智慧家居生活Samy

1、1.1 課題研究背景及意義智能家居系統(tǒng)的概念起源于上世紀(jì)70年代的美國(guó)，然后逐漸向歐洲、日本等國(guó)家推廣，并且在推廣過(guò)程中進(jìn)行發(fā)展。雖然智能家居的概念傳到中國(guó)的時(shí)候已經(jīng)是其推廣的后期，但它發(fā)展速度還是驚人的，我國(guó)現(xiàn)有的智能住宅和小區(qū)已經(jīng)有相當(dāng)大的數(shù)量。 智能家居（Smart Home）是現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合后的產(chǎn)物。它是以家庭為中心的平臺(tái)，兼具建筑智能化、自動(dòng)化，為人們提供一個(gè)便捷的、高效率的家居環(huán)境。智能化家居不再是靜止不動(dòng)的建筑物，而是幫助主人合理利用時(shí)間的工具，使家庭更為舒適，環(huán)保，便捷智能化。它能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器的智能控制，使得各種家電可以按照人們預(yù)

2、設(shè)的工作運(yùn)行，而無(wú)視距離的因素。它可以提供遠(yuǎn)程控制如：家用電器（空調(diào)，熱水器）控制，照明控制，自動(dòng)控制內(nèi)部和外部的窗簾和窗戶，進(jìn)行防盜報(bào)警，遠(yuǎn)程電話連接，還可以利用各種編程定時(shí)裝置控制和計(jì)算機(jī)控制功能，使生活更加舒適，方便和安全。它可以自動(dòng)控制并管理電氣設(shè)備，對(duì)家居周?chē)h(huán)境進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)報(bào)警，確保用戶的生活和工作環(huán)境安全。目前，已經(jīng)有越來(lái)越多的企業(yè)和國(guó)家開(kāi)始致力于智能家居的研究。雖然當(dāng)前智能家居系統(tǒng)有了一定程度的發(fā)展，而且市場(chǎng)上也開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，但從總體的發(fā)展情形來(lái)看，還是不容樂(lè)觀的，特別是沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一完善的標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)權(quán)威的產(chǎn)品品牌，這嚴(yán)重的影響了家居智能化的發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)

3、展，人們的物質(zhì)生活水平得到改善，對(duì)家居環(huán)境的需求也越來(lái)越高，作為家居智能化的核心部分智能家居控制系統(tǒng)顯得更加重要。同時(shí)，智能家居控制設(shè)計(jì)可以根據(jù)用戶的要求調(diào)整方案，強(qiáng)化緊急處理，危機(jī)救護(hù)等急救控制，充分展現(xiàn)“用戶想要的，就是我們追求的”宗旨。家居智能化控制的研究和建設(shè)是未來(lái)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能家居的發(fā)展分為三個(gè)階段：（1）家庭電子（Home Electronics）發(fā)展階段，這個(gè)階段主要是面向單一的電器，家用電器沒(méi)有形成網(wǎng)絡(luò)，也沒(méi)有多大的聯(lián)系。 （2）家庭自動(dòng)化發(fā)展階段，這個(gè)階段主要關(guān)注的是功能，家電組成一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)某些特定單一的功能，例如單一的自動(dòng)抄表功能。

4、 （3）家居智能化（Smart Home）發(fā)展階段，這個(gè)時(shí)期是重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)的階段，系統(tǒng)通過(guò)在家庭分布總線把住宅內(nèi)所有與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器、報(bào)警裝置合并到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行集中的監(jiān)查控制、管理，保持家電與環(huán)境的相互協(xié)調(diào)，為生活、工作、學(xué)習(xí)以及娛樂(lè)提供各種優(yōu)質(zhì)服務(wù)，營(yíng)造一種溫馨舒適的家庭氛圍。 智能家居控制系統(tǒng)提供了一個(gè)高效、舒適的家居環(huán)境，保證了用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全；集中或遠(yuǎn)程控制家居環(huán)境的溫度、濕度以及風(fēng)的速度等，同時(shí)檢測(cè)空氣成分，提高空氣質(zhì)量；調(diào)整音頻，視頻和其他娛樂(lè)設(shè)施，保持快樂(lè)的心情；利用太陽(yáng)能與其他能源，盡可能地節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)資源的合理利用；同時(shí)提供現(xiàn)代化的通信、信息服務(wù)。在智能家

