智能家居监测与控制系统设计与实现南京大学专硕士.docx
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智能家居监测与控制系统设计与实现南京大学专硕士.docx
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智能家居监测与控制系统设计与实现南京大学专硕士
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专业学位(硕士)论文
论文题目智能家居监测与控制系统
设计与实现
作者xx
专业电子通信工程
研究方向
指导教师
二〇一三年七月十五日
(扉页)
学号:
论文答辩日期:
201年月日
指导教师:
(签字)
SmartHomeMonitoringandControlSystemDesignandImplementation
ADissertationSubmittedtoNanjingUniversityfortheProfessionalDegreeofMasterofElectronicandCommunicationEngineering
BY
作者名(英文)
Supervisedby
导师姓名及职称(英文)
SchoolofElectronicScienceandEngineering
NanjingUniversity
日期(英文)
南京大学学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式说明并且表达了谢意。
研究生签名:
日期:
南京大学学位论文使用授权声明
本学位论文作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存论文。
本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或者部分内容。
论文的公布(包括刊登)授权南京大学研究生院办理。
导师签名:
研究生签名:
日期:
南京大学研究生毕业论文中文摘要首页用纸
毕业论文题目:
智能家居监测与控制系统设计与实现
专业级硕士生姓名:
xx
指导教师(姓名、职称):
摘要
随着GSM网络的迅速发展和用户的日益扩大,新技术和新业务的开发和应用已经提到十分重要的位置。
短消息业务通过GSM网络的控制信道进行传输,是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式,它不需要附加其它较为庞大的数据终端设备,只需要两个GSM终端模块即可实现点对点的数据传输,特别适用于需频繁远距离传送小流量数据的领域。
国家智能化小区建设的推广,防盗系统已成为智能小区的必需设备。
本文介绍了一种基于GSM(全球移动通信系统)网络SMS(短信业务)的远程红外报警系统的原理及设计实现。
它由红外线传感器,无线GSM模块(Siemens公司的TC35模块)和一个以单片机(AT89S52)为核心的监控单元组成,监控单元利用AT指令通过串口和GSM模块进行交互。
它借助GSM模块TC35,使用户能够通过手机中文短信便捷地对相关设备进行监控。
它具有让用户根据具体的监控对象进行自定义的功能,使用户的操作变得更加直观、方便。
本报警系统利用单片机控制技术和无线网络技术,开发出一种具有联网功能的智能无线防盗系统,并开发相关的传感器。
采用无线数据传输方式,不需重新布线,特别适用于已装修用户及布线不方便的场合。
该系统具有实时监控、性能稳定、功耗低的优点,适合为家庭和公司提供人身及财产安全的保障。
关键词:
智能家居系统;红外线传感器;GSM;SMS;单片机
南京大学研究生毕业论文英文摘要首页用纸
THESIS:
SmartHomeMonitoringandControlSystemDesignandImplementation
SPECIALIZATION:
POSTGRADUATE:
MENTOR:
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentandenlargementofnewtechnologyandnewdevelopment.ItreferstoimportantpositiontousebusinessfortheuserofGSMnetworkdaybyday.Shortmessageservicebusinesscontroltogoon,throughwirelesschannel.GSMismostsimpleandconvenientonthewayofdatacommunicationintheGSMnetwork.itdoesnotneedtoaddtoothercomparativelyhugedataterminaldevices,onlyneedstowterminalmoduleofGSMtorealizepoint-to-pointdatatransmission.Especiallyitissuitableforthefieldoflittlefrequentdataflowandremotetransmission.
Alongwiththenationalintellectualizationplotconstructionpromotion,thesecuritysystemhasbecometheintelligentplottheessentialequipment.ThispaperintroducestheprincipleanddesignofawirelessremotemonitorandcontrolterminalbaseonSMSofGSM.Theterminalconsistsofinfraredsensor,awirelessGSMmodule(TC35moduleproducedbySiemenscompany)andamonitorandcontrolunittakingsingle-chipmicrocomputer(AT89S52)asthecore.UsingtheATcommands,themonitorandcontrolunitcancommunicatewiththeGSMmodulethoughserialinterface.TheterminalletpeoplemonitorandcontroltheequipmentseandconvenientlybyChineseshortmessageofmobilephone,usingGSMmoduleTC35.Ithasthefunctionthatpeoplecanself-definetheterminalaccordingtoidiographicobjectmonitoredandcontrolled,andmakestheoperationofpeoplemoreintuitiveandconvenient.Thisalarmsystemusesthemonolithicintegratedcircuitcontroltechnologyandthewirelessnetworktechnology,developsonekindtohavethenetworkingfunctiontheintelligentwirelesssecuritysystem,anddevelopmentrelatedsensor.Selectsthewirelessdatatransmissionmethod,doesnothavethewiring,especiallytobeagainsuitableinhasrepairedtheuserandthewiringnotconvenientsituation.Thissystemisrealtimeandreliablewiththeadvantageoflowpowerconsumption.Itisverysuitabletoprovidepersonalandpropertysafetyforhouseholdsandfirms.
