北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展、芯片制造工藝的大幅度提高、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的興起，人民物質(zhì)和精神生活得到了很大改善，高科技智能化的設(shè)備己經(jīng)步入我們的生活，人們對(duì)所處的環(huán)境也提出了更高的要求[1]。

現(xiàn)代家庭的防盜方式主要以安裝防盜門、防盜鎖為主，但是這類設(shè)備主要以增加盜賊入室的難度來達(dá)到防盜目的。這種單純的機(jī)械裝置在較長時(shí)間無人在場的情況下，防盜效果往往不盡如人意。

本設(shè)計(jì)從解決家庭防火防盜出發(fā)，通過分析傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足，研究一種更加可靠、智能、高效的防火防盜系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制，以紅外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器為檢測手段的家居智能報(bào)警系統(tǒng)，強(qiáng)化系統(tǒng)識(shí)別外圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能判斷的能力，有限補(bǔ)充傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足，為千萬個(gè)家庭用戶制造一個(gè)更加安全、放心的環(huán)境。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選擇

1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

本次設(shè)計(jì)的智能家居防火防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該報(bào)警系統(tǒng)的硬件是將傳感器探測、單片機(jī)控制和遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)相結(jié)合，采用紅外傳感器模塊、煙霧傳感器模塊以及溫度傳感器模塊來檢測家中是否發(fā)生煤氣泄漏、火災(zāi)和有人闖入的信息，利用無線發(fā)射模塊將各個(gè)傳感器收集到的信息發(fā)射給單片機(jī)進(jìn)行分析綜合[2]，然后做出判斷，若需要報(bào)警，則單片機(jī)控制蜂鳴器警報(bào)發(fā)出聲音、控制LED燈管閃爍，控制GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息到用戶，通知用戶做出正確的措施。

2、主要功能模塊

（1）主控單元

控制中心模塊以STC90C51單片機(jī)[3]為核心，主控電路如圖2所示，以DS1302為實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，以LCD1602為液晶顯示器。普通51單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，其接口簡單，方便使用，功能強(qiáng)大。STC90C51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)器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051。工作電壓：5.5～3.3V(5V單片機(jī))/3.6～2.0V(3V單片機(jī))；工作頻率范圍：0MHz～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0MHz～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。STC90C51芯片上片上集成1280字節(jié)，通用I/O口，復(fù)位后P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口，P0口是開源輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。

復(fù)位電路：在單片機(jī)啟動(dòng)0.1s后，電容C1兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候R1兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平，所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的過程中，電容開始釋放之前充的電量在0.1s內(nèi)，從5V釋放到1.5V，甚至更小[4]。這個(gè)時(shí)候10kΩ電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

晶振電路的作用是給單片機(jī)提供合格的時(shí)鐘信號(hào)流，晶振與單片機(jī)的腳XTAL0和腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會(huì)產(chǎn)生諧波[5]。諧波對(duì)電路的影響不大，但會(huì)降低電路的時(shí)鐘振蕩器的穩(wěn)定性，為了電路的穩(wěn)定性起見，ATMEL公司建議在晶振的兩引腳處接入兩個(gè)10pF～50pF的瓷片電容接地來削減諧波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響，所以晶振所配的電容在10pF～50pF之間。

雙電壓比較器LM393（品牌MT）主要特點(diǎn)如下：工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源：±1～±18V；消耗電流小，Icc=0.8mA；輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門。

（2）煙霧傳感器

MQ-2氣體傳感器通過對(duì)煙霧的濃度檢測來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的防范，感應(yīng)電路包括光敏傳感電路和氣敏傳感電路，原理圖如圖3所示。

所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫[6]。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w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。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。

（3）人體紅外傳感器

采用TELESKY公司的HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，如圖4所示。其特點(diǎn)是：

全自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平；

光敏控制(可選）：模塊預(yù)留有位置，可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。光敏控制為可選功能,出廠時(shí)未安裝光敏電阻；

工作電壓范圍：5V～20VDC；

微功耗：靜態(tài)電流65μA，適合干電池供電的電器產(chǎn)品，可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接；

兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)?？商€選擇，默認(rèn)為H。

不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖絒7]；

可重復(fù)觸發(fā)方式 ：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn)）。

（4）GSM無線通信報(bào)警模塊

采用SIMCom公司的緊湊型、高可靠性無線通信模塊SIM900A，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，支持電壓范圍3.4V～4.5V，休眠狀態(tài)功耗1.5mA，支持用戶定制的MMI和鍵盤/LCD，SPI/I2C/GPIO/PWM/ADC接口，支持RTC（Real-Time Clock），全功能UART接口，天線連接器和天線焊盤，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，支持多IP連接，低功耗正常操作溫度：-30°C ～ +80°C。圖5是GSM模塊連線圖。

三、系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)軟件主流程

主程序主要完成：檢測屋內(nèi)環(huán)境溫濕度，有沒有陌生人進(jìn)入，發(fā)生險(xiǎn)情聲光和短信及時(shí)通知家主，短信控制部分，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家中的電氣設(shè)備，進(jìn)行家居智能安防系統(tǒng)報(bào)警。主流程如圖6。給設(shè)備連接上電測試之后，主控芯片單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，煙霧傳感器、人體紅外傳感器等檢測外界環(huán)境，若環(huán)境指標(biāo)超過傳感器設(shè)定值，將產(chǎn)生振蕩電路反饋至單片機(jī)，單片機(jī)觸發(fā)報(bào)警裝置，否則，繼續(xù)檢測信號(hào)。

軟件采用C語言，程序的調(diào)試比較繁瑣，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編寫軟件后，經(jīng)下載線將程序加載到電路板的單片機(jī)與硬件進(jìn)行調(diào)試[8]。

2、系統(tǒng)軟件子程序

系統(tǒng)軟件子程序設(shè)計(jì)包括LED驅(qū)動(dòng)模塊、SD卡驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模塊，底層硬件驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)包含煙霧監(jiān)控模塊、GSM模塊、溫濕度監(jiān)控模塊，系統(tǒng)開機(jī)之后首先對(duì)系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行初始化[9]；然后檢測SD卡是否存在，存在加載SD卡的問題；最后是查找系統(tǒng)文件。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)分為多個(gè)子程序，而它的主控制程序通過調(diào)用各個(gè)子模塊的相關(guān)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

四、系統(tǒng)測試

智能家居防火防盜系統(tǒng)測試結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)定的要求，將手機(jī)卡綁定通知對(duì)象模擬報(bào)警平臺(tái)，首先在JB35G上的SIM卡座內(nèi)括入一張?zhí)柎a為18612651566的SIM卡。給JB35G上電開機(jī)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。然后將計(jì)算機(jī)的COMI串口通過隨JB35G附帶的串口電纜，連到JB35G的RS232串口上，打開串口調(diào)試助手。在串口調(diào)試助手中的“串口選擇”選中的COMI、“波特率”=9600、“奇偶校驗(yàn)”=無NONE、“數(shù)據(jù)位”=8、“停止位”=1。單擊串口調(diào)試助手的“打開串口”按鈕，串口調(diào)試助手上一個(gè)紅色的指示燈亮了，說明JB35G己成功的連接到計(jì)算機(jī)的COM1上。

在串口調(diào)試助手的發(fā)送區(qū)輸入" 233133373636383 43933313123"，再按“手動(dòng)發(fā)送”按鈕。這時(shí)我們能在號(hào)碼為18612651566手機(jī)上收到JB35G發(fā)來的短信，這說明可以通過串行口成功的控制JB35G發(fā)送短信息，結(jié)果如圖7所示。

五、結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的智能家居防火防盜系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求，可以在發(fā)生險(xiǎn)情的時(shí)候能夠以短信、電話這種直觀的方式進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警部分通過單片機(jī)串口中斷外加延時(shí)的方法來判斷接受的信號(hào)是否為發(fā)射端出來的信號(hào)，以此來觸發(fā)GSM模塊，該報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠，性能穩(wěn)定，且實(shí)現(xiàn)燈管閃爍、聲音、短信多種方式報(bào)警，以此確保住戶的人身和財(cái)產(chǎn)安全，系統(tǒng)體積小，靈敏度高，價(jià)格低廉，可以廣泛地應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。