5、居系統(tǒng)研發(fā)方面，美國(guó)及一些歐洲國(guó)家一直處于比較領(lǐng)先的地位。這幾年來(lái)，以美國(guó)微軟公司及摩托羅拉公司等居首的一批國(guó)外知名企業(yè)，先后進(jìn)軍到智能家居的研發(fā)中。比如:微軟公司開(kāi)發(fā)的“夢(mèng)幻之家”、摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)的“居所之門(mén)”、IBM公司開(kāi)發(fā)的“家庭主任”等均已日趨成熟。此外，其他國(guó)家如日本和韓國(guó)領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)逐漸開(kāi)發(fā)了家居智能，智能家居市場(chǎng)的前景將是一片美好，如今市場(chǎng)上出現(xiàn)的智能家居控制系統(tǒng)主要有：X-10系統(tǒng)（美國(guó)），EIB系統(tǒng)（德國(guó)），8X系統(tǒng)（新加坡）。 盡管?chē)?guó)內(nèi)智能家居行業(yè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近十年的發(fā)展，但還沒(méi)有達(dá)到較高的程度，仍處于發(fā)展初期。究其原因，主要有三個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)問(wèn)題是從事國(guó)內(nèi)智能家居行業(yè)的

6、制造商，參差不齊，有好有壞，有部分安防企業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)的，還有某些運(yùn)營(yíng)商也參與到智能家居行業(yè)的，各自的出發(fā)點(diǎn)不同，使得生產(chǎn)出的產(chǎn)品也各不相同。第二個(gè)問(wèn)題是產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，使得了消費(fèi)者對(duì)智能家居產(chǎn)品的性能產(chǎn)生懷疑。第三個(gè)問(wèn)題是智能家居行業(yè)的售后服務(wù)質(zhì)量較低，其系統(tǒng)相對(duì)國(guó)外系統(tǒng)而言比較復(fù)雜，系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)較大，出問(wèn)題的幾率比較高，此時(shí)如果售后服務(wù)不能到位則會(huì)嚴(yán)重影響客戶對(duì)智能家居產(chǎn)品的信任度。由于我國(guó)的智能家居技術(shù)相對(duì)于國(guó)外起始較晚，尚未形成相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，還是主要采用國(guó)外的一些技術(shù)產(chǎn)品，但也有一些企業(yè)研發(fā)出了自己的產(chǎn)品，比如：e家庭（海爾），e-home數(shù)字家園（清華同方）。在我國(guó)，

7、軟硬件開(kāi)發(fā)機(jī)制的積極發(fā)展?jié)M足了智能家居市場(chǎng)的需求，解決了當(dāng)前智能產(chǎn)品實(shí)用性差，使用復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺陷，并且技術(shù)創(chuàng)新性也逐步向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。智能家居產(chǎn)品的使用，尤其是國(guó)外智能家居產(chǎn)品的使用，給國(guó)內(nèi)的用戶的印象是“有錢(qián)人的消費(fèi)”。讓智能家居“飛入尋常百姓家”可以說(shuō)是絕大部分智能家居生產(chǎn)廠家想要實(shí)現(xiàn)的理想，這需要綜合考慮產(chǎn)品平臺(tái)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)和用戶定位等方面，對(duì)智能家居的中國(guó)市場(chǎng)價(jià)格高的獨(dú)特特征作出的產(chǎn)品設(shè)智能家居的發(fā)展趨勢(shì)雖然智能家居現(xiàn)在還存在著的某些問(wèn)題，但仍然認(rèn)為應(yīng)用的發(fā)展是伴隨著技術(shù)的成熟而漸漸應(yīng)用到各個(gè)地方的，并不是應(yīng)用在等待技術(shù)完完全全成熟以后才會(huì)開(kāi)始發(fā)展。如RFID、二

8、維碼傳感器技術(shù)的進(jìn)一步成熟。物聯(lián)網(wǎng)智能家居行業(yè)體系結(jié)構(gòu)想要走上良性發(fā)展的軌道需建立一個(gè)統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能實(shí)現(xiàn)多個(gè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品相互兼容，也才能保證健康持續(xù)的發(fā)展。這些需要從技術(shù)，性價(jià)比，實(shí)用性等方面來(lái)考慮。此外紅外傳感網(wǎng)絡(luò)和寬帶CDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合以及其他的網(wǎng)絡(luò)，這是技術(shù)的研究和發(fā)展的迫切需要。但是在現(xiàn)在的階段，短時(shí)間內(nèi)還無(wú)法制定出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還需加以時(shí)日的等待。 智能家居目前處于起步階段，產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)也需要時(shí)間。隨之而來(lái)的是產(chǎn)品的成本是比較高的。在中國(guó)只有安裝的試點(diǎn)研究的一小部分。所以在這個(gè)時(shí)候需要一個(gè)更加成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)商業(yè)的發(fā)展。這樣就可以在市場(chǎng)上找到相應(yīng)的位置。同時(shí)政

9、府也要出臺(tái)相應(yīng)的扶持政策，不斷催化推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)智能家居的可持續(xù)發(fā)展。課題主要完成的任務(wù)本課題的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，采用DS18B20溫度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、光電傳感器為數(shù)據(jù)采集源，利用西門(mén)子公司的AT35GSM模塊實(shí)現(xiàn)通信及監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)溫度、空氣質(zhì)量，以及重要財(cái)產(chǎn)防護(hù)的功能。實(shí)際中的智能家居控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示：圖1-2實(shí)際中的智能家居控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖2系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求分析對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的實(shí)際需求分析，消費(fèi)者對(duì)遠(yuǎn)程抄表和物業(yè)管理沒(méi)多大興趣，但是對(duì)電器控制、家居安防報(bào)警網(wǎng)絡(luò)卻十分關(guān)注，所以目前許多企業(yè)都往這一方向研

