)硬件設(shè)計部分，主要對智能家居模型系統(tǒng)的主控制部分、傳感器節(jié)點部分和功能子模塊的硬件設(shè)計電路和各個接口做以分析，詳細介紹了各個模塊的原理、組成部分、電路設(shè)計以及每一個接口的引腳定義等，設(shè)計并完成了各個部分的硬件設(shè)施，為軟件程序的編寫打好堅實的基礎(chǔ)。第四章 智能家居模型系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 引言在智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計中，嵌入式硬件平臺是非常重要的，但是整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計也是必不可少的，有了軟件的支持，整個嵌入式系統(tǒng)才能有條不紊地運行。在整個系統(tǒng)的制作過程中，主要用的的軟件有三款：ICCAVR編程軟件、App Inventor在線編譯器、Altium Designer硬件板卡設(shè)計軟件。下面將

34、對這三款軟件以及軟件在智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計工作中的應(yīng)用做以介紹。4.2 ICCAVR編譯軟件ICCAVR是ATMEL公司推出的一款用于程序開發(fā)的C語言編譯器，它是用符合ANSI標準的C語言來開發(fā)單片機程序的一個編譯工具，功能齊全、使用方便、技術(shù)支持比較全面。它主要有以下幾個特點：（1） ICCAVR綜合了工程管理器與編譯器的集成工作環(huán)境；（2） ICCAVR是一個純32位的程序，支持長的文件名，可以在WIN95、WIN98、WIN ME、WIN NT、WIN2000、WIN XP以及WIN 7環(huán)境下運行；（3） ICCAVR的工程管理器可以直接生成.hex格式的文件，支持大多數(shù)編程器；（4）

35、源文件會被全部組織到工程中去，整個文件的編輯和工程結(jié)構(gòu)的構(gòu)建都在這個環(huán)境中完成，如果有語法錯誤，點擊編譯錯誤時，可以自動跳轉(zhuǎn)到錯誤處。ICCAVR編譯器在這個系統(tǒng)中的工作是完成系統(tǒng)中所有單片機的程序，包括主控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)、各個節(jié)點的信號采集等。4.2.1 智能家居模型系統(tǒng)控制部分軟件架構(gòu)智能家居模型系統(tǒng)控制部分的軟件架構(gòu)如圖4-1所示，圖中給出了智能家居模型系統(tǒng)控制部分的工作流程。在給系統(tǒng)通電后，系統(tǒng)會進行自檢，自檢的項目包括每一個傳感器節(jié)點是否有報警信號、GSM模塊是否正常工作等，系統(tǒng)完成自檢后，會提示進入自動選擇布防狀態(tài)，五秒鐘后系統(tǒng)自動進入布防狀態(tài)。進入布防狀態(tài)后，開始檢測各個傳感器節(jié)

36、點、GSM模塊、藍牙模塊等信息，如果發(fā)現(xiàn)報警信號，馬上顯示報警信息，語音播報報警信號并向遠程發(fā)送報警短信等。圖4-1 智能家居模型系統(tǒng)控制部分軟件架構(gòu)圖在布防的情況下，如果系統(tǒng)接收到報警信號，系統(tǒng)會根據(jù)不同的報警信號給指定的手機發(fā)送報警信息。如果系統(tǒng)接收到短信或者手機軟件發(fā)出的信號也會有相應(yīng)的反饋信息。4.2.2 傳感器節(jié)點報警信號的采集在系統(tǒng)進入布防狀態(tài)后，包括門節(jié)點、窗戶節(jié)點、室內(nèi)節(jié)點、車庫門節(jié)點和火焰檢測節(jié)點都將進入監(jiān)控狀態(tài)，系統(tǒng)需要將每一個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)每個節(jié)點的不同狀態(tài)發(fā)送不同的報警信息。系統(tǒng)接到控制短信或者接到手機軟件發(fā)送的控制命令后，會通過無線模塊傳送給受控節(jié)點，受控節(jié)

