【基于android系統智能家居遠程控制系統設計8300字（論文）】

VII基于android系統智能家居遠程控制系統設計1緒論1.1選題背景我的畢業設計題目基于android系統智能家居遠程控制系統設計，在整個畢業設計過程中，我將在老師的指導下，嚴格按照設計規范，設計任務書，認真仔細并獨立地完成此設計，合理運用專業知識并解決與之相關的問題。在智能家居當中也同樣體現了物聯網的發展，受到物聯網的影響，燈光、空調等家庭當中的各種設備被逐漸連接在一起，家庭設備成為統一的整體，與以前老的智能家居比較來說。傳統的智能家居，由于采用的標準各不相同，因此形成了一種無法阻止的狀態，家庭成員在對這些家居進行整合時，往往需要對大量的時間成本、金錢成本進行花費，而物聯網則能夠通過無線網絡將這些傳統智能家居整合起來，方便家庭成員更加方便、快捷的對其進行管理，這樣的技術不僅大幅度的提高了人們的生活品質，也成為了當今時代的重要需求，物聯網家居能夠幫助家庭成員對家庭情況進行遠程控制，從而更好的享受生活。1.2國內外研究現狀1.2.1國外研究現狀伴隨著我國工業技術和經濟的不斷發展和提高，不斷改善我們目前的經濟和生活的現狀，通過國家不斷加大對科技領域的投資，使得我國工業技術在世界領域具有嶄新的面目。科技和經濟的發展，增強了人們的安防意識，同時帶動了安防業發展已從無到有，得到了快速的發展。早前，由于我國經濟和社會發展的落后，導致對技術的投資較少，加大了跟發達國家科技的差距，防火防盜報警系統是從國外引進的先進技術，從學習和借鑒國外安防報警相關的技術，才有了防火防盜報警系統的起步和發展。在國外發達國家，安全防報，警體系不管是產品的質量，售后的保障，管理的水平，還是技術水平都已非常成熟。發達國家保障和安全已經成為一個普遍的現象，它將安防、消防、醫療信息系統集成在一起。在產業的第二次工業革命期間開始逐步形成，首先是在美國、英國等發達國家形成，像CHUBO，VICON，視頻圖像采集技術，人體識別技術，計算機控制技術和網絡技術的應用，使安防行業一直快速發展。現代安防監控系統己有了新的概念,通常稱為安全自動化,并與防火自動化系統共同構成智能建筑系統最底層的系統。目前國外發達國家己逐漸形成一個集安防、消防、醫療救護為一體的安全保障行業。安全技術防范行業真正形成行業規模是在第二次產業革命中即1950年一1971年,首先在美國、英國等國家形成,60年代視頻圖像技術圖、70年代計算機數字技術。80年代生物識別技術以及90年代國際互聯網技術的應用,使安防行業得到快速發展。西門子樓宇科技公司針對社區住宅及分散型小型建筑安全防范的實際情況,充分結合社區住戶本身,最新推出一了GuartoEasy新型安全防范系統〔劉。西門子樓宇科技公司的最新產品GuartoEasy將視頻監控、音頻對講監聽、防盜報警(有線或無線連接方式)火災探測、危險氣體探測等多種警告方式(聲光,無線,`撥號)結合起來,對社區住宅及分散型小型建筑進行全方位的安全防范。GuartoEasy采用總線式結構,符合安防系統的暴露線路最短的原則。通過適配器可以接入各種信號(電壓,觸點等),可以連接防盜探測器,震動探測器,氣體探測器,火災探測器,緊急按鈕,門禁觸點等各種探測器,能夠適應各種情況。1.2.2國內研究狀況家庭安防報警系統的發展是從90年代開始，經過近20年的發展，開發和研究的安防報警產品主要面向的對象大多都是企業用戶。究其原因，有以下幾個因素：價格高，質量問題，售后服務差，造成用戶縮小。目前國內安防報警系統安裝費用大概2000左右，但每月200元以上的服務費。此外，產品和設備的使用效果，而且沒有足夠的售后服務保障。售后服務的滯后和防火防盜報警系統維護不到位。由于缺乏大型廠家和銷售單位緊密合作，日常檢測系統，維修難做到位，引發用戶的擔憂。與國外發達國家相比，我國的安全報警系統相對落后。在歐美發達國家，防火防盜報警系統的普及率約70%左右，我國的安防報警體系普及率還不到20%。另外，最近幾年新出的安防報警產品相對成本比較高，多數家庭仍然使用防盜門、防盜窗，對于實現安防，雖然發揮了一定的作用，但在緊急情況下，很難逃脫。