智能家居系统设计【论文】

1智能家居系统中安防系统的设计报告随着科学技术飞快发展的趋势，未来家居系统智能化已经成为必然的结局，而在智能家居系统中，安防系统是至关重要的一部分。当人类的独居性成为未来生活的主流时，如何确保智能家居系统中的住宅安全，就成了至关重要的问题。而安防系统的实现与完善正是解决这一问题的关键。因此，需要对智能家居系统中的安防系统进行更深层次的研究，以促进人类文明的发展与进步。本文旨在建立更加完善的智能家居系统，通过掌握家庭安防系统中门磁系统和红外监测系统的工作原理，基于STM32建立了相对完善的模型，并进行了多次实践，印证了该关键词：智能家居；安防系统；STM321.1课题背景与意义智能家居系统是利用先进的科技手段融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统例如安防控制、卫生防疫、安防保安等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。而安防系统一般则是指安全防范系统，总体上说，通过智能家居中安防系统的构建，可以为用户创造出一个兼顾居住安全和出行便利的良好居住环境，提高用户生活质量与生活水平。当下随着各种新类型智能终端设备的出现，物联网技术作为万物互联构想的核心技术进入发展高速期，同时5G即将正式商用的时代背景下，万物互联成为了大势所趋。在这种趋势下，智能家居系统作为最贴近人们生活的智能系统，它的发展对人们的消费水平的提高、生活质量的改善等有着重要的意义。同时，用户隐私的保密性与安全性能否得到保障也成为了社会各界密切关注的话题，安防系统的设计与完善也逐渐成为不可回避的问题。1.2具体研究内容2软件需求实时报警需求本课题基于STM32对智能家居系统中的安防系统进行设计分析，具体内容结构为：一部分为绪论，主要介绍的是智能家居系统与安防系统的发展背景以及软件需求实时报警需求程及实现思路；最后对课题研究过程进行整体汇报与总结。2.系统总体设计方案2.1系统的总体结构设计本课题基于STM32嵌入式系统对智能家居系统中的安防系统进行设计，实现远程数据传输与信息监控。本系统，利用门磁系统传感器、人体红外传感器监测家居的安全性，当监测信号触发时，系统会将信号上传至主要控制芯片进行数据号，GSM无线通信模块向用户手机发送相应位置触发的报警短信，整体需求分析如下图2-1所示：实时门磁监控信息实时门磁监控信息实时红外监控信息发出安防报警信号系统需求硬件需求3图2-1系统整体需求分析图为了满足系统的需求，系统的总体设计如下图2-2所示：不GSM通信模块STM32F103处理器灯模数转换模块(ADC)红外传感器模块门磁触发模块报警模块手机端鸣蜂器和EDL图2-2系统总体设计图整个系统可以大致分为两个主要部分：安防信号监测模块、实时报警模块。安防信号监测模块主要通过红外传感器模块及门磁触发模块对是否有外来人员入侵进行监测。若检测到有外来人员闯入室内，对应的传感器就会将监测到的模拟信号以模拟值传送至模数转换模块(ADC)中进行模数转换，转换为数字信号后，以数字信号中的“0”、“1”来规定输出电平的高低(“0”为低电平，“1”为高电平),最后电平信号再传入相应的I0□进行其他动作指令。实时报警模块主要是通过蜂鸣器和LED灯组成的声光报警系统和由GSM无线通信及手机端组成的无线报警系统两部分构成。蜂鸣器和LED组成的声光报警系统是在系统监测到有外来人员闯入室内时在室内进行的报警，对入侵人员有一定的震慑作用。无线报警系统则是当用户不在家中时，对家庭中的信息进行远程掌控，相应的报警系统触发会有不同的短信提示，以达到对家庭信息实时掌握并及时地对突发状况作出相应处理的目的。2.2主要控制模块的选用方案4主控制器模块选用的STM32f103系列开发板，该系列芯片是由意法半导体公司设计研发的，其内核是Cortex-M3。相较51单片机而言，STM32对于数据信息的分析速度及处理过程更加高效，同时也可以通过ST-LINK进行更加快捷方便人体红外检测模块采用数字智能化热释电红外传感器，该传感器工作是将人体探测敏感元与数字智能化控制电路都集成在传感器前端的电磁屏蔽罩内的一种热释电红外传感器；门磁系统监测模块选用常闭型MC-51铁门磁模块，该监测模块的报警信号所以当门磁贴合时，门磁所代表的开/闭状态为闭，电路断开，无触点信号发出；选用SIM800C作为实现GSM无线通信报警的硬件模块，在智能家居系统中，为了实现对家居突发情况的实时监控，通过GSM网络实现的短信服务便成了实现蓝牙数据信息的传输等功能。相较SIM900A模块而言SIM800C模块功能更全，体积更小，性价比更高；显示模块选用ATK-4.3’TFTLCD模块，该模块屏幕拥有16位真彩显示以及800*480的分辨率，采用NT35510驱动且自带GRAM,因而任何单片机都可以在无外加驱动的情况下使该模块流畅运行；声光报警模块主要通过蜂鸣器和LED灯来实现声光报警，蜂鸣器为电磁式的有源蜂鸣器，LED灯为普通的发光二极管作为声光报警系统中的光照报警，当门磁信号触发或红外信号触发时，蜂鸣器与LED灯会以一定频率闪烁，以达到声3.