基于物联网的智能家居控制系统设计与实现


     基于物联网的智能家居控制系统设计与实现 摘 要 智能家居是网络繁华的这个家庭网络化时代的体现,已成为网络信息社会发展的一个重要组成部分,然而,物联网是各种信息结合的枢纽,是智能家居行业发展的伟大突破,对于智能家居行业具有非常重大的意义。本文系统构造容易实现,容易操作,是现在化的大众设计理念,本设计采用STC89C52单片机为核心,一个控制端,控制多个模块,包括蓝牙,按钮,网络接口等模块来控制家电。本文描述的硬件设计和软件设计两个部分来具体实现,第五章最后根据设计好的功能,搭建一个建议模型模块。 关键词:物联网、智能家居、蓝牙、STC89C52、多模块控制 The design and implementation of intelligent control system based on IOT Home Furnishing Abstract Smart Home as the implement mode of Family Information has become an important part of the social information development .The networking because of its huge prospect to develop .It will be a real way during the Smart Home`s development .Networking means a lot to the Smart Home .This article base on the design concept of trying to use easiest way to deliver handle and closing to use .We take the STC89C52 as the control core of the design .The relay as the control terminal mean .While we also use the trared remote control key webpage etc to control the home appliances . Two to four chapters of this paper describes the design of software and hardware to achieve the specific. Chapter V is based on features designed to build a specific environment instance. Keywords: Networking、Intelligent、Home、Microcontroller、STC89C52、 multi-source control 目 录 第1章 绪论 7 1.1物联网的发展过程 7 1.1.1 国外物联网发展历程 8 1.1.2 国内物联网发展的历程 8 1.2 智能家居的概念 8 1.3物联网智能家居在一些领域上面的应用 10 第二章 总体设计 11 2.1 整体介绍 11 2.2系统设计方案选择 12 2.2.1 WIFI 模块来实现这样一个无线传输功能 12 2.2.2 GPRS(短信控制) 模块来实现这样一个无线传输功能 12 2.2.3 蓝牙模块 来实现这样一个无线传输功能 12 2.2.4 总结 13 2.3 功能设计 13 2.3.1 多源控制 13 2.3.2 温湿度控制 14 2.3.4 灯光控制 15 2.3.5 气体检测控制 16 第3章 硬件设计 17 3.1 系统的整体硬件设计电路图 17 3.2 最小系统模块 17 3.3 串口模块 18 3.4 温湿度传感器模块 19 3.5 气体检测模块 20 3.6 灯光模块 23 3.7、LCD模块 23 第4章 软件系统设计 24 4.1 系统的组成和结构 24 4.1.1主控单片机系统软件设计 24 4.1.2 分机模块的系统设计 25 第5章 系统的组装与测试 26 5.1 本次调试用到的工具 27 5.2 成品的组装 27 5.3 硬件的调试 28 5.4 软件编程调试 29 5.5.1 硬件方面遇到的问题 29 5.5.2 联机测试时发生的问题 29 5.6 实时数据检测 30 5.7 总结 30 第6章 环境实例搭建 31 6.1 实例环境选择 31 6.2实例环境布置 32 6.2.1 所控电器 32 6.2.2 布线 32 6.2.3控制模式 32 第七章 总结 34 参考文献 35 谢 辞 36 第1章 绪论 1.1物联网的发展过程 物联网是在信息社会发达的今所衍生的产品,他是基于互联网的模块上,利用射频识别技术、无线网等技术,打造一个联系世界不同物体,不同模块的“Internet of Things”。