摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對日常生活的需求日益增加，在此背景下，智能家居系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，其目的是為人們提供安適、方便的生活方式。智能家居系統(tǒng)主要應(yīng)用在家居設(shè)計(jì)中，主要作用是監(jiān)控家居環(huán)境，包括溫濕度、煙霧以及非法闖入等，它能夠滿足人們不斷提高的生活需求。文章設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)功能包括檢測家居環(huán)境、實(shí)現(xiàn)報(bào)警通信等，本智能家居系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控模塊，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器檢測家居環(huán)境，通過LED顯示屏進(jìn)行溫濕度的數(shù)字顯示，通過GSM模塊通信實(shí)現(xiàn)煙霧、非法闖入的報(bào)警，用戶可通過短信得知家居情況。本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)是把家居環(huán)境與通信模塊結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對家居安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：智能家居；MCU；傳感器；通信模塊

中圖分類號：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

基于人們?nèi)找嬖鲩L的需求，智能家居系統(tǒng)也飛速發(fā)展，但同時(shí)也存在非常大的局限性：一方面受人們固定思維的影響，傳統(tǒng)的家居方式以及家用電器的使用方法根深蒂固，限制著智能家居系統(tǒng)的全面發(fā)展；另一方面受到影視的影響，人們對智能的印象不是太過正面，有一部分人對使用智能家居系統(tǒng)呈觀望態(tài)度，擔(dān)心太過智能是否會(huì)對人的生理或者心理產(chǎn)生不利的影響。智能家居系統(tǒng)起源于美國，發(fā)展的原因歸結(jié)于電子技術(shù)的發(fā)展，在電子技術(shù)發(fā)展之初，只是用簡簡單單的機(jī)械操作來代替人工煩瑣重復(fù)性的操作，極大地方便了人們的日常生活^［1］?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們提出了智能家居的概念，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為智能家居的建設(shè)提供了實(shí)際的基礎(chǔ)，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)集合各種功能于一體的家居環(huán)境，包含家居環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、報(bào)警功能、通信等^［2］。世界各個(gè)國家在家居系統(tǒng)上投入了大量的研究，在家居系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上加入了公共社會(huì)的智能，比如把家居防盜系統(tǒng)和公共區(qū)域的監(jiān)控連接在一起，極大地提高了家居防盜系統(tǒng)的安全性和便捷性，一旦發(fā)生盜竊事件，能夠迅速調(diào)動(dòng)所有能利用的資源，極大地降低了財(cái)產(chǎn)的損失。把家居智能控制系統(tǒng)拓展到一片小區(qū)、一整座城市，極大提高了住宅高新技術(shù)的智能含量和居民居住環(huán)境水平^［3］。本文描述的智能家居系統(tǒng)是以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控核心，有機(jī)結(jié)合外圍設(shè)備溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器等檢測家居環(huán)境，通過LED顯示屏進(jìn)行溫濕度的數(shù)字顯示，通過GSM模塊通信實(shí)現(xiàn)煙霧、非法闖入的報(bào)警提示，用戶可通過接收短信得知家居情況，為用戶提供安全、方便、智能的家居環(huán)境。

1 智能家居系統(tǒng)的功能需求及實(shí)現(xiàn)

作為新時(shí)代的智能家居產(chǎn)品，應(yīng)該具備以下幾點(diǎn)功能：應(yīng)具備智能防盜功能；應(yīng)具備室內(nèi)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測功能；應(yīng)具備室內(nèi)火警監(jiān)測功能；應(yīng)具備遠(yuǎn)程報(bào)警功能（見圖1）。