同時需要提升安防報警系統的技術。在我國,小區安全防范報警系統己成為智能小區中實現安全管理的重要系統,根據我國建設部的規定,主要包括電視監控、防盜報警、求救求助、煤氣泄漏報警、消防報警等內容。該系統是一種比較完善的安全防范系統,通過在可視對講的基礎上,不斷擴展主機功能,增設室內分機用于接收室內各探測器的報警信號。我國智能住宅安防系統相對國外來講,是有較大差距的。現在一般居民住宅的主要防盜措施僅限于防盜窗、防盜門,雖有一定的防盜作用,在災害發生的情況下,使逃生更加困難。另外,小區安全措施不足;居民安全意識有待增強;安全防范系統也急需普及。在我國,以北京、深圳、上海、廣州等較發達的城市為龍頭在近幾年內也形成了一股智能化住宅熱。目前,公安部、建設部均要求智能住宅小區必須具有安防系統。大連市華樂一環海花園全部住宅均設計有國內一流的家居安防系統。家居安防系統包括四部分功能:幕簾式電子柵窗、智能門禁管理、緊急呼救和誤報自解除功能。該系統采用獨立的不間斷電源供電。當住戶家居安防系統斷電時,自檢系統會自動向保安中心報警。保安中心計算機還會始終記錄每一戶住宅的家居安防系統是否處于設防狀態。室內裝有震動報警頭(可以檢測破壞門時的震動)、紅外微波雙鑒式報警頭(可以檢測室內是否有人)及報警控制器。報警控制器以MCU為核心,可以檢測兩個報警頭輸入信號,可以設置新密碼,可以接收遙控器輸入信號,可以實現聲、光報警或把報警信號通過電話線送到信號。1.3研究內容本論文是以STM32F10ZET6單片機和GSM短消息模塊為核心的住宅智能防火防盜報警系統，前段傳感器模塊實時檢測住宅環境狀況，如發生異常，能及時準確的報警，該系統是前段傳感器模塊采集數據，經微處理器處理，進行聲光報警并通過GSM短消息發送到用戶手機進行報警，本課題包括以下幾個方面的研究：（1）傳感器模塊的設計，首先，防火和防盜傳感器進行選擇。其次，傳感器硬件電路的設計。最后，傳感器輸出信號進行相應的處理。（2）GSM短信模塊的選擇和應用，選擇一種合適的GSM短信模塊，以短信模塊和單片機作為系統的控制核心，如果家中發生緊急火情情況，將警情的類型和傳感器的編號發送到用戶手機。（3）系統硬件設計，主要是STM32F103ZET6單片機外圍電路的設計，比如，無線收發模塊電路、時鐘模塊電路的設計等。（4）軟件設計，編寫硬件系統需要實現功能相應的代碼，STM32F103ZET6單片機C語言進行軟件設計，其具有可讀性和可移植性強的特點。（5）進行仿真測試與分析，對系統功能的檢驗，報警系統運行過程進行仿真。2.系統總體設計在防火防盜系統中，傳感器能夠不斷地采集住宅環境狀況和非法入侵的警情信號，STM32F103單片機對數據進行分析和判斷，是防火防盜報警系統的基礎。報警系統能夠及時的發現房屋的入侵者和火災信號，通過GSM發送到用戶手機，在這個過程所用的時間越短，系統的實時性越能得到很好的體現。安全性,穩定性是防火防盜報警系統，整個報警系統必須可靠而穩定的工作，不能出現硬件或者軟件故障。報警系統能夠準確的判斷有效信號和非有效信號，當有非有效信號的干擾產生時，系統能夠保證正常工作。系統自身的安全保障，即要求在設備被入侵者破壞之前，系統已經能夠成功的對外發出警報信號。實用性,住宅防火防盜報警系統是日常生活中比較常用的安防報警系統，不僅具備良好的性能，優質的質量，也必須滿足普通人群的使用。與此同時，要求系統的成本低，操作方便快捷。2.1系統的總體構成系統是基于STM32F103ZET6單片機和GSM短消息智能防火防盜報警系統。包括以下幾個設計模塊：（1）微控制器(CPU)微控制器（STM32F103ZET6）是整個系統的核心，它將處理整個系統的輸入與輸出信號，對各個子模塊進行控制，短消息的發送和接受任務等。（2）電源模塊電源模塊為報警系統提供基本工作電壓，確保供電的穩定性，提供+5.0V和+3.3V的電源，來滿足實現報警系統功能的要求。（3）GSM模塊GSM短信息模塊數據傳輸功能，利用外界傳輸的媒介GSM網絡。本論文主要是利用它進行數據的傳輸，來實現短消息報警。