1、1 課題背景及意義12 家居智能安全系統(tǒng)方案的確定32.1有害氣體檢測方案選擇32.2火災(zāi)情況檢測方案選擇42.3非法入侵檢測方案選擇42.4遠程控制方案選擇52.5傳感器信息采集方案選擇63 基于AT89552的系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1 硬件設(shè)計總體思路73.2 檢測模塊與主機之間的信息傳輸部分73.3 GSM遠程控制部分84 不足與展望8 1 課題背景及意義 隨著社會的發(fā)展,人們?yōu)榱颂岣呱钯|(zhì)量,廣泛的應(yīng)用著各種能源"比如會用到燃氣、電、水等"這些東西給人們帶來方便的同時,也存在一定的安全隱患,可能會漏氣、漏水、失火等,給家?guī)砭薮鬄?zāi)難,這結(jié)合前面分析的家中無人或只有老人,

2、就對家居的智能安全提出較高要求。"智能家居最早追溯到20世紀(jì)80年代的美國,智能家居的發(fā)展與計算機技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展密不可分"，早期人們利用電子技術(shù),設(shè)計的家居自動控制電路,如門鈴控制等;隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用,人們逐漸利用單片機等設(shè)計程序化的家居控制;近年來隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人們又開始探索使用無線傳感器和移動通信網(wǎng)絡(luò),進行智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計,并取得了一定效果"80年代末,美國人利用CAN總線技術(shù),設(shè)計了smarthome智能家居模型。智能家居的發(fā)展,不僅是控制手段的發(fā)展,更與控制內(nèi)容的擴展密不可分"早期有些國家

3、做智能家居,主要控制水表、電表、天然氣表的數(shù)據(jù)測量等基本家居數(shù)據(jù)"好一些的家居控制系統(tǒng),還把樓宇對講系統(tǒng)、小區(qū)攝像頭!家用電器等的安全納入控制范圍,但是這些原始控制手段,布線麻煩,成本較高,未能有效的推廣"隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)!通信技術(shù)的發(fā)展,計算機網(wǎng)絡(luò)!有線電視!數(shù)字電視!移動電話等逐步普及,人們的家居結(jié)構(gòu)也發(fā)生了潛移默化的變化,與之相對應(yīng)的智能化家居控制系統(tǒng)開始起步,但是只是控制內(nèi)容的豐富,而控制手段并未有較大的創(chuàng)新性提高。如今人們對智能家居的定義更加有層次性,整個智能家居系統(tǒng)可參考人體生理特征進行模塊化分層,首先是智能控制系統(tǒng),類似于人體大腦,這部分系統(tǒng)主要控制人們家庭內(nèi)部的

4、各類硬件設(shè)備,如微波爐!冰箱!空調(diào)等家用電器,水管!天然氣!暖氣等管道系統(tǒng),有線電視!計算機!電話等數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)"其次就是家居的安防系統(tǒng),他類似于人體的眼睛等,通過攝像頭!樓宇對講機、無線通訊網(wǎng)絡(luò)或計算機網(wǎng)絡(luò),將家庭內(nèi)部與外部實時聯(lián)系在一起,保證整套家居系統(tǒng)的安全性"如果說內(nèi)部系統(tǒng)式家居生活的實用性,外部系統(tǒng)式家居生活的安全性,那么整套家居智能系統(tǒng),則是家居生活的舒適性"因此,如何將家居的內(nèi)部與外部!硬件與軟件有機的捏合在一起,始終是各類智能家居系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)?，F(xiàn)代智能家居系統(tǒng)根據(jù)硬件的分布,大體可分為以下幾個部分:監(jiān)測系統(tǒng):如今我國的新建小區(qū)都裝備了攝像頭等監(jiān)控

5、設(shè)備,高檔小區(qū)特別是別墅更是裝備了視頻采集設(shè)備,樓宇對講門不是傳統(tǒng)的按鍵與電話掛機,而是在樓宇門口設(shè)置了隱形攝像頭,主人可以通過攝像頭,在室內(nèi)的LED顯示屏上,一目了然的看到來訪客人的情況,極大的提高了樓宇安防性。防盜系統(tǒng):從90年代開始,人們逐漸重視家庭的防盜,早期人們主要是在門窗加裝防盜窗,后期逐漸的在門窗安裝報警器,現(xiàn)在人們逐漸將門窗安防設(shè)計的更隱蔽更精準(zhǔn),采用攝像頭與自動報警組合方式,能夠同時將防盜信息儲存并傳遞給保安人員。室內(nèi)應(yīng)用系統(tǒng):過去人們的家庭電氣,除了燈光照明,幾乎就沒什么東西了。而如今各類家居設(shè)備幾乎都能實現(xiàn)自動化,隨之帶來的是大量的控制要求,如天然氣泄露報警裝置、太陽能自

