輕松打造智能家庭衛(wèi)士系統(tǒng)（原理，軟硬件實現(xiàn)，器件選型）

前言

家庭是社會的細胞，家庭的幸福也就預(yù)示著社會的和諧。一個良好的居住環(huán)境不但可以給我們一個健康的體魄，更能讓我們以一個良好的心情參加到工作、學(xué)習(xí)當中。然而，生活在這個喧囂的城市，整天忙于工作和學(xué)習(xí)的我們也會常常忽視我們休整的地方——家庭，導(dǎo)致室內(nèi)各項生活指數(shù)都嚴重的超過了正常值；我們也會時常看到這樣的報道：出門時忘記關(guān)掉正在使用的煤氣，結(jié)果就引發(fā)了一場損失慘重的火災(zāi)；還有，由于家里沒有防盜裝置，致使猖狂的小偷經(jīng)常對我們的人身、財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重的威脅。

基于以上的背景，我們就提出了這樣一個方案，它使得我們能夠隨時隨地了解到家里的各種情況（如：家里溫度高低，光線明亮與否）。當出現(xiàn)意外險情時（如家里燃氣泄露、有小偷闖入等），此系統(tǒng)能及時的告知我們，已達到有備而無患的效果。

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1.1硬件平臺選用及資源配置

本方案擬采用基于Atmel AVR32單片機的EVK1100開發(fā)板作為硬件平臺。本平臺有幾大優(yōu)勢以利于設(shè)計方案的完成。首先是GPIO的引出，這就方便我們的各個模塊的擴展。

其次是多達兩個的串口，可以很方便的讓我們完成實驗調(diào)試。再次是上面的擴展模塊（光線傳感器、溫度傳感器、LCD液晶）設(shè)置，可以加快設(shè)計完成的進度。

在控制信息采集方面，方案使用了傳感器。相對來說，傳感器的使用不是太難，購買也比較方便。主要用了：煙霧傳感器（采集環(huán)境煙霧濃度數(shù)據(jù)）、濕度傳感器（采集周圍環(huán)境濕度數(shù)據(jù)）、溫度傳感器（采集周圍環(huán)境溫度數(shù)據(jù)）、光線傳感器（采集室內(nèi)光強數(shù)據(jù)）。 本設(shè)計系統(tǒng)框圖如下圖1所示：

圖 1

1.1.2軟件設(shè)計

主控芯片AVR32 AT32UC3A0512，為降低CPU運行負載，提高系統(tǒng)實時性，采用以1.8S為周期對占用時間長的程序運行，重點對標志進行判斷，同時以中斷的方式對標志作處理。下圖2為本系統(tǒng)詳細軟件流程圖

圖 2

1.2各個模塊設(shè)計

1.2.1遠程通信模塊GSM

GSM：global system for mobile communications全球移動通信系統(tǒng)，GSM 是當前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標準。全球超過200個國家和地區(qū)超過10億人正在使用GSM電話。通過GSM我們能夠從任何地方遠程遙控家里，借助于GSM我們只需支付極低的費用，而不需要自己搭建一個通信系統(tǒng)，自己搭建通信系統(tǒng)需要極大的人力，物力且通信范圍有限，GSM作為覆蓋最為廣泛的移動電話系統(tǒng)，可以很好的被我們所利用。

本設(shè)計核心模塊采用simcom公司的sim300模塊，具有相當高的性價比。廣泛用于手機，PDA，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。sim300是采用60Pin板板連接器的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案。模塊具有工業(yè)標準化接口，功耗低，可通過GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz通信網(wǎng)絡(luò)傳輸語音、短信、數(shù)據(jù)和傳真。