在这个模块网络中,人们所需要的或不需要的物品等等能够相互的进行“沟通”,机械化,不需要人类去操作。其根本是使用射频自动识别(RFID)这种技术,通过信息网络(互联网)来实现物品的互相识别和不同 信息的互通与共享。 物联网这一想法的诞生,打破了传统的人类思维。在过去,人们总是把物和信息网络分开,例如公路,机场,很多建筑物等等,他们都是与他们的控制中心分开(电脑)。然而如今这一个时代,动物体内植入芯片、各种电视盒、机顶盒为一体等设备等等,从某种程度上说,这些设备就像一个新的智慧大脑。所以有人认为,物联网和智能控制,就是像智慧大脑控制的一个新兴人类。 物联网在我们的生活中普及和使用,时间所有无生命的事物都可以变成了人的伙伴。在这个不同事物与不同事物都相联系的世界,物体之间能互相“沟通”,不需要人类的干涉。可以这么说,这已经渐渐演变成为一个新的智能化世界。智能家居便是物联网在生活方便的最直接体现:窗帘像“含羞草”一样可以感知光线而羞羞关闭;温控设备也更加“听话”了,温度高时胡自动调低温度,潮湿时会自动打开抽湿灯,灯光在感知没有人在房间时,会自动熄灭等等。物联网在应用方便极其广泛,遍及智能交通、智能电网,智慧物流、智能安防、智慧医疗、智能农业、智能家居、工业监测、环境监测等各种领域。 物联网的众多不同应用,打造了一个巨型的商业模式,从互联网、平板、手机、电脑、无线等IT通讯领域,到智能卡、电子芯片、传感器、无线产品等工业领域,再到空调、电视盒等制造领域,各个领域联系紧密,其实利润之巨大。有专家预算,中国物联网的整体产业在2015年将会超过一万亿元规模,2050年传感器将在我们的生活中完全普及。 可以想象,物联网发展某一个地步时,家中的各种设备可以和外界的网络相互连接在一起,通过各类传感器传输设备的信号。开发人员在公司就能知道你家中各种设备的使用状况,也许在我们还没发现家中设备有问题的时候。有一天就 突然有工作人员联系你,说你家中的设备坏了,已经安排好工作人员准备帮你维修,那时候的我们将会是多么的惊讶。 1.1.1 国外物联网发展历程 随着互联网的出现,我们进入这个信息互通的时代,慢慢的就提出了一些划时代的概念,然而物联网这个概念是由美国Auto-ID实验室在1999年第一次提出来的,在2005年,国际电信联盟这一组织在发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正是提出了“物联网”着一个概念,这也预示了一个物联网时代的即将到来。 对于国外来说,没一个国家的物联网技术都有其特点已经代表性,其中比较有代表性的几个国家是美国、韩国、德国、日本。例如:美国苹果、IBM、英特、通用电气等公司,还有就是利用加速器基金和创投基金发展了许多个人的企业,让其纷纷推出了自己的物联网设备,大型发展物联网技术。 1.1.2 国内物联网发展的历程 随着第一个物联网概念的提出,中国也慢慢的发展自己的物联网事业,我们国家的得物联网事业与时俱进,慢慢地将物联网这个概念贴上了中国制造的标签。例如在四川省,在2010年的时候就把物联网产业链纳入了其全省重点开发的的信息产业,到了2014年已经实现了一个巨大的突破,在物联网产业销售大道理近900亿元,比同期增长了30%以上。 1.1.3 国内外物联网未来展望 无论是国外,还是国内,其对物联网的未来都带有非常巨大的期待,在未来的物联网发展趋势,应该是一个物物相连的世界,物联网与其他技术有一定的区别,物联网他由政府机构兴起,在未来,它必然是有政府机构大力支持发展的项目,这样的物联网技术必使人们的生活和工作走进一个全新的时代,这将会是一个物与物相连的世界,将是依靠只能系统驱动的世界。 1.2 智能家居的概念 智能家居(Smart Home)是以家庭为载体,兼容建筑、自动化,智能化于一整体的高科技、居住舒畅、安全、便捷的家庭居住环境。智能家居是在物联网的影响之下物联化体现。智能家居 常通过一些有线或者无线的技术将家庭中的各种电器设备(如电视播放、家具灯光系统、智能窗帘控制、空调调温、家具防盗系统等各种家电电系统,还包括三表抄送等)连接到一起,给家居加点提供了一个控制平台,其中包括家居灯光照明控制、家居窗帘定时控制、远程监控控制、远程无线操作、家居安全监测、温湿度控制、红外转发和很多可通过设定时间的定时定点控制等等。和普通的家居系统对比,智能家居更青出于蓝,不仅可以提供人们一个传统的居住环境,它更兼备了多方面的技术、首选一个是传统的建设技术、还有就是信息一体化、各种电器设备智能化,集一个系统性、结构完整、便捷服务、便于管理的一个具有的舒适、便利、高校、节能、安全的家居居住环境环境,这样的环境提供;了所有的信息交换功能,帮助家庭的信息网络可以随时与外界的信息保持交流畅通,以更新自身信息,提高人们的生活质量,有利于人类合理的安排自己的时间,提高了家居的生活的高质量,让生活变得更加安逸舒心,甚至还可以环保的,节约能源,为环境保护做出贡献。 