6、動上水裝置!空調(diào)自動預(yù)熱裝置等等,還有有線電視、數(shù)字電視、家庭互聯(lián)網(wǎng)等通訊設(shè)備。人們在享受科技發(fā)展帶來的便捷與舒適的同時,也埋下了無數(shù)的安全隱患,如何對這些繁多的家庭室內(nèi)設(shè)備進行安全控制,是家居安全智能系統(tǒng)的最大目標(biāo)"科技發(fā)展是社會發(fā)展的大勢所趨,而享受科技發(fā)展帶來的優(yōu)越性和舒適性,更是普通大眾的內(nèi)在追求"家居的安全性關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)安全,特別是隨著人們安全意思的加強,人們對家居的安全要求更高"而我國社會發(fā)展逐漸進入老齡化,人們的生活節(jié)奏又在不斷加快,智能家居安全系統(tǒng)具有巨大的市場前景。 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們生活水平不斷提高,我們的生活質(zhì)量也得到了極大

7、的改善,尤其是煤氣的普及使生產(chǎn)效率!市民的生活質(zhì)量得到大幅提升,然而使用燃氣的過程中,因燃氣泄漏!廢氣等原因造成的燃氣爆炸、中毒、火災(zāi)等意外事故時有發(fā)生,給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的威脅，因此居家安全問題就受到了社會各界的廣泛關(guān)注,其中,防煤氣泄漏、防火、防盜以及節(jié)能的關(guān)注程度較高,我們就是針對這些問題設(shè)計了一套家居智能安全系統(tǒng)。2 家居智能安全系統(tǒng)方案的確定 本課題要解決的內(nèi)容已在前面一一做了介紹,本文對系統(tǒng)的描述主要從如圖2.1的幾個方面 入手,本章對系統(tǒng)方案的不同內(nèi)容的各種方案進行分析比較,最終確定一個具體方案,以便以后的硬件、軟件設(shè)計。圖2.1系統(tǒng)方案路線圖2.1有害氣體檢測方案

8、選擇 雖說市場上檢測有毒有害氣體的傳感器有很多種,但是家居中有毒有害氣體事故主要指一氧化碳中毒、液化石油氣管道煤氣!天然氣中毒,前者多見于冬天用煤爐取暖,門窗緊閉,排煙不良時,后者常見于液化灶具漏泄或煤氣管道漏泄等,結(jié)合這個特點本系統(tǒng)選取氣體傳感器MQ一5,該傳感器對天然氣!液化氣!煤氣都有較好的靈敏度"將MQ一5傳感器配合一定的電路做成采集模塊,如果室內(nèi)發(fā)生這些氣體泄漏并達到一定濃度,信號采集模塊就能發(fā)出報警信號。2.2火災(zāi)情況檢測方案選擇 火災(zāi)檢測是家居安全的重點檢測對象,無論是市面上的火災(zāi)報警器還是現(xiàn)在智能家居中的火災(zāi)檢測多數(shù)采用遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鱽韺崿F(xiàn),它主要用來探測家居中是否

9、存在明火,它的工作原理為:當(dāng)家居中發(fā)現(xiàn)火焰時,火焰能夠發(fā)出的波長在700一1000納米之間紅外線,而這種傳感器就能對波長在700一1000納米的紅外線做出反映,即該傳感器就能檢測出來信號并且發(fā)出報警"當(dāng)火焰發(fā)出的波長在880納米時,傳感器得到的信號最強烈"并且該類傳感器的工作輻射角度為60度,即圍繞火焰?zhèn)鞲衅鞯妮S線600的圓錐立體空間內(nèi)的火焰信號,可以被傳感器檢測到,這樣就限制了此類傳感器的作業(yè)范圍,同時一這類傳感器不適合在有明火的地方使用,比如用在廚房,做飯的時候可能會產(chǎn)生誤動作,由于紅外傳感器的局限性,結(jié)合每次火災(zāi)的發(fā)生前!中都會產(chǎn)生很多有害煙霧和很高的溫度,本系統(tǒng)選用