本項目中家里的任何情況，在任何時刻，任何地點都能及時的通知到我們，讓我們隨時隨地的了解家里的情況。同時遠程手機可在異地通過發(fā)短信了解家里的情況，溫度、濕度、光照等等，同時家里發(fā)生異常，例如有外人闖入也可以通過GSM向遠程手機報告，如果家里有小孩，在外的父母也能通過GSM及時了解家里的情況，例如撥通電話，對小孩作必要的囑咐。GSM模塊的通信示意圖如圖3所示：

圖 3

1.2.2人機交互設(shè)計

（1）語音模塊

采用WT588D語音芯片的應(yīng)用框圖如下：

圖 4

三線串口控制模式由三條通信線組成，分別是片選 CS，數(shù)據(jù) DATA，時鐘 CLK，時序根據(jù)標準 SPI 通信方式。通過三線串口可以實現(xiàn)對 WT588D語音模塊命令控制、語音播放。三線串口模式下，所有按鍵均無效。三線串口控制模式下的時序圖5如下：

圖 5

另外、由于直接使用WT588D驅(qū)動喇叭時的驅(qū)動能力不夠，需要外接語音放大器，本系統(tǒng)使用運放TDA2882來放大語音信號，放大電路如下圖6所示：

圖 6

（2）LCD顯示模塊

作為人機交互的重要模塊，lcd顯示采用avr開發(fā)板上面的lcd204，我們目前的項目顯示內(nèi)容主要是溫度，濕度，光線強度，天然氣濃度等，顯示的內(nèi)容比較少。同時，本次參賽的avr例程上面對lcd204有詳細的介紹，使用起來比較方便。

1.2.3傳感器檢測模塊

（1）紅外熱釋電探測模塊

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。

本系統(tǒng)的設(shè)計采用的是HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，其內(nèi)部傳感器芯片為LHI778。

系統(tǒng)中本模塊的工作原理如下圖7示：

圖 7

（2）MQ2氣體濃度檢測模塊

本系統(tǒng)中采用的可燃易爆氣體濃度檢測裝置是對液化氣、甲烷、丁烷、煙霧等都有較好的靈敏度的MQ2傳感器。

其靈敏度特性曲線如下圖8所示：

圖 8

本MQ2濃度檢測模塊的原理圖如下圖9所示：

圖 9

系統(tǒng)中MQ2濃度探測模塊的工作原理如下圖10示：

圖 10

（3）濕度傳感器

本設(shè)計采用的濕度傳感器是：HR31電阻型濕度傳感器。HR31濕敏電阻是采用有機高分子材料的濕度敏感元件，感濕范圍寬，長期使用性能穩(wěn)定。能夠達到精度5%RH增減的要求。

其阻抗特性如下圖11所示：

圖 11

本系統(tǒng)中濕度傳感器的工作原理如下圖12所示：

圖 12

（4）溫度傳感器

考慮到EVK1100板卡上面已經(jīng)安裝了溫度傳感器NCP18WF，為了開發(fā)的進度和成本，就沒有再買模塊，直接使用就可以了。

在系統(tǒng)中的電路原理圖如下圖13所示：

圖 13

（5）光照強度傳感器

與溫度傳感器類似，光線傳感器也是使用的EVK1100上面自帶的TEMT6000光線傳感器。其電路原理圖如下左圖14所示，特性原理圖如下右圖15所示：

圖 14圖 15

1.3軟件設(shè)計

1.3.1中斷

為了更好的提高系統(tǒng)效率，本系統(tǒng)充分的利用了AVR32單片機的中斷功能。

（1）定時器中斷

在定時中斷服務(wù)函數(shù)里面利用AD采集各種傳感器數(shù)據(jù)是一種常用的手段，本設(shè)計就是利用1.8s定時來采集各種室內(nèi)數(shù)據(jù)

定時器后臺中斷程序流程：定時器前臺主程序流程：

（2）串口中斷

在設(shè)計中，AVR單片機與GSM模塊的通信是利用串口進行的。由于用查詢方式接收串口數(shù)據(jù)會大大的降低系統(tǒng)性能實時，故串口接收部分利用串口中斷。

