1、无线智能家居控制系统论文无线智能家居控制系统摘要随着人们生活水平的提高，其对家居品质的要求也在不断提高，加上信息化对人们传统生活方式的改变让许多人对家居智能化的需求日益强烈。智能居家市场将是一片蓝海。 智能家居系统包括家庭保安系统和家电智能控制系统两个重要组成部分，家庭保安系统防止非法入侵和家庭灾害的功能，无论犯罪分子从任何地方闯入您的住宅，或者发生煤气泄漏、火灾等，系统都可以发出声光报警并通过拨打发送短信的方式通知到您本人或保安人员，减少财产的损失。我们只需要在家庭安红外探测器、煤气探测器、烟感探测器、门磁、窗磁、紧急求救按钮等就可以防万一。家电智能控制可以让您远程控制家庭的任何电器设备，无
2、论您身处世界何地都轻松自如的控制和使用。主要控制的电器有电灯、空调、热水器、电饭煲、换气扇等。其对于提高人们的生活质量，尤其是普通家庭的生活质量有着重要的意义本系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分采用AT89C52作为主控器件，结合单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。本文介绍了用AT89S52单片机实现的基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统，以及AT89S52单片机的功能特点、GSM短信模块工作原理、传感器工作原理。借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观
3、的中文短消息或形式，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用。实现了对室的一些危险情况进行了远程监控并检测各种异常情况，并发出报警信号。关键词：GSM；单片机AT89C52；智能家居；远程控制；绪论1 课题提出的背景和意义1；1智能住宅，通俗地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过家触摸屏、无线遥控器、互联网或者语音识别控制家用设备，更
4、可以执行场景操作，使多个设备形成联动;另一方面，智能家居的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。 智能家居并不是一个特别新潮的概念，比尔盖茨的豪宅早在上世纪90年代已经建成，其中的智能家居理念在普通人看来即使在现在依然是领先的。而最近几年随着物联网的深入发展，智能家居再次崛起，与之前仅仅是概念或者为少数人所享受不同，此次其可能转变“高大上”姿态，逐渐进入寻常百姓家，而且极有可能在今年爆发。随着人们生活水平的提高，其对家居品质的要求也在不断提高，加上信息化对人们传统生活方式的改变让许多人对家居智能化的需求日益强烈。智能家
5、居作为最能满足人们智能和个性化的需求的理想产品得到了蓬勃发展。据预计，到2015年，我国智能家居市场规模将达到1240亿元。智能居家市场将是一片蓝海。人们生活水平的不断提高，不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利，因此从市场需求的角度看，智能家居必然是前景广阔。据统计，近几年电工行业年销售额40-60亿元人民币，其中高档产品销售额近20亿元。从市场发展的角度看，以智能网络开关为代表的新型电工产品的市场份额会逐年地快速放大，并最终替代传统的电工产品，这里孕育着巨大的商机。 1；2国外发展分析1；2；1国现状分析智能家居的概念传入中国已有近十年的时间了，国的
6、一些厂商也在2003年左右进入智能家居行业，并且陆续有一些智能家居系统推向市场。随着社会、经济水平的发展，人们对家居品质的追求也越来越高，要求家居舒适化、安全化，家居生活舒适化、智能化，对智能家居系统的需求也越来越强烈。近年来，家电、网络业巨头纷纷试水智能家居市场，面向智能家居行业的并购也时有发生，说明大家逐渐看好智能家居市场。前，全国房地产业蓬勃发展，小区智能化已成为一项基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然给房地产业带来新的卖点和活力，因此“全智能”是二十一世纪房产开发商力推的主题。从市场的成长环境看，现在我国每年的数字化家园建设比例已经占到了新建住宅总量的30%左右，如果根据国家