智能家居这个概念的在很早之前就给人们提出来了,但是在之后的电子行业发展中没有做出一个真正的模型,然而,智能家居并没有停止发展,在1984年美国联合科技公司(United Techno1ogies Building System)将建筑中的电子设备连接都了一起,实现了建筑信息化,这个信息应用于美国康乃迪克州(Conneticut)哈特佛市(Hartford)的CityPlaceBuilding时,出现了第一栋智能家居模型,从那之后,全世界走进了一个智能家居化的新时代【1】。 智能家居在中国称做智能住宅,在外面人们用Smart Home来表达智能家居。与智能家居含义近似的有家庭自动化(Home Automation)、电子家庭(Electronic Home、E-home)、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Home Net/Networks for Home)、网络家居(Network Home)、智能家庭/建筑(Intelligent Home/Building),在中国香港和台湾等地区,还有数码家庭、数码家居等称法。 智能家居让用户以更方便的手段来管理家庭设备,比如,通过触摸屏、手持遥控器、电话、互联网来控制家用设备,更可以执行情景操作,使多个设备形成联动;另一方面,智能家居内的各种设备相互间可以通讯,不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行,从而给用户带来最大程度的方便、高效、安全与舒适。所谓智能家居时代就是物联网进入家庭的时代。它不仅指那些手机、平板电脑、 大小家电、计算机、私家车,还应该包括吃喝拉撒睡、安全、健康、交友、甚至家具等家中几乎所有的物品和生活。其目的是让人们的家庭生活更舒适、更简单、更方便、更快乐。 1.3物联网智能家居在一些领域上面的应用 智家能庭控制系统的主要功能包括家庭各种设备智能控制、家庭安防这些方面。其中家庭设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过电话或Internet)的监视、控制及数据采集。 (1) 与可是对讲的无缝对接,可进行远程通话,指令的发送等等。 (2) 与智能手机和PAD的完美结合,可以通过手机,平板,在随时随地,监控操作一些电子设备。 (3) 安防系统,只要分为四方面:第一种防护(周界防范系统),第二层防护(闭路电视监控系统),第三层防护(门禁系统),第四层防护(家居安防系统)。 (4) 灯光控制系统,实现对光线的暗亮控制,实现对光线的色调控制,实现对灯光的开启控制等等。 (5) 智能窗帘控制系统,可以按照外界光线刺激,自我判断是否拉下窗帘,是否开启窗帘。还可以设置时间,在某个时间段开启,或者关闭窗帘。 (6) 家电控制系统。实现在对家庭电视,只要是控制 家电的开关,声音,已经亮度的显示。 (7) 空调新风控制系统,实现对家庭温度的监控与调节,可让其判断是否开启或者变风,制冷抽湿等。 (8) 还有电梯音乐等各种控制系统。不一一罗列。 第二章 总体设计 2.1 整体介绍 本次设计以STC89C52芯片为控制核心,适度、温度、振动、气体检测等传感器为信息采集模块,以蓝牙模块控制实现,来制作一个简单的智能家居系统。抛弃原来的机械化按键模块,,采用蓝牙或是WIFI模块进行远程控制,来控制灯光调节,温湿度检测,气体检测,振动检测等功能,实现了各种程度,多方位实时监控家居安全与控制。此外在本次设计中,采用多种传感器模块结合,智能实现家居中各种设备的信息采集,如灯光的暗亮调节,温度的检测,湿度的检测,气体检测,振动检测等。并且能将温度湿度显示在电脑上面,气体或振动值显示出来。具体类似于下图所示: 温 湿 度 传 感 器 LED 灯 光 模 块 烟 雾 报 警 器 振 动 器 模 块 主 控 单 元 LCD 显 示 模 块 图2-1 整体的系统控制图 2.2系统设计方案选择 其实在这一次的设计中,我们可以选择很多个不同的方案来实现着一个功能,下面我就来列举几个方案来分析其优缺点: 2.2.1 WIFI 模块来实现这样一个无线传输功能 WIFI模块又名串口WIFI模块,在物联网技术中属于传输层,其功能是把TTL点评和串口数据转化为符合WIFI模块通信协议的嵌入式模块,在WIFI模块里那只有TCP/IP协议和无线网络协议IEEE802.11协议线。WIFI模块可以直接嵌入传送的硬件设备,使其与互联网通讯,是实现家居智能化、M2M物联网的重要组成部分。 