基于ATMEL AVR單片機(jī)的居家安全衛(wèi)士系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，附軟硬件架構(gòu)

1.設(shè)計(jì)方案目標(biāo)：

智能居家安全衛(wèi)士系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、綜合布線技術(shù)、依照人體工程學(xué)原理，融合個(gè)性需求，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗(yàn)。高性能ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)品是基于設(shè)計(jì)出一款高處理性能和低功耗功能的內(nèi)核而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。此系列繼承ATMEL家族優(yōu)良基礎(chǔ)。基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)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?cè)O(shè)計(jì)了以下幾個(gè)模塊：“非接觸式IC刷卡門禁模塊”、“防盜防火報(bào)警模塊”、“安全控電模塊”、“空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊”、“溫濕度檢測(cè)模塊”、“GSM無(wú)線通信模塊”、“時(shí)間控制模塊”、“可擴(kuò)展模塊”。整個(gè)系統(tǒng)基本上能解決日常生活中的問(wèn)題，解決家庭隱患，每個(gè)系統(tǒng)又有著細(xì)節(jié)處的功能。

各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)：

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?yàn)榉墙佑|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(yīng)天線組成，封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片內(nèi)，芯片及天線無(wú)任何外露部分,是世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。它成功的將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái),結(jié)束了無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸這一難題,是電子器件領(lǐng)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(guò)無(wú)線電波的傳遞來(lái)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(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與其本身的L/C產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲(chǔ)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(wú)論是硬件結(jié)構(gòu)，還是操作過(guò)程都得到了很大的簡(jiǎn)化，同時(shí)借助于先進(jìn)的管理軟件，可脫機(jī)的操作方式，都使數(shù)據(jù)讀寫過(guò)程更為簡(jiǎn)單。

非接觸式IC卡可靠性高，與讀寫器之間無(wú)機(jī)械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障。由于非接觸通訊，讀寫器在10CM范圍內(nèi)就可以對(duì)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(shí)沒(méi)有方向性，卡片可以在任意方向掠過(guò)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(jī)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(shí)”處理多張非接觸式IC卡。這提高了應(yīng)用的并行性，,無(wú)形中提高系統(tǒng)工作速度。

非接觸式卡的序列號(hào)是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號(hào)固化,不可再更改。非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫器驗(yàn)證IC卡的合法性，同時(shí)IC卡也驗(yàn)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(jìn)行三次相互認(rèn)證，而且在通訊過(guò)程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外，卡中各個(gè)扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問(wèn)條件。

非接觸式卡的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它一卡多用，能運(yùn)用于不同系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問(wèn)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(dāng)電流通過(guò)矽鋼片時(shí)，電磁鎖會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力緊緊的吸住吸附鐵板達(dá)到鎖門的效果，只要小小的電流電磁鎖就會(huì)產(chǎn)生莫大的磁力。電磁鎖沒(méi)有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及鎖舌的構(gòu)造，而且易于自動(dòng)控制?？刂齐姶沛i電源的門禁系統(tǒng)識(shí)別人員正確后即斷電，電磁鎖失去吸力即可開(kāi)門。

防盜防火報(bào)警模塊

防盜防火報(bào)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(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10μm左右的紅外線，紅外探測(cè)器就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過(guò)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)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(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。它本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價(jià)格低廉。

煙霧傳感器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)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(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無(wú)線發(fā)射器發(fā)出無(wú)線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。

門磁是由無(wú)線發(fā)射模塊和磁塊兩部份組成，在無(wú)線發(fā)射模塊有兩個(gè)箭頭處有一個(gè)“鋼簧管”的元器件，當(dāng)磁體與鋼簧管的距離保持在1.5厘米內(nèi)時(shí)，鋼簧管處于斷開(kāi)狀態(tài)，一旦磁體與鋼簧管分離的距離超過(guò)1.5厘米時(shí)，鋼簧管就會(huì)閉合，造成短路，報(bào)警指示燈亮的同時(shí)向主機(jī)發(fā)射報(bào)警信號(hào)。

安全控電模塊

該模塊利用繼電器，當(dāng)業(yè)主離家打開(kāi)防衛(wèi)模式時(shí)，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

空氣質(zhì)量模塊

利用空氣質(zhì)量傳感器對(duì)有氣味的氣體做一檢測(cè)及時(shí)反饋給業(yè)主，通知業(yè)主及時(shí)開(kāi)窗通風(fēng)。

