1、南通大學智能家居監控系統設計學 院：電氣工程班級：電115姓 名：劉家辰學 號： 1112002083目錄1 引言.32 系統設計 .33 硬件設計 .43.1單片機的選型 .43.2溫度監測模塊 .53.2.1 溫度傳感器簡介 . .53.2.2測量原理 .53.2.3電路仿真 .63.3煙霧監測模塊 .73.4 Zigbee 模塊 .83.5報警模塊 .93.6鍵盤輸入模塊 .103.7液晶顯示模塊 .113.8人體紅外感應模塊 . .114 主機軟件設計 .124.1主機程序整體框架 .134.2無線發送 / 接收程序 . .134.3溫度監測節點程序 . .154.4煙霧監測節點程序

2、. .174.5紅外熱釋電監測節點程序 . .185 設計體會 .20第1頁共22頁6 參考文獻207 附錄21主機電路原理圖21第2頁共22頁1 引言隨著社會經濟和科學技術的發展，社會信息化程度越來越高， 物聯網的推出是時代發展的需要， “三網合一”、“ 三屏合一” 等新概念不斷提出， 智能家居成為未來家居的發展方向。智能家居在兩個方面具有重要作用：(1) 家居智化， 繼而實現住戶舒適最大化， 家庭安全最大化。智能家居通過其智能家庭控制幫助人們改進生活方式， 重新安排每天的時間計劃表， 并為高質量的生活環境提供安全保障。(2) 智能家居的另一個重要作用是降低能源消耗，操作成本最小化， 幫助人

3、們節約日常能源消耗開支。智能家居主要通過智能家庭控制系統實現， 家庭控制網絡是實現智能家庭控制系統的關鍵。 近幾年， 各種家庭網絡推進組織相繼成立， 并各自推出了相關建議和標準， 但這些技術標準缺乏統一的通信接口， 相互間不兼容 , 無法提供家庭控制網絡的完整解決方案。因此， 智能家居研究者面臨的最大挑戰和機遇是家用電子領域缺乏統一的通信標準和互操作協議。2 系統設計智能家居監控系統的總體設計框圖如圖 1 所示。該系統采用主從方式， 主機負責接收無線信息、 GSM遠程報警、傳感器閾值設置，從機負責溫度、氣體、煙霧、等環境信號采集處理及無線發送。 本文研制的智能家居環境監測報警系統能夠實時監測煤

4、氣泄漏、火災、電熱毯過熱等溫度異常、外人闖入等危險狀態，并可實現電話號碼報警，設置傳感器閾值等功能。第3頁共22頁被檢測對象溫度檢ZigBee測模塊模塊顯示模塊煙霧檢ZigBee測模塊模塊溫度監ZigBee蜂鳴器測模塊模塊ZigBee主單片報警模模塊機塊有害氣ZigBee體監測模塊模塊紅外感ZigBee應模塊模塊鍵盤輸入模塊圖 1 智能家居監控系統的總體設計框圖3 硬件設計3.1單片機的選型采用 AT89S51作為主要單片機AT89S51是一種可編程可擦除的只讀存儲器并帶有 4K 字節的閃爍，具有是低功耗，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。 AT89S51內有 4K 字節可編程閃爍存儲

5、器， 128 字節的內部 RAM，32 個外部雙向 I/O 口，6 個中斷源，兩個 16 位定時計數器及兩個全雙工串行通信口 , 看門狗電路。 AT89S51 有片內振蕩器和時鐘電路，具有掉電模式和低功耗的閑置。AT89S51可降至 0Hz 的靜態邏輯操作，第4頁共22頁空閑方式是停止 CPU的工作，但允許定時計數器、 RAM、中斷系統及串行通信口繼續工作。掉電方式是保存 RAM中的內容，但振蕩器停止工作就要禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3.2 溫度監測模塊3.2.1 溫度傳感器簡介溫度傳感器的種類眾多，在應用與高精度、高可靠性的場合時 DALLAS（達拉斯）公司生產的 DS18B2

6、0溫度傳感器當仁不讓。DS18B20具有以下特性：（ 1）獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊；（ 2）簡單的多點分布應用；（ 3）無需外部器件；（ 4）可通過數據線供電；（ 5）零待機功耗；（ 6）測溫范圍 -50+125，以 0.5 遞增。華氏器件 -67+257，以 0.9 遞增；(7) 溫度以 9 位數字量讀出溫度數字量轉換時200ms（典型值）；(8) 用戶可定義的非易失性溫度報警設置；(9) 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；(10) 應用包括溫度控制、工業系統、消費品、溫度計或任何熱感測系統。3.2.2 測量原理DS18B20有三個主要數字部件： 1