37、點根據(jù)發(fā)送的信息作出相應(yīng)的操作。下面給出傳感器節(jié)點信號采集部分程序，并簡單地做以解釋。void sensor() DDRA&=BIT(0); /PA0口設(shè)為輸入狀態(tài)，用來接收傳感器返回的信號 PORTA|=BIT(0); /PA0為帶上拉的輸入 if(PINA&0x01)=0x00) /檢測到報警信號 uart_str(房門被闖入！); /發(fā)送“房門被闖入！”的報警信號 shanshuo(2); /發(fā)送完成，LED指示燈閃爍兩下 while(PINA&0x01)=0x00); /等待報警信號解除，防止報警信號堆積 shanshuo(1); /解除后，LED指示燈閃爍一下4.2.3 傳感器節(jié)點定

38、時器的實現(xiàn)為了能實時了解各個傳感器節(jié)點處于正常的工作狀態(tài)，而沒有癱瘓，在每一個傳感器節(jié)點上都加了一個工作狀態(tài)指示燈，如果指示燈用延時程序?qū)懢蜁绊憘鞲衅鞴?jié)點對傳感器信號的采集，所以采用定時器的方式，每2秒定時器就會觸發(fā)一次中斷，狀態(tài)指示燈閃爍一次，說明節(jié)點處于正常的工作狀態(tài)。下面給出定時器1的部分程序，并簡單做以解釋。#pragma interrupt_handler time1_isr:9 /定時器中斷向量初始化void time1_init() /定時器初始化函數(shù)TCCR1B=0X04;， /設(shè)置定時器分頻因子為256分頻TCNT1H=0X0B; /定時器計數(shù)初值高八位TCNT1L=0XD

39、C; /定時器計數(shù)初值低八位TIMSK|=BIT(2); /定時器溢出中斷使能SREG|=BIT(7); /使能全局中斷void time1_isr() /定時器溢出中斷服務(wù)函數(shù) shanshuo(1); /狀態(tài)指示燈閃爍一次 TCNT1H=0X0B; /重置定時器計數(shù)初值高八位 TCNT1L=0XDC; /重置定時器溢出中斷使能ATmega16單片機的定時器1是一個16位的定時計數(shù)器，TCCR1B寄存器為定時器1的控制寄存器，用來設(shè)置定時器1的分頻因子。TCNT1H和TCNT1L兩個寄存器用來存放定時計數(shù)器的初值，初值可以通過公式4-1和公式4-2得出。TCNT1H是定時計數(shù)器計數(shù)初值高八位

40、，TCNT1L是定時計數(shù)器計數(shù)初值低八位，由傳感器節(jié)點上單片機晶振為8M，分頻因子N為256得出，TCNT1H的十六進制數(shù)為0X0B，TCNT1L的十六進制數(shù)為0XDC，使用時只需將定時器初始化函數(shù)調(diào)用一次就可以了。 (4-1)式中 定時器1計數(shù)初值；單片機外接晶振頻率；定時器1分頻因子。 (4-2)式中 TCNT1H定時計數(shù)器計數(shù)初值高八位；TCNT1L定時計數(shù)器計數(shù)初值低八位。4.2.4 傳感器節(jié)點串口通信的實現(xiàn)串行通信在單片機上起著非常重要的作用，串行通信的使用在現(xiàn)在的單片機以及智能化產(chǎn)品上的地位也是舉足輕重的，這樣就使得單片機通過串行口與其他的單片機、PC機或者智能化產(chǎn)品進行通信變得尤

41、為重要，對單片機串行通信的調(diào)試也就在所難免了。AVR單片機提供的通用同步和異步的串行收發(fā)器，是一個靈敏度非常高的串行收發(fā)設(shè)備。單片機的串行收發(fā)器包括三部分：時鐘發(fā)生器、接收器和發(fā)送器。在使用AVR單片機的串行通信的時候，需要先將串口初始化，用來設(shè)置串口相關(guān)的一些寄存器，通常包括波特率的設(shè)定、幀結(jié)構(gòu)的設(shè)定，根據(jù)需要使能接收器或者發(fā)送器，一般情況下接收器和發(fā)送器需要同時使能。最后開啟串口接收數(shù)據(jù)的中斷就可以了。下面給出單片機串行通信初始化的部分程序，并作以簡單解釋。#pragma interrupt_handler uart_rx:12 /串行口接收中斷向量初始化void uart_init(ui