10、究。而嵌入式技術(shù)在這幾年得到了很大的發(fā)展。嵌入式處理器的性能顯著地提高了，這就為以嵌入式為根本的智能化家居系統(tǒng)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)，使得較為復(fù)雜的檢測(cè)和識(shí)別方法在系統(tǒng)中得到使用。在軟件這方面，研究出了大量的支持嵌入式設(shè)備的軟件，使得嵌入式系統(tǒng)的研究的難度降低，出現(xiàn)了許多專注于研究嵌入式的企業(yè)，使在嵌入式開(kāi)發(fā)中能得到精良的技術(shù)支持。同時(shí)，智能家居的概念更加清晰，智能技術(shù)得到了充分的發(fā)展，在智能家居系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可利用大量最新的技術(shù)。系統(tǒng)功能需求分析要設(shè)計(jì)該智能家居系統(tǒng)，需滿足以下幾點(diǎn)需求：（1） 可以使用手機(jī)通過(guò)短信方式檢測(cè)設(shè)備，打開(kāi)，關(guān)閉家用電器的工作狀態(tài)。 （2） 家居的門(mén)安裝了4&#

11、215;4鍵盤(pán)，當(dāng)用戶輸入正確的密碼才能打開(kāi)門(mén)，如撬棍打開(kāi)其他手段非法用戶，系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警模塊，達(dá)到防盜的功能。 （3） 可以實(shí)時(shí)測(cè)量家居中的煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度太高，該系統(tǒng)可以打開(kāi)室內(nèi)排風(fēng)機(jī)室內(nèi)有害氣體的室外，室內(nèi)煙霧濃度太高，系統(tǒng)啟動(dòng)火災(zāi)報(bào)警模塊，提示家居主人預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。 （4） 當(dāng)小孩子接近窗口，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)窗，以避免可能發(fā)生危險(xiǎn)的孩子，當(dāng)孩子離開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)窗戶。 系統(tǒng)性能需求分析智能家居系統(tǒng)正常運(yùn)行是不間斷的，必須非常重視系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，盡可能的提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，于此同時(shí)一定要確保系統(tǒng)安全，性能優(yōu)良。 用戶界面及其他需求分析智能家居相關(guān)設(shè)備與人們的生活密切相關(guān)，因此智

12、能家居系統(tǒng)必須是用戶友好的界面，用戶體驗(yàn)效果好，并且用戶可以輕松地掌握操作過(guò)程，同時(shí)要求實(shí)用、舒適和有個(gè)性等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則智能家居又被稱為智能住宅，它的最基本目標(biāo)是為人們提供一個(gè)舒服、安全、高效、方便、實(shí)際的生活環(huán)境。相對(duì)智能家居產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最重要的是要立足于顧客的對(duì)自己家居環(huán)境的具體要求，以實(shí)用為核心，放棄掉那些華而不實(shí)的方面。同時(shí)還要充分考慮到顧客的體驗(yàn)，注重操作的方便性和直觀性，注重完美的圖形化控制畫(huà)面。智能家居系統(tǒng)的操作時(shí)，必須在安全性，可靠性和容錯(cuò)性十分重視的態(tài)度上，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行和性能良好，能夠處理各種各樣復(fù)雜的環(huán)境變化。根據(jù)國(guó)內(nèi)外智能家居系統(tǒng)目前的發(fā)展?fàn)顩r，人們不僅注意監(jiān)測(cè)和

13、控制家用電器的內(nèi)部情況，還要求產(chǎn)品的外觀特征、低功耗、低成本和可擴(kuò)展性。2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下六點(diǎn)要求：（1） 采用不需要現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)主機(jī)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，模塊化結(jié)構(gòu)，來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性，可靠性。 （2） 選用觸摸式智能面板，每一個(gè)按鍵上有圖形文字，并可以在操作中按照主人的需求隨時(shí)調(diào)整這些文字和圖形，以保證主人很容易辨別和使用各種功能。 （3） 中央空調(diào)綜合控制：由中央空調(diào)本身提供的控制接口，完整的操控中央空調(diào)所有室內(nèi)機(jī)器：讀取大廳空調(diào)每一個(gè)面板上的溫度預(yù)設(shè)定值和房間實(shí)時(shí)溫度、風(fēng)速、冷暖模式，同時(shí)顯示在主人房間中用于集中控制的觸摸屏或PDA手機(jī)上，通過(guò)一臺(tái)觸摸屏任意控制每個(gè)房間的