7、制定的“到2010年，中国大中城市60%的住宅要实现智能化”的数字化家园这个发展目标，我们认为，中国数字化家园的开发与建设要以年均6%的速度递增。 据调查，13亿人口的中国目前拥有1亿多智能家居家庭客户，这个群体相当于大半个欧洲，构成了一个巨大的、时尚的市场。在这个市场中，平均每家每年花费1000元，就有1000亿元的市场。事实上，市场调查数据表明，属于感性和持继性消费群体，每年在家居方面的支出人均远远不止1000元。因此，如何在这个市场中站好位置，占住有利地形，关系到能否把握住一个长期的、一劳永逸的商机。1；2；2国外发展分析智能家居在发达国家，特别是美国日本国这些电子产品先进的国家应用比较
8、普及，发展的比较快。国外智能家居已经有几十年的历史，1894年智能大楼在美国出现，随着比尔盖茨的智能家建立。国外品牌CONTROI4，快思聪等品牌，先后进入国市场，国外品牌在技术上采用的是总线形式，也是比较稳定的方式，但随着WIFI的普及无线智能家居逐渐取代有线产品， 2014年1月13日，谷歌收购智能家居公司NestLabs，该交易是谷歌历史上规模第二大的收购，仅次于2012年其收购摩托罗拉移动125亿美元的规模。与标志着谷歌首次涉足硬件的摩托罗拉交易一样，收购Nest给谷歌带来一个进军新市场的重要跳板。而在不久前刚刚结束的CES展 (国际消费电子展)上，智能家居也成为展览的主角之一。似乎在
9、一夜之间，智能家居突然火了。业人士表示，智能家居在过去的若干年其实一直处于蓄势待发状态，等待着爆发的机会。“。国际IT巨头在智能家具领域展开了博弈，苹果微软谷歌IBM同时宣布进入智能家具领域。国际IT巨头的纷纷涉足，更加证明了智能家居市场的潜力。业人士指出，所谓的突然爆发，其实就是在过去10年间软硬件快速发展、成本逐步降低的自然结果，而互联网巨头的加入，无疑为智能家居的发展注入一针强心剂。1；3本课题的主要工作在科技发达的今天智能家居的发展得到了极大额发展，但同时由于价格比较高还没有普及到平常老百姓的家中，本设计基于51单片机，利用无线射频技术采用GSM设计的一款安防家居产品。可以实现实现远程
10、监控家里安全，防止财务损失。同时具有良好的实用性，和简单的操作性。，主要容为：概述智能家居的概念现状，并分析了国外智能家居的现状以及遇到的瓶颈和机遇。析了目前远程控制技术的分析分绍了以单片机为核心的由按键电路、编码发送和解码接收电路、监测报警电路等组成的硬件电路设计模块。(4) 简单阐述了软件设计的思路和流程（5）最后对全文进行了总结，并提出设计中存在的问题和需要改进的方向。智能家居的总体设计远程控制方案智能家居控制系统，实现用户在远程控制的方案有很好种：主要是ZigBee技术、GSM技术、Wi-Fi技术、Z-Wave几种。2.3.1 ZigBee技术ZigBee技术是一种无线传输网络技术，它
11、具有很多优点，比如：传输的距离近，设计相当来说比较简单，功耗比较低，成本也比较低，速率相比较低。可以实现要求传输速率不高的电子设备之间，是一种简单的双向无线通讯技术，并且，相对其他技术来说，Zigbee比较可靠，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在1075m的围，但可以继续增加。作为一种无线
12、通信技术，ZigBee具有低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全等特点。2.3.2 GSM技术GSM是全球移动通信系统（Global System of Mobile munication）的简称，是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术。GSM是当前应用最为广泛的移动标准。GSM 较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代（2G）移动系统。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。 第一代GSM技术是一种模拟移动，它包括多种频段的网络，应用十分的广泛，GSM网