优点:WIFI 模块能让串口设备轻松联网,实现在全透明的数据胡同,可以保持一个很好的兼容性和实用性;WIFI模块的可靠性系统核心比较适合安全性和长期运行的系统应用;WIFI 模块的无限通讯距离较长,具体可以长达100米。 缺点:需要无线数据网络,串口协议编写较为困难。 2.2.2 GPRS(短信控制) 模块来实现这样一个无线传输功能 通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,是属于第一代移动通信技术的代表。 优点:GPRS模块是属于非常简洁、方便快速。 缺点:GPRS很容易出现丢包现象,并且GPRS模块属于短信控制,在使用的过程中非常耗费信息流量,所以耗费的成本过高。 2.2.3 蓝牙模块 来实现这样一个无线传输功能 蓝牙模块式是一种低功耗、段距离无线通讯技术,其设计意图是取代现有的一些有线设备(计算机、打印机、传真机等)的接口有线电缆。是一门新的技术。 蓝牙的主要优点:可以方便快捷的建立起无线通讯,可以代替掉有线电缆;它的移植 性强,适用于很多领域;安全性也非常的高,每台蓝牙设备的地址由具有唯一性;支持分散网、微型网等多种组网工作模式。应用的范围非常广阔;蓝牙设备功耗极低,成本也很少,比起WIFI模块和CPRS模块,设计起来相对容易很多。 蓝牙模块的缺点:技术善为完全成熟、通讯具体距离短。 2.2.4 总结 介绍了上面三种方式,在根据我此刻的能力范围以及我所拥有的设器件,我选用的蓝牙模块来实现我这个设计的功能,接下来是各个模块的分析。 2.3 功能设计 2.3.1 多源控制 为了人们的高质量生活,简单快捷的生活需求,此次设计采用多模块分开控制,即有蓝牙远程控制,按键控制,系统自动控制,这三类型控制相补充。其中蓝牙无线控制是远程控制,是指在在一定具体范围内,通过无线蓝牙信号在特定区域内对特定模块的控制,通过这样,来实现,来管理当前灯光等各种室内智能模块的运行,只需在手机上面的控制按钮,就可以轻易的打开,关闭,控制家中的各种电器,这样我们就能达到远程控制的功能。系统方便的自动控制是系统的核心可以根据外部其他模块所采集的环境信息(如温度,湿度等)与用户设定的的功能、需求可以让人类生活的更加舒适作为比较而进行信息方面的检测,然后据检测到的结果对对应的模块进行调整控制,以此来保持一个相对舒适的平衡值,给人类创造一个更为舒适的居住环境。限于本人能力有限,下面是我从网上找来的智能家居多源控制展示图: 图2.2 智能家居多源控制模拟图 2.3.2 温湿度控制 通过温湿度传感器采集的此刻的温度和湿度信息,把采集的信息进行转换,由系统软件进行分析,然后通过一些模块把这些值显示出来,来表达当日的温湿度,以作为警示,让人们知道当天的温湿度情况,决定外出,是否多添衣,是否才采取其他措施来应对当天的环境。同时为了更好的控制,系统会通过软件将采集到的温湿度值发送到液晶屏上显示出来。下面是温湿度传感器的实物图: 图2.3温湿度传感器 DHT22 2.3.4 灯光控制 系统功能在控制与被控制之间完全采用无线连接,不需要经过转换,可以实现从最简单的一个控制器控制一个灯的开关直到复杂的一个控制器控制整个网络的灯光。目前市场上可见的一般是通过智能手机控制灯光的颜色,亮度 以及整个场景布置。随着智能手机越来越普及现在市场上新出现的典型应用基本是通过智能手机来控制整个家庭或是整栋楼宇的灯光,亮度以及开关。然而本设计只为了达到方便快捷。只采取了其中现对简单的无线控制灯光的开启。如下图,是一个LED灯光控制不模块: 图2.4LED灯光控制模块 2.3.5 气体检测控制 气体检测器,又称气体检测仪,是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具,主要是指便携式/手持式气体检测器。主要利用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。一般认为,气体传感器的定义是以检测目标为分类基础的,也就是说,凡是用于检测气体成份和浓度的传感器都称作气体传感器,不管它是用物理方法,还是用化学方法。比如,检测气体流量的传感器不被看作气体传感器,但是热导式气体分析仪却属于重要的气体传感器,尽管它们有时使用大体一致的检测原理。常用品牌为:美国华瑞、特安、安可信、长春弈扬等。在这次设计中,只要的气体检测时检测室内的煤气等有害气体,当此类气体浓度到一定值得时候,就会通过报警来警示用户,使用户拥有更为安全的生 第3章 硬件设计 3.1 系统的整体硬件设计电路图 此次设计的要求是设计一个基于物联网的智能家居控制系统,利用单片机控制系统,辅助多个传感器模块,多种模块,实现要求控制的对象元素是5个,分别是湿度、温度、气体检测、振动报警、灯光控制系统。