14、空調(diào)，并可以遠(yuǎn)程Internet訪問(wèn)。（4） 該系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)房間的使用狀況：是否有人、溫度濕度、二氧化碳含量、天氣、時(shí)間等，完成對(duì)中央空調(diào)、新風(fēng)系統(tǒng)、燈光、窗簾的自動(dòng)管理。例如：有人進(jìn)入房間，窗簾自動(dòng)打開(kāi)，空調(diào)和送風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟；在晚上燈光自動(dòng)變亮；沒(méi)有人的時(shí)候，空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入節(jié)能運(yùn)行，燈光變暗；如果沒(méi)有人超過(guò)一定時(shí)間，自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)、窗簾和燈光等電器。 （5） 安防系統(tǒng)確保做到萬(wàn)無(wú)一失，要和燈光、監(jiān)視錄像連接。報(bào)警時(shí)電子地圖顯示報(bào)警地點(diǎn)，報(bào)警區(qū)域燈光自動(dòng)亮起，攝像機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向該區(qū)域并錄像。 （6） 控制對(duì)象有：燈光調(diào)節(jié)、窗簾、遮陽(yáng)系統(tǒng)、中央空調(diào)、送風(fēng)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、暖氣系統(tǒng)、熱水器、家庭影

15、院AV系統(tǒng)、電子門(mén)窗、安防報(bào)警系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)等。以上為完整智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，而本設(shè)計(jì)只是對(duì)于期中的某幾個(gè)方面進(jìn)行一定程度的說(shuō)明和對(duì)其硬件及原理進(jìn)行闡述。2.4系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)一套智能家居系統(tǒng)，根據(jù)課題的設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)采用的智能家居系統(tǒng)各部分的分布式控制方法，主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控家電（如：燈）部分，智能門(mén)禁防盜部分，窗戶自動(dòng)關(guān)閉部分，可燃性氣體報(bào)警部分，各個(gè)模塊相互獨(dú)立，單一模塊發(fā)生故障時(shí)不影響其他模塊的運(yùn)行，該智能家居系統(tǒng)的整體架構(gòu)框圖如下圖2-1所示。圖2-1智能家居系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖在該智能家居系統(tǒng)中用處理器，控制器操控遠(yuǎn)程監(jiān)控家電模塊，檢測(cè)溫度、煙霧模塊，

16、密碼鎖模塊等。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中應(yīng)先在ARM Linux中編寫(xiě)每一個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序，經(jīng)編譯加載驅(qū)動(dòng)后應(yīng)用層才能操作硬件模塊，手機(jī)通過(guò)短信方式的應(yīng)用程序和硬件通信模塊來(lái)控制硬件。3系統(tǒng)硬件構(gòu)成與工作原理本系統(tǒng)所采用的硬件為ARM9處理器、GSM模塊、煙霧傳感器、光電傳感器、溫濕度傳感器等等。本系統(tǒng)硬件部分總體框體如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)硬件部分框圖ARM處理器嵌入式系統(tǒng)最常使用的處理器是單片機(jī)和ARM，但因?yàn)榭紤]到單片機(jī)引腳較少、功能簡(jiǎn)單等原因，所以選擇功能更強(qiáng)大的ARM處理器。伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展，ARM處理器的發(fā)展經(jīng)歷了ARM7、ARM9、ARM11等多個(gè)階段，漸漸成熟的ARM處理器的應(yīng)用將帶

17、來(lái)新的活力，嵌入式開(kāi)發(fā)，可以更高端產(chǎn)品中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的ARM9處理器，采用了更多的晶體管，能夠達(dá)到兩倍以上于ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實(shí)現(xiàn)的。ARM9系列處理器可為要求苛刻、成本敏感的嵌入式應(yīng)用提供可靠的高性能和靈活性。豐富的DSP擴(kuò)展使SoC設(shè)計(jì)不再需要單獨(dú)的DSP。ARM9系列包括三種處理器：ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM968E-S。ARM968E-S面積最小、包含DSP增強(qiáng)功能的ARM9處理器，針對(duì)低功耗、數(shù)據(jù)密集型、嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用，是眾多實(shí)時(shí)類型應(yīng)用的理想之選。ARM946E-S具有MPU的DSP增強(qiáng)型

18、高速緩存處理器，針對(duì)運(yùn)行RTOS的實(shí)時(shí)應(yīng)用一種具有可選高速緩存接口以及完整的內(nèi)存保護(hù)單元的實(shí)時(shí)處理器。對(duì)于大部分代碼位于主存儲(chǔ)器的應(yīng)用，該處理器非常有用，它按需加載到高速緩存中，同時(shí)關(guān)鍵的異常處理代碼和數(shù)據(jù)仍本地保留在緊密耦合內(nèi)存中。ARM926EJ-S具有Java加速、DSP擴(kuò)展和MMU的應(yīng)用處理器，針對(duì)基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用ARM926EJ-S處理器為入門(mén)級(jí)處理器，可支持完全版操作系統(tǒng)，其中包括Linux、Windows CE 和Symbian。因此此處理器是眾多需要完整圖形用戶界面的應(yīng)用的理想之選。3.2 GSM模塊該智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的GSM模塊選擇的是西門(mén)子公司推出的一款雙頻900/18

