单片机技术在智能家居安防系统中的应用研究

摘 要

为了应对目前人们提出的对生活越来越智能的要求，在提高生活品质的同时降低意外事件发生对用户造成的经济损失或其他损失。针对日常生活中经常发生的火灾，失窃，电力资源浪费等生活问题，本设计正是在这种需求背景下展开研究。基于单片机的智能家居安防系统设计集成了防可燃气体烟雾泄露 、防外来人员入侵、防火、智能控制家电等功能，可实现自动检测、声光报警、远程查询、远程报警、远程控制等。
以STC89C52单片机为核心器件，再加上电阻，电容，晶体振荡器等器件，构成了单片机的最小系统。以及其它智能探测器组成的检测模块，在监测到灾情时只输出报警信号开关量，单片机处理器自动控制GSM接口电路。根据险情类别，自动向用户手机发送短信报警，当用户在家遇到灾情或其他情况时，亦可通过求救按钮向外界发出报警信息。
本设计具有成本较低，功能实用，灵活多样，简便有效等特点，有效的降低了用户住宅遇到和发生险情及其他意外事件的风险，有效的避免了因险情及其他意外事件造成的经济及其他损失，将居民损失降到最小，同时也将提高用户的生活品质水平。

关键词：安防系统； 智能家居； 单片机； GSM模块； 远程报警

1 总控制方案设计

以STC89C52单片机作为系统的“心脏”，加上电阻、电容、晶振等器件的加持，组成最小系统[4]。以及其它智能探测器组成的检测模块，在监测到灾情时只输出报警信号开关量，单片机处理器自动控制GSM接口电路。根据险情类别，自动向用户手机发送短信报警，当用户在家遇到灾情或其他情况时，亦可通过求救按钮向外界发出报警信息。总控制框图如图1.1所示。

1.2 单片机方案设计及工作原理

方案一：采用32位的LPC2138作为控制CPU，LPC2138采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核的ARM芯片，拥有RDI标准接口、同步Flash刷新技术以及影射寄存器窗口等三项国内ARM仿真器设计最领先的3种技术，内部PLL锁相环倍频可以得到更高的CPU处理速度，硬件自带的AD、DA、捕获、匹配以及同步与异步的通信方式更方便用户的编程设计，并且可以达到很高的实时性，但是价格较昂贵[5]。

图1.1系统总体框图
方案二：以最常见的STC89C52单片机作为主控电路核心，这种单片机转换速度快是其优势之一，正常使用可达到25万次每秒，并且有2路的PCA捕获/匹配是日常应用最多的一款单片机，对其的熟悉度很高，并且价格便宜，用途广泛，可以使用于各种仪器与工业控制[6]。
对比可得，如果使用第一种方案控制，则需将所有的接口进行电平转换，这种方案使硬件电路的复杂程度大大增加，可能导致预期之外的事情发生，考虑到功能一致，对比俩款单片机的性价比与设计的便利性，最终决定本系统选择方案二，以STC89C52作为CPU。

2 GSM模块方案设计及工作原理

GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications) 的简称，GSM 在全球的应用范围很广，同时拥有10亿用户，所有签署了“漫游协定”移动电话运营商的用户可以实现自由漫游[7]。
由于GSM网络不受用户和地区的限制，具有很健全的网络功能，无需再耗费财力用于网络覆盖的建设，首先客源和成本得到了基本保证，无疑将会剩下巨额的成本在基础设施的建设，其可行性和发展前景还是具有很强的竞争力的。

