基于单片机的智能家居控制系统的研究与设计.doc

本科毕业设计（论文）

基于单片机的智能家居控制系统的研究与设计

学 院：
专 业：
学生 姓名：
学 号：
指导 教师：
答辩 日期： 2015年6月26日

燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院： 系级教学单位：仪
学
号

学生
姓名

专 业
班 级
1
题
目
题目名称
基于单片机的智能家居控制系统的研究与设计
题目性质
1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；
理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。
2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。
题目类型
1.毕业设计（Ö ） 2.论文（ ）
题目来源
科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（Ö ）
主
要
内
容
1. 基于STM8完成智能家居系统的软硬件设计；
2. 温湿度等参数的智能控制算法及远程通信算法；
3. 实验结果论证。
基
本
要
求
1． 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份（不少于2.4万字），A0图纸。说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。

参
考
资
料
1．相关学术期刊

周 次
1—4周
5—8周
9—11周
12—15周
16—17周
应
完
成
的
内
容
查阅相关文献资料
分析确定设计方案，进行系统结构设计
系统软件系统设计
系统软件调试与实验
制作PPT，画图、准备答辩
指导教师：
职称： 2015年1 月3日
系级教学单位审批：
年 月 日

摘要
摘要
智能家居逐渐成为国内外关注的重点领域，其方便性，智能性和安全可靠性对于人们未来的生活尤为重要。进行智能家居系统的开发和应用，实现家居的智能化，人性化已经成为一个未来科技发展的方向。
课题采用STM8S105S4C6单片机作为主控制芯片，利用温湿度传感器DHT11，烟雾传感器MQ-2等一系列传感器来采集室内环境因素的各种数据，并将各项数据显示在TM1638数码管上，经单片机分析处理后，输出控制数据信号到继电器驱动空调机、加湿器、排风扇等负载，来调节室内的环境参数，达到智能控制目的。在此基础上，采用了TC35通信模块，通过插入SIM卡，将室内的环境具体数据实时发送到用户手机上,实现智能家居的远程监控。
本文从硬件系统组成与软件流程两方面完成了基于单片机的智能家居系统进行了研究和设计。系统具有实时性、便捷性和可靠性等特点，业主能够远程监测室内的环境情况和安全情况，保证了室内环境参数的智能调节与人身财产安全。

关键词　STM8单片机 温湿度传感器 TC35通信模块
I

Abstract
Smart home has gradually become the focus of domestic and international attention. Its convenience, intelligence and security reliability for people's future life is particularly important. The development and application of the smart home system, realize the home intelligent and human nature has become a future technology development direction.
In order to achieve better intelligent home control system design based on MCU. This subject uses MCU STM8S105S4C6 as the main control chip, using temperature and humidity sensor DHT11, smoke sensor MQ-2 and a series of sensors to collect data from a variety of indoor environmental factors and the data display in TM1638 digital tube. After the analysis of the single chip microcomputer, the system output control data signal to a relay to drive air conditioning machine, humidifier, row fan load, to adjust the parameters of the indoor environment, then achieving the intelligent control objective. On the basis of this, the TC35 communication module is adopted, and the indoor environment can be transmitted to the owner's mobile phone by inserting the SIM card, which can realize the remote monitoring of smart home.
This subject studies and designs the smart home system based on single chip microcomputer from two aspects of hardware system and software process. System has the advantage of real-time, convenience and reliability. The owners can remote monitoring of indoor environment and safety, to ensure that the indoor environment parameters of the intelligent adjustment and personal and property safety.
Keywords　STM8 temperature and humidity sensor TC35
I

目 录

摘要 I
Abstract... II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景................................................................................................1
1.2 选题的意义............................................................................................3
1.3 论文的主要研究内容............................................................................4
第2章 智能家居分析及系统设计 5
2.1 智能家居分析........................................................................................5
2.2 智能家居系统的总体设计方案............................................................6
2.2.1 系统设计要求.................................................................................7
2.2.2系统整体结构..................................................................................8
2.3 本章小结................................................................................................8
第3章 智能家居的硬件系统设计 10
3.1 传感器的选择 10
3.1.1 温湿度传感器...............................................................................10
3.1.2 烟雾传感器...................................................................................12
3.1.3 甲醛传感器...................................................................................16
3.1.4 防盗模块.......................................................................................20
3.2 单片机的选择......................................................................................22
3.3 数据采集部分......................................................................................24
3.4 显示电路设计......................................................................................24
3.4.1 TM1638数码管.............................................................................24
3.4.2 蓝屏LCD12864显示模块...........................................................28
3.5 通信模块设计......................................................................................30
3.6 本章小结..............................................................................................34
第4章 智能家居的软件系统设计...................................................................35
4.1 主程序部分..........................................................................................35