19、00MH高度集成的TC35。在GSM網(wǎng)絡(luò)日趨完善的今天，它易于集成，在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品方面用時(shí)比較短，成本更低。在遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)線通話以及無(wú)線POS終端等領(lǐng)域大家都能看到TC35無(wú)線模塊的作用。本系統(tǒng)使用TC35作為對(duì)家電進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以下是TC35的主要特征：（1）信息傳送內(nèi)容：語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。 Ø（2）電源：?jiǎn)坞娫?3V5V 。 Ø（3）頻段：雙頻GSM 900MHz 和 DCS 1800 MHz。 Ø（4）SIM 卡連接方式：外接 。 Ø（5）天線：由天線連接器連接外部天線 。 Ø（6）短信息：支持MT, MO, CB ，PDU 模式 。 Ø

20、;（7）音頻接口：模擬信號(hào)。 Ø（8）通訊接口：RS232（指令和數(shù)據(jù)可以進(jìn)行雙向傳送）。 Ø（9）模塊復(fù)位：使用AT指令或停電復(fù)位 。 Ø（10）串口通訊波特率：300bps115kbps 。主要是通過(guò)開(kāi)發(fā)板的串口發(fā)送AT指令，經(jīng)MAX232把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平并處理TC35反饋回來(lái)的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)短信或語(yǔ)音功能的。3.3 溫度傳感器 該系統(tǒng)選用DALLAS公司推出的DS18B20溫度傳感器進(jìn)行研究。DS18B20因其體積超小、硬件開(kāi)銷(xiāo)超低，耐磨耐碰，便于使用，封裝形式多種多樣，而適用于各種空間較小的設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。DS18B20的引

21、腳封裝原理圖如圖3-2所示： 圖3-2 DS18B20引腳封裝原理圖DS18B20引腳具體功能說(shuō)明如下： （1） DQ是數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出端。 （2） GND是電源接地。 （3） VDD是外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。DS18B20的主要特征有以下幾點(diǎn)：(1) 全數(shù)字轉(zhuǎn)換及輸出。（2）先進(jìn)的單總線數(shù)據(jù)通信（3）測(cè)量的結(jié)果以912位數(shù)字量的形式串行傳送（4）不需要外圍任何元件（5）測(cè)溫范圍為-55+125，固定測(cè)溫分辨率為（6）工作電壓：35V（7）PVC電纜直接出線,連接其它電器設(shè)備更加方便DS18B20和ARM處理器的接口十分簡(jiǎn)單，

22、只需要將DS18B20的信號(hào)線與控制線的一位雙向端口連接即可。MQ-2煙霧傳感器 MQ-2氣體傳感器所利用的氣體敏感材料是二氧化錫(SnO2)，它在清潔空氣情況下電導(dǎo)率較低的。如果傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體，氣敏材料的電導(dǎo)率會(huì)隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。一個(gè)簡(jiǎn)單的電路就可以完成電導(dǎo)率的變化與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣很敏感，同時(shí)對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也有不錯(cuò)的靈敏度。該傳感器可檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，是一種可以適用于各種應(yīng)用的低成本傳感器。MQ-2的一些主要特征如下所示：（1）工作溫度：-10+50Ø（2）報(bào)警范圍：0

23、.6515.5%FT Ø（3）工作濕度：1090% Ø（4）工作電源：912V Ø（5）信號(hào)輸出：常開(kāi)/常閉 Ø（6）安裝方式：吸頂 Ø（7）外殼：阻燃樹(shù)脂 Ø（8）產(chǎn)品大小：半徑徑52.5mm 厚度32mm MQ-2引腳接線圖如圖3-3所示：圖3-3 MQ-2 引腳接線圖根據(jù)電路圖和MQ-2的工作原理（其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，因此其電阻是隨著煙霧濃度的增大而減小的），從而可以得到煙霧傳感器的輸出電壓: （3-1）3.5 光電傳感器如今各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件就是光電傳感器，它可以把光信

24、號(hào)（紅外、可見(jiàn)紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)。光電傳感器是中的轉(zhuǎn)換元件是光電器件。它能夠用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)。 本設(shè)計(jì)嘗試光電傳感器裝在家里的保險(xiǎn)箱或其他重要的屬性，當(dāng)小偷或其他非家族所有者試圖關(guān)閉保險(xiǎn)箱和其他重要的屬性會(huì)自動(dòng)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警，從而達(dá)到防盜的目的。光電傳感器的報(bào)警電路如圖3-4所示：圖3-4光電傳感器的報(bào)警電路光電傳感器的使用是簡(jiǎn)單和容易，只需正確的連接線路之后輸入3.3V的高水平，當(dāng)檢測(cè)的障礙會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。我們將兩個(gè)光電傳感器的輸出引腳連接到一個(gè)電壓比較器上，比較后輸出一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，如果有小偷接近保險(xiǎn)柜或家居中其他重要財(cái)產(chǎn)時(shí)，系統(tǒng)就可以捕捉到