溫濕度檢測(cè)模塊

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

GSM無(wú)線通信模塊

全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)Global System of Mobile communication即GSM，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM 較之它以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是他的信令和語(yǔ)音信道都是數(shù)字式的。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語(yǔ)音編碼技術(shù)，使系統(tǒng)具有高頻譜效率。由于每個(gè)信道傳輸帶寬增加，使同頻復(fù)用栽干比要求降低至9dB，故GSM系統(tǒng)的同頻 復(fù)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(dòng)話務(wù)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(biāo)準(zhǔn)所提供的開(kāi)放性接口，不僅限于空中接口，還有報(bào)刊網(wǎng)絡(luò)直接以及網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備實(shí)體之間。GSM系統(tǒng)通過(guò)鑒權(quán)、加密和TMSI號(hào)碼的使用，達(dá)到安全的目的。鑒權(quán)用來(lái)驗(yàn)證用戶的入網(wǎng)權(quán)利。加密用于空中接口，由SIM卡和網(wǎng)絡(luò)AUC的密鑰決定。TMSI是一個(gè)由業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)給用戶指定的臨時(shí)識(shí)別號(hào)，以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置。

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

時(shí)間控制模塊

通過(guò)控制繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間自動(dòng)化控制；業(yè)主可設(shè)置時(shí)間打開(kāi)某些電器，并設(shè)置打開(kāi)的時(shí)間，也可以讓在某段時(shí)間內(nèi)例如每天重復(fù)。

可擴(kuò)展模塊

運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)，業(yè)主可以控制任意用電器。例如，在歸家之前打開(kāi)空調(diào)、熱水器、電飯鍋等。

2. 最終設(shè)計(jì)應(yīng)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(dān)心家里的安全問(wèn)題，因此就不經(jīng)常出門了；

情景二：南昌市的劉爺爺經(jīng)常使用鑰匙開(kāi)過(guò)門后忘記將鑰匙拔出，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)時(shí)，鑰匙早已被人拿走了；

針對(duì)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(diǎn)，如果密鑰丟了，我們可以通過(guò)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(guò)設(shè)置讓主系統(tǒng)自學(xué)習(xí)密碼，然后將密碼存儲(chǔ)到存儲(chǔ)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?yàn)樗兄芨叩谋Ｃ苄阅埽?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(chǔ)的媒體不同。磁卡是通過(guò)卡上磁IC卡條的磁場(chǎng)變化來(lái)存儲(chǔ)信息的，而IC卡是通過(guò)嵌入卡中的電擦除式可編程只讀存儲(chǔ)器集成電路芯片(EEPROM)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的。因此，與磁卡相比較，IC卡具有以下優(yōu)點(diǎn)：①存儲(chǔ)容量大。磁卡的存儲(chǔ)容量大約在200個(gè)數(shù)字字符；IC卡的存儲(chǔ)容量根據(jù)型號(hào)不同，小的幾百個(gè)字符，大的上百萬(wàn)個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密，以確保交換數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠；而磁卡則無(wú)此功能。④使用壽命長(zhǎng)。另外，使用射頻卡作為密鑰，節(jié)約了鋼鐵資源。

防盜防火報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)，門磁可以安裝入戶門或是保險(xiǎn)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(kāi)家的時(shí)候按下設(shè)防按鈕，10秒鐘后整個(gè)家庭范圍內(nèi)進(jìn)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(cè)到異常情況，主系統(tǒng)作出判斷，通過(guò)GSM無(wú)線通信模塊主動(dòng)聯(lián)系業(yè)主和物業(yè)值班人員。

一般業(yè)主在離開(kāi)家庭的時(shí)候，常常忘記關(guān)掉一些正工作的用電器或是處于待機(jī)的用電器，這其中存在著用電引起火災(zāi)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(shè)防時(shí)實(shí)現(xiàn)控電，通過(guò)繼電器將除廚房（冰箱）除外的分路用電線路斷開(kāi)，日積月累，節(jié)約了電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

空氣質(zhì)量模塊和溫濕度檢測(cè)模塊主要是用來(lái)評(píng)估家庭環(huán)境質(zhì)量，避免由于空氣質(zhì)量差而對(duì)人的健康構(gòu)成的威脅，檢測(cè)室內(nèi)溫濕度，作為人體舒適度指數(shù)，與空氣質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果構(gòu)成環(huán)境質(zhì)量報(bào)告，及時(shí)反饋給業(yè)主，讓業(yè)主實(shí)施一定的措施改善環(huán)境質(zhì)量。