（4）傳感器模塊傳感器模塊主要用來采集住宅報警信號，主要包括SHT10溫度傳感器，MQ-2煙霧濃度傳感器.（5）無線傳輸模塊為了解決布線的困難、成本以及影響住宅美觀的問題，本論文采用無線傳輸的方式來實現數據的傳輸，采用PT2262和PT2272作為本系統的無線傳輸模塊。（6）聲光報警模塊用STM32F103ZET6單片機的定時器去生成各種不同音律。通過單片機的引腳輸出的電平變化來控制蜂鳴器的導通與否，當有報警信息產生時，蜂鳴器發聲和指示燈閃光。（7）模數轉換模塊模擬和數字轉換系統將采集到的警情模擬信號轉換成數字信號，將轉換后的數字信號發送給主控制器STM32F103ZET6單片機。（8）控制模塊燈光照明的控制是用一個固態繼電器來控制燈光開關的，利用手機發短信遠程向單片機發送控制命令，來控制繼電器開關，來實現燈光的定時控制。、2.2系統的功能防火防盜報警系統是由STM32F103ZET6單片機、用戶手機、GSM、室內終端設備組成。本論文研究的運行可靠、操作簡單的防火防盜報警系統，主要具備防火和防盜這兩種功能，即火災報警和非法闖入報警這兩種報警信息。STM32F103ZET6單片機是本系統的核心，一旦出現事故，前端數據采集模塊（溫濕度傳感器，煙霧濃度傳感器等一般安裝到臥室、廚房的門窗等位置）能夠快速、準確地檢測到報警信號（所設定的值），警情采集單元又將檢測到的報警信號經編碼、解碼之后向單片機發出中斷請求（用戶端自動報警器最好安裝到相對比較隱蔽且用戶熟悉的位置），單片機響應中斷并接受報警信號，對報警信號進行處理并判斷是盜情還是警情，驅動聲光報警模塊進行報警，并用12864液晶顯示報警類別、傳感器的名稱和編號，之后將發生報警的傳感器編號通過GSM模塊發送短消息到用戶手機。用戶手機可以發送短消息向單片機發送控制命令，通過主控單片機，可以對各個子模塊進行控制，系統整體結構框圖如圖2-1所示。圖2-1系統整體構成框圖2.3本章小結本章主要介紹的應用軟件的開發平臺，首先是通過對當下流行的智能手機系統進行對比，得出了安卓系統在智能手機應用中的優勢，其極大的保有量以及開放的軟件開發環境使得智能家居系統更容易為大眾所接受。接著對安卓系統做了介紹，主要是突出其構架，對各組成部分的功能做了詳細的介紹，對其工作流程做了了解，其實是對安卓系統中的應用技術做了逐一分析，這些技術的成熟是支撐整個安卓系統平穩運行的保證，最后對安卓的存儲技術做了分類，指出其適應整個系統的條件，還對智能家居系統中所用到的數據庫技術做了簡單的介紹。3傳感器電路的設計傳感器處在防火防盜報警系統的最前端，主要的任務是完成現場數據的采集，本論文傳感器電路的設計包括防盜傳感器電路和防火傳感器電路，主要任務是對住宅現場警情信號（防火信號和防盜信號）的采集。3.1傳感器應用電路的要求傳感器應用電路都是組成外圍電路部分，在設計上要滿足信號處理與控制電路對信號的要求，根據信號的輸出特性，需滿足以下幾點要求：（1）為了減少電阻及電容傳輸線的影響，須考慮與傳感器及電路的阻抗匹配的問題，需要加一級電壓跟隨器。（2）后續電路及整個系統的精度、動態性能要求放大器的放大倍數及輸出電壓動態范圍要合適。（3）該電路的動態性能及整個系統的精度，放大器的放大和輸出電壓的動態范圍要滿足條件。（4）傳感器要滿足使用環境的條件，必要時加溫度補償及抗干擾措施。（5）整個系統與傳感器信號調整電路的結構、尺寸、電源電壓、功耗及成本應相協調，使產品的性價比更高。3.2防火傳感器模塊設計防火傳感器模塊的作用是住宅發生火災時，防火傳感器模塊探測到警情信號，STM32F103ZET6主控單片機接受并處理警情信號，再通過GSM模塊以短消息方式將傳感器編號和警情信號的類型發送到用戶手機，用戶針對不同的警情信號類型和報警傳感器的編號采取相應的措施。3.3煙霧傳感器模塊設計煙霧傳感器探測模塊采用是MQ-2型煙霧傳感器。當MQ-2煙霧傳感器與可燃性氣體接觸時，MQ-2煙霧傳感器將可燃性氣體在空氣中的含量轉化成電壓或者電流信號，再通過A/D轉換將模擬信號轉換成數字信號后送到STM32F103ZET6單片機，最后由STM32F103ZET6單片機完成信號的處理及報警控制和報警信號發送等工作，有效的實現對火災危險情況的檢測，如表3-1是MQ-2型煙霧傳感器的特性及主要技術指標。