25、這一信號(hào)并且做出反應(yīng)。 3.6 語(yǔ)音芯片語(yǔ)音芯片是語(yǔ)音報(bào)警模塊的重要部分。該芯片中有多段語(yǔ)音在存儲(chǔ)管理系統(tǒng)之中，這樣可以保證在獨(dú)立按鍵模式情況下進(jìn)行多段語(yǔ)音錄放。該芯片內(nèi)有振蕩器，能夠通過(guò)外部電阻來(lái)調(diào)整其振蕩頻率，并且?guī)ё詣?dòng)增益控制（AGC）的話筒運(yùn)放和模擬線路輸入。3.7 繼電器由于一般家電電器工作電壓都是220V，而單片機(jī)工作電壓卻只有5V，因此需要引入繼電器來(lái)監(jiān)控家電。繼電器是一種控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱為輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱為輸出回路）。一般在自動(dòng)化的控制電路中使用，它是利用弱電流去控制強(qiáng)電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。所以在電路中能夠起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

26、每當(dāng)收到指定的短信要把家用電器打開(kāi)時(shí)，插座會(huì)被MCU通過(guò)打開(kāi)繼電器給上電，從而可以打開(kāi)家電，每當(dāng)需要關(guān)閉家電時(shí)，也需要通過(guò)繼電器關(guān)閉家電。ARM是一種弱電型電子器件，一般他們大多工作在5V或低電壓，驅(qū)動(dòng)電流毫安級(jí)及以下，并使它用于高功率應(yīng)用的輸出，如步進(jìn)電機(jī)的控制，很顯然是不可行的。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)連接，這個(gè)連接環(huán)節(jié)就是“功率驅(qū)動(dòng)”。最典型最簡(jiǎn)單的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)就是繼電器的驅(qū)動(dòng)。這里，繼電器驅(qū)動(dòng)包含兩層意思：一是繼電器本身是由GPIO，因?yàn)槭直鄣睦^電器是一種功率器件；另一個(gè)就是由繼電器去驅(qū)動(dòng)其它負(fù)載，例如繼電器能夠驅(qū)動(dòng)中間繼電器，也能夠直接驅(qū)動(dòng)接觸器，因此ARM與其它大功率負(fù)載的接口就

27、是繼電器驅(qū)動(dòng)。ARM的I / O高電平輸出電壓為3.3V，直接連接繼電器水平低，無(wú)法控制繼電器的閉合。三極管擁有良好的信號(hào)放大能力，經(jīng)過(guò)三極管放大后的信號(hào)，再接入繼電器，可以完成對(duì)繼電器的控制，最終得到對(duì)交流電路的控制圖3-5繼電器原理圖4 系統(tǒng)各模塊的工作過(guò)程GSM模塊TC35模塊在前面的章節(jié)中已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹過(guò)了，TC35模塊中的40個(gè)引腳需要通過(guò)一個(gè)零阻力插座連接器引出。這40個(gè)引腳可以分為5類型，分別為電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。在我們的開(kāi)發(fā)中使用的是GSM集成模塊，該模塊把我們要使用的引腳都接了出來(lái)，只要提供電源和接上MAX232電路就可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)了。因?yàn)殚_(kāi)發(fā)板上輸出

28、的電平是TTL電平，但TC35模塊輸入輸出的為RS232電平，因此需要自己外接MAX232電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換之后才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。使TC35工作主要是通過(guò)開(kāi)發(fā)板的串口發(fā)送TC35 AT指令和處理板的命令返回。 英文短信和中文PDU短信是GSM短信模塊發(fā)送短信的兩種主要格式，下面是發(fā)送英文短信的收發(fā)過(guò)程。 發(fā)：AT /與AT35握手 收：OK 發(fā)：AT+CMGF=1 /發(fā)送短信格式的選擇 收：OK 發(fā)：AT+CMGS=1521xxx9882 /要發(fā)送的手機(jī)號(hào) 收：> 發(fā)：data 54 /test 指發(fā)送內(nèi)容，指發(fā)送符號(hào)收：OK 知道了GSM英文短信的發(fā)送過(guò)程，只要把握好順序用nbyte = w