GSM無(wú)線通信模塊不只是用來(lái)反映防衛(wèi)模式，業(yè)主還可以通過(guò)它來(lái)控制家里的一些電器設(shè)備。

對(duì)于一些上班族來(lái)說(shuō)，一般都有不吃早飯的習(xí)慣，不利于身體健康，這是我們的時(shí)間控制模塊就大顯身手，晚上預(yù)先設(shè)置主控制器，什么時(shí)間讓輸出幾路接通，到早上可能業(yè)主還沒(méi)起床，但是時(shí)間一到早飯就已經(jīng)做好了，不會(huì)花費(fèi)業(yè)主早上時(shí)間做早飯的。

可擴(kuò)展模塊分為時(shí)間控制和短信遠(yuǎn)程控制，控制終端全是用的無(wú)線通信，方便一些經(jīng)常挪動(dòng)的電器設(shè)備的控制。

當(dāng)今時(shí)代，科技的迅速發(fā)展給人們帶來(lái)方便與快捷的同時(shí)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(jiǎn)單實(shí)用，可靠性高，沒(méi)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(jī)作為控制核心，包括設(shè)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(huì)向業(yè)主及社區(qū)安保處發(fā)送警報(bào)。

3 防火防盜報(bào)警模塊：由煙霧傳感器、紅外熱釋電傳感器以及門磁構(gòu)成。

4 控電模塊：家中無(wú)人時(shí)自動(dòng)給不必要的電器斷電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

5 空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊：利用傳感器檢測(cè)空氣質(zhì)量，反饋給主控制器，業(yè)主可查詢到實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量狀況。

6 溫濕度檢測(cè)模塊：通過(guò)傳感器測(cè)量家中溫度及濕度，并可提供開(kāi)窗通風(fēng)，制熱，制冷等建議

7 GSM無(wú)線通信模塊：業(yè)主通過(guò)該模塊可實(shí)時(shí)查詢家中情況，得到警報(bào)信息，或者控制家中電器。實(shí)現(xiàn)家庭的遠(yuǎn)程控制。

8 時(shí)間?？刂茐K：可實(shí)現(xiàn)家中電器的定時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉

9 可擴(kuò)展模塊：對(duì)家中電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等，可擴(kuò)展出方便快捷的常用功能。

4. 軟件框圖：

5.市場(chǎng)前景：

家是一杯暖意綿綿的茶，給你帶來(lái)絲絲縷縷的清香和暖意；家是一片音樂(lè)世界，那里有無(wú)盡和諧和美滿的音符；家是一張?jiān)缫逊狐S的老照片，留給你無(wú)限的思索和懷念。我們也說(shuō)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(gè)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(diǎn)，防盜防火，我們系統(tǒng)集成了防盜防火報(bào)警模塊，并通過(guò)GSM無(wú)線發(fā)射模塊將現(xiàn)場(chǎng)情況發(fā)送給業(yè)主，實(shí)現(xiàn)了信息的網(wǎng)絡(luò)化，在生活環(huán)境方面，由于家庭裝潢材料會(huì)釋放一部分有毒氣體，嚴(yán)重導(dǎo)致家庭空氣的污染，為此，我們系統(tǒng)集成空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置，將家庭空氣質(zhì)量情況實(shí)時(shí)反映給業(yè)主，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的目標(biāo)。另外我們積極響應(yīng)“節(jié)能減排”，當(dāng)業(yè)主離開(kāi)家時(shí)，我們系統(tǒng)自動(dòng)斷開(kāi)部分用電分路，使得一些處于待機(jī)狀態(tài)的用電器完全關(guān)掉，一方面為業(yè)主節(jié)省了部分用電費(fèi)用，另一方面避免了因用電而導(dǎo)致的火災(zāi)。除此之外，我們還增加了很多在日常生活當(dāng)中很實(shí)用很方便的功能，因?yàn)樵诋?dāng)今市場(chǎng)，家用電器都是一個(gè)個(gè)孤立的設(shè)備，我們的系統(tǒng)就是將各個(gè)用電設(shè)備綜合起來(lái)，化整為零，充分發(fā)揮集體優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的緊密聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，是的家庭生活更加舒適、便利?？傊?，本系統(tǒng)以ATMEL AVR為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展觀這一設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了居家智能一體化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對(duì)廣大家庭市場(chǎng)，需求量大，市場(chǎng)前景廣闊。