（1）智能防盜功能：人體表面的溫度是37℃左右，會(huì)發(fā)出一定波長的紅外線，當(dāng)HC-SR501人體紅外傳感器的被動(dòng)式紅外線探頭接觸到人體發(fā)射的紅外線時(shí)，經(jīng)過菲尼爾濾光片后得到增強(qiáng)，然后聚焦到HC-SR501人體紅外傳感器的紅外感應(yīng)器，紅外感應(yīng)器接收到經(jīng)過放大后的紅外線時(shí)，會(huì)向外釋放電荷，經(jīng)過檢測之后就可以轉(zhuǎn)換成報(bào)警信號。主控單片機(jī)可通過紅外傳感器來獲取人員流通信息，同時(shí)結(jié)合主人的流動(dòng)信息，判斷是否有陌生人闖入，從而達(dá)到防盜功能。

（2）室內(nèi)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測功能：DHT11溫濕度傳感器是以溫濕度一體式的探頭作為測量元件，采集室（a）HC-SR501傳感器；（b）DHT11傳感器；（c）MQ-2傳感器；（d）SIM900A模塊。圖1 智能家居系統(tǒng)功能模塊內(nèi)溫度和濕度的模擬信號，經(jīng)過電路處理（信號放大和濾波），變換為單片機(jī)可讀的二進(jìn)制信號，同時(shí)也和溫度、濕度成函數(shù)關(guān)系，主控單片機(jī)可通過AD采樣、轉(zhuǎn)換，獲取室內(nèi)溫度、濕度信息，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)溫濕度功能。

（3）室內(nèi)火警監(jiān)測功能：眾所周知，火災(zāi)現(xiàn)場必定產(chǎn)生大量的二氧化碳，當(dāng)二氧化碳接觸到MQ-2煙霧傳感器的二氧化錫氣敏探頭時(shí)，會(huì)使得其導(dǎo)電能力迅速增加，從而增大MQ-2煙霧傳感器的輸出信號，主控單片機(jī)可通過監(jiān)測這一輸出信號的突變來獲得火警信息，實(shí)現(xiàn)火警監(jiān)測功能。

（4）遠(yuǎn)程報(bào)警功能：如果室內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)異常現(xiàn)象，如煙霧濃度過高、有陌生人闖入等，系統(tǒng)將通過GMS模塊發(fā)送短信至用戶手機(jī)，告知主人室內(nèi)情況，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)異常現(xiàn)象。

本文研究的智能家居系統(tǒng)是以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控核心，通過傳感器對溫濕度、煙霧濃度、人體等進(jìn)行檢測，然后通過顯示屏顯示各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)由主控模塊、紅外人體檢測模塊、煙霧檢測模塊、溫濕度檢測模塊、數(shù)值顯示模塊、短信模塊等組成，將各項(xiàng)功能有機(jī)地結(jié)合在一起，通過STC12C5A60S2單片機(jī)主控控制各個(gè)模塊（見圖2），為用戶提供安全、方便、智能的家居環(huán)境。

2 智能家居系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

市面上可供選擇的單片機(jī)種類多種多樣，其中，經(jīng)常使用的是宏晶科技STC系列單片機(jī)、意法半導(dǎo)體STM32F系列單片機(jī)等。

STC12C5A60S2單片機(jī)是由宏晶科技生產(chǎn)的新一代51單片機(jī)，具有處理速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。STC12C5A60S2單片機(jī)的程序代碼和傳統(tǒng)的8051單片機(jī)程序代碼是完全一致的，可以相互兼容，但是STC12C5A60S2單片機(jī)的運(yùn)行速度是8051單片機(jī)運(yùn)行速度的好幾倍。它的內(nèi)部集成了一個(gè)MAX810專用的電路，主要是用來進(jìn)行復(fù)位的。除此之外，STC12C5A60S2單片機(jī)還具有2路PWM，能夠?qū)崿F(xiàn)8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，比較適用于強(qiáng)干擾場合。

STM32F103C9T6單片機(jī)是32位增強(qiáng)型的單片機(jī)， 具有功能全面、成本低廉、能耗低等特點(diǎn)。對于用戶的各種需求，STM32F103C9T6單片機(jī)都能夠滿足，而且單片機(jī)內(nèi)部架構(gòu)能弱更快地執(zhí)行用戶指令，使單片機(jī)的性能更強(qiáng)。