表3-1MQ-2型煙霧傳感器的特性及主要技術指標3.4電路工作原理MQ-2型煙霧傳感器模塊硬件電路原理，當MQ-2型煙霧傳感器處在有可燃氣體的環境中時，MQ-2傳感器的電導率伴隨著空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。運用相關的電路可將MQ-2傳感器的電導率變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，硬件電路圖如圖3-1所示。圖3-1MQ-2硬件電路圖MQ-2型煙霧傳感器模塊硬件電路說明，VCC接5V電源正極；Dout為數字信號輸出端，可以直接接STM32F103ZET6單片機I/O口；Aout為模擬信號輸出端，可以接AD轉換模塊輸入口，以便計算氣體具體濃度值；GND接5V電源負極。將MQ-2型煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度值相對應的電壓信號經過放大，將其轉化成較大的電壓信號送入STM32F103ZET6單片機。緊接著在STM32F103ZET6單片機內進行A/D轉換、警情信號處理，將數字化電壓信號轉化成為相對應的十進制濃度值；最后，將實際可燃性氣體濃度送入12864LCD液晶模塊進行可視化顯示，并且判斷濃度值是否超出設定的報警值，當煙霧濃度值低于設定的報警值時，綠燈長亮，當煙霧濃度值超出設定的報警值時，進行聲光報警，MQ-2型傳感器操作流程如圖3-2所示。圖3-2MQ-2傳感器操作流程圖3.5溫濕度傳感器模塊設計通常情況下，對溫度進行測量，需要從溫度測量的范圍、測溫精度、穩定性、使用的便利性、經濟性等方面進行考慮，一般集成溫度傳感器具有很高的線性度、低成本、高精度、小尺寸和高分辨率等優點。對于濕度的測量，測量方法也有很多，目前濕度測量最常用的有兩種，一種是干濕球測試法，另外一種是電子式濕度傳感器測濕法。干濕球測濕法的維護簡單，在實際使用中只需要定期給濕球加水及跟換濕球紗布即可。與電子式濕度傳感器相比，它所具有的特點就是不會產生老化，精度下降等問題，同時采用間接測量方法，通過計算干球、濕球的溫度經過計算得到濕度值，所以溫度沒有嚴格的限制，在高溫環境下不會造成損壞，更適合高溫以及惡劣環境下使用。對于電子式測濕傳感器而言，使用簡單、方便，精度和準確性相對較高，但是對于環境溫度以及條件有要求，因為在高溫以及惡劣環境下容易損壞傳感器，所以，電子式測濕傳感器更適合于住宅環境中使用。通常情況下溫濕度傳感器得到溫濕度的值，是將溫濕度轉換成電壓或電容來進行計算，盡管價格便宜，但是精度和準確度比較低以及電路較復雜，并且需要A/D轉換，才可以將電信號轉換成數字信號。對于數字式溫濕度傳感器，可以直接得到數字量，在使用時，可以直接與單片機引腳進行相連，因此本論文選用的數字式溫濕度傳感器SHT10。TM32F103ZET6通過I/O接口與SHT10進行通信，硬件電路圖如圖3-3所示。圖3-3SHT10硬件電路圖SHT10傳感器軟件設計主要內容是溫度、濕度的讀取、測量和計算，SHT10操作流程如圖3-4所示。3-4SHT10操作流程圖4系統的硬件設計4.1系統整體設計住宅智能防火防盜報警系統主要由以下幾個主要模塊組成：主控模塊采用STM32F103ZET6單片機、GSM短信模塊采用西門子TC35i、電源模塊、時鐘模塊、12864液晶顯示模塊、防火防盜傳感器警情信號采集模塊等，住宅防火防盜報警系統功能圖如圖4-1所示。圖4-1系統功能框圖前段傳感器模塊包括防火和防盜傳感器模塊，防盜傳感器模塊主要由無線門磁傳感器和HCSR501人體熱釋電紅外傳感器組成，主要安裝在門或窗的內側，其主要作用就是檢測有無人體入侵信號和門或窗的狀態。防盜傳感器模塊檢測到的警情信號通過PT2262/PT2272無限傳輸模塊將相應的警情信號和傳感器編號發送給報警主機STM32F103ZET6主控制器。