III

4.2 数据采集部分......................................................................................35
4.2.1 DHT11传感器模块.......................................................................35
4.2.2 MQ-2和MS1100传感器模块.....................................................38
4.3 LCD12864显示部分............................................................................38
4.4 系统实验..............................................................................................43
4.5 本章小结..............................................................................................45
结论.... 46
参考文献 47
致谢 49
附录1 开题报告
附录2 文献综述
附录3 中期报告
附录4 外文译文
附录5 外文原文

I

第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
伴随着1984年世界上第一幢智能的建筑在美国问世以后，位于亚洲和欧美的经济发达国家都先后提出了智能家居的方案。智能家居在美国、日本、德国、韩国这些发达国家都得到了广泛的应用，为世界范围内智能家居的产业标准的制定和业务模型的探索都起到了至关重要的作用[1]。自从1998年微软提出“维纳斯计划”之后，智能家居的相关行业都在积极主动地推动这个产业的发展。但是从严格的意义上来讲，目前智能家居仍处于初级阶段。面对智能家居的巨大市场，LG、思科、微软、苹果、谷歌、英特尔、IBM、爱立信等国际公司都积极加入到这个领域中，积极研发智能家居系统[2]。如果说蒸汽机的发明掀开了人类历史迈向工业的新篇章，那么无线通信网络技术的出现无疑将信息化深深地烙印在了人类文明的璀璨史卷上。而电子信息技术、控制技术的日益提升，社会信息网络化的逐步加快，不断促使人们的生活、工作、学习以及通讯交流的关系变得日渐紧密[3]。信息化社会在逐渐改变人们生活习惯和工作方式的同时，也随之对人们的传统住宅提出了新的挑战。当环视四周，人们很容易发现，人们对家居早已不再只是简单的物质空间的要求，而更为关注的是一个高度安全、舒适以及美观方便的室内居住环境，先进的通讯设施，完备高效的信息网络终端，自动、智能的家电设备，网络化的资源管理及购物方式等等。现今社会人们日益膨胀的需求必然使得家居智能化成为一种趋势[4]。
大约在2000年左右智能家居的概念才逐渐引入到中国，可以说国内企业对智能家居系统的研究起步相对较晚，，随后不断有公司加入到智能家居的开发和应用行业中来[5]。到现在国内智能家居行业己经形成了一定规模的市场，尤其在2003年到2010年有不少中国自主研发的智能家居产品应用于市场，不断推动着国内智能家居市场的发展。
智能家居在国内的发展状况：我国将住宅小区智能化定义为：利用4C（即自控、计算机、通讯与网络、IC卡）技术，借助有效的网络传输，将多元化信息管理与服务、物业维护与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小
区的管理服务与安全防范提供高技术的智能化手段，从而实现便捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的居住环境放。
以家为平台，兼备住宅建筑、自动化，智能化于 一体的高效、舒适、安全、便捷的家居环境就是人们所期待的智能家居[6]。住宅的智能化技术起源于美国，其中最具代表性的就是X-10技术，在网络系统中的各个设备都可以通过X-10网络通信协议实现资源的共享。因为其布线相对简单、功能灵活，扩展容易从而被人们广泛的接受和应用，仅在美国一个国家，就已经有超过600万个家庭在使用，至今X-10技术的产品已销售超过两亿个，所以说自动化的智能家居不再只是一幢被动的建筑，相反，使家庭更为安全、节能、 高效和舒适，成了帮助其主人最大化利用时间的工具[7]。智能家居是现今社会中最热门的话题之一，它的目的是通过网络等信息通信技术手段实现对室内家用电器等的智能调控，使其能够按照人们设定的工作运行，而不论距离的远近。智能家居的两大特点就是智能化与远程控制。目前，已经有越来越多的科研机构和个人开始对智能家居进行分析研究，网络化的智能家居系统随着网络通讯技术的不断发展，特别是无线网络的发展，可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、室内外遥控、照明控制、防盗报警、窗帘自控、电话远程控制、可编程的定时调控及计算机调控等多种功能和手段，使人们的生活更加舒适、便利、安全和高效。
物联网是在计算机互联网的基础上通过利用RFID、无线数据通信等技术，构造的一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Thing”[8]。在无需人的干预的情况下，物品(商品)之间在这个网络中能够彼此进行“交流”。其实质是利用射频自动识别(RFID)的技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联和共享[9]。物联网概念的出现，打破了之前的传统思维。人们过去的思路一直是将物理基础设施与IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物，另一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。而在物联网时代，电缆将与芯片、钢筋混凝土、宽带将整合为统一的基础设施，在此意义上，硬件基础设施更像是一块新的地球[10]。所以也有不少业内人士认为物联网与智能电网均是智慧地球的有机构成部分。物联网已经慢慢把人们的生活拟人化了，万物成了人的同类。各式各样的物品（商品）在这个物物相联的世界中可以彼此“交流”，而无需人们的干预[11]。可以说，这是一个智能化的世界。智能家居是物联网最生活化的应用之一：空调更“听话”了，天热的话它会把温度调低，太潮就会自动抽湿；室内窗帘也可以自动感知光线而开启或关闭；电灯也知道节能了，房间里没人的话会自动关闭。如此等等，不一而足。所以物联网的应用已经很广泛，遍及工业监测、智能交通、平安家居、公共安全、环境保护、智能消防、环境监测等领域。物联网繁多的应用造就了一个庞大的产业链，从互联网、电脑、手机、天线等IT通讯领域，到传感器、芯片、智能识别卡、红外线产品等工业领域，再到冰箱、电视机、空调等制造领域，环环相扣，商机巨大[12]。美国的独立市场权威研究机构FORESTER预测，到2020年全球“物物互联业务”(即物联网业务)，与“人与人通信”业务(即互联网业务)之比将达到30∶1。业内人士预计，中国的物联网整体产业在2015年有望超过一万亿元的规模，而2050年传感器在人们的生活中将无处不在[13]。当物联网技术发展到一定阶段，所以可以想象，室内的电器就可以通过传感器来传达电器的信号从而和外网连接起来。厂家在工厂内就可以了解你家中电器的使用情况，也许在人们了解之前就已经知道家中电器的故障。某一天突然有维修工人上门告诉家中的空调有问题，人们可能还惊异地不相信[14]。
1.2 选题的意义
智能家居控制系统的主要功能包括室内设备的自动控制、家庭的安全防范两个方面。其中室内设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过手机或Internet)的监测、控制及数据的采集。(1)家用电器的监视和控制，按照主人预先所设定程序要求对热水器、空气加湿器、视像音响、空调等家用电器进行监视和控制。(2) 燃气表、热能表、水表、电表数据的采集、计量和传送。而且可以根据小区物业管理的要求设置数据采集程序，通过传感器对热能表、水表、燃气表、电表的使用量进行自动数据采集、计量，然后将所得结果远程传送给小区管理物业的管理系统。(3)空调机的监视、
控制和调节，按照预先所设定的程序，根据时间、湿度、温度等相关参数对空调机进行调节、监视和控制。(4)照明设备的监视、调节和控制按照预先所设定的时间程序，分别对各个房间的照明设备开、关进行控制，并可以根据自然条件自动调节各个房间的照明度。(5)窗帘的控制，按照预先所设定的时间程序，对窗帘的开启和关闭进行控制。
1.3 论文的主要研究内容
本次设计以STM8芯片为控制核心，温湿度传感器DHT11，空气质量烟雾传感器WQ-2为环境信息采集源，以无线通信模块GSM控制为辅助，通过对室内环境检测进行实时监测，必要时进行报警，也可通过GSM进行与无线智能设备进行连接，实现实时的远程监控和远程控制室内家电如空调，电扇，排风扇，空气加湿器，净化器等电器的启动和关闭达到最佳的室内环境状态。
47