7、）64 位激光 ROM， 2）溫度傳感器， 3）非易失性溫度報警觸發器 TH和 TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內部電容里， 在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 DS18B20也可用外部 5V 電源供電。第5頁共22頁DS18B20+5VVDDI/OuP圖 3 DS18B20與單片機的連接方式DS18B20依靠一個單線端口通訊， 如圖 3 所示。在單線端口條件下， 必須先建立 ROM操作協議，才能進行存儲器和控制操作。 因此，控制器必須首先提供下面 5 個 ROM操作命令之一： 1）讀 ROM，2）

8、匹配 ROM，3）搜索 ROM，4）跳過 ROM，5）報警搜索。這些命令對每個器件的激光 ROM部分進行操作，在單線總線上掛有多個器件時， 可以區分出單個器件， 同時可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號的器件。 成功執行完一條 ROM操作序列后，即可進行存儲器和控制操作，控制器可以提供 6 條存儲器和控制操作指令中的任一條。一條控制操作命令指示 DS18B20完成一次溫度測量。 測量結果放在 DS18B20 的暫存器里，用一條讀暫存器內容的存儲器操作命令可以把暫存器中數據讀出。溫度報警觸發器 TH和 TL 各由一個 EEPROM字節構成。如果沒有對 DS18B20使用報警搜索命令， 這些

9、寄存器可以做為一般用途的用戶存儲器使用。 可以用一條存儲器操作命令對 TH和 TL 進行寫入，對這些寄存器的讀出需要通過暫存器。 所有數據都是以最低有效位在前的方式進行讀寫。圖 4 DS18B20溫度測量電路原理圖3.2.3 電路仿真1>未達到設定值前：第6頁共22頁2>到達設定值之后：3.3 煙霧監測模塊MQ系列氣體傳感器是常見的氣體傳感器，它有多種系列，可用于不同氣體濃度的檢測。 它的工作原理為： 其內部由活性很高的金屬氧化物半導體 （常用的是 SnO2）組成，金屬氧化物半導體在空氣中被加熱到一定溫度時，氧原子被吸第7頁共22頁附在帶負電荷的半導體表面， 半導體表面的電子會被轉

10、移到吸附氧上， 氧原子就變成了氧負離子， 同時在半導體表面形成一個正的空間電荷層， 導致表面勢壘升高，從而阻礙電子流動。 在敏感材料內部， 自由電子必須穿過氧化物半導體微晶粒的結合部位 （晶界）才能形成電流。 由氧吸附產生的勢壘同樣存在于晶界而阻礙電子的自由移動， 傳感器的電阻即緣于這種勢壘。 在工作條件下當傳感器遇到還原性氣體時，氧負離子因與還原性氣體發生氧化還原反應而導致其表面濃度降低，勢壘隨之降低，傳感器的阻值減小。在給定的工作條件下和適當的氣體濃度范圍內，傳感器的電阻值和還原性氣體濃度之間的關系可近似由下面方程表示：Rs=AC- 其中： Rs：傳感器電阻 ，A: 常數 ，C: 氣體濃度

11、， ：Rs 曲線的斜率通過對傳感器兩端電壓的測量可以得到傳感器的阻值， 進而可以得到所測氣體的濃度。MQ-7半導體氣體傳感器具有對 一氧化碳的高靈敏度、優異的穩定性、長壽命、大的電信號輸出、優異的選擇性，常用于家庭、商業、工業環境的一氧化碳、煤氣探測裝置。MQ-7 工作條件：環境溫度： -20 +55 濕度： 95%RH環境含氧量： 21%煙霧監測模塊由一塊 MQ-7 型氣敏傳感器芯片及若干外圍電路組成。其測量電路如圖 5 所示。圖 5 煙霧監測模塊測量電路3.4 Zigbee模塊ZigBee是 一 種 低 速 無 線 個 域 網 技 術 （ LowRate Wireless Personal

12、Network, LRWPAN）。它用途很廣泛，多適用于一些分布范圍較小，通信數據量不大，數據傳輸速率相對較低， 但同時對傳輸數據的可靠性和安全性有一定的要求，同時成本低和功耗低且易安裝使用的場合。選用CC2530 作為無線通信模塊的核心芯片。外觀圖如圖5.2 所示。第8頁共22頁CC2530-ZigBee 無線通訊模塊是采用 TI 最新一代 CC2530 ZigBee 標準芯片，適用于 2.4GHz、 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 應用。 CC2530 芯片包括了極好性能的一流 RF 收發器，工業標準增強性 8051 MCU ，系統中可編程的快閃內存， 8KB R

