【智能家居的報警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)6300字（論文）】

緒論隨著中國綜合國力質(zhì)的飛躍，城市環(huán)境水平的提高,越來越多的家庭對所生活的環(huán)境提出了更高標準的要求。一開始，智能家居就被當時技術(shù)與材料局限,束手束腳，舉步維艱。存在著實現(xiàn)困難、操作繁瑣、智能化產(chǎn)業(yè)不發(fā)達、資源成本高和維修不方便等等困難,這些問題都導致智能家居不能順利發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)科學技術(shù)的蒸蒸日上、方興未艾，為智能家居系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了可靠支撐,并帶來了發(fā)展的新可能和新未來。關(guān)于智能家居系統(tǒng)的可行性，經(jīng)歷了一批又一批人的檢驗和更新，進行了很多的測試與研發(fā)，終于可以借助移動終端，安裝對應(yīng)程序，從而達到，用戶可借用互聯(lián)網(wǎng)來對家居設(shè)備進行遠距離監(jiān)測、操控和管理。操作方便、穩(wěn)定性能強、耗電量低、靈活性強等都是其系統(tǒng)的發(fā)展優(yōu)勢。智能家居控制系統(tǒng)是將傳統(tǒng)家電的性能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合。終端控制主要有兩種方案，一是接入互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控與控制，另一種則是使用局域網(wǎng)對家居設(shè)備進行遠距離操控和管理。然后，通過Android系統(tǒng)或是IOS系統(tǒng)將終端軟件應(yīng)用于內(nèi)部系統(tǒng)。即使用戶對于智能家居的操作模式不是很懂，也可以在說明書的指導下順利完成智能家居的使用，且得到良好的操作人員的驗證。三是摒棄以前的專用的遙控方式，采用綜合智能控制的新方式。用戶只需要安裝相應(yīng)的軟件，即可實現(xiàn)對家居設(shè)備的遠距離監(jiān)測、操控和管理。因此，操作簡單方便和資源消耗小成為智能家居控制系統(tǒng)的必備條件，以此提高用戶對于智能化系統(tǒng)的滿意度，并為用戶的生活帶來無限可能。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計經(jīng)分析，本設(shè)計需要由一個設(shè)備端和一個終端控制，借助WIFI模塊雙機通信構(gòu)成。設(shè)備端由主控STM32F103單片機、顯示部分OLED、ESP8266無線傳輸模塊等組成。終端控制包括機智云平臺的客戶端APP和PC端數(shù)據(jù)接入部分。本設(shè)計主要用于對空氣質(zhì)量以及各種成分濃度變化相關(guān)信息的檢測采集，全天侯長距離、遠端監(jiān)控并對室內(nèi)設(shè)備進行操控。以STM32F103單片機為本設(shè)計的控制核心，ESP8266WIFI模塊為最重要的通信介質(zhì)，機智云平臺下一鍵生成的APP作為控制終端。采用12V適配器級聯(lián)LM2596DC-DC降壓電路作為電源模塊,12V適配器給LED燈帶供電，LM2596DC-DC電源模塊在連接5V電壓的過程中相繼給單片機和傳感器傳輸電流。MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-2氣體傳感器以及MQ-135空氣質(zhì)量傳感器分別采集室內(nèi)CO濃度，室內(nèi)CO2濃度和估測室內(nèi)空氣污染度，BMP280氣壓傳感器監(jiān)測室內(nèi)氣體壓強，采用溫濕度傳感器DHT11實時采集室內(nèi)溫、濕度情況，光敏電阻采集空間里的光照情況，通過OLED顯示屏進行全天無間斷地顯示采集到的室內(nèi)信息，通過按鍵設(shè)置室內(nèi)溫濕度，空氣質(zhì)量，一氧化碳濃度等范圍，超出審定的臨界值時，立即聲光報警。