智能家居系统设计 自动化毕设.doc
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1、四川理工学院毕业设计(论文)智能家居系统设计学 生:魏 大 海学 号:070210专 业:自动化班 级:2007.3指导教师:方 四川理工学院自动化与电子信息学院二O一一年六月摘 要围绕“智能家居系统”这一课题,本次设计利用了STM32单片机、AT89S51单片机、nRF24L01无线收发模块和GSM模块TC35I等主要器件,并通过编写相应的软件,实现了具有短信收发控制与报警功能的“智能家居系统”。该系统利用了现有的GSM网络,以收发短消息的远程控制的方式实现防火、防盗等家庭所要求的安全监控和报警以及家庭电气远程智能控制等功能。系统具有传输质量高、稳定性好、抗干扰能力强、易于扩展,可随意布控的
2、特点,人机交互界面选用TFT显示,触摸屏输入,操作界面全图形化,使用更方便,操作更人性化,使其更具有市场竞争优势。关键词:智能家居系统; GSM网络;STM32;AT89S51;TC35I;NRF24L01;TFTABCTRACTSmart HomeSystemBase on Smart Home System, in this design, STM32 MCU, AT89S51 microcontroller, nRF24L01 wireless transceiver module and GSM module TC35I and other major components is us
3、ed and to achieve control with text message and alarm functions is achieved by writing software. The system uses the GSM network to receive the remote control Send short message, to achieve fire safety, security and other requirements of the family and home security monitoring and alarm electrical r
4、emote intelligent control. The advantage of system is transmission of high quality, good stability, anti-interference ability, easy to expand. The system has man-machine interface of TFT display, touch screen input, full graphical user interface, more convenient and more user-friendly operation. All
5、 of these make it more competitive.Key words: Smart Home System;GSM network;STM32; AT89S51;TC35I;NRF24L01;TFT目录摘 要IABCTRACTII第1章 引言11.1 智能居家系统的定义11.2 智能家居的国内外发展状况21.2.1 国外智能家居发展现状21.2.2 国内智能家居发展状况及特点31.3 课题研究的意义和内容4第2章 智能家居系统硬件设计72.1 智能家居系统的工作原理72.1.1 智能家居系统的组成72.1.2 智能家居系统工作原理82.1.3 智能家居系统的功能特点82.2
6、 主控制系统的控制器选择及其外围电路设计92.2.1 主控制器(STM32F103)介绍92.2.2 主控制器的外围电路设计122.3 辅助控制系统的控制器选择及其外围电路设计172.3.1 辅助控制器(AT89S52)介绍172.3.2 辅助控制器的外围电路设计182.4 GSM通信模块设计222.4.1 通信模块TC35I简介222.4.2 电平转化电路设计242.5 无线射频通信模块设计242.5.1 无线射频模块芯片的选择242.5.2 无线射频收发模块nRF24L01设计262.6 系统供电模块设计282.7 其他外围电路介绍292.7.1 继电器电路292.7.2 红外遥控接收电路
7、302.7.3 红外热释传感器30第3章 智能家居系统软件设计323.1 软件设计分析流程323.1.1主控制系统的软件设计模块323.1.2辅助控制系统的软件设计模块343.2 TFT触摸屏驱动程序设计353.3 短消息收发介绍与程序设计373.3.1 短消息的收发模式383.3.2 与短消息有关的AT指令393.3.3 短消息接收子程序设计403.3.4 短消息发送子程序设计423.4 无线射频模块(nRF24L01)通信的实现433.4.1 nRF24L01的初始化配置433.4.2 nRF24L01工作模式设置443.4.3 nRF24L01与处理器的SPI通信实现443.4.4 nR
8、F24L01数据发送程序设计463.4.5 nRF24L01数据接收程序设计493.5 其他辅助程序设计52第4章 硬件设计制作与软件调试554.1硬件原理图设计与PCB制作554.2软件设计与调试59第5章 结束语62致 谢64参考文献65附 录66第1章 引言1.1 智能居家系统的定义随着电子技术在现实生活中的广泛应用,人们越来越感受到电子产品为生活所带来的各种便利,特别是在20世纪80年代,智能家居的出现更为人们享受生活提供了一个广阔的平台。 智能家居是一个系统,也是一个过程。它是利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术,将与居家生活有关的各种设备有机地结合在一起,