通過兩種單片機(jī)的對比分析，對于本文所需要的功能需求，兩種單片機(jī)都完全能實(shí)現(xiàn)。但是STM32F103C9T6單片機(jī)的價(jià)格高，而STC12C5A60S2單片機(jī)不僅完全能實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的需求，在價(jià)格方面也更容易讓人接受，在市場也很常見。在開發(fā)的難度上面，STC12C5A60S2單片機(jī)相較于另外一款有顯著優(yōu)勢。綜合考慮之后，選擇STC12C5A60S2單片機(jī)作為本智能家居系統(tǒng)的主控芯片。

本設(shè)計(jì)主要用到STC12C5A60S2單片機(jī)的P1，P2端口，如圖3所示，與外圍的HC-SR501傳感器、DHT11傳感器、 MQ-2傳感器、 SIM900A模塊相連接。

紅外人體檢測電路接口設(shè)計(jì)如圖4a所示，傳感器的1，3引腳分別接地和電源，2引腳與單片機(jī)P1.0相連接，將人體紅外信號采集輸送給單片機(jī)。其工作原理為：人體表皮溫度37 ℃，會(huì)散射出紅外線，當(dāng)傳感器紅外線感知探頭接收到人體散射出的紅外線時(shí)，將會(huì)檢測到有陌生人傳入的信息，通過和單片機(jī)P1.0引腳相連接的導(dǎo)線傳輸給單片機(jī)。

室內(nèi)溫濕度檢測電路接口設(shè)計(jì)如圖4b所示，傳感器的1，4引腳分別接電源和地面，2引腳為DATA串行數(shù)據(jù)單總線口，與單片機(jī)的P1.1引腳相連接，3引腳懸空。將室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，其工作原理為首先通過傳感器探頭將室內(nèi)溫度、濕度非電信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號，然后將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，通過單總線傳輸?shù)姆绞?，將溫濕度?shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。

煙霧檢測電路接口如圖4c所示，傳感器的第3，4引腳分別接地和電源，1引腳為Dout口，數(shù)字量輸出，單煙霧濃度超過設(shè)定濃度，輸出高電平，反之輸出低電平，接單片機(jī)P1.5口；2引腳為Aout口，輸出和煙霧濃度成函數(shù)關(guān)系式的模擬電壓亮，接單片機(jī)P1.4口，采用單片機(jī)引腳復(fù)用AD采樣功能來讀取模擬電壓值。

GSM通信模塊的電路接口設(shè)計(jì)如圖5所示，1號引腳接地，4號引腳接電源，2，3接口是5 V/3.3 V TTL電平引腳，與單片機(jī)的P1.2，P1.3引腳相連，建立數(shù)據(jù)連接通道，當(dāng)有異常反應(yīng)時(shí)，接收單片機(jī)傳遞的數(shù)據(jù)信號，進(jìn)行報(bào)警處理，發(fā)送報(bào)警短信。

選擇0.96寸12864 OLED液晶顯示屏作為顯示模塊，如圖6所示，1，2號引腳分別接GND和VCC；3號引腳為D0口時(shí)鐘信號；4號引腳為D1口接收數(shù)據(jù)信息；5號引腳為RES負(fù)責(zé)復(fù)位功能；6號引腳為DC，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的選擇；7號引腳為CS，用來進(jìn)行片段選擇。顯示屏通過引腳與單片機(jī)的部分P2相連接，接受經(jīng)過單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信號，把溫濕度示值展現(xiàn)在OLED 屏幕上。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序的主要功能是負(fù)責(zé)讓主控中心接受來自各數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)，即溫濕度、煙霧濃度、紅外感應(yīng)等。程序運(yùn)行時(shí)，通過主控中心分析判斷，將采集的溫濕度數(shù)值送到顯示屏進(jìn)行顯示，判斷煙霧濃度，通過GSM通信模塊發(fā)送報(bào)警短信，當(dāng)有人非法闖入時(shí)，主控中心控制發(fā)出聲光報(bào)警以及GSM通信模塊發(fā)送報(bào)警短信，整個(gè)智能家居系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