13、AM 以及許多其他功能強大的特性，可廣泛應用在 2.4-GHz IEEE 802.15.4 系統、 RF4CE 控制系統、 ZigBee 系統，其應用領域可為：家庭醫院建筑物自動化，工業控制測量和監視，低功耗無線感測器網絡等各方面應用。無線模塊的軟件主要由兩部分構成， 一部分為主程序， 實現串口數據到無線數據的轉換；另一部分為中斷服務程序， 實現無線數據到串口數據的轉換 CC2530 的開發環境是 IAR Embedded Workbench IDE，采用 C 語言編程，流程圖 6 如下：開始初始化時鐘初始化電源初始化串口初始化 DMA初始化無線無線接收串口接收到數N據？數據在 DMA 的控制

14、下從 RadioY區轉移到 Memory 區串口數據經 DMA控制轉移到 Radio區中DMA 工作結束后產生中斷，通無線發送過串口將轉移到 Memory 中數據發送出去圖 6ZigBee 模塊軟件設計流程圖3.5 報警模塊當需要報警時， 單片機將通過一個 I/O 口進行報警。報警電路由一個蜂鳴器和三極管 9013 組成，當單片機的 WARN口輸出高電平時， 9013 導通，蜂鳴器聯通，從而發出聲音，聲音的大小可由 WARN口輸出的方波頻率控制。第9頁共22頁圖 7報警模塊電路3.6 鍵盤輸入模塊在單片機系統中， 鍵盤的設計主要有三種方式： 獨立按鍵式鍵盤、 行列掃描式鍵盤和 N×（

15、 N-1）鍵盤。獨立按鍵式鍵盤使用單片機的 I/O 口線直接連接，每個按鍵對應一根口線， 一般應用在按鍵較少的場合。 但系統功能較多、 按鍵數量較大時，獨立式按鍵就不能滿足需要了。此時需要使用行列掃描式鍵盤接口，可以通過少量的 I/O 口線連接較多的按鍵。 在有的應用場合， 單片機的 I/O 口線非常緊缺，又需要較多按鍵的鍵盤，這時可使用 N 條口線上連接 N×（ N-1）個按鍵的方法予以解決。本設計中采用的是獨立按鍵式鍵盤，接線方式如圖 8 所示。圖 8 行列掃描式鍵盤原理圖在獨立按鍵式鍵盤上實現鍵盤主要有三個步驟： 判斷有無按鍵被按下并消除抖動；鍵盤識別；等待按下鍵盤松開。1判斷

16、有無按鍵被按下并消除抖動在圖 8 中，按鍵開關一端接地，一端通過一個上拉電阻接高電平作為輸出，當按鍵按下時， 輸出電平由高變為低， 通過單片機進行延時消除抖動即可判定為一次有效按鍵觸動。2. 鍵盤識別經確認的有效按鍵觸動后就可以進行鍵盤的識別，由單片機對 KEY口輸入進第10頁共22頁行識別從而得到對應的鍵值。3. 等待按下按鍵松開鍵盤識別后單片機將采用 while 來檢測按鍵的輸出電平是高還是低來確定按鍵是否松開，未松開則一直在等待直到松開。3.7 液晶顯示模塊LPH7366是 NOKIA公司生產的可用于其 5110、 6150，6100 等系列移動電話的液晶顯示模塊， 國內廠家也生產有類似

17、的兼容產品。 該產品除應用于移動電話外，也可廣泛應用于各類便攜式設備的顯示系統。 與其它類型的產品相比， 該模塊具有以下特點：1>84×48 的點陣 LCD，可以顯示 4 行漢字；2> 采用串行接口與主處理器進行通信， 接口信號線數量大幅度減少， 包括電源和地在內的信號線僅有 9 條。支持多種串行通信協議 （如 AVR單片機的 I 、MCS51的串口模式等），傳輸速率高達 4Mbps，可全速寫入顯示數據，無等待時間；3> 可通過導電膠連接模塊與印制版， 而不用連接電纜， 用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換；4>LCD控制器 / 驅動

