基于51單片機(jī)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李力++陳巧珠

摘 要

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以C8051F330單片機(jī)為主站，以STC89C52單片機(jī)為各子站微控制器，主站和各子站使用SPI通訊協(xié)議通訊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)，利用GSM模塊的短消息收發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程安防。

【關(guān)鍵詞】智能家居 GSM模塊 傳感器

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)信息化程度不斷提高，智能家居的概念逐步走進(jìn)人們的生活。自從世界上第1幢智能建筑1984年在美國(guó)出現(xiàn)后，不少發(fā)達(dá)國(guó)家也紛紛提出了各種有關(guān)智能家居的方案。近年來(lái)，我國(guó)智能家居市場(chǎng)逐步壯大，智能家居的概念深入人心，智能家居應(yīng)具有安全、舒適的生活環(huán)境，便利的通訊方式，綜合的信息服務(wù)，智能化的家庭系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)針對(duì)智能家居安防系統(tǒng)，提出了基于51單片機(jī)，利用GSM模塊收發(fā)短消息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控家居情況，通過(guò)SPI通訊協(xié)議使主站與各子站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊交流，該系統(tǒng)集成有密碼門禁、熱釋電人體紅外感應(yīng)檢測(cè)、氣體煙霧檢測(cè)、溫度檢測(cè)、報(bào)警模塊等功能于一體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)感應(yīng)外界環(huán)境變化進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋的功能，為家居安全以及人身財(cái)產(chǎn)提供一個(gè)管理便捷、操作簡(jiǎn)易，具有可靠保障的家居生活環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

主要包括有安防系統(tǒng)的8個(gè)模塊：主站、GSM模塊、密碼門禁、熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊、照明系統(tǒng)、煙感模塊、溫度模塊、報(bào)警模塊。主站是由微控制器C8051F330單片機(jī)構(gòu)成；利用SPI總線搭建星型網(wǎng)絡(luò)，以一主多從的多機(jī)通訊方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)交流。系統(tǒng)上電后各子站正常工作，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況，如傳感器檢測(cè)到的數(shù)值超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，該模塊將通過(guò)總線將指令傳遞給主站，主站啟動(dòng)報(bào)警模塊，并向GSM模塊發(fā)送短消息，把信息傳送給屋主，從而避免了突發(fā)情況的發(fā)生。利用UART接口，實(shí)現(xiàn)主站與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流，實(shí)現(xiàn)利用PC機(jī)作為主站的輸入和輸出終端。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主站C8051F330是使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。該主站需要對(duì)多個(gè)模塊不間斷傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的處理，對(duì)指令的執(zhí)行效率要求高，此款單片機(jī)使用與MCS-51完全兼容的CIP-51指令系統(tǒng)，CIP-51跟傳統(tǒng)的MCS-51相比，擁有更高的指令執(zhí)行效率。其內(nèi)部集成的25MHz的高速晶體振蕩器，震蕩頻率超過(guò)普通51單片機(jī)支持最高頻率的2倍，能高效率的處理各子站間頻繁的通訊交流。

各子站由單片機(jī)STC89C52控制，其數(shù)量多、功能強(qiáng)、使用靈活的并行I/O接口，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大接口數(shù)，如密碼門禁中最小系統(tǒng)與矩陣鍵盤、12864液晶顯示器、步進(jìn)機(jī)、AT24C02存儲(chǔ)芯片接口等，無(wú)需外擴(kuò)接口，操作方便；其內(nèi)部還自帶定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能。

2.1 GSM/GPRS無(wú)線模塊

本系統(tǒng)采用的是SIMCom有限公司提供的SIM900A模塊。該款模塊的尺寸大小只有24mm×24mm×3mm；采用省電技術(shù)，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA，幾乎可以滿足開(kāi)發(fā)應(yīng)用中對(duì)空間尺寸、低功耗的要求。該模塊提供天線接口引腳與串在IO口線中的22?電阻連接SIM卡。該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，使用不同的編解碼模式可以進(jìn)行GSM語(yǔ)音、混合中/英文的短消息發(fā)送；此外，該模塊上的串口和調(diào)試串口有助于開(kāi)發(fā)應(yīng)用，方便程序的調(diào)試。

2.2 門禁系統(tǒng)

智能門禁系統(tǒng)的出現(xiàn)是家居安防系統(tǒng)中不可或缺的一部分，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子密碼門禁，該門禁包括兩種模式：管理模式和用戶模式，用戶可根據(jù)自己的需要設(shè)置密碼。密碼存儲(chǔ)在AT24C02存儲(chǔ)芯片上，由矩陣鍵盤輸入密碼，并由12864液晶顯示器顯示結(jié)果。該模塊設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.3 多傳感器

2.3.1 煙霧傳感器

家居安防系統(tǒng)中對(duì)除了防盜報(bào)警功能外對(duì)家居生活氣體的探測(cè)尤為重要。本設(shè)計(jì)采用煙霧傳感器MQ-2，該傳感器外形小，氣體響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，低功耗，常適用于煤氣、煙霧的監(jiān)測(cè)。其廣泛的探測(cè)范圍，適用于家庭氣體：液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的監(jiān)測(cè)。還具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。MQ-2傳感器輸出為模擬量，單片機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)，需要利用A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理；聲光報(bào)警電路里使用蜂鳴器作為報(bào)警用，同時(shí)還用LED燈進(jìn)行相應(yīng)的指示。

