基于MCU的智能家居自動(dòng)化和安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓博 李卓

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541006）

隨著我國(guó)改革開(kāi)放政策取得巨大成功，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn),使得人們對(duì)自身的生存質(zhì)量和品質(zhì)提出了更高的要求。而家庭環(huán)境作為人們生活質(zhì)量的最具有代表性的體現(xiàn),智能家居系統(tǒng)也逐漸走進(jìn)人們的視野。以前人們只追求溫飽問(wèn)題，而現(xiàn)在，人們對(duì)于自己的生活質(zhì)量有了新的要求。比如：生活品質(zhì)、環(huán)境的舒適、住房安全等等。讓家居實(shí)現(xiàn)智能化，為人們提供更多的便利是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。為人們創(chuàng)造了一個(gè)安全、舒適、智能、便利、全自動(dòng)化的生活環(huán)境，人們可以有更多的時(shí)間和精力去做其他的事情。所以智能家居的發(fā)展，對(duì)人們生活的質(zhì)量的提升有著非比尋常的意義[1]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本智能家居自動(dòng)化和安全系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心處理器，利用WiFi 通信技術(shù)將傳感器和PC 端相結(jié)合組成的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上布置了溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、粉塵濃度傳感器、PM2.5 傳感器和人體紅外傳感器用于感測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的信息[4]。本系統(tǒng)的硬件部分采用跟和IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。本系統(tǒng)的軟件部分采用Microsoft Visual Studio Solution 集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。使用c 語(yǔ)言以及c#語(yǔ)言進(jìn)行軟件部分的編程。系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)

STC12C5A60S2 單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，其具有高速、低功耗以及超強(qiáng)抗干擾的性能，屬于新一代8051 單片機(jī)，它的令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但運(yùn)行速度是傳統(tǒng)單片機(jī)8-12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S)。單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 光敏電阻傳感器

光敏電阻傳感器分為三針型和四針型兩種，本系統(tǒng)選用四針型光敏電阻傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品使用比較方便，其具有抗干擾能力強(qiáng)，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并自帶可調(diào)節(jié)電位器，可對(duì)檢驗(yàn)光線(xiàn)亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，擁有DO 數(shù)字開(kāi)關(guān)量的輸出方式（0 和1）和AO 模擬量輸出（電壓）。具體的傳感器的采集信息的原理是通過(guò)光敏電阻中的電阻器來(lái)根據(jù)光照強(qiáng)度的升高，使得電阻值下降。量程：0～1000Lux/10～10 000 Lux 可選，測(cè)量精度：＜7%。四針型光敏電阻傳感器共有4 個(gè)引腳，分別是VCC、GND、AO 以及DO。VCC 代表電路的供電電壓，GND 代表電線(xiàn)接地端，AO 負(fù)責(zé)模擬信號(hào)輸出，DO 負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，可與單片機(jī)相連[2]。光敏電阻傳感器的引腳圖如圖3 所示。

圖3 光敏電阻電路圖

2.3 人體紅外傳感器

本系統(tǒng)采用的是HC-SR501 型號(hào)的人體紅外傳感器，HC-SR501 是基于紅外線(xiàn)技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口LHI778 探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式[3]，外罩菲涅耳透鏡隔離外界干擾并增加檢測(cè)距離，直流電壓5V 至20V 之間可正常工作，能夠輸出0V 至3V的高低電平，感應(yīng)范圍在7 米以?xún)?nèi)，小于120 度錐角，可以調(diào)節(jié)封鎖時(shí)間及檢測(cè)距離。傳感器具體的實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)熱釋電原件當(dāng)做一個(gè)紅外感應(yīng)源，當(dāng)感知到人體溫度的變化時(shí)就會(huì)導(dǎo)致電荷失衡，并且會(huì)向外排放電荷，經(jīng)過(guò)電路檢測(cè)到以后就會(huì)發(fā)生報(bào)警。

HC-SR501 型號(hào)的人體紅外傳感器共有5 個(gè)可外接端口，包括電源正極，電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端口OUT，其余兩個(gè)端口H 和L 可以設(shè)置觸發(fā)方式，分別代表了可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)，RT 是溫度補(bǔ)償電阻，CDS 是光敏電阻[4]。圖4 為人體紅外傳感器電路連接圖。