10、MQ-2煙霧傳感器和溫度傳感器來共同檢測"距消防部門統(tǒng)計,火災(zāi)中遇難的大部分人都是由于吸入有害煙霧的造成的,因此本系統(tǒng)特專門選用對煙霧比較敏感的MQ-2煙霧傳感器來實現(xiàn)對煙霧的檢測"在本系統(tǒng)中的溫度檢測并不是想知道具體的溫度是多少,而是想知道溫度是否達到上限值,對溫度的檢測采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻來實現(xiàn)"在這個部分中兩個傳感器同時檢測,任何一個傳感器的相應(yīng)都會引發(fā)報警,同時安防主機也可根據(jù)不同的響應(yīng)信號,來執(zhí)行不同的動作。2.3非法入侵檢測方案選擇 非法入侵的檢測方法比較多,有熱釋電技術(shù)的,有紅外對管的,也有門磁窗磁的"熱釋電技術(shù)用起來比較方便,但是結(jié)合

11、現(xiàn)在家居的特點,我們正在進入老齡化社會,寵物可能成為老人的精神寄托,家居中的寵物也會越來越多,寵物與人一樣會向外輻射紅外線,這樣會使檢測模塊造成誤動作"紅外對管檢測也比較成熟但是傳感器容易被發(fā)現(xiàn),并且一旦被發(fā)現(xiàn),傳感器形同虛設(shè),并且對裝修過的房子安裝起來不太方便"還有門磁窗磁對傳感器,一般的講,不管是合法還是非法手段,只要想進入室內(nèi)都得經(jīng)過門或者窗戶,因此這部分的檢測還可以從門窗上下手,只要有人不正常開門就會產(chǎn)生報警信號,本系統(tǒng)就采用這種方式檢測,常用的檢測方法是通過光電開關(guān)檢測或者磁開關(guān)檢測,兩種方法相比光電檢測的成本較高,月.需用電較多,因此本系統(tǒng)選用磁性器件干簧管做的

12、門磁窗磁開關(guān)來實現(xiàn)檢測,可將門磁!窗磁開關(guān)裝在門窗上,當(dāng)門窗被打開時,使干簧管所處的磁場發(fā)生變化,使門!窗磁做出反應(yīng)產(chǎn)生信號,實現(xiàn)報警。2.4遠程控制方案選擇 GSM移動通信技術(shù)與當(dāng)前的3G移動通信技術(shù)相比,GSM通信應(yīng)用更加廣泛,美國!歐洲!日韓等國家的2G移動通信都采用GSM通信標(biāo)準(zhǔn)"GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性能相當(dāng)好,因此家居智能安全控制系統(tǒng)的研發(fā)探索使用GSM移動通信技術(shù),將家居智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號,通過GSM信息平臺,將各類家居報警信息通過移動電話或短信息的形式傳送者終端客戶"GSM技術(shù)的家居智能系統(tǒng),能夠不受網(wǎng)絡(luò)的限制,可以實現(xiàn)隨時隨地的接受報警信息,而且接收終

13、端只是一部普通手機,再據(jù)不完全統(tǒng)計,我國的手機用戶己達到9.2億,從這點來說大大降低了整套智能系統(tǒng)的成本和使用成本"GSM通信技術(shù)智能家居控制的原理如圖2.3所示2.2 GSM通信技術(shù)智能家居控制的原理如圖GSM移動通信有著很強的優(yōu)勢:(1)可以實現(xiàn)實時通信:根據(jù)不完全統(tǒng)計全國沒有手機用戶己達到9.2億,并且所有的手機都支持2G的GSM通信,這一點是網(wǎng)絡(luò)用戶與固定電話用戶所沒有辦法比的。(2)成本較低:大家都有手機這不需要另外配置設(shè)備,平時不需要任何費用只有在報警時出條短信息費用就行,而網(wǎng)絡(luò)與固定電話用戶少,就需要另外開通網(wǎng)絡(luò)或配置固定電話機,這個資源屬于應(yīng)急應(yīng)用,可能多少年都不用一