在自動模式下，當光照強度超出閾值范圍時，啟動繼電器使LED燈打開，電機轉(zhuǎn)動演示窗簾白天打開和晚上關(guān)閉的情景。在手動模式下，用戶通過安裝APP匹配設(shè)備，掌控家里各類情況，終端設(shè)備可以開閉窗簾和電燈。系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示：圖1系統(tǒng)整體方案框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等都是智能家居設(shè)備的重要組件。本設(shè)計以STM32F103單片機為控制核心，以ESP8266WIFI模塊為通信介質(zhì)，機智云平臺開發(fā)的APP作為控制終端。采用12V適配器級聯(lián)LM2596DC-DC模塊作為電源模塊，12V適配器給LED燈帶供電，LM2596DC-DC模塊供5V電壓給單片機、傳感器、步進電機等模塊供電。采用MQ-2氣體傳感器對于室內(nèi)二氧化碳濃度進行相應(yīng)的監(jiān)測，DHT11傳感器實時采集室內(nèi)溫、濕度數(shù)據(jù)，將采集到的室內(nèi)CO濃度數(shù)據(jù)傳輸給MQ-7傳感器，MQ-135空氣質(zhì)量傳感器監(jiān)測室內(nèi)空氣污染程度，BMP280氣壓傳感器監(jiān)測室內(nèi)氣體壓強，光敏電阻采集居室中光照強度，通過OLED顯示屏進行實時顯示工作環(huán)境的信息變化，通過按鍵設(shè)置室內(nèi)個信息安全范圍，超出設(shè)定臨界值時進行聲光報警。在自動模式下，當光照強度超出閾值范圍時，啟動繼電器使LED燈打開，控制電機轉(zhuǎn)動演示窗簾白天打開和晚上關(guān)閉的情景。在手動模式下，用戶通過安裝APP匹配設(shè)備，掌控家里各類情況。下面的圖2就是對硬件結(jié)構(gòu)的規(guī)劃圖。圖2硬件整體框圖3.1單片機主控電路設(shè)計STM32F103是一款高性能，低功耗，含有足夠使用的I/O端口的32位單片機,它不僅計算水平符合要求，而且在處理芯片上具有高性能內(nèi)核，高工作頻率的特點，加上內(nèi)部置有高速存儲器設(shè)備,在兼容性、擴展性、安全性、集成性、耗電性以及運行速度方面都有較大的優(yōu)勢。該單片機調(diào)試方便，性能優(yōu)勢明顯，價格適中。該芯片在本系統(tǒng)中的功能是：首先，傳感器通過將室內(nèi)獲取的信息傳遞給單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)對傳輸?shù)男畔⑦M行相關(guān)的指令操作，如果該信息的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)在設(shè)置的閾值數(shù)據(jù)之外，將判斷的結(jié)果通過命令控制繼電器做相應(yīng)的操作，并控制蜂鳴器和燈光報警，若接收到的數(shù)據(jù)在設(shè)置閾值控制數(shù)據(jù)之內(nèi)，則不進行報警。以下的圖3和圖4分別是對單片機的電路以及單片機系統(tǒng)進行相關(guān)展示。圖3單片機電路原理圖圖4單片機實物圖3.2LED液晶顯示模塊電路設(shè)計本此顯示模塊采用的是OLED顯示屏，它的規(guī)格為0.96寸，且它是人機交互系統(tǒng)中最重要的組成。傳感器將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行相關(guān)操作，顯示模塊在得到數(shù)據(jù)后，OLED液晶顯示器上的每一點都會保持狀態(tài)和顏色。