18、器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小；5>采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200A 以下，且具有掉電模式。LPH7366的這些特點非常適合于電池供電的便攜式通信設備和測試設備中。圖 9液晶顯示模塊電路3.8 人體紅外感應模塊HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口 LHI778 探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，尤其是干電池供電的自動控制產品。第11頁共22頁圖 10HC-SR501人體感應模塊實物圖功能特點 :1、全自動感應 :人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。

19、2、光敏控制（可選擇，出廠時未設）可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。3、溫度補償 (可選擇，出廠時未設 )：在夏天當環境溫度升高至 3032，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。4、 兩種觸發方式：（可跳線選擇）a、不可重復觸發方式 :即感應輸出高電平后，延時時間段一結束，輸出將自動從高電平變成低電平；b、可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持高電平， 直到人離開后才延時將高電平變為低電平 （感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段， 并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點 )。5、具有感應封鎖時間 (默

20、認設置 :2.5S 封鎖時間 )：感應模塊在每一次感應輸出后（高電平變成低電平） ，可以緊跟著設置一個封鎖時間段， 在此時間段內感應器不接受任何感應信號。此功能可以實現 “感應輸出時間 ”和 “封鎖時間 ”兩者的間隔工作，可應用于間隔探測產品； 同時此功能可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。 (此時間可設置在零點幾秒 幾十秒鐘 )。4 主機軟件設計編寫程序時，應當首先確定一個比較完整的程序結構， 在此結構的基礎上逐步細化，最終完成程序所要求的全部功能。 本文是按照模塊的思想來規劃整個軟件系統的設計， 對系統所應實現功能進行分析， 并考慮硬件設備， 將軟件分為主第12頁共22頁機軟件設計和從

21、機軟件設計兩個部分。本節和3 節將對軟件設計過程進行闡述。4.1 主機程序整體框架系統按照功能分層次進行實現， 每個部分完成各自部分的功能， 所有源程序寫在對應模塊的 .c 文件中，而宏定義、外部變量聲明、函數聲明保存在對應名稱的 .h 文件中。如前述，系統主機要實現低功耗， 絕大部分處理將安排在中斷程序中。 程序框架如圖 11 所示。檢測狀態N狀態異常 or有按鍵？Y初始化、讀取配置參數置相應標志根據標志進退出低功耗無行相應處理限循返回環進入低功耗（ a）系統主程序（ b）中斷程序圖 11 主機程序整體框架中斷程序：實現各種狀態及按鍵的檢測，若正常或無按鍵，直接返回；否則置相應標志后退出低功

22、耗模式，以便主程序完成處理。主程序：根據各個中斷程序中設置的標志位進行相應報警處理或按鍵處理，處理完成后進入低功耗模式。按上述框架實現程序，可以使得 CPU 無須時時刻刻執行程序，在沒有中斷時進入低功耗狀態， 從而提高系統運行時間。 后續節將分別闡述主程序和各個中斷程序的實現過程。4.2 無線發送 / 接收程序在進行 CC2420通訊之前需要確定發送和接收數據的幀格式，為了簡化，不用官方 Zigbee的數據幀格式。在這個項目中采用下面的數據幀格式。CC2420處于接收狀態下，它開始接收新的一幀數據當它檢測到SFD和前導碼時。表 3CC2420發送與接收數據幀格式MAC協議數據單元（ MPDU）

23、前導碼幀起始分隔幀長度源地址目的地址負載幀檢查系列符（ SFD）（ CRC）4字節1字節1字節1字節1字節4字節2字節0x000x7AMPDU發送者地接收者地數據? 發射 , 0x00.的長度 :址址或廣播? 接收,第2 個字第13頁共22頁0x08地址 0xFF節的第 7位當CRC 正確為 1，否則是 0數據幀發送時， CC2420自動在數據包的開始處加上前導碼和幀起始分隔符在數據包末尾加 CRC檢驗。發送與接收程序代碼見附錄 2.一、發送按以下步驟進行數據發送：1把數據流按順序存入 TX FIFO：a.幀中 MPDU的長度，通常情況下是 0x08b.本地地址c.接收者地址或廣播地址0xFF

24、d.用于發送的四個字節，從MSB開始（也就是 In31:24->In7:0 ）e.兩個字節的 0x00，它表示 CC2420自動替換 CRC位。2檢查 CCA信號并且在信道空閑時才進行操作。另一做法是用 STXCCA命令寄存器代替第 2和第 3步。不管你采用哪一種方法來執行 CCA，建議你要經過一段“隨機”長的時間的等待后才重試。3執行 STXON命令寄存器4在任何新數據寫入 TX FIFO前請確認 SFD變高后變底并且已經等待了至少60個時鐘周期。二、接收接收數據幀時， CC2420自動計算幀的 CRC校驗。你要人工檢查接收幀的最后一個字節的 CRC校驗位。存到 RX FIFO的首個字