圖4 HC-SR501 人體紅外傳感器電路連接圖

2.4 WiFi 模塊

本課題設(shè)計(jì)采用的wifi 模塊具體型號(hào)為ESP8266，ESP8266模塊體積在11×10 毫米左右，工作電壓在3.3V，板載PCB天線(xiàn)，對(duì)于802.11 b/g/n 非常支持，工作的模式主要有AP，STA 以及混合三種工作模式，在控制的時(shí)候是用AT 來(lái)控制。內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，支持多路TCP Client 連接，支持Socket AT 指令、UART/GPIO 數(shù)據(jù)通信接口以及Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能，內(nèi)置32 位MCU，可兼作應(yīng)用處理器，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)[5]。圖5WiFi 模塊的電路連接圖。

圖5 WIFI 模塊連接電路圖

2.5 溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)的溫濕度檢測(cè)模塊硬件采用的DHT11 溫濕度傳感器與STC12C5A60S2 單片機(jī)P3.7 口連接通信，適用于很多環(huán)境中。溫濕度傳感器的引腳連接圖如圖6 所示。

圖6 溫濕度檢測(cè)模塊連接電路圖

2.6 煙霧傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中對(duì)煙霧模塊硬件采用的是MQ-2 煙霧傳感器。在系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制中，經(jīng)過(guò)比對(duì)選材，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)MQ-2 煙霧傳感器可對(duì)液化氣、苯、氫氣、煙霧等進(jìn)行探測(cè)，高靈敏度、簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)單片機(jī)上標(biāo)注的引腳口將MQ-2 煙霧傳感器的AO 引腳于P1.0 口相連進(jìn)行通信。

2.7 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

本課題采用的檢測(cè)火焰的傳感器具體的原理是通過(guò)燃燒時(shí)火焰的不同輻射強(qiáng)度和波長(zhǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器的紅外接收管接收光源信號(hào)，并經(jīng)過(guò)電壓電路比較，就可以相應(yīng)的輸出A/D數(shù)據(jù)。該傳感器可以檢測(cè)的火焰或者波長(zhǎng)為760 納米-1100 納米范圍?；鹧?zhèn)鞲衅骶哂徐`敏度高、抗干擾性強(qiáng)的特征，在工作時(shí)不受日光、紅外熱輻射的影響傳輸距離長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)比對(duì)選材，最終火焰?zhèn)鞲衅黝?lèi)型選擇TELESKY 型。火焰?zhèn)鞲衅饕_圖如圖7所示。

圖7 火焰?zhèn)鞲衅饕_圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PC 端設(shè)計(jì)主要包括底層傳感器對(duì)模擬家居環(huán)境中的溫濕度，光照強(qiáng)度，火焰煙霧，PM2.5，人體感應(yīng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及上傳給上位機(jī)。當(dāng)室內(nèi)PM2.5、CO 超標(biāo)，檢測(cè)到有陌生人入侵，室內(nèi)火焰指數(shù)超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行處理，LED 燈亮起，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)管理人員也可以通過(guò)上位機(jī)上的執(zhí)行向系統(tǒng)終端下發(fā)命令，控制系統(tǒng)終端的蜂鳴器、LED 燈。同時(shí)管理員也可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)LED 燈、蜂鳴器等自主操作。報(bào)警提示功能流程圖如圖8 所示。

圖8 報(bào)警提示功能軟件程序流程圖

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)是具有極大潛力的高科技消費(fèi)型產(chǎn)品，在中國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)空間。我們所提出的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)具有如下功能：

4.1 門(mén)禁功能：采用輸入密碼的方式，上位機(jī)設(shè)置密碼，根據(jù)按鍵矩陣的輸入值判斷密碼是否正確。若密碼正確，則LED 燈閃爍綠燈，表示開(kāi)門(mén)狀態(tài)，若密碼失敗則LED 燈閃爍紅燈，表示需要重新輸入密碼。

4.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能：溫濕度傳感器、煙霧傳感器感知周?chē)h(huán)境，若監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)超過(guò)系統(tǒng)值，LED 燈閃爍紅燈、蜂鳴器報(bào)警，上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)并設(shè)置閾值。

4.3 智能感知功能：聲敏、光敏傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器來(lái)檢測(cè)周?chē)饩€(xiàn)、是否有人，來(lái)決定是否開(kāi)啟燈光。光敏先判斷是白天還是晚上，晚上在判斷聲敏有沒(méi)有人，最后人體紅外監(jiān)測(cè)有沒(méi)有人，如若有人則開(kāi)燈。