29、rite(fd,buffer,Length)；即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送英文短信的功能。本設(shè)計(jì)中，用發(fā)送短信主要是為了實(shí)現(xiàn)家電遠(yuǎn)程監(jiān)視的功能，當(dāng)用戶發(fā)送檢測(cè)家電的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送英文短信向用戶反饋家電的工作狀態(tài)，從而達(dá)到檢測(cè)家電的功能。要控制家電，首先系統(tǒng)要識(shí)別是什么用戶向系統(tǒng)發(fā)送了消息，而且系統(tǒng)還要識(shí)別受到消息的內(nèi)容，從而對(duì)家電進(jìn)行控制。系統(tǒng)首先保存用戶的電話號(hào)碼，當(dāng)用戶收到消息時(shí)，首先判斷是否是智能家居系統(tǒng)對(duì)家電發(fā)送了消息，如果是系統(tǒng)的主人發(fā)送的控制命令，系統(tǒng)接著對(duì)短信進(jìn)行解析，最后控制器對(duì)家電進(jìn)行控制。若智能家居系統(tǒng)收到其他用戶的短信請(qǐng)求，將不會(huì)對(duì)短信進(jìn)行解析，也不會(huì)對(duì)短信進(jìn)行監(jiān)控。GSM短信模塊

30、遠(yuǎn)程監(jiān)控家電過(guò)程如圖4-1所示：圖4-1 GSM模塊的程序流程圖溫度采集模塊 DS18B20溫度傳感器顯示9位到12位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，從主機(jī)CPU到DS18B20僅需一條線(共地)，就可以將指示器件的溫度信息經(jīng)過(guò)單線接口送入DS18B20或從DS18B2O送出，DS18B20有兩種供電方式可供選擇，第一是數(shù)據(jù)總線供電方式，雖然可節(jié)省一根導(dǎo)線，但測(cè)量溫度時(shí)間較長(zhǎng)；第二是外部供電方式，由VDD引腳接入DS18B2O的工作電源，不需要將I/O線強(qiáng)上拉，也不會(huì)存在電源電流不足的問(wèn)題，可以確保轉(zhuǎn)換精度，雖然這樣多用了一根導(dǎo)線，但測(cè)量速度較一來(lái)的快，而且多個(gè)DS18B20傳感器可以掛接在總線上，共同組

31、成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用了外部供電的方式，從而可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)多點(diǎn)采集溫度。 DS18B20的測(cè)量范圍從-55到+125，精確度值為，可在短時(shí)間內(nèi)把溫度變換成數(shù)字，每個(gè)DS18B20在出廠時(shí)已確定了唯一的序號(hào)，在同一條單線總線上可以同時(shí)存放多個(gè)DS18B20，以完成多路溫度采集。在DSl8B20內(nèi)部的ROM(只讀存貯器)中存放了DS18B20的序號(hào)值，多路測(cè)量的同時(shí)DS18B20的ROM搜索命令會(huì)對(duì)對(duì)所有單線總線上的傳感器進(jìn)行搜索，然后初始化各DS18B20并且發(fā)送跳過(guò)ROM命令和RAM溫度轉(zhuǎn)換命令，在單線上各DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就可確定某一個(gè)DS18B20，并通過(guò)匹配ROM命令和RA

32、M溫度來(lái)讀取命令讀取其數(shù)字溫度值。ROM和RAM存儲(chǔ)器操作命令分別如表4-1和表4-2所示：表4-1 ROM存儲(chǔ)器操作命令ROM指令代碼指令功能Read ROM33H讀取DS18B20的64位器件序列號(hào)Match55H總線控制在單線上定位一只特定的DS18B20 Skip ROMCCH總線控制器不需發(fā)送器件序列號(hào)就可對(duì)存儲(chǔ)器操作Search ROMF0H識(shí)別單線總線上各單線器件的序列號(hào)Alarm ROMECH對(duì)溫度超過(guò)報(bào)警上、下限的器件做出警告搜索響應(yīng)表4-2 RAM存儲(chǔ)器操作命令RAM指令代碼指令功能Write Scratchpad4EH寫(xiě)入數(shù)據(jù)到儲(chǔ)存器字節(jié)2，3和字節(jié)4 Read Scra

33、tchpadBEH讀暫存存儲(chǔ)器Copy Scratchpad48H將暫存器中TH,TL和配置寄存器內(nèi)容復(fù)雜到E2PROMConvert Temperature44H啟動(dòng)DS18B20溫度轉(zhuǎn)換Recall EPROMB8H將E2PROM中TH,TL和配置寄存器內(nèi)容回寫(xiě)到暫存器Read Power supplyB4H讀電源模擬溫度信號(hào)由數(shù)字溫度傳感器DS18B20直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行通信的方式輸出。DS18B20溫度采集程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖所示：.圖4-2 DS18B20溫度采集程序設(shè)計(jì)流程圖4.3 煙霧傳感器模塊的實(shí)現(xiàn)多種可燃性氣體可以被MQ-2氣體傳感器檢測(cè)，當(dāng)可燃性氣體存在于傳感

