◎黃哲銳 曾欣欣 梁同樂

基于紅外和GSM模塊的智能家居系統(tǒng)

◎黃哲銳 曾欣欣 梁同樂

項(xiàng)目概述

行業(yè)背景：物聯(lián)網(wǎng)組成了是新一代信息技術(shù)的重要部分。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。即建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的，實(shí)現(xiàn)物與物之間進(jìn)行信息交流和通信的網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識(shí)別技術(shù)、云技術(shù)、廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的應(yīng)用拓展，應(yīng)用創(chuàng)新是發(fā)展的關(guān)鍵。安全運(yùn)行是智能互聯(lián)系統(tǒng)得以發(fā)揮作用的保障。

國(guó)家政策：2013年9月，國(guó)家發(fā)改委、工業(yè)和信息化部、科技部三部委聯(lián)合印發(fā)了《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》。明確將智能家居作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)來培育發(fā)展，將智能家居列入9大重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范工程中。（詳見發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃》，9大應(yīng)用領(lǐng)域分別是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸流通、生態(tài)環(huán)境、交通管理、安全生產(chǎn)、公共安全、城市基礎(chǔ)設(shè)施管理、智能家居等領(lǐng)域）。

市場(chǎng)背景：目前智能家居應(yīng)用范圍及功能分析。

智能燈光、插座控制。通過多種方式，如手動(dòng)、遙控、平板電腦、智能手機(jī)、個(gè)人電腦、定時(shí)等方式對(duì)燈光插座進(jìn)行單開、單關(guān)、全開、全關(guān)以及情景控制。

智能安防監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控——通過平板電腦、智能手機(jī)實(shí)時(shí)顯示攝像機(jī)視頻監(jiān)控畫面；將監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡上；

場(chǎng)景定時(shí)。把設(shè)置好的場(chǎng)景模式進(jìn)行定時(shí)開啟與關(guān)閉，讓其自動(dòng)運(yùn)行。

場(chǎng)景控制。將燈光、窗簾、空調(diào)和其它家用電器的若干個(gè)設(shè)備任意組合，形成場(chǎng)景模式，一鍵啟動(dòng)，一鍵關(guān)閉。

智慧健康。支持血壓計(jì)、人體秤、脂肪秤的數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)生成報(bào)表、智能健康診斷、健康建議 等功能，報(bào)表內(nèi)容包括體重、脂肪率、水分率、肌肉量、脂肪等級(jí)、血壓、脈搏。讓你遠(yuǎn)在天邊也能及時(shí)、隨時(shí)地關(guān)注家中老人的身體健康狀況。

綜合起來就是三個(gè)方面：第一是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的家電控制；第二是安防監(jiān)控。隨著社會(huì)的發(fā)展，安防是老百姓的剛需；第三是家庭健康監(jiān)護(hù)的產(chǎn)品。

產(chǎn)品思考：智能設(shè)備作為職能家具的一部分，每個(gè)智能家電或者設(shè)備終端擁有各自的智能化功能是，這就需要一個(gè)智能家居的中控系統(tǒng)將各個(gè)智能家電集成到一個(gè)平臺(tái)上面。需要有一個(gè)兼容性強(qiáng)、安全穩(wěn)定，方便使用的智能家居系統(tǒng)。

產(chǎn)品簡(jiǎn)介

產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路：隨著智能化的應(yīng)用與發(fā)展，生活中逐漸出現(xiàn)了很多實(shí)用且方便的智能化系統(tǒng)?，F(xiàn)代社會(huì)，

移動(dòng)與無線通信發(fā)展迅速。通過研究，我們把紅外遙控控制技術(shù)、智能路由器和GSM 短信功能應(yīng)用于我們的家庭中，制作一個(gè)通過普通遙控器實(shí)現(xiàn)近程控制、無線路由器的鏈接和短信發(fā)送實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的智能系統(tǒng)。

產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)：基于GSM 網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)采用GSM 模塊進(jìn)行短信息提醒，解決了發(fā)生問題，用戶設(shè)備無移動(dòng)通信鏈接時(shí)無法接受信息的問題。

智能路由器實(shí)現(xiàn)用戶調(diào)控，以單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行信息反饋和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警、遠(yuǎn)程遙控等功能。更加方便以及可視化。

系統(tǒng)工作原理：圖1 為智能家居系統(tǒng)的工作原理圖。系統(tǒng)在正常工作時(shí)處于監(jiān)控狀態(tài)，如果傳感器檢測(cè)到異常信號(hào)，單片機(jī)通過從不同傳感器接收到的信號(hào)同預(yù)先存儲(chǔ)在ROM 中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，判斷出異常的問題（如盜竊、火警、煤氣等）時(shí)，確定發(fā)生警情，然后提示信號(hào)由串口傳送給GSM模塊，最后將提示短信發(fā)送給用戶?；蛘邘酌腌姾?，用戶的手機(jī)上就可以接收到報(bào)警短信，提醒用戶采取措施。另外用戶可通過移動(dòng)端網(wǎng)頁，智能路由模塊接收，經(jīng)單片機(jī)解碼后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電器控制電路去控制相應(yīng)的家電，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電器工作的目的。

系統(tǒng)的主要功能

家電控制功能：接收用戶發(fā)送來的控制命令，實(shí)現(xiàn)短信的譯碼功能，智能路由器直接控制智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同家電工作及停止功能。

