基于ATMEL AVR單片機的居家安全衛(wèi)士系統(tǒng)實現(xiàn)，附軟硬件架構

1.設計方案目標：

智能居家安全衛(wèi)士系統(tǒng)是利用先進的計算機技術、綜合布線技術、依照人體工程學原理，融合個性需求，將與家居生活有關的各個子系統(tǒng)有機地結合在一起，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。高性能ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產品是基于設計出一款高處理性能和低功耗功能的內核而開發(fā)的產品。此系列繼承ATMEL家族優(yōu)良基礎?；贏TMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產品為控制芯片的居家安全衛(wèi)士（MI—home），以“方便、舒適、享受、超前、舒心”為主題，我們設計了以下幾個模塊：“非接觸式IC刷卡門禁模塊”、“防盜防火報警模塊”、“安全控電模塊”、“空氣質量檢測模塊”、“溫濕度檢測模塊”、“GSM無線通信模塊”、“時間控制模塊”、“可擴展模塊”。整個系統(tǒng)基本上能解決日常生活中的問題，解決家庭隱患，每個系統(tǒng)又有著細節(jié)處的功能。

各個模塊的設計：

非接觸式IC刷卡門禁模塊

家庭的入戶門采用非接觸式IC卡，因為非接觸式IC卡具有唯一的密碼，用于密鑰比較安全；非接觸式IC卡又稱射頻卡，由IC芯片、感應天線組成，封裝在一個標準的PVC卡片內，芯片及天線無任何外露部分,是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術。它成功的將射頻識別技術和IC卡技術結合起來,結束了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題,是電子器件領域的一大突破.卡片在一定距離范圍(通常為5—10mm)靠近讀寫器表面，通過無線電波的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。非接觸式IC卡的組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的L/C產生諧振，產生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結合數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲等，并返回給讀寫器。由非接觸式IC卡所形成的讀寫系統(tǒng)，無論是硬件結構，還是操作過程都得到了很大的簡化，同時借助于先進的管理軟件，可脫機的操作方式，都使數(shù)據(jù)讀寫過程更為簡單。

非接觸式IC卡可靠性高，與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產生的各種故障。由于非接觸通訊，讀寫器在10CM范圍內就可以對卡片操作，所以不必插撥卡，非常方便用戶使用。非接觸式卡使用時沒有方向性，卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面，既可完成操作，這大大提高了每次使用的速度。

非接觸式卡中有快速防沖突機制,能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此，讀寫器可以“同時”處理多張非接觸式IC卡。這提高了應用的并行性，,無形中提高系統(tǒng)工作速度。

非接觸式卡的序列號是唯一的，制造廠家在產品出廠前已將此序列號固化,不可再更改。非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證IC卡的合法性，同時IC卡也驗證讀寫器的合法性。非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外，卡中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。

非接觸式卡的存儲器結構特點使它一卡多用，能運用于不同系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應用設定不同的密碼和訪問條件。

家庭入戶門鎖采用電磁鎖。電磁鎖利用電生磁的原理，當電流通過矽鋼片時，電磁鎖會產生強大的吸力緊緊的吸住吸附鐵板達到鎖門的效果，只要小小的電流電磁鎖就會產生莫大的磁力。電磁鎖沒有復雜的機械結構以及鎖舌的構造，而且易于自動控制?？刂齐姶沛i電源的門禁系統(tǒng)識別人員正確后即斷電，電磁鎖失去吸力即可開門。

防盜防火報警模塊

防盜防火報警模塊包括紅外熱釋電傳感器、煙霧傳感器和門磁。

人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線，紅外探測器就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經檢測處理后就能產生報警信號。它本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價格低廉。

煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范的，報警器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內外電離室之間的平衡，于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。

門磁是由無線發(fā)射模塊和磁塊兩部份組成，在無線發(fā)射模塊有兩個箭頭處有一個“鋼簧管”的元器件，當磁體與鋼簧管的距離保持在1.5厘米內時，鋼簧管處于斷開狀態(tài)，一旦磁體與鋼簧管分離的距離超過1.5厘米時，鋼簧管就會閉合，造成短路，報警指示燈亮的同時向主機發(fā)射報警信號。

安全控電模塊

該模塊利用繼電器，當業(yè)主離家打開防衛(wèi)模式時，自動將給不必要的電器斷電。以減少小功率電器用電及線路損耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。