而在本设计中,在控制的对像比预计的较多一些,下面是这一次设计的整体硬件电路图: 图3.1 整体硬件电路图 3.2 最小系统模块 STC89C52芯片 共40引脚,1~8脚是通用I/O接口(p1.0~p1.7),9脚rst复位键,10、11脚RXD串口输入、TXD串口输出,12~19脚:p3接口 (12,13脚 INT0中断0、INT1中断1,14,15:计数脉冲T0 T1 16,17:WR写控制RD读控制输出端) ,18,19脚:晶振谐振器,20脚接地线,21~28 p2接口高8位地址总线29: psen 片外rom选通端,单片机对片外rom操作时 29脚(psen)输出低电平30:ALE/PROG 地址锁存器31:EA rom取指令控制器,电源+5V。 图3.2 最小系统 3.3 串口模块 串口采用HC06蓝牙模块,具体介绍如下: 主机模块从机与实物一样,模块上有白点,主机模块会自动和从机模块配对,省却配对的麻烦,适合在需要两个设备间通过蓝牙串口无线通信的应用,无需电脑。 蓝牙串口模块可以脱离原来线缆的束缚,使硬件设备之间可以通过串口来进行通讯(在一定范围内进行串口通信)。在使用该模块不需要去了解过于复杂的蓝牙通信协议,只需要使用几个比较简单的步骤,就可以实现两个设备之间的无线通讯了。具体蓝牙模块有4个AT指令,分别vieshi测试通讯,改配对密码,改名称,改波特率,AT指令必须从TXD,RXD信号脚设置,不能通过蓝牙通信枢纽设置。发送AT指令的设备可以使各种类型的MCU(比如avr、pic、arm、51、asp430等等),也可以是电脑通过串口(MAX232接PC串口或者USB串口)发送。 图3.3 串口模块 HD06 3.4 温湿度传感器模块 温湿度采集模块选用了DHT22温湿度传感器,其参数如下: (2) 测湿范围 : 传感器类型: 温度:-40~ +80 度 温度:电阻式传感器 湿度:0~99%RH 湿度:电容式传感器 精度:(25度环境下) 响应时间: 温度:正负 0.5度 温度:0.5S 湿度;正负2%RH 湿度:5S 1/e(63%) 分辨率: 工作温度范围-40度~正80度 温度:0.1度 湿度:0.1%RH 电源;DC:3.3~5.5V 衰减值: 外壳材料;PC塑料 温度:小于0.1度每年 重量:1g 湿度:小于1%RH每年 图3.4 温湿度传感器模块 图3.5 DHT11的电路连接图 3.5 气体检测模块 烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的,烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感,离子式烟雾传感器是一种技术先进,工作稳定可靠的传感器,被广泛运用到各种消防报警系统中,性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在 内外电离室里面有放射源镅241,电离产生的正、负离子,在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下,内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动,电流,电压就会有所改变,破坏了内外电离室之间的平衡,于是无线发射器发出无线报警信号,通知远方的接收主机,将报警信息传递出去。烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。 本设计只要采用MQ-2烟雾报警器 图3.5 MQ-2 烟雾报警器 图3.6 单片机控制的烟雾报警器 具体参数如下: 此模块的特色: 1:采用优质的双面板设计,具有电源指示和TTL信号输出指示; 2:具有DO开关信号输出和AO模拟信号输出; 3:TTL输出有效信号为低电平。(当输出低电平时信号等亮,可直接单片机或继电器模块) 4:模拟量输出模块随浓度越高电压越高; 5:对液化气。天然其。城市煤气,烟雾有较好的灵敏度。 电器性能: 输出电压 :DC5V 功耗(电流):150mA DO输出TTL数量0和1(0.1和5V) AO输出:0.1-0.3V(相对无污染),最高浓度电压4V左右。 3.6 灯光模块 灯光控制模块是无线智能家居中不可或缺的一个部分,它的设计是符合了智能家居系统设计中的简易性和维护方便性,同时它也具备了智能家居设计方便的各种功能需求,可以通过一个简单模块来控制家中的灯光系统。这个模块具有完整的一个电路系统,可以通过简易的扩展来扩大这个系统的覆盖范围,并且在扩大的过程中我们不需要对家居内部进行任何形式的修改。只要在原有的灯光模块上面修改一些智能单元就可以了,因为不需要连接线缆,所以可以在不同的位置,不同的地方来增加控制模块来实现新的控制目的。 本设计采用比较单间的LED 灯光模块作为控制。