遠程用戶為了遠程監(jiān)視家里的情況，只需要向目標板GSM發(fā)送短信，GSM收到短信后會向核心板AVR32串口發(fā)送數(shù)據(jù)，當AVR32串口接受到數(shù)據(jù)后，在串口中斷中把標志位flag置1，同時把串口接受到得數(shù)據(jù)儲存到緩存中，主程序在定時器控制下，每隔1.8s檢測flag，當檢測到flag等于1的時候，讀取緩存中的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取到得不同數(shù)據(jù)，作不用的處理，然后單片機AVR32通過串口向GSM發(fā)送相應(yīng)的室內(nèi)信息代碼，然后GSM通過短信向遠程用戶發(fā)送室內(nèi)檢測到的信息，例如溫度、濕度等等，從而高效的查詢家里的情況，達到遠程控制的功能，流程如下圖16。

圖 16

1.3.2語音部分

作為人機交互的重要平臺，語音處理部分主要是將各種傳感器采集到的參數(shù)，通過語音提示用戶，語音部分的軟件框圖如下圖17所示，并通過發(fā)出警告的方式，提醒用戶改善居住環(huán)境。

圖 17

2 總結(jié)

本次項目設(shè)計時間相對緊迫，離最初的要求有一定的距離，但是總體效果還算令人滿意，實現(xiàn)了遠程用戶實時監(jiān)視家里環(huán)境，在家里環(huán)境發(fā)生異常的情況下，如有外人闖入，溫度、濕度、可燃氣體濃度發(fā)生異常時，及時的做出報警，同時通過GSM發(fā)送短信向遠程用戶發(fā)出警告，其語音模塊能夠準備的根據(jù)當時環(huán)境測得的情況，做出語音提示。

本次設(shè)計加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在設(shè)計過程中，是心里老想著這樣的方法可以行得通的，但實際上，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間也挺多的。但是到后面，我們又會換換方案，解決問題。感觸最深的就是：無論多么簡單的事情，一定要親自去做了才能做評價。想象中的簡單不等于實現(xiàn)的簡單。在本次設(shè)計當中，我們的模塊調(diào)試用了相當長的時間。本來以為很簡單，但是在實際調(diào)試過程中卻總是會遇到這樣那樣的問題。最后連調(diào)的時候，本來以為模塊調(diào)試通過了，連調(diào)就容易了，但是當所有模塊連接在一起的時候就會因為相互的沖突而不能同時工作。所以又話了很長時間來調(diào)試系統(tǒng)，經(jīng)過幾天不分晝夜的努力，我們終于完成了我們的系統(tǒng)。

在調(diào)試系統(tǒng)的過程中，遇到的問題真的很麻煩，比如在調(diào)試GSM SIM300模塊的過程中，需要通過avr單片機控制短信的接收和發(fā)送，但是，短信的接收過程中對于數(shù)據(jù)的采集，判斷，分析都是異常艱難的，需要從眾多的信息中提取出短信中的有效信息，就需要不斷地判斷，不斷地選擇。所以，在這個過程中會有很多莫名其妙的死機，但是，我們還是堅持了下來，通過串口，分別調(diào)試gsm和avr部分。不斷優(yōu)化我們的程序，最后達到了我們想要的結(jié)果。另外，在語音模塊的控制上面，我們選擇使用三線spi控制過程中，仍然遇到了不少的問題，比如，由于wt588d模塊上面的輸出，有busy信號，這對于實時查詢語音的播報情況十分重要，所以在調(diào)試這個語音模塊的過程中，始終想把這個忙信號用起來，但是，通過反復(fù)地調(diào)試，發(fā)現(xiàn)busy信號并不是隨語音的實時播報而一直顯示為高電平，反而只是在開始播報時會產(chǎn)生一個上升沿而已，所以，我們最后修改方案，不使用這跟信號線了。