14、次,突然發(fā)生報警刁-會用,顯然這樣的造成了資源種浪費。(3)報警準(zhǔn)確且可備查:GSM報警可以通過短信息報警,這樣可以將報警信息表達的更準(zhǔn)確,并且手機中的短信息可以自動保存,如果只是電話報警,可能由于環(huán)境等因素影響接收信息,一旦沒有聽清楚,就與沒有報警一樣,而短信息可一遍遍的仔細研究。2.5傳感器信息采集方案選擇 單片機充分利用大規(guī)模集成電路技術(shù),將計算機系統(tǒng)的存儲器、緩存器、計算器、計數(shù)器等簡化,并集成到一塊電路板上,極大的減小了微型計算機的空間和體積,降低了微型計算機的成本,廣泛的應(yīng)用在各類簡易智能控制設(shè)備上"概括的講:一塊芯片就成了一臺計算機"單片機是靠程序運行的,并且

15、通過修改,讓不同的程序去完成不同的功能"電壓比較器能夠通過比較輸入與確定的標(biāo)準(zhǔn)電壓,輸出高低兩種信號模式,所以可以根據(jù)單片機的特點,可設(shè)計控制系統(tǒng)框架如圖2.32.3控制系統(tǒng)框架3 基于AT89552的系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 硬件設(shè)計總體思路 本課題的家居智能安全系統(tǒng)采用AT89552單片機為主控制芯片,將有毒有害氣體檢測檢測部分、火災(zāi)檢測部分、非法入侵檢測部分等部分有機的組合在一起,有危險信號時利用TC35i模塊,通過GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主機與家居主人的通信整個家居智能安全系統(tǒng)的硬件構(gòu)造 如圖3.1所示。圖3.1智能家居安全系統(tǒng)硬件構(gòu)造圖3.2 檢測模塊與主機之間的信息傳輸部分 為了

16、保證家居安全,系統(tǒng)中會采用很多的檢測模塊,這些檢測模塊并不可能與主機都同在一處,它們之間的信息傳遞,可以用有線也可以用無線,有線通信更加可靠,無線通信的方式更加靈活,關(guān)鍵就是無線方式在使用!安裝等過程中都很方便,是系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展趨勢"在本系統(tǒng)中采用了有線與無線相結(jié)合的方式,能允許的情況一F,能采用有線就采用有線,畢竟更加可靠,不方便時也可采用無線方式"本系統(tǒng)的無線方式是通過無線編碼芯片SC2262與無線解碼芯片SC2272來實現(xiàn)的.3.3 GSM遠程控制部分 GSMGPRS通信部分采用SIMCOM公司的 SIM900A模塊來實現(xiàn)，SIMg00A是一個專門為中國大 陸市場設(shè)計

17、的雙頻GSMGPRS模塊，工作頻段為： EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。SIM900A支持 GPRS multislot class 10class 8(可選)和GPRS編碼 格式CS_1，CS_2，Cs-3和CS_4。模塊尺寸只有 24 mm×24 mm×3 mm，幾乎可以滿足所有用戶應(yīng)用 中的對空間尺寸的要求，例如M2M，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。 具有68個貼片引腳，鍵盤和SPI接口，音頻輸入和輸 出，可編程GPIO等。SIMg00A采用省電技術(shù)設(shè)計，在 SLEEP模式下電流只有1。0 mA。其內(nèi)嵌TCPIP協(xié) 議，在數(shù)據(jù)傳輸方面非常有用。 GSMGPRS

18、通信電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，由天線、天 線阻抗匹配電路、SIM卡電路、ESD靜電保護電路和電 源控制器組成。其中，SIM900A通過其串口1與 STM32F103的串口0進行數(shù)據(jù)通信；電源控制部分通過 STM32F103的GPIO來控制IRFR9024芯片(N構(gòu)造 MOSFET)使能，控制系統(tǒng)適時進入休眠模式，關(guān)斷 SIM900A電源來降低功耗；ESD靜電防護采用SMF05C 芯片進行SIM卡數(shù)據(jù)保護；阻抗匹配電路利用APPCAD 仿真軟件進行5Q傳輸線匹配，保證信號強度。4 不足與展望 現(xiàn)在智能家居系統(tǒng)中的無線技術(shù)控制距離方面還有些不足,它并不適用于別墅區(qū),那地方太大,無線信息傳遞不過去"相信隨著技術(shù)的發(fā)展,無線的應(yīng)用距離會更遠,畢竟無線技術(shù)是發(fā)展的趨勢"同時由于GSM技術(shù)方便應(yīng)用,也必將會在智能家居的控制系統(tǒng)中大放異彩。 根據(jù)我國目前的人民生活水平和科技發(fā)展水平,可以推斷智能家居市場的未來發(fā)展,主要有以下趨勢:(l)控制內(nèi)容越來越多，整個系統(tǒng)也會越來越向