42、nt baud) /串口初始化函數(shù) UCSRB=0x00; UCSRA=0x00; /控制寄存器清零/選擇UCSRC，異步模式，禁止校驗，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位 UCSRC=(1URSEL)|(0UPM0)|(38; /設(shè)置波特率，波特率高八位 UCSRB=(1TXEN)|(1RXEN)|(1RXCIE); /接收、發(fā)送使能，接收中斷使能 SREG=BIT(7); /全局中斷開放 DDRD|=0X02; /配置TX為輸出在串行口初始化的時候需要設(shè)置串行通信的波特率，只有通信兩端波特率設(shè)置為一樣的，才能進行正常的串口收發(fā)數(shù)據(jù)。在公式4-3和4-4中給出了波特率的計算方法。 (4-3)式中 串行通

43、信波特率；波特率設(shè)置寄存器。 (4-4)式中 波特率設(shè)置寄存器高八位；波特率設(shè)置寄存器低八位。 下面給出單片機串行通信發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的部分程序，并作以簡單解釋。void uart_send(uchar data) /串行口發(fā)送一個字符函數(shù) while(!(UCSRA&(BIT(UDRE); /發(fā)送數(shù)據(jù)開始 UDR=data; /數(shù)據(jù)裝載 while(!(UCSRA&(BIT(TXC); /發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束 UCSRA|=BIT(TXC); /發(fā)送數(shù)據(jù)標志位置位void uart_rx() /串行口接收數(shù)據(jù)函數(shù) UCSRB&=BIT(RXCIE); /串行口接收數(shù)據(jù)開始 rdata=UDR; /

44、接收到的數(shù)據(jù)存入rdata UCSRB|=BIT(RXCIE); /串行口接收數(shù)據(jù)結(jié)束void uart_str(uchar *s) /串行口發(fā)送字符串函數(shù) while(*s) /判斷緩存指針是否為空 uart_send(*s); /發(fā)送一個字符 s+; /指針加一位4.3 App Inventor在線編譯器APP Inventor誕生于Google實驗室，是一款用于開發(fā)基于Android APP的工具軟件，該軟件是由一群Google的工程師和一些敢于挑戰(zhàn)的Google用戶共同參與研發(fā)的，它是一個完全在線的使用瀏覽器開發(fā)的Android開發(fā)環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境拋棄了復(fù)雜的程序代碼，使用堆積木的方式

45、來完成Android程序的開發(fā)。2012年1月1日，Google公司將APP Inventor轉(zhuǎn)交給了麻省理工學(xué)院。2012年3月3日公布開始使用，當時發(fā)布的版本為2.0 beta版，對所有的互聯(lián)網(wǎng)用戶開放使用。2013年年底，又推出了APP Inventor 2.0版本，操作更加方便。這款軟件不一定非要是具有一定研發(fā)經(jīng)驗的開發(fā)人員使用，甚至你根本不需要掌握任何的編程方面的知識，就可以輕松的編出一些簡單的手機軟件。原因是這款軟件已經(jīng)提前將寫軟件的代碼全部編寫完成了，用戶只需要根據(jù)自己的需要，向項目中添加自己想要的服務(wù)選項就可以了，也就是只需要簡單的代碼拼裝過程。APP Inventor所提供的