通过无线网络,来进行对灯光的控制开,与关,可是让人们感受到方便快捷,舒适。 3.7、LCD模块 LCD模块采用LCD12864液晶模块。是一种带中文字库的128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64, 内置8192 个16*16 点汉字,和128 个16*8 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4 行16×16 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比,不论硬件 电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。如下图所示为此次设计LCD屏: 图3.7 LCD屏 第4章 软件系统设计 4.1 系统的组成和结构 系统软件是单片机控制系统的一个关键部分,要较好的实现一个单片机的控制功能,在一定程度上,基本取决于软件方便的设计。在本次系统设计中,分为两个模块,一个是主控单元,也就是主机程序,另外一个是分机程序,只要针对各个小模块。下面我具体来阐述这样两个模块> 4.1.1主控单片机系统软件设计 用举例的方式来说,主控单元相当于一个计算机网络的一个服务器,主要是负责整一个系统的工作的协调性,不会让各个模块之间的通讯产生混乱,其功能方便时接受各个模块(分机)发送过来的数据,在转发到各个模块(分机、控制开关)中。在整个系统中,STC89C52就是一个集成的系统模块。 下面是这一次系统软件设计的主要程序框图: 开始 主函数 中断函数 串口中断 中断0 中断1 IO口设置 IO口设置 LCD初始化 串口中断,外部中断初始化 While(1) END LCD显示数据 输出数据 Dth22读取函数 图4.1 整体的软件设计程序框图 4.1.2 分机模块的系统设计 在这样的一个系统设计中,分机模块的部分是相当大的一个部分,例如,温湿度模块,灯光模块,振动模块,烟雾报警器模块等等.下面,我就来详细说说 这几个模块。 温湿度方面,只要分为三个部分:一个是系统驱动函数,只要读取数据,一个是系统合成函数,主要把数据合成一个整体函数,另外一个是一个温湿度显示函数,是温湿度的值更为方便的显示在LCD屏上面。下面是DHT11的控制程序框图: 烟雾报警方面的函数系统编辑,在本次设计中,这里的烟雾报警器是通过气敏探头对可燃气体的坚持,输出低电平送到单片机来实现这个报警功能的,由于灵敏度非常高,这样可控范围就很大,能够清晰地识别屋内的可燃气体。在这里,我们才用比较稳定的气体探头GS-1,低电压5V供电,其输出是通过发光二极管来进行显示的,可以很直接的把报警信号传递给人们知道。在这一次设计中,采用可调的信号,可以更为满足人们的需要。在安全的情况下出了探头是工作的之外,其他的电路都是处于待机状态。其他下面是有关烟雾报警器的程序框图: 振动报警器函数系统编辑,振动报警器模块只要是检测振方便的,例如地震,防盗等等。它会根据检测到的信号,发送给主控单元,经过主控单元的判断,再把数据输送到LCD屏显示,或者直接振动报警。下面是振动报警器的控制设计程序框图。 灯管控制模块编辑,在本次设计中,灯光控制模块相对来说是比较简单的,并没有涉及太过于复杂的程序,因为能力与资源,时间有限,只能做了一个相对简单的无线控制灯光开启函数,以达到方便,便捷的控制家庭中的各类电器。下 面是灯光控制系统的程序框图: 第5章 系统的组装与测试 本次设计主要有几个部分需要调试,第一个是硬件方面的调试,第二个是软件方便的调试。 经过初步的分析和设计完成后,在做硬件设计和软件设计的过程过,调试时穿插进行的,应该系统的调戏中,软件和硬件的分不开的。在后面的调试中,我们会发现,许多的硬件故障时在调试软件的时候才慢慢的发现的,如果我们先排除掉系统中一些较为明确的硬件故障,然后再对其进行然间测试,这样就可以调高测试的效率,减少测试的时间,使测试的可靠性更加好。在我们进行系统调试的时候,我们要先对各个模块进行调试,避免系统调试的时候,因为模块故障而无法继续调试下去。学会排除,是设计成功的一大因素。 5.1 本次调试用到的工具 Keil 开发软件一套; Protel 开发工具一套; Visual Basic 6.0 中文版工具一套; TLW-L 调温老铁一把; DT9208 型的数字万用表一个; MF 47型机械万用表一个; PC 电脑一台; 5.2 成品的组装 本次设计用到的几个模块主要有:主控模块(单片机控制模块);温度度传感器模块;气体检测模块;振动报警模块;灯光控制模块;这次主要做一个小模型。