空氣質量模塊

利用空氣質量傳感器對有氣味的氣體做一檢測及時反饋給業(yè)主，通知業(yè)主及時開窗通風。

溫濕度檢測模塊

利用DHT數(shù)字溫濕度傳感器將實時溫度濕度傳到主機，反饋給業(yè)主。

GSM無線通信模塊

全球移動通訊系統(tǒng)Global System of Mobile communication即GSM，是當前應用最為廣泛的移動電話標準。GSM 較之它以前的標準最大的不同是他的信令和語音信道都是數(shù)字式的。由于采用了高效調制器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術，使系統(tǒng)具有高頻譜效率。由于每個信道傳輸帶寬增加，使同頻復用栽干比要求降低至9dB，故GSM系統(tǒng)的同頻 復用模式可以縮小到4/12或3/9甚至更?。M系統(tǒng)為7/21）；加上半速率話音編碼的引入和自動話務分配以減少越區(qū)切換的次數(shù)，使GSM系統(tǒng)的容量 效率（每兆赫每小區(qū)的信道數(shù)）比TACS系統(tǒng)高3～5倍。GSM標準所提供的開放性接口，不僅限于空中接口，還有報刊網絡直接以及網絡中各設備實體之間。GSM系統(tǒng)通過鑒權、加密和TMSI號碼的使用，達到安全的目的。鑒權用來驗證用戶的入網權利。加密用于空中接口，由SIM卡和網絡AUC的密鑰決定。TMSI是一個由業(yè)務網絡給用戶指定的臨時識別號，以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置。

該系統(tǒng)利用GSM實現(xiàn)業(yè)主遠程控制，將家里的情況實時反映給業(yè)主，業(yè)主也可以遠程控制家中電器的狀態(tài)。

時間控制模塊

通過控制繼電器來實現(xiàn)時間自動化控制；業(yè)主可設置時間打開某些電器，并設置打開的時間，也可以讓在某段時間內例如每天重復。

可擴展模塊

運用無線通信技術，業(yè)主可以控制任意用電器。例如，在歸家之前打開空調、熱水器、電飯鍋等。

2. 最終設計應用：

情景一：昆明市王的王奶奶不小心將自己家的鑰匙給弄丟了，老奶奶非常擔心家里的安全問題，因此就不經常出門了；

情景二：南昌市的劉爺爺經常使用鑰匙開過門后忘記將鑰匙拔出，當他發(fā)現(xiàn)時，鑰匙早已被人拿走了；

針對以上傳統(tǒng)鑰匙所存在的弊端，我們選擇了刷卡門禁系統(tǒng)，用射頻卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑰匙具有以下優(yōu)點，如果密鑰丟了，我們可以通過主控制器注銷已丟的射頻卡上的信息，如果想增加密鑰，只需將新的射頻卡放在讀卡器上，通過設置讓主系統(tǒng)自學習密碼，然后將密碼存儲到存儲模塊，此后，此新卡就能用于本系統(tǒng)的密鑰。射頻卡又分三種，一種是ID卡，一種是接觸式IC卡，還有非接觸式IC卡，我們之所以選擇非接觸式IC卡是因為它有著很高的保密性能， IC卡的外形與磁卡相似，它與磁卡的區(qū)別在于數(shù)據(jù)存儲的媒體不同。磁卡是通過卡上磁IC卡條的磁場變化來存儲信息的，而IC卡是通過嵌入卡中的電擦除式可編程只讀存儲器集成電路芯片(EEPROM)來存儲數(shù)據(jù)信息的。因此，與磁卡相比較，IC卡具有以下優(yōu)點：①存儲容量大。磁卡的存儲容量大約在200個數(shù)字字符；IC卡的存儲容量根據(jù)型號不同，小的幾百個字符，大的上百萬個字符。②安全保密性好。IC卡上的信息能夠隨意讀取、修改、擦除，但都需要密碼。③CPU卡具有數(shù)據(jù)處理能力。在與讀卡器進行數(shù)據(jù)交換時，可對數(shù)據(jù)進行加密、解密，以確保交換數(shù)據(jù)的準確可靠；而磁卡則無此功能。④使用壽命長。另外，使用射頻卡作為密鑰，節(jié)約了鋼鐵資源。

防盜防火報警模塊的設計，門磁可以安裝入戶門或是保險柜上，紅外熱釋電傳感器和煙霧傳感器置于客廳和臥室中，業(yè)主在離開家的時候按下設防按鈕，10秒鐘后整個家庭范圍內進入防衛(wèi)模式，防衛(wèi)模式中一旦門磁、紅外傳感器和煙霧傳感器檢測到異常情況，主系統(tǒng)作出判斷，通過GSM無線通信模塊主動聯(lián)系業(yè)主和物業(yè)值班人員。

一般業(yè)主在離開家庭的時候，常常忘記關掉一些正工作的用電器或是處于待機的用電器，這其中存在著用電引起火災的隱患，另外交流線路也要消耗一部分電能，利用我們的控電模塊，在業(yè)主設防時實現(xiàn)控電，通過繼電器將除廚房（冰箱）除外的分路用電線路斷開，日積月累，節(jié)約了電能，實現(xiàn)節(jié)能減排。