OLED顯示屏是許多電子設(shè)備的優(yōu)質(zhì)選擇，且內(nèi)部都具有64×64的顯示數(shù)據(jù)RAM，可顯示多種元素，應(yīng)用廣泛，有著廣泛的支持者。下圖的圖5就是對其LED實物圖的展示。由于它的運行操作簡單快捷，因此入門級的用戶也可以快速進行相關(guān)的學習。OLED液晶顯示器與單片機系統(tǒng)是采用兩條物理線路的方式，保持數(shù)據(jù)的連接，從而讓該顯示器在單片機的控制下進行相關(guān)工作,使其全天接收數(shù)據(jù)并顯示信息，LED和單片機之間采用IIC通信，當數(shù)據(jù)線為低電平時，時鐘線由高電平拉為低電平，開始接受單片機發(fā)送來的數(shù)據(jù)。當接受到相應(yīng)數(shù)據(jù)時，等待發(fā)送下一個應(yīng)答信號。其LED液晶屏與單片機通信IIC協(xié)議時序圖可以看下圖6，顯示器電路結(jié)構(gòu)可以看下圖7。圖5LED實物圖圖6液晶屏時序圖圖7LED電路原理圖3.3溫、濕度采集電路設(shè)計采用DHT11型號的溫、濕度傳感器具有可靠性好、立即響應(yīng)、抗外界干擾的優(yōu)勢,并且可以使室內(nèi)采集的數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了應(yīng)用環(huán)境中的實用性。在本方案中，傳感器DHT11接在設(shè)備端，用來檢測工作環(huán)境的變化，將其DATA口與單片機的PB14口相連接，把檢測到的數(shù)據(jù)傳送給單片機，并且通過顯示屏顯示。DHT11與單片機之間的通信方式是單線雙向通信，采用單總線數(shù)據(jù)格式。當單片機發(fā)送起始信號時，DHT11將電平拉高，此時DHT11對其信號進行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集并進行40bit的數(shù)據(jù)傳輸，它是對其單片機的互相數(shù)據(jù)通信，通過將信號的收集結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)，單片機對其獲得的數(shù)據(jù)進行相關(guān)操作。當處于此種模式下，單片機通過發(fā)送相關(guān)的指令，讓DHT11進行其指令的相關(guān)操作，原理圖和時序圖，如圖8和圖9所示：圖8溫濕度采集模塊電路原理圖圖9溫濕度采集時序圖3.4LED燈照明電路的設(shè)計采用12V適配器供電的1.5米長LED燈帶最為智能家居控制系統(tǒng)的照明部分，LED燈帶具有柔軟可根據(jù)需求改變形狀安裝，使用期限久等特點。本設(shè)計中繼電器通過高、低電平觸發(fā)，在本設(shè)計中采用低電平觸發(fā)。將單片機的PB0口與繼電器的IN口相連接。照明的實現(xiàn)由繼電器的開斷來控制。電路原理圖如圖11所示：圖10照明電路接口原理圖3.5ESP8266WIFI模塊電路設(shè)計采用ESP8266WIFI模塊作為系統(tǒng)的無線傳輸模塊，該模塊采用同用的AT指令。該模塊集成了高速的GPIO和外設(shè)接口，其出廠時已默認內(nèi)置AT固件，所以在使用時可直接利用AT指令進行試驗測試。WIFI模塊進行串口通信：GAgents主要采用機智云的組件，并在通信功能中進行相關(guān)工作的固體硬件裝置，該裝置是通過其機智云網(wǎng)站，進行相應(yīng)的模塊下載，以此內(nèi)嵌本模塊中，當進入Alirlink配網(wǎng)模式時，即可進行通信。下圖11就是對其電路連接原理圖的展示。圖11無線傳輸模塊電路原理圖3.6聲光報警電路設(shè)計采用蜂鳴器和LED燈的組合作為聲光報警電路的重要組成部分。當某項指標超出閾值時，通過報警電路發(fā)出有效報警信號(低電平有效)。報警電路接收到高電平的時候，會直接觸發(fā)聲光報警，如圖12所示。