13、络目前实现了全国围的联网和漫游，它的网络能力特别强，对于用户不需要再组网，可以节约成本，减少麻烦。同时，使用GSM网络，对用户的个数也没用什么限制，相比传统的无线网络具有很大的优势。所以本系统利用GSM的短信功能，性能稳定，为远程数据的传输和控制提供了很好的一个平台。GSM的特点： 1 兼容性； 2 抗干扰；3 灵活性与扩容；4 使用标准化开放式接口；5 更好的安全性和性；6 灵活的切换处理。GSM及其他技术是无线移动通信的演进，无线移动通信包括高速电路交换数据、通用无线分组系统、基于GSM网络的数据增强型移动通信技术以及通用移动通信服务。2.3.3 Wi-Fi技术Wi-Fi是一种可以将个人电
14、脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。Wi-Fi 俗称无线宽带是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺围支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。从应用层面来说，要使用Wi-Fi，用户首先要有Wi-Fi 兼容的用户端装置。Wi-Fi技术突出的优势在于：其一，无线电波的覆盖围广，半径则
15、可达100米。其二，传输速度非常快，可以达到11mbps。但基于Wi-Fi技术的规模商业化应用未实现，问题主要集中在两个方面：一是大型运营商对这一模式的不认可：二是本身缺乏有效的商业模式。但基于Wi-Fi技术的无线局域网已经日趋普及。这将意味将来可以十分方便的应用。一旦存在Wi-Fi网络的公众场合，解决了运营商的互联互通，高收费，漫游性的问题，Wi-Fi将来从一个成功的技术转化为成功的商业。许多国家政府和城市使用该项技术打造无线化的国家和城市，且随着数码娱乐设备的普及，Wi-Fi技术的热度将会再次高涨起来。2.3.4 Z-WaveZ-Wave 跟GSM技术 和Zigbee技术一样也是一种无线网
16、络技术，跟Zigbee技术相类似，用于照明和家居的智能化。Z-Wave技术的设计十分接近家居控制，更适合用于家居中。很多产品在市场上有一定的规模。Z-Wave系统可以实现多个节点之间的通讯连接，在价格和性能稳定性方面相对Zigbee技术都可以比的上，它的信号可以穿过墙壁、地板等不透明的物体，可以将家中的各种电器组建成一个网络，实现对家电的集中控制管理，并且现在它的发展也很迅速，在欧美等国家，W-Zave的研发也进行中，竞争力仍在持续提升，相对其他技术拥有很多优势。Z-Wave可以满足人们对智能家居的需求，可以实现更多的功能，这种技术成本低，安全性高，更适合智能家居。2.4 GSM与单片机的通信
17、利用一种采用GSM的短信功能，可以使某些控制达到“零距离”。由于短信息的费用低廉，可以取代传统的无线遥控。系统的结构设计框图第1章单片机概述AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。1.1 AT89S52的主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指
18、针 掉电标识符1.2 AT89S52的功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级
19、中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。1.3AT89S52的管脚排列第2章 GSM 模块2.1 HRH GSM MODEM介绍由于HRH GSM Modem 嵌高可靠性的GSM 引擎（GSM Cellular Engine）和51 单片机系统（MCS51），标准串行接口和精简的软件接口协议将用户从繁杂的GSM 通信标准解析和调试中解脱出来，使用
20、方便，而且公网的数据传输具有通信围广（GSM 网络基本覆盖全国），传输稳定、可靠等特点。因此本设计选用HRH GSM Modem来进行通信。2.1.1 GSM Modem 的主要功能a.收发短信；b.借助短信实现远程小批量数据传输；c.语音通话（GSM ）；d.数传模式实现无线实时数据通信；e.无线上网（自动应答型）。2.2 GSM Modem 的硬件接口模块要求12V/500mA供电，与计算机或单片机通过串口通信，波特率9600bps，通过SIM卡座来安装SIM卡。2.3 HRH GSM Modem 的软件协议aA表示ASCII 字符A，00 或00H 表示16 进制数据00。b 帧结构：帧