系统硬件模块工作原理的分析部供电电路等，既节省了对各个模块之间电路繁琐的设计，又减少了开发成本。同时复位电路可以避免反复上电等操作对控制器造成的不良影响，通过按下复位键，可以使电容进行完全地初始化，恢复默认设置。系统可以通电电源线进行供5电，也可以通过USB线通过内部电路进行转换，获得5V的供电电压，再经过稳压芯片将5V供电电压转化为3.3V供电电压，供系统正常工作使用。3.2系统硬件连接电路设计在对硬件电路进行连接设计之前，应当充分了解各部分模块的工作原理以及要实现的功能，充分把握系统各部分之间的关系，并协调好系统各部分的资源调配，避免I0□冲突等造成系统运行错误的问题。3.3核心模块工作原理对于红外传感器模块，采用的是智能数字热释电红外传感器，结构模型如图3-1。图3-1热释电探测器的结构模型热释电探测器的信号转换可以分为如下几个阶段：热转换阶段、热电转换的实物连接图如图3-2。6图3-2红外传感器模块实物连接根据系统的工作电压条件，将其接通在板载的3.3V电源上，将REL与相应的I/0□连接，就能够实现本设计中要求的功能，即当人经过红外探测装置时，通过REL向I/0□输出一个时长2.6秒的高电平。对于门磁系统模块，其工作原理与红外系统类似，即将模拟信号转换为数字信号，最终实现对系统的控制，具体如图3-3,该门磁系统监测模块由两条杜10-18mm时，门磁所代表的开/闭状态为开，有触点信号发出，当导线两端正常连接时，信号输出端可以输出相应的触发信号将信号输入引脚的输入信号置0,以达到将门磁触发的模拟信号转换为数字信号传入芯片中的目的。7图3-3门磁系统模块的实物连接对于GSM无线通信模块，笔者设定为当红外传感器信号或者门磁系统信号触发后，单片机将会给SIM800C发送相应的AT指令，使其给用户预设的手机号码发送相应的报警短信，以实现实时报警的功能。AT指令集是从一个终端设备或者数据终端设备向一个终端适配器或数据电路终端设备发送的指令合集。用户可以通过TE、TA发送AT指令实现对移动台的功能的控制以及与GSM网络业对于ATK-4.3’TFTLCD电容触摸屏模块，则通过2*17的排针(2.54mm的屏模块通过34(2*17)个引脚同外部连接，LCD控制器总共需要21个I0□,背光控制需要1个I0□,电容触摸屏需要4个I0□,这样整个模块需要26个IO□驱动。ATK-4.3’TFTLCD电容触摸屏的引脚说明如下表3-2所示，同在在表中也可以看出MCU对LCD控制需要21个I0□,因此在使用时，需要合理分序号234名称WR说明LCD片选信号(低电平有效)命令/数据控制信号(0,命令；1,数据；)写使能信号(低电平有效)读使能信号(低电平有效)85复位信号(低电平有效)双向数据总线地线BL_CTR背光控制引脚(高电平点亮背光，低电平关闭)VCC3.3主电源供电引脚(3.3V)背光供电引脚(5V)MISONC,电容触摸屏未用到MOSI电容触摸屏IICSDA信号(CTSDA)电容触摸屏中断信号(CTJNT)NC,电容触摸屏未用到电容触摸屏复位信号(CTRST)电容触摸屏I1CSCL信号(CTSCL)同时在本系统设计中，声光报警中的声音报警主要是通过BEEP模块来实现要提供不到1mA的电流就可以将蜂鸣器驱动。在硬件上，蜂鸣器电路也是以及设计好的，无需经过任何设置，由下图3-5可知蜂鸣器的驱动信号连接在STM32VCC3.3PGS8050BEEP图3-5蜂鸣器驱动电路连接3.4ST-Link/V2仿真器介绍是ST意法半导体为评估、开发STM8系列和STM32系列MCU而设计的集在线仿真与下载为一体的开发工具STM32系列通过JTAG/SWD接□与ST-LINK/V2连接9ST-LINK/V2可以极大地缩短工程的烧录速度，极大缩短开发时间。ST-LINK/V2的实物连接图如下图3-6所示。4.系统软件设计4.1编程软件介绍本文设计所应用到的编程软件是KeilμVision5,在STM32的学习与开发中，应用最为广泛的是KeilMDK,Keil提供了包含C编译器、宏汇编、库管理、链接器及性能强大的仿真调试器等在内的完整开发工具，使用集成开发环境将这4.2程序设计原则在设计一个完整的系统中，要遵循程序设计的四大原则：①自顶而下：对系统进行设计时从最上层的总目标开始做起，应当优先考虑总体，而后再考虑细节，应当先考虑全局目标，而后再考虑局部目标；②逐步细化：对于复杂的问题，应当先设计一些子目标作为解决整个问题的过渡，逐个突破使问题细化；③模块化：把总问题细化成一个一个的子问题，再将每个子问题细化成具体的小目标，再把每个目标细化为可以简单解决的模块；④逐步细化及结构化编码：编码就是将设计好的算法用相应的计算机语言进行表示。结构化编码就是根据已经细化成的一个个模块写出正确的计算机程序，最终完成整个系统的程序设计。