自動(dòng)報(bào)警功能：當(dāng)用戶住宅出現(xiàn)異常情況時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警短信給預(yù)先設(shè)定手機(jī)號(hào)碼的用戶，按照設(shè)定頻率發(fā)送提示，直至解決問題為止。系統(tǒng)提供備用充電電池，在斷電時(shí)可繼續(xù)工作，可以防止部分不法分子利用斷電進(jìn)行盜竊，克服了停電時(shí)不能報(bào)警等缺點(diǎn)。

主要功能模塊

單片機(jī)控制模塊。系統(tǒng)的控制器選用STC89C54RD+單片機(jī)。選用具有低功耗、存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格便宜等特點(diǎn)8的位STC89C54RD+單片機(jī)。其支持的最高時(shí)鐘為80MHz.內(nèi)部包括程序存儲(chǔ)器ROM、1 kB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、16 kB 的Flash 程序存儲(chǔ)器ROM、1 kB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM,具有ISP 在線編程功能，可節(jié)省購(gòu)買編程器的額外投入，大大減少了開發(fā)復(fù)雜度。2.2 GSM 模塊。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用是可以快速安全地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音的傳輸、短信息服務(wù)（SMS） 和傳真等功能的GSM 模塊。是Siemens 公司的TC35I. TC35I 是Siemens 公司推出的新一代無線通訊模塊，可以工作在GSM 900 kHz 和1 800 kHz 兩個(gè)頻段，RS232數(shù)據(jù)口符合ETSI 標(biāo)準(zhǔn)GSM0707 和GSM0705。通過獨(dú)特的40 引腳的ZIF 連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)及控制信號(hào)的雙向傳輸；TC35I模塊主要由GSM 基帶處理器、GSM 射頻模塊、供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF 連接器、天線接口六個(gè)部分組成。TC35I構(gòu)成框圖如圖2 所示。通過ZIF連接器及50 Ω天線連接器，可分別連接SIM 卡支架和天線。該模塊向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。

傳感器模塊。本系統(tǒng)傳感器模塊由一組功能不同的傳感器構(gòu)成，用于各種異常情況監(jiān)測(cè)。

a.防盜竊使用紅外線反射型傳感器，將紅外線反射型傳感器安裝在通道的位置或門窗的兩側(cè)，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)紅外線反射型傳感器就會(huì)檢測(cè)出來，檢測(cè)信號(hào)通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成低電平，然后送去給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳檢測(cè)到送來低電平后就會(huì)啟動(dòng)防盜報(bào)警系統(tǒng)工作。

b.燃?xì)鈧鞲衅魇褂媒饘傺趸锇雽?dǎo)體傳感器（或稱MOS）。MOS 也可以用來檢測(cè)毒性水平。它由一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體的傳感器件（如氧化物SnO2）構(gòu)成。在新鮮空氣條件下，它的電導(dǎo)較小，而一旦接觸還原性氣體或者易燃易爆氣體， 電導(dǎo)會(huì)增加，引發(fā)檢測(cè)電路電平跳變從而啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)工作。

c.防火使用離子式煙霧傳感（SS-668），通過監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范。煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，當(dāng)一定量煙霧進(jìn)入煙霧傳感器的反應(yīng)腔，引起電路電平變化。離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，為火災(zāi)預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)提供幫助。

硬件接口電路設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)硬件接口電路主要由單片機(jī)與GSM 模塊的接口電路和系統(tǒng)安防電路及控制電路構(gòu)成。單片機(jī)與TC35I 的連接圖如圖3 所示，TC35I的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)， 符合ITU-TRS-232 接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMOS 電平（2.65 V）。數(shù)據(jù)接口配置為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無校驗(yàn)位，可以在300-115×103 bps 的波特率下運(yùn)行。由于數(shù)據(jù)通信電路中TC35I 數(shù)據(jù)接口工作在CMOS電平，而STC 單片機(jī)工作在TTL 電平，工作電壓范圍一般比TC35I 寬，故應(yīng)在單片機(jī)和TC35I 之間加電平轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)使用TI 公司的MAX232芯片為核心，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C 語言編寫， 系統(tǒng)安防主程序及中斷程序流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)首先對(duì)單片機(jī)的串口、中斷和TC35I 短信模塊初始化，STC 單片機(jī)不斷對(duì)傳感器接口電路的I/O 口循環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有傳感器的開關(guān)量變化時(shí)，則說明報(bào)警信息產(chǎn)生，開中斷進(jìn)入中斷處理子程序。

中斷處理子程序完成對(duì)相應(yīng)防盜、防火、防煤氣泄漏等事件的短信息發(fā)送。利用STC 單片機(jī)通過UART 串口向GSM 模塊發(fā)送一系列AT 指令，就能實(shí)現(xiàn)基于GSM 的短信息的收發(fā)、查尋和管理。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們?cè)絹碓阶⒅貙?duì)家用電器的進(jìn)行智能化控制和后期的維護(hù)的便捷性質(zhì)。智能家居便隨之越來越深得人們的青睞。本設(shè)計(jì)方案借助于GSM 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能路由操作和單片機(jī)的控制功能，實(shí)現(xiàn)了安防監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。GSM 模塊與控制電路集成在同一線路板上，提高了整個(gè)系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。更加有安全保障去保護(hù)用戶的家園。本系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，除了用于智能家居還可以衍生用于倉(cāng)庫(kù)、廠房與花卉大棚等地方的安防監(jiān)控與電路遠(yuǎn)程控制等，

（作者單位：廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

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廣東大學(xué)生2016年科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金，項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2016b0655)