21、头（固定为0AAH）指令码数据2.3.1设置短信中心号以地区为例，短信中心号为：+00，应向GSM MODEM 下发数据帧：AA 09 2B 38 36 31 33 38 30 30 31 30 30 35 30 30 （16 进制数据）如果设置成功，GSM MODEM 应答 AA 09 “+00”，如果设置不成功，GSM MODEM 应答 AA 09 ERROR短信中心号设置后，保存在SIM 卡上，只需设置一次；也可以在手机上把短信中心号设置好后再装入GSM Modem，以后就不用再设置。2.3.2 利用GSM MODEM 向普通手机发短信以向手机 发中文信息“测试”为例：首先计算或查表得到
22、“测试”的UNICODE 编码为：6D4B（测） 8BD5（试）；向GSM MODEM 下发数据帧：AA 02 31 33 36 36 31 31 37 34 36 30 32 6D 4B 8B D5GSM MODEM 可能返回于下信息：AA 01 ERROR短信未从GSM MODEM 送出，可能是未登陆网络或SIM 卡故障。AA 01 OK 短信已从GSM MODEM 送出，但未送达短信中心，可能是信号质量差或天线连接不好。AA 01 SEND OK 短信已送达短信中心，并且短信中心已经下发给接收方。AA 01 SUCCESS ： 接收方已经收到短信（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时
23、才会返回；GSMMODEM 已设置成短信自动应答）。AA 01 FAILURE ：短信中心未能将短信送达接收方或接收方已经收到短信，但其给短信中心的回应短信中心没有收到（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时才会返回）。一般情况下，由于短信不保证实时性，所以从发送到对方接收到短信可能有5-10 秒的延时，使用中建议设置短信超时定时器长度在20-30 秒左右。短信发送成功的返回信息：先返回 AA 01 SEND OK31；如果接收方手机设置了短信自动应答，则在对方收到后返回AA 01 SUCCESS ： 。短信发送失败的几种可能返回信息：a. AA 01 ERRORb. AA 01 OKc.
24、AA 01 SEND OK32 后； AA 01 FAILURE ：第3章 键 盘 显 示为了实现系统发生警情时能够向指定的发送短信息的功能，则必须有键盘和LED显示，来对防盗报警系统进行的预设，本设计选用HD7279作为键盘显示驱动，3.1 HD7279键盘显示芯片该芯片支持64键盘和8位数码管动态显示，与传统的键盘显示芯片8279相比，外围芯片少，与CPU仅有4线串行通信，大大的节省了CPU I/O口的资源；HD7279部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有两种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如左移、右移、闪烁、消隐、段寻址等；HD7279具有片选信号，可方便的实现多
25、于8位的显示或多于64键的键盘接口。3.2 HD7279的典型应用电路：1第4章 铁电存储器4.1 铁电存储器的特点为了实现对预设的存储和对报警信息的记录，本系统采用了能够保证掉电数据不丢失的铁电存储器，该类存储器相对于传统的EEPROM有许多优点：1传统的EEPROM写入次数有限，一般为10万次，而铁电存储器有着近乎无限次擦写的特性；2传统的EEPROM写入速度较慢，一般需要CPU延时几个NOP的时间来等待写入，而铁电存储器有着和RAM相同的操作速度；3EEPROM需要较大的能量来完成一次擦写，而铁电存储器在写入时属于微功耗。本设计选用了FM24C16来作为非易失性数据存储器，其特点如下：1
26、. FM24C16A是一种串行非易失存储器，它的结构容量为512*8位，接口方式为工业标准二线制造串行接口，与串行EEPROM的功能操作相似，与EEPROM具有相同的引脚排列，不同之处在于，FM24C16A具有非常出色的写操作性能；2.FRAM部采用读恢复机制操作。所以读写次数与每一次读写都有关系。FRAM结构是基于行与列阵列排布，行由A8- A2定义。 每次访问都会使一行减少一次读写寿命。铁电的擦写次数几乎可以说是无限次。即使每秒访问3000次，连续使用十年，使用寿命仍未终止。4.2 二线制协议FM24C16使用二线制协议串行总线及其传输规约进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小