同时在程序的设计过程中，也要符合实际情况进行设计，做到整体稳定、4.3各模块软件程序设计安防系统的布防监测包含两个信号：红外传感器模块监测是否有人员入侵，法闯入，如果监测到有人闯入(门磁分离超过1.8cm),则向MCU发出电平信号；声光报警发出警报，如图4-1。安防系统的布防监测包含两个信号：红外传感器模块监测是否有人员入侵，法闯入，如果监测到有人闯入(门磁分离超过1.8cm),则向MCU发出电平信号；当MCU接收到电平信号后，会给GSM模块发送AT指令使之发送报警短信并通过触发门磁?触发红外?图4-1设计原理图要是voidIR_Init(void),用来实现将PF2设置为上拉输入引脚，该模块具体配置程序如图4-2所示：4545GPI0_InitTypeDefGPI0_InitStructure;99GPI0_InitStructure.GPI0_PinGPI0_InitStructure,GPI0_ModeGPI0_GPI0_InitStructure.GPI0_PinGPI0_InitStructure,GPI0_ModeGPI0_InitStructure,GPI0_Speed=GPIO_Mode_IPU;//输入上拉InitStructure);//根据参数初始化GPIOF.2}图4-2红外传感器初始化配置程序GPIO_ReadInputDataBit(GPIOF,GPIO_Pin_2);读取数据给标志位IR_fl赋值，通过程序编写，实现声光报警与GSM短信报警。具体实现程序如图4-3。556LEDO=!LED0;557BEEP=!BEEP;561sim800563WK_UP_Defre1();图4-3红外传感器报警实现程序门磁系统监测报警的实现与红外传感器报警类似，门磁系统监测报警模块选择PF1为信号输入引脚，具体的配置程序如图4-4。5日167GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;09RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2PeriGPI0_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;//RELAY-->GPI0_InitStructure.GPI0_Mode=GPI0_Mode_IPU;//输入上拉GPIO_InitStructure.GPI0_Speed=GPI0_Speed_50MHz;/7速度为50MHzGPIO_Init(GPIOF,6GPIO_InitStructure);//根据参数初始化GPIOF.1}}图4-4门磁系统监测初始化配置程序位Gate_mag赋值，通过程序编写，实现声光报警与GSM短信报警。具体实现程序如图4-5。{{LED1=1;WK_UP_Defrel();)图4-5门磁系统触发报警实现程序GSM无线通信模块的在本设计中的应用主要是给用户的手机发送报警短信，可以实现不同传感器触发发送不同的报警信息，具体如图4-6和图4-7:36371772777777772114111717111771412141121111211121N?364constud*sim000e_test_IR="红外报警液置较发。报警系统启物"?366voidsiaode_ams_alarm(void)//红处推警触发370uB*phonenum=;371a0amssendsta=0;//短信发造状态，6,等待发进；1,发造失败；2,发造成功372p=mymalloc(SRAHIN,100);//申俯100个字节的内存，用于存故电话号码的unicode字符非373pl=mymalloc(8RANTN,300);//申请300个半节的内存，用于存故理馆的unteods字符事375LCD_Clear(WHtTE);377ahow_str_Mid(0,30,"ATR-31M900C发短信剧试",16,240);378ahow_atr(30,50,200,16,"发送给：",16,0);379Bhow_8tx(30,70,200,16,*状态：",16,01;3#1POINT_COLOR=BLU303Bhow_gtr(30+40,90,170,90,(uB*)nim000o_tent_TR,16,0);//盖承短信内容384if(amssendsta)386amaaendatazg:392aim800c_unigbk_axchange((ug*)phanenm,p,11;//将电话号码转换为unicoda字符申392aim800c_unigbk_axchange((ug*)phanenm,p,11;//将电话号码转换为unicoda字符申395if(nim800e_nens_cmd(p2,">",200)==0)//发送短情愈令*电话号码u3_ptintt("*s",pl);//发送短信内容到cMif(sim800c_send_omd((u8*)0X1A,"+CM38:".1000)m0)amnsondsta=2;//发道结束符，每待2UBART3_RX_BTA=0;LCD_Pi11(30+54,50,239,50+16,WHITE);timex++;delay_ms(12);myfree(SRANIN,p2);图4-6红外信号触发短信报警307canstuh*aim800e_test_Gate="门翅系就BR,报要唐动";305wuidaitdoc_sms_taattveid)t/门做系统触发-310日1314u8*P.