46、調(diào)試模式也是非常方便的，包括手機在線調(diào)試、APK下載安裝調(diào)試以及模擬器在線調(diào)試，手機在線調(diào)試又分為WiFi調(diào)試和USB調(diào)試，使用起來非常方便。下面給出APP Inventor智能家居模型系統(tǒng)手機軟件部分代碼。代碼如圖4-2所示。圖4-2 智能家居模型系統(tǒng)手機軟件部分代碼4.4 Altium Designer硬件板卡設(shè)計軟件Protel是最早流傳到我國的電子設(shè)計方面的自動化軟件，一直因為簡單易學(xué)深受廣大電子設(shè)計愛好者的青睞。Altium Designer作為Protel系列發(fā)展起來的縣一帶板卡設(shè)計軟件，以WIN XP的界面風(fēng)格為主，另外，Altium公司獨有的DXP技術(shù)平臺也為設(shè)計者提供了所有的

47、工具和編譯器的相容環(huán)境。Altium Designer是一個完整的板卡級設(shè)計軟件，真真正正地實現(xiàn)了一個應(yīng)用程序的集成。該軟件系統(tǒng)的設(shè)計目的就是為了支持整個設(shè)計過程。該軟件充分利用了WIN XP平臺的優(yōu)勢，具有非?？煽康姆€(wěn)定性、超強的圖形功能和用戶界面，設(shè)計者可以選擇最優(yōu)的設(shè)計途徑和工作方式。在智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器節(jié)點模塊是使用Altium Designer軟件設(shè)計制作的，整個模塊包括ATmega16芯片、復(fù)位電路、電源電路、傳感器接口電路、CC1101無線模塊接口電路、狀態(tài)指示燈等部分。整個設(shè)計工作包括原理圖設(shè)計、原理圖的后續(xù)處理、創(chuàng)建元件庫與元件封裝、印制電路板設(shè)計、電路板后期處理

48、、印制電路板等，最終做出了傳感器節(jié)點的硬件板卡。傳感器節(jié)點硬件板卡二維模式如圖4-2所示。圖4-2 傳感器節(jié)點硬件板卡二維模式圖傳感器節(jié)點硬件板卡三維模式如圖4-3所示。圖4-3 傳感器節(jié)點硬件板卡三維模式圖傳感器節(jié)點硬件板卡實物圖（未焊接）如圖4-4所示。圖4-4傳感器節(jié)點硬件板卡實物圖4.5 本章小結(jié)本章是智能家居模型系統(tǒng)軟件設(shè)計部分，主要從ICCAVR編程軟件、App Inventor在線編譯器、Altium Designer硬件板卡設(shè)計軟件三個方面介紹了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計，對其中的一些程序進行了簡單的分析，最終完成了智能家居模型系統(tǒng)軟件部分的編寫，為整個系統(tǒng)最終的調(diào)試做準備。第五章 智

49、能家居模型系統(tǒng)功能測試5.1 引言整個智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計完成后能不能穩(wěn)定運行，是智能家居控制系統(tǒng)正常工作的基本條件，在硬件制作與軟件編寫完成后，對系統(tǒng)進行整體測試時至關(guān)重要的。本章將從系統(tǒng)的運行狀態(tài)、報警功能、手機軟件連接、系統(tǒng)遠程控制四個方面進行相關(guān)的測試，得到系統(tǒng)的運行狀態(tài)。5.2 系統(tǒng)運行狀態(tài)測試在智能家居模型系統(tǒng)設(shè)計中使用了一個LCD12864液晶顯示屏，該顯示屏可以實時顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并給出相關(guān)的提示。比如系統(tǒng)的啟動過程、系統(tǒng)的布防狀態(tài)以及系統(tǒng)報警信息的顯示等。圖5-1給出了系統(tǒng)在啟動過程中的顯示內(nèi)容。圖5-1 系統(tǒng)啟動時LCD12864顯示內(nèi)容在系統(tǒng)啟動的的時候，首先會在LCD12864液晶顯示屏第一行顯示“智能家居模型系統(tǒng)”，然后在第四行顯示制作者信息，接下來會在第二行和第三行顯示系統(tǒng)啟動信息，最后自動選擇布防狀態(tài)。當有報警