Keywords:
SmartHomeSystemInfraredSensor;GSM;SMS;Single-chipmicrocomputer
智能家居监测与控制系统设计与实现
引言
21世纪是信息化的世纪,各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。
本文介绍的数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器(空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机)进行远程控制;也可以在下班途中,预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……;而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。
此外,该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能,如果不幸出现某种险情,您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。
舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志,智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下,对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制,使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。
实现智能化离不开运算和控制单元,本系统采用MCU(SM8952AC25P)作为主控器件,单片机应用系统由硬件和软件组成。
硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成;软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。
在单片机应用系统开发的过程中,应不断调整软、硬件,协调地进行软、硬件设计,以提高工作效率,当系统硬件和软件紧密配合、协调一致,就可以组成高性能的单片机应用系统。
本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试,根据开发的实际需要,相互协调、交叉,有机的进行。
本设计的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准,为以后的产品化提供了良好的基础。
本系统的电话远程控制是基于电话交换网络的国际双音频通信标准DTMF通信方式,程控交换信令作为系统控制命令,采用MT8870双音频编解码电路实现,单片机通过MT8870识别来自电话程控交换机的网络的控制信号,用户只需拨通家中的电话可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别、远程控制和安防操作;各种传感器的检测是利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量,再经过单片机进行数据处理,实现实时测控;短消息发送部分采用基于SIEMENSTC35GSM模块TC35modem和TI公司的电平转换芯片MAX3238等器件构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能。
在设计本系统时,面对各种检测对象和大量控制单元,需要利用各种接口标准和MCU进行连接,再经过MCU进行数据处理,实现实时测控。
而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点,而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性,从而大大提高系统的可利用性。
此次系统设计统正是把MT8870、TC35modem与SM8952AC25P单片机有机的结合起来,顺利的完成了本设计的要求。
并且实现了学习型远程红外遥控功能,为控制红外家电和设备提供了良好的基础。
本系统也可应用于工农业中,实现对无人值守岗位的远程监控等。
第一章绪论
1.1课题背景
21世纪是信息时代,各种电信新技术推动了人类文明的进步。
自从1876年,AlexanderGrahamBell(贝尔)发明电话以来,世界各国的电话网络发展非常迅速,近十年来,中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。
1997年8月局用电话交换机总容量突破1亿门,网络规模跃居世界第二位,2006年初固定电话用户总数达到35539.2万户,移动电话用户达到40407.2万户,现代电话网络是由程控交换机进行交换传输,移动通信也从模拟时代走向了高度数字化时代,它们的性能已经有了很大的进展,而且可靠性非常高。
正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高,促使了家庭实现了生活现代化,居住环境舒适化、安全化。
这些高科技已经影响到人们生活的方方面面,改变了人们生活习惯,提高了人们生活质量,家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。
智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。
随着新技术和自动化的发展,传感器的使用数量越来越大,功能也越来越强,各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。
电话远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比,显示出一定的优越性,不需进行专门的布线,不占用无线电频率资源,避免了电磁污染。
同时,由于电话线路各地联网,可以充分利用现有的电话网,因此遥控距离可跨省市,甚至跨越国家。
另外电话属双工通信手段。
因此,这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。
操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息,从而进行进一步的操作。
电话遥控部分课题目前已有涉足者,但是只是还只限于实验室阶段,因而距离实际应用,尤其是对于日常生活尚有一定的差距,并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。
本设计正是针对这一点进行了较大改进,采取单片机智能控制,利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈,从而使操作者能够及时了解受控方信息,使产品达到交互式与智能化。
而且本设计的调试都是在线调试,已经在电信、铁通的交换机实验并且能够成功的使用移动电话进行操作。
短信息服务(ShortMessageService,SMS)是GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)系统中提供的一种GSM终端(手机)之间,通过服务中心(servicecenter)进行文本信息收发的应用服务,其中服务中心完成信息的存储和转发功能。
短信息服务作为GSM网络的一种基本业务,已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。
由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游,具有网络能力强的特点,用户无需另外组网,在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。
同时,他对用户的数量也没有限制,克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。