防火傳感器模塊主要由SHT10溫濕度傳感器和MQ-2煙霧濃度傳感器組成，主要是安裝在廚房、臥室里面，其主要作用就是檢測火災信號（燃氣泄漏等），防火傳感器模塊檢測到的火災信號通過PT2262/PT2272無線傳輸模塊將相應的火災信號和傳感器編號發送給報警主機STM32F103ZET6主控制器。報警主機接收、解碼并處理和判斷報警信號的類型，從而確定相對應的傳感器的類型和編號，當判斷有警情信號之后，首先進行聲光報警，同時報警主機將相應的傳感器編號和警情類型，通過GSM短信模塊以短消息的方式發送到預先設置好的用戶手機上，進行短消息報警。4.2電源模塊設計系統會用到幾種不同電壓的來作為系統的工作電源，一是主控單片機需要+3.3V的直流工作電源，二是GSM模塊需要+9V的直流工作電源，三是無線傳輸模塊PT2262/PT2272、傳感器模塊需要+5V的直流工作電源。輸入總的電源使用+9V的開關電源，經電源穩壓芯片轉換成+5V和+3.3V的直流電源。本系統中，STM32F103ZET6單片機主控系統的+3.3V電源由LM2576和L78L33穩壓電源模塊產生，在LM2576的輸入端接上100uF的電容、可以濾掉低頻干擾，得到干凈的電源，無線傳輸模塊PT2262/PT2272和傳感器模塊所需的電源是由LM2576穩壓模塊產生，電源模塊電路如圖4-2所示。圖4-2電源模塊電路圖4.3復位電路設計復位電路主要的功能：上電復位和嵌入式系統運行時按鍵復位。為確保嵌入式系統穩定可靠地工作，在本論文中采用MAX811芯片，它是低功耗、監控主控單片機電壓的專用芯片。它的優點是：能夠手動復位，能夠穩定的輸出有效復位脈沖，復位時只需要直接外接一個復位按鍵即可，硬件電路圖如圖4-3所示。圖4-3復位電路圖4.4無線傳輸模塊設計在傳統的防火防盜報警系統中，基本上采用有線的方式連接探測模塊和報警主機，這種方式可靠性高，但由于受傳輸距離、布線、可變性等多種因素的制約，局限性很強，給系統的安裝帶來很大的困難，而采用無線傳輸模塊在可在保證可靠性的基礎上大大方便系統的安裝。因此，經綜合考慮，本論文采用了一種低成本無線收發模塊。發送模塊采用F05P，J04V作為接收模塊和PT2262/PT2272編解碼芯片構成的硬件電路，實現數據的無線傳輸無線發射模塊采用F05P，無線接收模塊采用J04V，配合編解碼芯片PT2262/PT2272完成警情信號收發模塊電路的設計，在有障礙的情況下，傳輸距離可達20m左右。無線收發模塊主要由以下幾部分組成，發射模塊F05P、接收模塊J04V、編解碼芯片PT2262/PT2272，基本原理如4-4圖所示圖4-4無線傳輸原理圖5系統的軟件設計本論文研究的住宅防火防盜報警系統的軟件設計采用模塊化設計，通常情況下編程語言有很多種，比如C語言，匯編語言等，由于C語言可移植性比較強，再加上本系統涉及到多個模塊，經綜合考慮，本論文軟件設計采用C語言作為編程語言。5.1警情檢測和短消息發送軟件設計當住宅有警情發生時，從MCU(STM32F103ZET6)檢測到警情信號，當檢測到有警情信號通過PT2262無線模塊進行發送，同時進行聲光報警，PT2272接受到信號后，對信號進行解碼，確定是哪個傳感器發出的報警信號，并進行聲光報警，發送給主MCU(STM32F103ZET6)，同時通過GSM模塊發送給用戶手機，流程圖如圖5-1所示。圖5-1無線傳輸流程圖5.2GSM模塊軟件設計AT命令是指GSM模塊和外部MCU通過串口協議互相通信的一套命令集。MCU可以通過串行接口直接向GSM模塊下發AT命令，完成電話撥號、短信收發以及各種參數與功能的設置、實現命令控制和數據傳輸的功能。5.3控制模塊軟件設計控制設備上電后，首先對系統進行初始化,包括串口的初始化、GSM模塊的初始化和無線數據收發模塊PT2262/PT2272的初始化。然后由主MCU監測GSM模塊是否接收到新短信，當有新消息送來，系統通過AT命令將短信內容傳送到主MCU；主MCU確認接收到的信息是控制命令后，將其轉換為控制信號并通過無線發射模塊PT2262發送出去