下图是这一次的成品模型图: 5.3 硬件的调试 本次设计的调试不问分为下面几个部分: (1)逻辑错误调试 成品模块的逻辑错误是由于在设计过程中,模块的排布安装等问题造成的,这类错误包含:连接错线、短路、开路,信号不同几种,其中这个短路时最常见的错误。 (2)器件调试 元器件在使用的过程中也可能会失效,其中原因可能是本身元器件坏掉了或者是由于组装元器件的时候元器件失效了。例如某些电容、二极管的极限错误等 等。 (3)可靠性调试 对于这样的一种系统,引起系统不可靠的因素会有很多,很多时候,接触不良,内部干扰,外部干扰,电源过大,器件的负载太大等等,另外,走线和布局不合理有时候也导致出现在各种问题。 (4)电源故障 如果这系统中出现电源故障,那么可能是通电后,造成了器件的损坏。电源的故障包括下面几个方面,有时候因为电压值不符合设定的要求,有时候是电源的插座和引线借口不对,电源的功率不足,负载能力很差。 在本次调试系统的时候,我们要用运用万用表和反正模拟器,根据硬件电路图我已经设计好的装配图检查好各个线路的正确性,并确定好各个元器件的型号,参数,规格是否正确。还要注意在焊接电路板的时候,布局布线等方面,避免电路出现极性错误或者短路,还要重点的检查扩张的系统是否存在相互之间的短路,或者有其他的信号之间短路。由于本次的整个电路板都是手工焊制,可能我出现虚焊短接等可能,需要特别注意这一方面。 5.4 软件编程调试 在这个系统里面,软件部分是最为复杂的一个部分。然而,在这里,我们所谓的软件调试主要是针对软件爱你结构方面和系统设计方面的调试。在这一次设计的系统中,我们采用的是模块程序设计技术,我们把逐个模块的函数调试好,进就行系统的装配,然后进行系统的全面调试。由于主控系统控制多个模块,所以我们进行逐个模块,逐个任务进行调试,下面我们来进一步阐述。在调试的第一个步骤,同时也要调试一些相关的子程序,中断服务函数等等有没有错误,在单步和断电的调试后,进行连续的调试,因为在单步运行的情况下,是很难验证这程序的正确性的,只有通过连续而稳定的测试,才能判断其程序正确性,才能确定其各个参数的精确性、CPU的实时响应等一系列问题。等上面的步骤全部完成之后,在进行反复多次的调试,慢慢地,我们就可以得到除了稳定性操作之外,还可得到用户在操作次系统的一些要求,习惯,我们可以适当的做出改正。 5.5 这次调试遇到的问题 5.5.1 硬件方面遇到的问题 问题1:主控板上电后无法下载程序。 解决方案:用万用表检测了各级之间的连接,最后发现在一一处短路了。然后用烙铁把短路的地方拨开,把问题解决。 问题2:开始电源采用市电,经变压器转化为5V供电,但是不小心把一些元器件给烧坏了。 解决方案:把那个变压器直接用移动电源替换掉,输出变得稳定,安全。 5.5.2 联机测试时发生的问题 问题1:LED屏接受数据的时候,无法显示正常数据,乱码。 解决方案:检查了LED屏显示的那一段代码,检测了LCD屏与主控板之间的连接线。 之后发现是代码出现在了一小部分问题,修改代码,调整硬件连接之后,问题解决。 5.6 实时数据检测 在把成品做完之后,我们进行了一个实时的数据检测,下面我们进行实际数值的检测,已下的数值都是在室内检测的,如下面所示 当天温度:26 度 检测温度:275(取前两位,单位度) 当天适度:92% RH 检测湿度:900(取前两为数,百分比,单位RH) 气体检测:用打火机灭火后,气体吹响MQ-2烟雾传感器,反应之后,报警。 灯光模块:利用蓝牙无线开启和关闭灯光,功能得到实现。 根据上面的数据显示,在这一次测试的数值范围与当天的温湿度范围差相差不大,在允许的误差范围之内,所以判断此温湿度检车设备的可实用的。对于烟雾报警器,检测了可燃气体,也用蜂鸣报警来警示人们,这也说明这一模块的可使用性。灯光模块也是如此,开启和关闭灯光顺利,证明了这一模块也具有可实用性 5.7 总结 经过上面的组装和调试,无论是从主控板方面,还是从各个模块方便,其中都发现了些许存在的问题,特备是温湿度模块、电源模块、LCD显示模块、这几个模块的问题尤其多,不过在一次次的调试,一次次的调整之后,这一些问题也慢慢地得到了解决,在之后的实时检测,应用到实际中的时候,其检测的结果也基本让人满意,无论是温湿度方便,还是气体检测方便,再者在振动与灯光控制方面,都证明了这一模块的可实用性,也算围着一个设计打下了一个相对不错的句号。下面一张,简述的是实际在生活中这一产品的应用。 第6章 环境实例搭建 对于实体模拟环境的搭建,这是在实现其功能之后必须做的一个步骤,这是一步运用到实际例子的一步,只有在实际运用中实现所有的功能,那么这一次的设计才算是一个成功的设计,那么这样的设计才会有所意义,在这第五章的讲解中,我便会写到这方面,详述这样一个环境在生活中的搭建。 6.1 实例环境选择 本次设计主要是针对两个房间一个大厅一个厨房的搭建,选择了一个比较普通的家庭模型,如图6-1所示。其中智能控制方便主要控制各个卧室已经大厅厕所,厨房的灯光。