9、通过网络化的综合管理,让居家生活更轻松。智能家居不仅具有传统的居住功能,而且不再是被动的,是具有能动性智能化的工具,提供全方位的信息交换功能,优化我们的生活方式和居住环境,帮助我们有效地安排时间,节约各种能源,提供优质、高效、舒适、安全的生活空间智能家居的原型最早起源于美国。时至今日,智能家居在美国已走过了将近30个年头。目前,美国有全球最大的智能化住宅群。此外,在欧美、日本、新加坡等地,智能家居也日渐兴起。 智能家居不再是一幢被动的建筑,相反的,它成了帮助住户提高时间利用率的工具,使家居生活更为舒适、安全、高效和节能。网络化的智能家居系统可提供遥控、家电(热水器,空调等)控制、灯光控制、室内
10、外遥控、窗帘自动收放、防盗报警、远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段,使生活更加舒适、便利和安全。 随着家庭智能化在世界范围内的普及,智能家居在上个世纪末悄然走进了中国市场。但是,通常媒体上常见的有关智能家居的介绍,事实上却误导了人们对智能家居的认识,使人们不知道如何将其与自己的家庭联系起来。 目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术,通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说,首先,它们都要在一个家居中建立一个通讯网络,为家庭信息提供必要的通路,在家庭网络的操作系统的控制下,通过相应的硬件和执行机构,实现对所有家庭网络上的家电
11、和设备的控制和监测。其次,它们都要通过一定的媒介平台,构成与外界的通讯通道,以实现与家庭以外的世界沟通信息,满足远程控制监测和交换信息的需求。最后,它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。由此可见,智能家居是一个系统层次概念,它涵盖了在建筑环境层次能够影响人们生活的诸多方面,就实际应用而言往往有以下系统:可视对讲系统:如有客人访问,可按动大门上的按键,主人在家里通过液晶显示屏能很清晰的看到室外情况,免除陌生人的打扰。除此以外,各个家居之间也可实现可视对讲。家庭安防系统:运用现代通信、计算机等先进技术,通过对各类探测器及相关处理设备的综合使用,达到对家庭安全提供保
12、障。网络通讯系统:通常语音通信系统、有线电视系统及数据通信系统被统称为信息网络系统。智能照明系统:通过安装智能控制器,对客厅、起居室及卧室内的灯具开关进行遥控,或者通过通讯网络实现照明的远程控制。家电控制系统:如煤气开关阀门、空调、电热水器及电饭堡等的远程控制,当主人外出要回到家时或在办公室办公时,都可通过电话或手机遥控家中的家用电器。1.2 智能家居的国内外发展状况1.2.1 国外智能家居发展现状世界上最早的智能建筑是1984年在美国诞生的,之后加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后开始开发智能建筑和智能家居产品。而且也使世界其他国家的众多企业参与竞争智能家居这个市场。目前已
13、出现在市场上的智能家居类产品主要有:(1)美国的X-10系统,该系统是通过电力线以50Hz或(60Hz)为载波作为网络平台,采取集中控制方式实现多种功能。该产品在美国占据市场主流。 (2) 新加坡的8X系统,该系统采用预埋总线及中央控制方式实现各种功能,同时利用产品可对系统进行扩展。 (3) 德国的EIB系统,该系统采用的预埋总线及中央控制方式实现控制功能。由于智能家居的诱人的前景和巨大的市场,加之随着欧洲电子全面普及化工作的开展,以及以韩国、日本、中国为代表的的亚洲电子技术的飞速发展,人们生活水平的不断提高以及智能电子技术不断的成熟,智能化控制已经成为未来生活潮流发展的最新方向。所以吸引了众
14、多的国内外企业去争食智能家居市场。1.2.2 国内智能家居发展状况及特点中国人口众多,城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式,因此很多房地产商会站在整个小区智能化的角度来看待家居的智能化,也就出现了目前一统天下、无所不包的“智能小区”的模式。但是在国内,随着建筑智能化行业协会的成立及技术水平的不断提高,产品在市场上已逐步推广了,前期主要集中在一些分散的智能家庭控制子系统的研究上,如三表抄送系统、门禁系统、可视对讲系统等。但是现在智能家居已经不是一个单独的产品,也不是传统意义上的“智能小区”概念,而是基于小区的多层次家居智能化解决方案,它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线等技术,将家
15、庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来,在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸,创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。但是由于中国的居住模式和文化与发达国家有很大的区别,所以智能家居在中国的发展也体现出其独具的特点。1智能化家居系统在国内的发展特点:(1)市场潜力大,我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火爆,作为其下游产业,智能家居市场前景非常乐观。(2)智能家居产业处于引导期,没有一个统帅品牌和领军企业,市场处于无序竞争期。这个产业各自为政,没有一个统一标准,各种技术力量重复投入,致使在这个基础上的家庭网络产品五花八门,但多数产品是大同小异,行业内