本設(shè)計(jì)使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是ADC0808，該芯片具有8個(gè)通道的模擬輸入線（IN0～I(xiàn)N7），且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。輸入輸出與TTL兼容?？稍诔绦蚩刂葡聦?duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得8位二進(jìn)制數(shù)字量（D7～D0）。模擬輸入部分有8路多路開(kāi)關(guān)，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來(lái)選擇，ALE為地址鎖存信號(hào)，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號(hào)。模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3。

2.3.2 溫度傳感器

面對(duì)眾多的溫度傳感器，本設(shè)計(jì)采用高精度，高可靠性的由DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20的溫度傳感器。超小的體積，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)等特點(diǎn)。該款芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，有其自身系列號(hào)，可在總線上連接多個(gè)DS18B20，溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。該模塊設(shè)計(jì)框圖如圖4。

2.3.3 DYP-ME003紅外人體感應(yīng)模塊

DYP-ME003人體感模塊是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式。具有全自動(dòng)感應(yīng)、光敏控制、溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。一旦人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。輸出高電平信號(hào)：可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接。其與單片機(jī)工作流程圖如圖5。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用模塊化思想進(jìn)行軟件編程，主站C8051F330單片機(jī)使用SPI通信協(xié)議，在軟件設(shè)計(jì)中采用輪詢方式，不間斷地對(duì)各子站傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)接收到傳感器預(yù)設(shè)的警報(bào)值或者門禁報(bào)警、管理模式的指令時(shí)，系統(tǒng)跳到指定的中斷程序，執(zhí)行該中斷程序，完成后退出，繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)。GSM模塊能接收/發(fā)送語(yǔ)音、中文/英文等格式信息，對(duì)于發(fā)送語(yǔ)音、中文需要復(fù)雜的PDU編碼格式，而在本系統(tǒng)中Text模式單獨(dú)地發(fā)送英文消息就足以系統(tǒng)的功能要求。

GSM模塊的部分程序代碼如下：

printf（"AT+CMGF=1＼r"）； /*選擇短信消息格式為文本模式（非中文）*/

delay_ms（3000）；

printf（"AT+CSCS=＼"GSM＼"＼r"）；/*設(shè)置選擇TE字符集為GSM7位默認(rèn)字符*/

delay_ms（3000）；

printf（"AT+CSMP=17，167，0，250＼r"）；/*設(shè)置短信模式（手機(jī)自動(dòng)保存模式）*/

delay_ms（3000）；

printf（"AT+CMGS=＼"135xxxxxxxx＼"＼r"）；/*填入接收短信的目標(biāo)號(hào)碼*/

delay_ms（3000）；

printf（sms_text）； /*短信內(nèi)容*/

puts（&end_char）； /*短信內(nèi)容后加“0x1a”結(jié)尾，以16進(jìn)制發(fā)送*/

3.1 電子密碼門禁

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子密碼門禁，由STC89C52單片機(jī)控制，系統(tǒng)第一次上電后，初始化數(shù)據(jù)，設(shè)定初始密碼并存儲(chǔ)在AT24C02上，鍵盤掃描是否有按鍵按下，檢測(cè)按下的按鍵是否為用戶模式，若是，輸入正確的6位數(shù)字密碼，開(kāi)門。否則，系統(tǒng)不予以響應(yīng)；該門禁系統(tǒng)還支持用戶隨時(shí)隨地修改門鎖密碼，當(dāng)用戶需要修改密碼時(shí)，通過(guò)手機(jī)發(fā)送預(yù)設(shè)的短消息指令給GSM模塊，由GSM模塊把修改密碼的指令發(fā)送給主站，并由主站傳送對(duì)應(yīng)的指令給密碼門禁系統(tǒng)上的STC89C52單片機(jī)，把修改的密碼存入AT24C02芯片并標(biāo)記新的密碼生成。

3.2 傳感器

系統(tǒng)對(duì)于住宅環(huán)境中的有毒氣體以及溫度檢測(cè)分別采用煙霧傳感器模塊、溫度傳感器模塊，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，由各子站的STC89C52單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給主站，一旦傳輸?shù)臄?shù)值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的值，即氣體濃度超過(guò)100mg/m3或者溫度傳感器檢測(cè)到房間溫度值超過(guò)40℃時(shí)，主站傳指令給報(bào)警系統(tǒng)，此時(shí)報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)啟，并通過(guò)GSM短消息模塊發(fā)送信息給主人做好防范措施。

該系統(tǒng)除了環(huán)境檢測(cè)傳感器之外還有防止外人入侵的紅外照明系統(tǒng)，紅外系統(tǒng)工作時(shí)，一旦檢測(cè)到有人，先詢問(wèn)主站，門鎖是否正常開(kāi)啟，若是，門口、客廳的燈光會(huì)自動(dòng)亮起；否則，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。對(duì)于各個(gè)房間的燈光，可根據(jù)主人的需要，通過(guò)手機(jī)發(fā)送相應(yīng)的GSM消息開(kāi)啟或者關(guān)閉燈光。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)在運(yùn)行情況上良好，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居人員情況，對(duì)氣體、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、并通過(guò)GSM模塊進(jìn)行短信息收發(fā)。適用范圍廣，成本低，能滿足一般家庭的需要，本系統(tǒng)將在后續(xù)的開(kāi)發(fā)中實(shí)現(xiàn)更高的靈活性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

李力（1965-），四川省人?，F(xiàn)為廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)，嵌入式應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。

陳巧珠（1994-），現(xiàn)為廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院2012級(jí)學(xué)生。

作者單位

廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院 廣東省廣州市 510640