空氣質量模塊和溫濕度檢測模塊主要是用來評估家庭環(huán)境質量，避免由于空氣質量差而對人的健康構成的威脅，檢測室內溫濕度，作為人體舒適度指數(shù)，與空氣質量檢測結果構成環(huán)境質量報告，及時反饋給業(yè)主，讓業(yè)主實施一定的措施改善環(huán)境質量。

GSM無線通信模塊不只是用來反映防衛(wèi)模式，業(yè)主還可以通過它來控制家里的一些電器設備。

對于一些上班族來說，一般都有不吃早飯的習慣，不利于身體健康，這是我們的時間控制模塊就大顯身手，晚上預先設置主控制器，什么時間讓輸出幾路接通，到早上可能業(yè)主還沒起床，但是時間一到早飯就已經做好了，不會花費業(yè)主早上時間做早飯的。

可擴展模塊分為時間控制和短信遠程控制，控制終端全是用的無線通信，方便一些經常挪動的電器設備的控制。

當今時代，科技的迅速發(fā)展給人們帶來方便與快捷的同時也增加了很多安全隱患，該系統(tǒng)本著為普通百姓造福的目的，最大限度減少家居安全隱患。該系統(tǒng)簡單實用，可靠性高，沒有高昂的成本，可被大多數(shù)家庭所接受，普及的前景很可觀

3. 系統(tǒng)框圖：

1 控制核心：由ATMEL AVR單片機作為控制核心，包括設置和顯示功能。

2 非接觸式IC卡刷卡門：使用電磁鎖，利用非接觸式IC卡為鑰匙，若非本鎖的IC卡，GSM模塊會向業(yè)主及社區(qū)安保處發(fā)送警報。

3 防火防盜報警模塊：由煙霧傳感器、紅外熱釋電傳感器以及門磁構成。

4 控電模塊：家中無人時自動給不必要的電器斷電，實現(xiàn)節(jié)能。

5 空氣質量檢測模塊：利用傳感器檢測空氣質量，反饋給主控制器，業(yè)主可查詢到實時的空氣質量狀況。

6 溫濕度檢測模塊：通過傳感器測量家中溫度及濕度，并可提供開窗通風，制熱，制冷等建議

7 GSM無線通信模塊：業(yè)主通過該模塊可實時查詢家中情況，得到警報信息，或者控制家中電器。實現(xiàn)家庭的遠程控制。

8 時間?？刂茐K：可實現(xiàn)家中電器的定時開啟或關閉

9 可擴展模塊：對家中電器實現(xiàn)遠程控制等，可擴展出方便快捷的常用功能。

4. 軟件框圖：

5.市場前景：

家是一杯暖意綿綿的茶，給你帶來絲絲縷縷的清香和暖意；家是一片音樂世界，那里有無盡和諧和美滿的音符；家是一張早已泛黃的老照片，留給你無限的思索和懷念。我們也說家是溫馨的港灣，家可以消除我們身心的疲憊，因此家在每個人心中占有著很重要的地位。但是伴隨著生活節(jié)奏的加快，家庭隱患也日趨增多，大體分為以下幾點，防盜防火，我們系統(tǒng)集成了防盜防火報警模塊，并通過GSM無線發(fā)射模塊將現(xiàn)場情況發(fā)送給業(yè)主，實現(xiàn)了信息的網絡化，在生活環(huán)境方面，由于家庭裝潢材料會釋放一部分有毒氣體，嚴重導致家庭空氣的污染，為此，我們系統(tǒng)集成空氣質量檢測裝置，將家庭空氣質量情況實時反映給業(yè)主，實現(xiàn)“以人為本”的目標。另外我們積極響應“節(jié)能減排”，當業(yè)主離開家時，我們系統(tǒng)自動斷開部分用電分路，使得一些處于待機狀態(tài)的用電器完全關掉，一方面為業(yè)主節(jié)省了部分用電費用，另一方面避免了因用電而導致的火災。除此之外，我們還增加了很多在日常生活當中很實用很方便的功能，因為在當今市場，家用電器都是一個個孤立的設備，我們的系統(tǒng)就是將各個用電設備綜合起來，化整為零，充分發(fā)揮集體優(yōu)勢，體現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的緊密聯(lián)系，在此基礎上加以創(chuàng)新，是的家庭生活更加舒適、便利?？傊鞠到y(tǒng)以ATMEL AVR為開發(fā)平臺，體現(xiàn)了科學發(fā)展觀這一設計原則，實現(xiàn)了居家智能一體化的設計目標，針對廣大家庭市場，需求量大，市場前景廣闊。