34、器所處環(huán)境中時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電壓輸出信號(hào)利用簡(jiǎn)單的電路就可以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)傳感器輸出的電壓大小判斷環(huán)境中可燃性氣體濃度的大小。 MQ-2氣體傳感器輸出的是電壓信號(hào)，處理器要把相應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值，S3C2440自帶了A/D轉(zhuǎn)換的功能，A/D轉(zhuǎn)換芯片在嵌入式系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件“/dev/adc”，首先系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)int fd_adctest=open(/dev/adc,O_RDWR)打開(kāi)嵌入式設(shè)備中的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備失敗返回-1，以后的系統(tǒng)函數(shù)就可以使用fd_adctest來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。關(guān)閉煙霧傳感器的函

35、數(shù)為close(fd_adctest)。煙霧傳感器的連接圖如圖4-3所示：圖4-3 煙霧傳感器接線圖如4-3所示，MQ-2中的其他傳感器有6只針狀管引腳，其中4個(gè)用于信號(hào)輸出，2個(gè)用于加熱電流。假設(shè)傳感器表面電阻是Rs，它表示的是與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓輸出信號(hào)，可得兩者之間的計(jì)算關(guān)系如下式所示： （4-1）根據(jù)上式和MQ-2的工作原理（它的電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，因?yàn)殡娮枋诫妼?dǎo)率的倒數(shù)，所以電阻是減小的），可以得到下式： （4-2）加在MQ-2傳感器的1腳、3腳之間的是回路電壓即電源電壓Vc， 傳感器 4腳、6腳輸出電壓是Vout，傳感器的體電阻為Rs。當(dāng)氣體濃度上升，將導(dǎo)

36、致Rs下降。而 Rs 的下降則會(huì)使得MQ-2的4腳、6腳對(duì)地輸出的電壓增大，因此氣體濃度增大，其輸出電壓也會(huì)隨之增大。 煙霧報(bào)警流程圖如圖4-4所示：圖4-4煙霧報(bào)警模塊流程圖S3C2440開(kāi)發(fā)板的A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-1023之間的數(shù)字，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字越大，說(shuō)明電壓越大即煙霧濃度越大。假設(shè)程序中經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字是C，在程序中可以設(shè)兩個(gè)值1C、2C，假設(shè)1C=400，2C=800，若C>1C，系統(tǒng)把室內(nèi)的抽風(fēng)機(jī)打開(kāi)，把有害氣體排出室外，若C>2C，系統(tǒng)把蜂鳴器開(kāi)起，進(jìn)行報(bào)警。自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗模塊近年來(lái)小孩墜樓現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，我們通過(guò)在窗戶附近安裝人體紅外傳感器，檢

37、測(cè)到小孩靠近窗戶時(shí)將關(guān)閉窗戶，小孩離開(kāi)窗戶后將把窗戶打開(kāi)，最大限度保護(hù)小孩的安全。在實(shí)際項(xiàng)目中可在不同高度安裝人體紅外傳感器通過(guò)高度準(zhǔn)確是大人還是小孩靠近窗戶。人體紅外傳感器感應(yīng)有人接近電路原理圖如圖4-5所示：圖4-5 人體紅外傳感器感應(yīng)有人接近電路原理圖紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)后輸出微弱電流，通過(guò)R1轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)過(guò)單管放大電路放大后輸入電壓比較器，輸出高電平并輸入到74LS04芯片中，用74LS04芯片把輸入其中的信號(hào)取反，74LS04芯片是個(gè)反相器芯片，經(jīng)過(guò)測(cè)試，紅外傳感器沒(méi)檢測(cè)到信號(hào)經(jīng)反向器輸出高電平，紅外傳感器檢測(cè)到有信號(hào)經(jīng)反相器將輸出低電平信號(hào)。由此可檢測(cè)是否有小孩靠近窗戶而決定是否

38、把窗戶打開(kāi)或關(guān)閉。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，初始化人體紅外傳感器使其正常工作，系統(tǒng)一直判斷是否有信號(hào)輸入從而判斷是否有小孩靠近窗戶，當(dāng)有小孩靠近窗戶，判斷窗戶是否是打開(kāi)著的，若窗戶已經(jīng)打開(kāi)，則系統(tǒng)觸步進(jìn)電機(jī)把窗戶關(guān)閉，接著延遲一段時(shí)間，再判斷小孩是否已經(jīng)離開(kāi)窗戶從而決定把窗戶打開(kāi)或關(guān)閉。 在該系統(tǒng)中我們使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行打開(kāi)或者關(guān)閉窗戶，步進(jìn)電機(jī)一種可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置，且不會(huì)受到負(fù)載變化的任何影響。每當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為“步距角”，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以確定的角度一步一步運(yùn)行的。想要達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶模塊程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6 自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶模塊程序流程圖在這里我們采用的是28BYJ48型四相八拍電機(jī)（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA- A.），電壓為DC5VDC12V。對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖，就可以讓它連續(xù)不斷