27、，下图描述了FM24C16在微处理器系统中的典型配置：二线制协议即是总线上的所有操作都是由SDA和SCL两个脚位的状态来确定的，共有四个状态：开始，停止，数据以及应答，下图描述了四个状态的时序图。第5章 实时时钟为了实现发生警情时，对发生警情的时间进行记录，且为了保证系统的可靠运行，要求系统进行自检并定时上报系统运行状态，因此需要系统具有实时时钟功能。本设计选用了DS12887实时时钟芯片。5.1 DS12887功能与特点介绍DS12887采用CMOS技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片部。采用DS12887芯片设计的时钟电路勿需任何外围电路并具有良好的微机接口。DS12
28、887芯片具有微轼耗、外围接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：1含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。2计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。3二进制数码或BCD码表示时间、日历和定闹。412小时或24小时制，12小时时钟模式带有PWM和AM指导，有夏令时功能。5MOTOROLA5和INATAEL总线时序选择。6有128个RAM单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用RAM，所有ARAM单元数据都具有掉电保护功能。7可编程方波信号输出。8中断信号输出(IRQ)和总线兼容，定闹中断
29、、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。5.2 时间、日历和定闹单元时间和日历信息通过读相应的存字节来获取，时间、日历和定时闹钟通过写相应的存字节设置或初始化，其字节容可以是十进制或BCD形式。时间可选择12小时制或24小时制，当选择12小时制时，小时字节高位为逻辑“1”代表PM。时间、日历和定闹字节是双缓冲的，总是可访问的。每秒钟这10个字节走时1秒，检查一次定闹条件，如在更新时，读时间和日历可能引起错误。三个字节的定闹字节有两种使用方法。第一种，当定闹时间写入相应时、分、秒定闹单元，在定时允许、闹钟位置高电平的条件下，定闹中断每天准时起动一次。第二种，在三个定
30、闹字节中插入一个或多个不关心码。不关心码是任意从C到FF的16进制数。当小时字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次由于相线小时和分钟定闹字节置不关心位时，每分钟定闹一次；当三个字节都置不关心位时，每秒中断一次。5.3 DS12887引脚定义第六章 后备电源为了防止窃贼在进入防区之前将系统的供电交流电源切断，系统必须能够在交流电源被切断后继续正常运行一段时间，本系统采用12V/7AH的铅酸蓄电池作为后备电源，这就给系统设计提出了一个继续解决的问题：就是蓄电池的充电电源管理问题。由于铅酸蓄电池在过充情况下电解液会发生气化现象，导致蓄电池的寿命降低 ，蓄电池在充满电时，蓄电池的电压大概在13.6
31、V左右，在欠压时电压大概在10.9V左右，根据这个特点，本人发现此充放电特性符合滞回比较器的传输特性，即将滞回比较器的上限阈值设为13.6V，下限阈值设定为10.9V，当充满电后，使滞回比较器控制继电器将充电限流电阻切换到较大的限流电阻上；当放电到10.9V时，滞回比较器控制继电器将限流电阻切换到较小的限流电阻上，并且保障系统正常工作电流要小于快充充电电路的电流，而大于慢充充电电路的电流。这样就能保证滞回比较器始终工作在10.9V13.6V的滞回带，即保证蓄电池既不欠压又不过充。滞回比较器：有滞回特性，具有抗干扰能。从反相输入端输入的滞回比较器电路如下图所示，电路中引入了正反馈。滞回比较器工作原理：从集成运放输出端的限幅电路可以看出，uo=Uz。集成运放反相输入端电位，同相输，入端电位根据“虚短” ,求出的 就是阈值电压，因此得出当 ，因而uo=+Uz，所以, 。当 ， 因而uo=-Uz，所以 ，。可见，uo从+Uz跃变为-Uz和uo从-Uz跃变为+Uz的阈值电压是不同的，电压传输特性如下图所示。第7章 遥 控 器 为了实现用户在进入防区前或离开防区后能对系统的布、撤防状态进行改变，本设计选用了315M调幅遥