2.1 GSM模块的方案选择

GSM模块的选取有俩种方案：
方案一：西门子TC35
TC35是西门子公司生产的一款GSM模块。如今，GSM网络已变得越来越完善[8]。 TC35是西门子公司一致以来高品质设备的体现。该模块易于集成，可轻松利于到新产品的研发与制作之中，在多方面领域都有不错的表现，但是由于其体型较大，人们追逐的目标也从最初的功能渐渐的转向为外观和设计，于是他被淡出人们的视线。
方案二：SIM800L
SIM800L是目前最新的一款GSM模块，性能超过SIM900/M590，工作电压在3.7~4.2V之间，支持中国移动、中国联通，串口为TTL串口，可以与单片机直接链接，不需要MAX232[9]。它可以自动寻找网络，有一个小的LED灯来展示搜寻网络状态，可很直观的展示网络状态，最重要的是尺寸很小 ，目前暂时没有比此模块更小的GSM模块了。
综上所述，无论从性价比的角度或是性能适用的方面来看，SIM800L都是很不错的选择。所以选用此模块来完成短信发送的功能是最优的选择。
1.4.2 GSM模块的工作原理
本设计利用GSM的短信功能实现对家居系统的远程智能控制。通过GSM模块与单片机的协同控制手机收发送短信，单片机即可完成对继电器的断开及闭合进行控制，继而完成对家电的智能控制，完成整个系统的人机交互，其工作流程图如图1.2所示。

图1.2 GSM模块工作流程图

3 硬件设计

3.1 主电路设计

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有60K 在系统可编程Flash 存储器器、中央处理器、程序存储器（Flash）、数据存储器（RAM）、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换模块、PWM（或捕捉/比较单元）以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器等模块[12]。
本系统设计主要应用的是A/D转换模块、SPI接口、定时/计数器、I/O接口等功能模块。具体原理图如图2.1所示。

图2.1单片机主电路原理图

4 烟雾检测电路设计

上文已对MQ-2传感器进行了简介。MQ-传感器的结构和外形如图2.3所示，MQ-2传感器由于对不同种类，不同浓度的气体会有不同的电阻值，因此在使用该传感器时，要对灵敏度的进行调整[15]。其原理图如图2.4所示：

图2.3 MQ-2传感器内部结构图

5 软件设计

5.1 系统主程序设计

本设计的软件部分是以单片机的程序作为核心，其他子程序依照主程序来进行设计，整个系统的运行是主程序与各子程序之间的相互配合来完成的。程序首先需要完成各部分的初始化，然后对是否需要对报警电话号码进行调整的判断，然后通过读取各传感器所采集数据来判断是否有报警，在然后根据判断发送报警，如果没有报警则返回[18]~[19]。流程图如图3.1所示。

图3.1主程序流程图

5.2 软件仿真图

如图5.1所示为软件仿真图。

图5.1软件仿真图

6 结 论

本文从整体到部分详细介绍了智能家居报警控制器的设计。通过查阅大量资料，本文提出了几种可行性方案，对硬件电路的实现方案进行了分析对比，并最终选择了基于GSM模块的实现方案。在比较重要的部分进行了详细的论述，并且给出了程序及说明，其可靠性和稳定性都达到了很好的效果。本设计已经完成了对智能住宅盗情、火情、煤气泄漏等进行自动监测并实现了自动报警功能。经测试，人体电红外传感器的感应范围为6.3m左右；在外界温度超过报警温度值时，DS18B20温度传感器能够准确感应，并发出报警，基本实现预期目的，同时系统还能够辨别不同险情，进行不同的报警，方便主人正确处理险情，使设计跟家智能化、人性化。
本设计中使用的芯片只是当前电子科技发展的一般产物，随着科技的不断发展，更高密度，更高精度的芯片将会取代现有的产品。在现代电子科技的高速发展过程中，微型化、集成化、高密度化以及设备的高精度化已经成为一种长期的趋势，这就要求我们力求使用更精确的设备。
本设计从具有成本较低，功能实用，灵活多样，简便有效等特点，有效的降低了用户住宅遇到和发生险情及其他意外事件的风险，有效的避免了因险情及其他意外事件造成的经济及其他损失，将居民损失降到最小，同时也将提高用户的生活品质水平。

作者：QQ1928499906