總之，通過本次設(shè)計，我們又學(xué)到了不少知識。尤其是對AVR單片機又有了更深入的了解。通過本次大賽，我們對AVR32單片機的高級性能算是有了一個全新的認識。它的內(nèi)部Flash多達512KB，完全保證了程序的存儲。方便的基于優(yōu)先級的中斷管理，能讓我們快速的實現(xiàn)程序的設(shè)計。還有，不能不說集成開發(fā)環(huán)境AVR Studio 5.0真的很方便，尤其是里面的模塊化編程asf部分，在我們的設(shè)計過程中起到了很大的作用。

3 參考文獻

《信號與系統(tǒng)》，ALAN V.OPPENHEIM著，西安：西安交通大學(xué)出版社，1997年；

《數(shù)字圖像處理學(xué)》，元秋奇著，北京：電子工業(yè)出版社，2000年；

《模擬電子線路基礎(chǔ)》，吳運昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年；

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年；

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》，張曉麗等著，北京：機械工業(yè)出版社，2002年；

《ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程》，馬忠梅等著，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年；

《單片機原理及應(yīng)用》，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)，2002年；

附1：程序清單

/////////////////////////////////////////////////////////

//*************語音模塊頭文件***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

#ifndef _SOUND_H_

#define _SOUND_H_

#include "asf.h"

//IO口控制

#define GPIO_sound_control_Pin1 AVR32_PIN_PX23 //jidan0818 語音模塊IO：PX17

#define GPIO_sound_control_Pin2 AVR32_PIN_PX25 //jidan0818 語音模塊IO：PX17

#define GPIO_sound_control_Pin3 AVR32_PIN_PX27 //jidan0818 語音模塊IO：PX17

#define sound_cs GPIO_sound_control_Pin1 //PTAD_PTAD1

#define sound_clk GPIO_sound_control_Pin2 //PTAD_PTAD2

#define sound_data GPIO_sound_control_Pin3 //PTAD_PTAD0

//函數(shù)聲明

void init_sound_io(void);

void delay100us(unsigned char cnt);

void delay1s(unsigned char cnt);

void send_sound(unsigned char addr);

void sound_plus(void);

void sound_minus(void);

void sound_cycle(unsigned char addr);

void sound_stop(void);

void sound_test(void);

//各種報警語音聲明

void sound_wet_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_wet_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_temp_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_temp_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_sunshine_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_sunshine_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_gas_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_gas_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_people_waring(void); //濕度過高報警

void sound_temp(short int t ) ;

void sound_time(unsigned char hh,unsigned char mm,unsigned char ss);

void sound_sunshine(short int t );

void sound_wet(short int t );

void sound_gas(short int t ) ;

void sound_welcom(void);

#endif

/////////////////////////////////////////////////////////

//****************延時服務(wù)函數(shù)***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

//系統(tǒng)延時初始化函數(shù)

void delay_init(unsigned long fcpu_hz)

{

#ifndef FREERTOS_USED

s_fcpu_hz = fcpu_hz;

#endif

}

//系統(tǒng)ms延時函數(shù)

void delay_ms(unsigned long delay)

{

#if (defined FREERTOS_USED)

vTaskDelay( (portTickType)TASK_DELAY_MS(delay) );

#elif (defined NUTOS_USED)

NutSleep(delay);

#else

cpu_delay_ms(delay, s_fcpu_hz);

#endif

}

//系統(tǒng)us延時函數(shù)

void delay_us(unsigned long delay)

{

#if (defined FREERTOS_USED)

vTaskDelay( (portTickType)TASK_DELAY_MS(delay) );

#elif (defined NUTOS_USED)

NutSleep(delay);

#else

cpu_delay_us(delay, s_fcpu_hz);

#endif

}

/////////////////////////////////////////////////////////

//**********部分重要的服務(wù)函數(shù)***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

//播放存放語音的底層函數(shù)

相關(guān)閱讀

智能家庭離我們還有多遠？