對于數(shù)據(jù)采集部分，共有3個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，HC-SR501人體紅外傳感器通過T2口與單片機(jī)P1.0引腳相連接，建立數(shù)據(jù)傳輸通道。每當(dāng)采樣周期到來，單片機(jī)讀取P1.0口的電平（高電平為有人進(jìn)入，低電平為無人進(jìn)入）。

DHT11溫濕度傳感器通過雙向單總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先，單片機(jī)發(fā)送一次開始信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40 bit的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit數(shù)據(jù)校驗(yàn)和。單片機(jī)接收DHT11發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，首先通過檢驗(yàn)和判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，若無錯(cuò)誤，則按照幀格式內(nèi)容讀取出本次測量的溫度值和濕度值。

MQ-2煙霧傳感器與單片機(jī)的P1.5，P1.4引腳相連接。P1.5引腳接收傳感器的開關(guān)信號，每當(dāng)采樣周期到來，單片機(jī)去讀取P1.5口的電平（有火災(zāi)輸出高電平，無火災(zāi)輸出低電平）；P1.4引腳為模擬電壓信號，單片機(jī)采用內(nèi)部集成AD采集電路去讀取模擬電壓信號，然后通過煙霧濃度-電壓函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出當(dāng)前煙霧濃度。

GSM通信模塊工作流程：首先，設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入PDU模式和設(shè)置接收短信的用戶手機(jī)號，然后是接收主控單元決策出需要發(fā)送給用戶的消息，最后是將消息準(zhǔn)確無誤地發(fā)送給用戶。

0.96OLED屏幕與51單片機(jī)采用SPI通訊方式，其程序控制流程為：首先初始化OLED設(shè)置（包括OLED清屏、初始化顯示指針、對比度等），然后是查詢要顯示的字符串的編碼值（英文字符查詢ASCII碼，中文字符查詢HZK碼），最后將字符串的編碼依次顯示在屏幕上，包括溫度值、濕度值、煙霧濃度值，是否需要報(bào)警等。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)，具有監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、火警、陌生人闖入等功能，完成了智能家居的基本任務(wù)，同時(shí)該設(shè)計(jì)擁有成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定、安全高效等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

［1］陶瑤瑤，許靖雯，呂紅.我國智能家居存在的問題與對策［J］.北方經(jīng)貿(mào)，2019（4）：58-60.

［2］盧希.智能家居互聯(lián)互通大勢所趨［J］.中國建設(shè)信息化，2019（7）：41.

［3］黨鵬，馬菁.物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（4）：120.

（編輯 何 琳編輯）

Design of AI home system based on MCU

Huang Bin1， Zhang Li²

（1.Tsinghua Yuan Architecture and Planning Design Research Co.， Ltd.， Shenzhen 518054， China;

2.Sichuan Technology Transfer Center， Chengdu 610095， China）

Abstract： With the continuous development of science and technology， people’s demand for daily life is also increasing. In this context， the smart home system developed rapidly， its purpose is to provide people with a comfortable and convenient way of life. Smart home system is mainly used in home design， the main role is to monitor the home environment， including temperature and humidity， smoke， and illegal break-in and so on. It can meet people’s ever-increasing living needs. The functions of the smart home system designed in this paper include the detection of the home environment， alarm communication， etc. The smart home system uses STC12C5A60S2 MCU as the main control module， uses temperature and humidity sensor， smoke sensor， human body infrared sensor to detect the home environment， and displays the temperature and humidity digital through the LED display screen. The alarm of smoke and illegal intrusion is realized through GSM module communication， and the user can know the home situation through SMS. The highlight of this design is to combine the home environment with the communication module to realize the remote monitoring of home security.Key words： AI home; MCU; sensor; communication module