該模塊在本設(shè)計中通過PA3口與單片機相連接，其作用是：當各傳感器數(shù)據(jù)在設(shè)定閾值范圍內(nèi)時不作出響應(yīng)；當采集到的數(shù)值超過所設(shè)置的安全范圍，壓電蜂鳴器就會發(fā)出警報，相應(yīng)超出范圍的指標對應(yīng)的LED會發(fā)光，以作警示并提高系統(tǒng)的功能。圖12聲光報警電路原理圖3.7窗簾驅(qū)動電路設(shè)計采用步進電機用來模擬本設(shè)計中的窗簾開閉，其旋轉(zhuǎn)角度和輸入脈沖成正比，同時步進電機轉(zhuǎn)角誤差小，不會產(chǎn)生累計誤差，便于操控。步進電機驅(qū)動模塊由DC5V-12V供電。使用時，只需要通過一個外接腳放大器來放大電流。當給其施加一個控制脈沖時，則相應(yīng)步進電機的某一相的通電狀態(tài)就做出相應(yīng)變化，其相應(yīng)的轉(zhuǎn)子會立即產(chǎn)生一個穩(wěn)定不變的角度。單片機的I/O口PB3、PA15、PA12、PA11分別控制步進電機驅(qū)動的IN4、IN3、IN2、IN1四相。窗簾驅(qū)動電路原理如圖13所示：圖13窗簾驅(qū)動電路原理圖3.8電源供電模塊的設(shè)計供電模塊主要采用的是級聯(lián)LM2596DC-DC模塊，采用的是12V2A電源適配器（Poweradapter）不僅12V2A電源適配器具有穩(wěn)定的電源變換功能，并且能在一定范圍內(nèi)起到保護電路的效果，容易操作;能保持穩(wěn)定地提供5V直流電壓給整個硬件部分供電，可以承受較大電流，并且效率非常高，同時，外圍電路設(shè)計簡單，便于實際操作。綜合考量實際電路需求，由于控制步進電機需要的電流較為苛刻。故本系統(tǒng)使用12V和5V相結(jié)合供電，即使用12V2A電源適配器級聯(lián)LM2596DC-DC電源模塊供電。本降壓電源模塊內(nèi)部保護措施完善。電源穩(wěn)壓電路原理圖，如圖14所示：圖14電源穩(wěn)壓電路原理圖3.9按鍵輸入電路設(shè)計由于本系統(tǒng)需要進行自由的模式切換以及根據(jù)需求設(shè)置并修改閾值，所以在設(shè)計中預留四個外部按鍵連接了復位按鍵。RES、KEY1、KEY2、KEY3分別接到單片機的PA0、PB5、PB8、PB9，單片機通過判斷相應(yīng)引腳上的電平狀態(tài)（低電平即為按下）來判斷是否有按鍵按下。下圖15就是對其模塊的原理繪制。圖15按鍵控制模塊原理圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計上位機終端控制軟件部分在機智云平臺直接填寫基本信息與所需要的數(shù)據(jù)點，確保信息和數(shù)據(jù)點無輸入誤后，即可進入虛擬調(diào)試部分。在ESP8266WIFI模塊中載入固件包作為通訊介質(zhì)。下位機部分采用KeilVision5編譯器完成。當單片機按下配網(wǎng)按鍵時即可進入Alirlink一鍵配網(wǎng)模式，此時終端控制APP可通過WIFI控制或云端遠程控制設(shè)備，并且收集設(shè)備端的數(shù)據(jù)。4.1終端控制機智云配置設(shè)計4.1.1在機智云平臺下錄入基本信息上位機終端控制軟件部分在機智云平臺手動輸入本設(shè)計的信息與數(shù)據(jù)點后，該平臺會主動生成所需的字符串。機智云的數(shù)據(jù)庫具有本設(shè)計唯一的編號，本設(shè)計在過程中將數(shù)據(jù)庫中生成唯一的編號寫入設(shè)備主控單片機后，機智云通過此編號對設(shè)備進行識別，同時對其進行相關(guān)的注冊登錄功能。下圖16就是其操作成功的畫面。圖16基本信息顯示頁面4.1.2在機智云平臺下接入數(shù)據(jù)點結(jié)合硬件，綜合考量軟件所需具備的功能要求。在該平臺數(shù)據(jù)點頁面填寫相應(yīng)的標志名、讀寫類型、數(shù)據(jù)類型，如溫、濕度數(shù)據(jù)點、一氧化碳數(shù)據(jù)點、壓強數(shù)據(jù)點等。最終完成創(chuàng)建。