16、各企业的竞争处于无序状态。(3)智能家居行业市场远未成熟,大规模的价格战、广告战和服务战还没有爆发,市场份额较为分散,市场的认知和接受程度较低,市场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段。与产品的服务供应商的争先恐后相比,智能家居产品进入用户终端的步伐略显迟缓。(4)面对着巨大智能家居市场的需求,市场区域也存在着不均衡的状态。以华东、华南等经济较发达的地区为主要的市场需求区域,而西南、西北地区的市场份额相对较低,这主要与居民的总体消费水平有关。2智能家居系统有以下发展方向:(1)向一体化、系统集成化方向发展。(2)向节能环保方向发展。(3)向智能化、网络化、人性化方向发展。(4)向规范化、标准化方
17、向发展我国智能家居发展较晚,新技术、新产品层出不穷,标准和规范还在制定之中。(5)向具有“中国特色”的家居智能化方向发展家居智能化系统需要大量的适合中国国情的产品和运行软件。3我国智能家居的主要产品:(1)清华同方的eHome数字家园。其职能家居控制系统主要有三个部分:A系列、B系列和易家三代。(2)海尔的“e家庭”,以海尔电脑为控制中心,各种网络家电作为终端设备,以海尔移动电话为数字控制中心。1.3 课题研究的意义和内容课题研究的意义:随着人们对生活质量提出了更高的要求,希望生活更加追求安全与舒适。一方面,由于一些家庭疏忽大意,时常会因为大意发生一些火灾或煤气泄露险情以及财物被盗的情况,给家
18、庭和社会带来巨大的损失,因此迫切需要利用现代技术的智能化手段,为家庭提供一个安全舒适的家居环境。智能家居安防系统能在各种紧急情况出现的第一时间报警,通知物业管理中心和住户,把险情消灭在萌芽状态,减少各种损失,为家庭生活的安全舒适提供强有力的保障。因此,安防系统作为智能家居系统的一个重要组成部分。另一方面,智能家居系统中远程控制,能够给人们生活带来极大的舒适与便捷,可以通手机远程控制家电设备,让现代科技与生活实现完美的结合。目前,虽然智能家居有一定的发展,出现了一定数量的研究机构和公司,尤其是经历了2000年的智能家居概念炒作之后,智能家居得到空前的发展。但智能家居在中国还处于初始阶段,缺乏统一
19、的标准和权威的产品。智能住宅小区还远没有得到普及,许多基础设施没有得到相应的改善。到目前为止,在中国手机基本普及。考虑到手机在中国的高普及率和短信息的廉价性以及GSM网络在全球范围内的覆盖和漫游的实现。本次就是设计了一款以GSM网络的短信息服务(SMS)为载体的智能家居控制系统。该系统由智能控制模块、数据采集模块和用户手机构成。该系统的安装无需改变家庭原有的布线,可有效的解决单个家庭对智能家居产品的需求,且成本小、安装周期短,更重要的是3.2寸TFT触屏的人机对话界面,触摸屏输入,操作界面全图形化,方便查看与人工设置。因此,在国内应该有很大的市场潜能。该智能家居系统基本框图如图1.1所示。图1
20、.1 智能家居系统基本框图智能家居系统所需要设计的内容比较多,但是由于成本、时间等的限制,要做出完整的智能家居系统显然是不可能的。然而就整个分系统而言,可以发现有很明显的相似性,只是在某些性能上需要做不同的设计而已。故而做好其中一个便可触类旁推。鉴于此,本设计仅对仅对主控制系统、智能家电控制系统以及家居环境监控系统做简要设计。该智能家电控制系统通过GSM网络完成手机与控制系统间的信息交换,进而传递控制信息,中央控制模块通过对控制信息的解码将其发送到家电控制端,实现家电的控制。而环境监控系统则是利用多种传感器采集家居环境中的信息通过NRF24L01无线模块发给主控制系统,最终通过GSM短信发给用
21、户。基本框图如图1.2所示。图1.2 家居主控制系统图图1.3 家居辅助控制系统图第2章 智能家居系统硬件设计2.1 智能家居系统的工作原理2.1.1 智能家居系统的组成本次设计采用了主从的控制理念,设计了2块控制电路板:一个是以51单片机为中心的家居信息(包括报警信息)的采集、基于短距收发模块nRF24L01的信息收发以及相应的控制装置(继电器)的辅助控制系统;另一个是以STM32为中心的负责所有家居信息的显示人机对话与接受与处理以及同用户交换控制信息(通过GSM为通信载体)并发出控制命令的智能控制模块。进而实现对家居环境信息的及时发给用户和空调、电视、电灯等家电的控制。智能家居系统组成:主
22、控制系统和辅助控制系统。主控制系统包括智能控制模块、GSM通信网络、短距无线收发nRF24L01。辅助控制系统包括信号采集模块、信息传送模块nRF24L01、家电设备控制模块。智能家居系统的主/辅助控制系统的原理框图如图2.1所示。主控制系统STM32F103VCT6任务:1信息收集2短消息收发3控制命令输出4人机界面nRF24L01接收家居信息和发送控制命令TC35I与用户手机通信、接受控制命令TFT触摸屏ILI9320和ADS7843的人机对话界面控制辅助控制系统单片机AT89S52任务:1家居信息采集2信息发往主控器3执行主控制命令收集传感器采集的家居环境信息温湿度等nRF24L01收发
23、家居信息和控制命令MAX72198位数码管显示HS0038红外接收头接收手动控制命令SD卡 读写操作SPI模式、储存字库继电器控制命令响应模块控制图2.1 智能家居系统主、辅控制系统原理框图智能家居系统的核心是智能家居控制中心模块的设计,将在下面的章节中重点介绍智能家居控制中心模块的设计过程。作为系统的核心部分,智能控制中心不仅要对被控对象实时监控、信息显示而且要对控制信息及反馈信息及时处理并显示。根据实际需要可知,要实现远程控制的目的,必须具备的条件就是对现场进行控制的无线射频模块,还有就是实现远程通信的通信模块,在加上相关的外围电路构了智能居家系统。2.1.2 智能家居系统工作原理STM3
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