25、節是長度字節。 CC2420將不會接收任何數據除非它已經處于接收模式 12個信號周期。你必須在數據包的發送過程中加入等待時間以便 CC2420檢查和接收數據。按以下步驟進行數據接收：1 檢查 FIFO和FIFOP信號，確認是否有新數據到來。2 如果有新數據到來，開始從RX FIFO中讀取。a. 首字節是長度字節。要保存，因為它是幀結束的唯一標志。馬上清除 RX FIFO如果它的長度不是 0x08。b. 接收源地址并檢查它是否與希望的發送者相匹配。如果不匹配則隨機的丟棄整個幀。對地址的檢查請參考 4.4節。c. 接收目的地址并檢查它是與本地地址相匹配還是廣播地0xFF。如果不匹配則隨機的丟棄整個

26、幀。d. 接收并保存 4字節負載到一個你將要設計的 FIFO中。e. 接收兩字節的 CRC信息。如果 CRC沒有檢查，則丟棄先前保存的數據負載。3任何時候 RX FIFO只要發生下溢或溢出，馬上清除 FIFO。接收中斷程序如圖所示。第14頁共22頁開始設接收數據狀態收到數據？NOYES設發送數據狀態回送數據數據類型？溫度煙霧紅外置火警標志置煤氣標志置闖入標志退出低功耗返回圖 11無線接收流程圖4.3 溫度監測節點程序溫度監測節點采用和主機類似的程序框架。 主程序流程和溫度采集判斷流程分別如圖 12、13 所示。第15頁共22頁開始系統初始化NO參數未配置？YES等待配置讀取參數NO有標志？YE

27、S發送溫度數據無線置接收狀態收到回送數據？進入低功耗圖 12 溫度監測節點主程序流程圖開始檢測溫度NO超限？YES置溫度標志退出低功耗圖 13 溫度檢測、判斷流程圖第16頁共22頁無線節點同樣有低功耗的要求， 另一方面考慮到溫度變化不快， 所以程序中對溫度的檢測間隔進行，每 10s 采樣一次，使用一個定時器實現。在定時器中斷服務程序中實現溫度檢測及是否超限的判斷，若超限置超限標志后退出低功耗，以便主程序實現處理。在溫度節點中要實現對上位機溫度設定數據的接收，和主機類似，待機狀態下 CC2420處于休眠模式 GIO1 pin 周期性輸出一方波， 接于 MSP430F149具有中斷功能的 P1.6

28、 上，定時通知 CPU處理通信任務。其中 P1.6 設為上升沿中斷。中斷程序中判斷是否接收到溫度設定數據， 若接收到則更新本地設定數據， 并寫入FLASH信息段。DS18B20 數字溫度計提供 9 位 (二進制 )溫度讀數 指示器件的溫度 信息經過單線接口送入 DS18B20或從 DS18B20讀出，因此從主機 CPU，到 DS18B20僅需一條線 (和地線 )。這也決定了對 DS18B20的操作時序有嚴格的要求。下面簡單介紹其工作過程及時序。開始DS18B20初始化，NO成功？DS18B20初始化，NOYES成功？YES發送跳過讀 ID 號命令發送跳過讀 ID號命令發送讀 ScratchPa

29、d命令發送溫度轉換命令從ScratchPad讀取溫度延時 1s溫度轉換為十進制保存返回圖 14溫度轉換程序流程4.4 煙霧監測節點程序煙霧檢測主要是測量煙霧傳感器的電壓，可以通過單片機AD 模塊將電壓值數字化，通過調節靈敏度分壓電阻可以得到適合的報警值，若單片機獲得的AD值超過這一報警值，則延時 1s，然后每隔 1s 采集一次煙霧傳感器電壓值，若5次該電壓值均超過設定的報警值， 則置報警標志位并通過無線發送給主機進行處理。煙霧監測節點主程序流程和中斷服務程序流程分別如圖15、16 所示。第17頁共22頁開始初始化NO5次 AD 值均超過報警值？YES發送煙霧報警進入低功耗圖 15 煙霧監測節點主程序流程圖開始置煙霧標志退出低功耗圖 16 中斷服務程序流程4.5 紅外熱釋電監測節點程序紅外熱釋電監測節點程序的