*pl.*p2;uotimex-;p2*mymalloe(ERc(18,400)?//中请100个子节的在存存放：A2+J8*p1Show_strHid10,3t,"ATK-01H900C发理信测试*,14,240;Show_str450,34,200,16,”世送给：".16,0;POIN7COLOR*B2E;Thow_Btr420*40,0,170.90,*等将笑地",6,09x1/总示状市thew_str130*40,90,170,50,1u8*1si=000c_test_8ote,16.0;//显东冠信内将(msneddata*u,1Show_str(30+40,70,179,约，"正在发班",16,1;蒸示正在改塔地单口)色某得推旅取活悉《让是)和红有到和意让择。者。1发道填值命今*电话号得n3printf(*s",p);//发选程值内容到ax恒块1E(sin000c_sendcmditul*)0x1A,"*ca3d:*,10001=0)sm)if(amasandsta=1ithow_8tr430449,70,:70,90."先速先败",5,0):承状志elseahowste13**40,10,170,90.“艾递成功*,16,0);4/悬示状态UBAnT3_RXaTA*0;1CD_111(32+54,50,219,9Q-1*,KHTTE);show_atr6+54,50,15e,1t,ghonenum,I<,);ft(*1men*20)=0)LEb0=1LED0;//2ic*iFCUBART3_BX_STA6080000)simat_response(I;//检流从心u细坍接收判的数据myfr?e(DRAMN,p);=Yfxeo(DRAMTN.p2);图4-7门磁信号触发短信报警本节设定结合红外与门磁触发函数实现了：当门磁触发时，系统向手机发送“门磁系统触发，报警启动”的信息。当红外触发时，系统向手机发送“红外系统触发，报警启动”的信息。而报警模块的设定相对简单，通过一个while循环使蜂鸣器与LED灯按照一定的频率进行闪烁和鸣响以实现声光报警。5.系统软件设计5.1系统下载与调试系统如图5-1中连接后，上电并按下开关，通过ST-LINK/V2将编写好的测试程序下载至STM32中，在测试前，应当将红外传感器静置于远离人的地方或者用黑色不透光的遮挡物将其遮挡。上电后，系统自动检测GSM模块的运行情况，并检测SIM卡是否插入。若未插入或SIM卡出现其他问题时，会反复显示通信未连通，尝试再次连接通信，并持续检测SIM卡插入状态。当SIM卡正常插入时，屏幕则会显示信号质量及电池电量，并提示可以通过按下KEYO进行短信测试。此时系统的红外传感器系统及门磁监测系统都已经准备就绪。5.2系统测试与调试效果当门磁系统触发时，即当门磁分开超过18mm的时候，信号触发，界面显示正在发送报警短信“门磁系统触发，报警启动”,手机收到“门磁系统触发，报警启动”的短信，如图5-2中所示。整个过程可以正常进行，则测试完成。当未发送成功时，则会显示发送失败。在系统构建中要注意对标志位的清零及缓存的释放，不然会发生无法多次发送短信的情况。架区安性算，发警点…表切<STM32<tyiycot2m%广广中1图5-2门磁系统测试效果图当红外传感器系统触发时，即有人从红外传感器前经过，信号触发，界面显示正在发送报警短信“红外传感器触发，报警启动”,手机收到“红外传感器触发，报警启动”的短信，如图5-3中所示。整个过程可以正常进行，则测试完成。当未发送成功时，则会显示发送失败。在系统构建中与们此系统一样，同样要注意对标志位的清零及缓存的释放，不然会发生无法多次发送短信的情况。个在智来者个在智来者1,红外相管族圆辩算，相算东统施动W*s<图5-3门磁系统测试效果图经测试，在本系统多次布防撤防后，仍能正确进行短信的收发。通过对智能家居系统中安防系统的研究与学习，本文基本上完成了预期的智能家居系统中安防系统的模型设计，并对智能家居及安防行业有了基础的认知与了解。本课题是基于STM32F103系列与传感器结合实现布防监控、实时报警、一键布防撤防等功能。通过设计与实现完成了一个成本较低、稳定性较好、可操作性较高的智能家居系统中的安防系统，可通过红外传感器及门磁系统进行信号监控，一旦有入侵者进入，就会触发报警信号并向用户手机发送报警短信。实