任 強(qiáng)

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，大同 037009）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平普遍提高，家居防護(hù)越來越成為人們注重的安全領(lǐng)域。信息的傳遞和處理是人類現(xiàn)代生活中溝通交流的重要途徑，不管是當(dāng)代4G時(shí)代的到來，還是互聯(lián)網(wǎng)通訊的廣泛普及，都是當(dāng)前世界上發(fā)展最迅猛也最具發(fā)展前途的智能化技術(shù)的標(biāo)志。在未來，發(fā)展成熟化的短信息技術(shù)一定會(huì)成為智能化系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。而近來的智能家居由于其開發(fā)成本高，發(fā)展也不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)，沒有被廣大民眾所接受。因此成本低，穩(wěn)定性好的家居防護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)成為社會(huì)大眾的普遍需求。

2 系統(tǒng)方案及編譯平臺(tái)的介紹

2.1 系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)由主控模塊、傳感器模塊、家居防護(hù)模塊、聲音報(bào)警模塊、SIM300模塊等組成。此外，本系統(tǒng)還利用各類體積小，靈敏度高的傳感器來檢測(cè)家居環(huán)境。在方案設(shè)計(jì)時(shí)，本文考慮到了系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境、各類傳感器的靈敏度、各種非危險(xiǎn)因素觸發(fā)系統(tǒng)等干擾因素。通過對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行校對(duì)，并設(shè)定主人在家或不在家兩種模式，使系統(tǒng)更符合家居的實(shí)用性。

2.2 軟件編譯平臺(tái)Keil

相比較而言，在匯編語言與C語言中，不論是在可讀性、結(jié)構(gòu)性上，還是可維護(hù)性和功能上，用C語言進(jìn)行開發(fā)項(xiàng)目有著明顯的優(yōu)勢(shì)。而Keil C51正是應(yīng)用于C語言的軟件開發(fā)兼容系統(tǒng)，易學(xué)易用。此外，它還具有仿真、管理庫(kù)的功能。在處理速度上效率非常高。且其語句也容易理解，框架合理，在多種電腦系統(tǒng)中都可以穩(wěn)定運(yùn)行。

3 各模塊功能及原理介紹

該系統(tǒng)分為兩種工作模式，分別是主人在家模式和主人外出模式。當(dāng)主人在時(shí)開啟聲音報(bào)警，并使一些必要的傳感器進(jìn)行工作。當(dāng)主人不在時(shí)，開啟短信報(bào)警，并使所有傳感器進(jìn)行工作。系統(tǒng)在工作時(shí)，當(dāng)危險(xiǎn)信息觸發(fā)傳感器，傳感器將信息傳給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)將觸發(fā)信息傳送給GSM短信模塊和家居防護(hù)設(shè)施。GSM短信模塊進(jìn)行報(bào)警，家居防護(hù)設(shè)施進(jìn)行防護(hù)處理，避免造成更大的損失。系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)更加適合家庭環(huán)境使用。

3.1 主控芯片

STC12C5A60S2為系統(tǒng)主控芯片，芯片的程序存儲(chǔ)器大于一般51系列的單片機(jī)，且采用 flash工藝，能實(shí)現(xiàn)程序的快速刪除與編輯。同時(shí)，此單片機(jī)在下載程序時(shí)，利用串口通訊，能便捷的完成任務(wù)。

3.2 GSM短信報(bào)警模塊

模塊中，RS232接口為3線制，RX，TX，GND。同時(shí)兼具TTL/CMOS接口，用戶可以根據(jù)自己的選擇來外部接入5V或者3.3V的單片機(jī)，用于控制SIM300模塊。此外網(wǎng)絡(luò)信號(hào)燈NET向用戶提示當(dāng)前模塊的狀態(tài)。在配置好參數(shù)后，將發(fā)送內(nèi)容經(jīng)過指令轉(zhuǎn)換后，即可發(fā)送短信。

3.3 各檢測(cè)傳感器

（1）熱釋電紅外傳感器

其所能檢測(cè)到的范圍內(nèi)如果有小偷進(jìn)入，相應(yīng)的就會(huì)輸出信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理，進(jìn)行報(bào)警。若是主人出門在外，那么就可以收到由GSM模塊發(fā)的報(bào)警短信，提醒及時(shí)回家或采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。流程如圖1所示。

圖1 熱釋電檢測(cè)報(bào)警過程圖

（2）煤氣傳感器

在有一定濃度有害氣體的環(huán)境中，其電導(dǎo)率就會(huì)隨著環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度的變化而增加或減少，就可以把濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

（3）濕度傳感器

利用附在元件上的感濕材料，當(dāng)有水汽時(shí)，其特性就會(huì)改變，這樣就改變了其電導(dǎo)率，輸出電流信號(hào)或者是電壓信號(hào)就可以了。同時(shí)調(diào)節(jié)濕度傳感器上的電位器，可以進(jìn)行控制濕度值。設(shè)置合適的濕度值，傳感器如檢測(cè)到環(huán)境的濕度小于或者大于設(shè)置之值，相應(yīng)的指示燈會(huì)亮，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