还有就是厨房方面的气体检测,整个室内的温湿度检测已经地面的振动检测,下面是实际平面的模型图: 6.2实例环境布置 6.2.1 所控电器 在本设计中,所要控制元素有4个,分别是厨房的烟雾报警器一个、室内的温湿度检测两个元素,已经振动报警器一个,但是所控制的电子器件确实八个,其中有5个分别是各个房间,各个部位的的灯光。 6.2.2 布线 因为本次设计只要是无线蓝牙模块,所以在本次设计中,用到的有线式较为稀少的,因此在实际应用中,此次设计已经预先想好,在设备方面,选择的都是一些不需要经常移动的设备,所以在安装方便时非常的简单,方便的。 其中为了方便控制,基本没一个模块都会被独立出来,放置在不同的位置有 一个终端,控制所有的模块。这样可以放置各个元器件之间的干扰,增加了系统稳定性(如图6-2所示)。控制核心与各个模块之间的连接用蓝牙串口,且显示装置需要和控制核心相互连接,因此控制核心显示装置会和放在一起。 控制终端1 电器1 控制终端2 电器2 控制核 心(单片机) 显示器 串口接线 图6-2 布控简图 6.2.3控制模式 在控制模式中,本设计采用的是蓝牙模块通信,只要控制终端可以通过电脑,也可以通过手机,不管是哪种控制方式,都是为了方便用户控制,此设计根据很多人的日常生活习惯,设计的更加贴心,更宜很多人操作。 案例: 当我们睡醒时,我们打开电脑,或者打开手机,就会收到各个模块发来的信息,显示在显示屏上面,告知我们今天的温度,湿度。让我们更好的安排今天的行程。 当我们再次床上玩手机的时候,突然发现外面的灯光亮着,那么此时你可以轻轻送过你手机的蓝牙信号,把外面的灯光关闭,可以减少爬起来的不必要。 如若某一天,家中有煤气等可燃气体泄漏的时候,烟雾报警器就会感应,那时候你可以清楚当前状况,做出适当的应对对策。 当有人在你不想别人去接触的地方安装振动报警器的地方,触碰被人触碰到报警器时,你又可以立刻知道情况。 第七章 总结 经过了好几个月的奋斗,研究,我终于把我的基于物联网的智能家居系统设计与控制弄好,在这个过程中遇到了非常多的额阻碍,导致这个设计有部分的功能未能实现,有一些功能达不到理想的标准,但是从总体上来看,已是完成了任务书上面的要求,完成了一个从硬件到软件方便相结合的系统设计。 在这一次设计中,存在很多不足之处,第一,在这次设计中,我没有画PCB板,所以主控模块的板都是自己手动焊接的,由于近来的工作比较繁忙,在时间上面也比较仓促,只能在平时用一些比较闲散的时间来做这一个设计。其次是设计中的灯光部分的功能实现的不够全面,仅仅只能由开关两种结果,不能做到调光,还有就是主控程序与数据库部分一是由于在工作之中,时间不足,二是由于查阅的资料并不齐全,自身所学的知识也有所欠缺,所以技术上较为生疏,只是在一边做这一个设计,一边学习,周期较长。所以有些部分在答辩前没有实现,但答辩后,我会继续用空闲时间去一步步完成、完善设计。 通过本次设计,我发现自己有很多欠缺的地方,虽然之前也做过一些课程设计,但是往往没有这一次设计所学到的东西多,这次设计真的让我成长了很多,一个成功的电子设计师,不仅要在技术上面的成功,很要在人际方面也取得一定成绩,不然生活会过得很辛苦,为了在将来适应更加严峻的挑战,我认识到了,在未来的学习生涯中,无法是什么样的实际问题,都要去寻找理论的依靠,即我们所学的理论知识用到实际当中,也要在实际的应用中,去发现理论的重要性。学习技术不断的应用交流中才可能得到提高,这就是我在这次课程设计中的最大收获。 生活在很多方面总是不尽人意, 参考文献 [1] 何立民.单片机应用系统设计.北京:航天航空大学出版社,2001 [2] 李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,2001 [3] 何希才.新型实用电子电路400例.电子工业出版社,2000 [4] 赵负图.传感器集成电路手册,第一版.化学工业出版社,2004 [5] 杨邦文.新型实用电路制作200例.北京:人民邮电出版社,1998 [6] 邹其洪.电工电子试验与计算机仿真.北京:电子工业出版社,2003 [7] 张巍.浅谈单片机控制步进电机[J]. 安防科技,2006 [8] 王啸东.单片机的发展趋势[J].今日科院,2001 [9] 曹明杨.单片机发展发展动向及市场预测.计算机世界,1996 [10]王秋爽.曾昭龙.单片机开发与经典设计实例.机械工业出版社,2008 [11]肖慧彬.物联网中国企业信息交互中间件技术开发研究.北京:北方工业大学,2009 [12]孙晓波.物联网概念和演讲途径. 电信工程技术与便准化,2009 [13]刘科.电路原理.北京交通大学出版社.2007.5 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