第2章 智能家居分析及系统设计
第2章 智能家居分析及系统设计
2.1 智能家居分析
智能家居主要的环境因素是温湿度情况，烟雾情况，甲醛情况与防盗情况，智能家居需要随时对室内的环境因素进行调整，使环境情况达到标准值或者主人预设的范围，并且智能家居能实时地将室内情况远程发送到用户手中，达到远程监测的目的。所以本文将从环境因素，智能调控，远程监测三个方面对智能家居进行分析。
人一生中三分之二时间在室内度过；现代人生活和工作在室内环境中的时间已达到全天的80%～90%，因此室内环境质量的好坏会直接影响人们的身体健康[15]。有研究显示，室内并不是安全的场所，有时反而室内污染更加严重。室内空气质量的重要性不言而喻。一个人每天需要1公斤食品2公斤饮水，但所需空气则为10公斤，室内空气质量对人的健康保障、工作学习效率和舒适感受尤为重要[16]。而对于室内环境主要的影响因素有温湿度，烟雾情况，甲醛的含量。（1）温湿度：对人体健康影响最大的就是温度和湿度。当室内的温度过高时，人体的体温调节功能会受到直接影响，进而人体会由于散热不良引起脉搏加速、体温升高，血管扩张，甚至会出现头昏等症状；温度过低时，又会使人体代谢的功能下降，脉搏和呼吸都会减弱，皮肤过紧，皮下的血管收缩，进而导致呼吸道抵抗力下降。尽管人体对外界的温度变化有一定的适应能力，机体可以借助体温调节保持平衡，但这种调节是有一定限度的[17]。一旦超出这个限度，身体就开始受到损伤。对于湿度，夏天室内的湿度大时，人体的蒸发散热会受到很强的抑制，使人感到不适；而冬天要是湿度过大，会加速热传导而使人觉得寒冷。室内湿度过低时，因呼吸道黏膜的水分大量散失而感到口干舌燥，这时极易引发感冒。所以室内的湿度也要一个人体适应的范围。（2）烟雾：室内烟雾可以分为可燃物燃烧烟雾，香烟烟雾