（4）火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅饔杉t外發(fā)射管、比較器lm323以及簡(jiǎn)單外圍電路組成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到危險(xiǎn)信息時(shí)，通過比較器電路輸出DO信號(hào)和AO信號(hào)。通常情況下，用DO輸出的TTL信號(hào)直接輸入單片機(jī)。

（5）震動(dòng)傳感器

震動(dòng)傳感器通過力的效應(yīng)來采集危險(xiǎn)信號(hào)。當(dāng)有震動(dòng)信號(hào)時(shí)，傳感器將信號(hào)以高電平的形式發(fā)送給控制中心；沒有振動(dòng)信號(hào)時(shí)，處于休眠低電平狀態(tài)。同時(shí)，震動(dòng)傳感器也是目前市場(chǎng)上用于測(cè)試器件的關(guān)鍵原件之一，它還具有價(jià)格低廉、使用靈活方便的特點(diǎn)。

（6）家居防護(hù)模塊

該模塊由簡(jiǎn)單的自動(dòng)噴水裝置和自動(dòng)打開窗戶裝置構(gòu)成分，這兩類裝置主要設(shè)置在廚房里。自動(dòng)噴水裝置由簡(jiǎn)單的打開關(guān)閉水龍頭裝置組成。而自動(dòng)開窗裝置由簡(jiǎn)單的拉伸裝置組成。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的功能是建立在GSM的短信發(fā)送報(bào)警功能基礎(chǔ)之上的。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過各種傳感器采集室內(nèi)具體信息，將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給單片機(jī)，并根據(jù)不同的工作模式做出具體處理。

（2）外圍電路及聲音報(bào)警模塊

單片機(jī)外圍電路主要由時(shí)鐘振蕩電路和復(fù)位電路組成。晶振提供12MHz的時(shí)鐘，以保證單片機(jī)能正常運(yùn)行。在復(fù)位電路中，我們選用10uf的電容，從而保證復(fù)位的時(shí)間不長(zhǎng)也不短。復(fù)位電路的功能主要是讓程序重新執(zhí)行。單片機(jī)具有處理速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，兼容8051指令代碼?；诒灸K與SIM300模塊連接，其串口RXD與TXD正好滿足設(shè)計(jì)的要求。

本模塊使用有源蜂鳴器。因?yàn)槠渲苯又绷麟妷壕涂梢赃M(jìn)行報(bào)警，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)有單片機(jī)接收到傳感器的信號(hào)，經(jīng)過處理，直接給蜂鳴器一個(gè)高電平的觸發(fā)信號(hào)，使蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)程序時(shí)，考慮到整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。采用程序嵌套的方式，進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行信號(hào)的采集，采集到信號(hào)之后，經(jīng)過單片機(jī)的簡(jiǎn)單處理，進(jìn)行啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)包括兩種模式，一種是短信報(bào)警，另一種是簡(jiǎn)單的聲音報(bào)警。同時(shí)，家居防護(hù)設(shè)施進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)防。

（2）子信號(hào)及短信模塊處理

信號(hào)采集子程序以采集火情信息為例，有火情危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，即有信號(hào)輸入的時(shí)候，單片機(jī)進(jìn)行處理，接收信號(hào)，并相應(yīng)的進(jìn)行回應(yīng)。

發(fā)送短信子程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，判斷有無信號(hào)輸入。有信號(hào)輸入就啟動(dòng)短信報(bào)警系統(tǒng)，進(jìn)行報(bào)警。

5 系統(tǒng)調(diào)試及仿真

在完成系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)后，還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件編譯和硬件調(diào)試，對(duì)裝置初始化，調(diào)試實(shí)驗(yàn)并記錄調(diào)試結(jié)果。

首先根據(jù)編寫的程序通過Keil軟件編譯生成單片機(jī)能執(zhí)行的hex文件，將把生成的hex文件調(diào)入單片機(jī)中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和仿真軟件protues的局限性，只對(duì)系統(tǒng)的家居防護(hù)設(shè)備進(jìn)行仿真。仿真見圖2。

圖2 家居防護(hù)設(shè)備仿真圖

6 結(jié)束語

本文采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，該單片機(jī)具有通用性強(qiáng)，體積小，價(jià)格低，處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。并且SIM300（GSM）短信模塊是一款集成度較高的信息接收轉(zhuǎn)譯發(fā)送處理器，與單片機(jī)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單接口的連接，為本設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)易的硬件基礎(chǔ)。同時(shí)，各類傳感器直接連接單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的傳送更是符合人性化需求。此外，簡(jiǎn)便實(shí)用的家居防護(hù)設(shè)施使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性更為突出。

智能化是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的大方向，而智能家居系統(tǒng)則是為了提高人們?nèi)粘Ｉ畹钠焚|(zhì)和安全，方便人們的日常生活。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了軟硬件方案流程，并通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了將各個(gè)模塊集成化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家里各種情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)，給人們現(xiàn)代化的生活帶來巨大的便捷。

[1] 呂顯朋，劉彥隆，王相國(guó).基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013，37（24）：43-48.