如圖17所示：圖17數(shù)據(jù)點頁面4.1.3啟動調(diào)試虛擬設(shè)備保持設(shè)備登陸的WIFI與手機端連接的WIFI保持一致，虛擬設(shè)備能接收真實設(shè)備檢測到的工作化境的變化，并且顯示模擬接口功能是否正常。如圖18所示：圖18調(diào)試虛擬設(shè)備4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計4.2.1單片機主程序設(shè)計軟件設(shè)計思想是：上電后單片機與各個傳感器等整體系統(tǒng)初始化，讀取各個傳感器信息，當按鍵1按下時進入自動模式，按鍵2按下時進入手動模式。下圖19是對其流程圖的顯示：圖19主程序流程圖智能設(shè)備控制的主要程序代碼如圖20所示。圖20主程序核心代碼4.2.2自動模式主程序設(shè)計本設(shè)計自動模式主程序設(shè)計思想是：各傳感器初始化之后，系統(tǒng)讀取傳感器的初始值，液晶屏不間斷地顯示接受到的數(shù)據(jù)，并且通過連接WIFI或通過云端移動網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至APP，并且單片機判斷傳感器采集到的信息是否大于閾值，若大于閾值則聲光報警，若不超過閾值，則繼續(xù)循環(huán)讀取。模式流程圖和自動模式部分代碼如圖21和圖22所示。圖21自動模式流程圖圖22自動模式部分代碼4.2.3手動模式主程序設(shè)計本設(shè)計手動模式主程序設(shè)計思想是：各傳感器初始化，通過按鍵手動設(shè)置傳感器的閾值，OLED液晶屏實時顯示傳感器數(shù)據(jù)，并且通過借助WIFI局域網(wǎng)或云端移動網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至APP，并且單片機判斷傳感器采集到的信息是否大于按鍵設(shè)置的閾值，若大于閾值則聲光報警，若不大于傳感器閾值，繼續(xù)循環(huán)讀取。手動模式的流程圖和代碼如圖23和圖24所示。圖23手動模式流程圖圖24手動動模式部分代碼4.2.4一鍵配網(wǎng)模式軟件設(shè)計本設(shè)計設(shè)備端單片機與終端APP通信設(shè)計思想是：首先將機智云平臺的固件包嵌入到ESP8266WIFI模塊中，手機端連接路由器網(wǎng)絡(luò)，單片機與WIFI模塊進行串口通信，當設(shè)備端的按鍵4被按下時，單片機通過串口發(fā)送指令進入Alirlink模式，ESP8066接收到單片機發(fā)來的指令時，自動連接到路由器，并且向機智云平臺下的APP發(fā)送配置成功包，APP同時向ESP8266WIFI模塊發(fā)送UDP包。配網(wǎng)流程如圖25所示：設(shè)備配網(wǎng)部分代碼如圖26所示：圖25一鍵配網(wǎng)流程圖圖26備配網(wǎng)部分代碼

總結(jié)本次設(shè)計借助多種傳感器對室內(nèi)情況進行多點采集，并將采到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到控制終端，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)控。確保硬件部分和軟件部分所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)值準確且保持一致，并且與相應(yīng)模式下設(shè)置的臨界數(shù)值分析比較，只要超出臨界數(shù)值，借助蜂鳴器和燈光發(fā)出報警信號，告知用戶危險情況，做到消除安全隱患。同時，做到使用APP終端操控窗簾和照明燈的開閉。APP顯示頁面簡化，提供自動、手動、一鍵配網(wǎng)三種功能供用戶選擇，操作簡單易學。本次設(shè)計符合現(xiàn)代社會發(fā)展需求，用現(xiàn)代電子技術(shù)將傳統(tǒng)的家居設(shè)備智能化，