比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势,加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能,都使得这些应用得到迅速的普及。
利用GSM短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能,性能稳定,为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。
在此以GSM网络作为数据无线传输网络,它可以应用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力环境监控、通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护(如移动通信基站、微波站、光纤中继站等)及其他无人值守点(如仓库、办公楼等)监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站、自来水、污水管网和热力系统、电力系统城市中电网等情况中。
在此本系统采用了Siemens公司新一代无线通信GSM模块TC35是,它设计小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计。
图1.1-1智能家居控制系统示意图
1.2智能家居控制系统的概述
随着社会信息化的加快,人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。
信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时,也对传统的住宅提出了挑战,社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。
人们对家居的要求早已不只是物理空间,更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。
家居智能化技术起源于美国,它是以家为平台进行设计的。
智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台,计算机网络技术为技术平台,现场总线为应用操作平台,构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统,以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。
大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
1.3课题研究的目的及意义
智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。
利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统,有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。
与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。
还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具,提供全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部保持信息交换畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性,甚至为各种能源费用节约资金。
系统的网络化功能可以提供遥控、家电(空调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。
使生活更加舒适、便利和安全。
因智能家居控制系统布线简单、功能灵活,扩展容易而被人们广泛接受和应用。
1.4本课题研究思路和拟完成的任务
本设计将微控制器和GSM无线通信模块应用到远程红外报警系统的设计之中。
通过红外探测的方式实现报警信号的采集。
通过GSM无线通信模块实现远程报警。
系统正常工作时,当红外探测电路检测到有人入侵时,系统将在现场发出报警音响信号。
并将报警信息通过GSM无线通信模块传送到远程的用户手机上,从而实现远程的安防和报警。
同时用户可以通过手机,利用发送短信的方式对系统进行管理,例如变更信息发送的手机号码,修改管理密码,报警系统的确认和关闭,报警的启动等管理工作。
本文的第一部分将对运程红外报警系统的各个主要部分的方案进行论证和比较,并确定最终的总体设计方案。
第三部分将从红外探测电路设计、单片机最小系统设计、GSM无线通信电路设计、报警电路设计等多个方面对远程报警系统的硬件部分进行详细设计。
并给出各部分设计的电路原理图。
第四部分将对远程红外报警系统的软件部分进行详细设计。
主要包括TC35GSM模块的编程、单片机串行口的编程以及系统主程序流程的设计。
给出软件设计的流程图。
第五部分将进行系统的制作与调试。
主要包括硬件制作与调试、软件与联机调试。
最后,第六部分,将对本文的设计内容进行总结。
并提出设计目前存在的不做和改进的设想。
第二章相关理论基础
2.1智能家居系统概述
智能家居控制系统(英文smarthomecontrolsystems,简称SCS),是北京市博万特科技有限公司是以智能家居G-BUS系统一格智能为平台,家居电器及家电设备为主要控制对象,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统,提升家居智能、安全、便利、舒适,并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。
智能家居控制系统是智能家居核心,是智能家居控制功能实现的基础。
随着社会的进步和科学的发展,人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。
信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时,也对传统的住宅提出了挑战,社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。
人们对家居的要求早已不只是物理空间,更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。
家居智能化技术起源于美国,它是以家为平台进行设计的。
智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台,计算机网络技术为技术平台,现场总线为应用操作平台,构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统,以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。
大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
这里由于时间问题,就不做复杂的家居控制系统设计,对其中一项远程红外报警系统做主要设计。
目前,我们已基本上摆脱了“手持武器、瞪大眼睛”的人力机械防守手段,科技强兵、靠现代技术武装自己,提高安全防范的可靠性和效率,其中防盗报警系统是安防系统中应用最广泛的手段之一。
其独特的功能是其它安防手段所无法比拟的。
2.2报警系统的构成
报警系统是用物理方法或电子技术,自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为,产生报警信号,并提示值班人员发生报警的区域部位,显示可能采取对策的系统。
防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。
一旦发生突发事件,就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点,使于迅速采取应急措施。
防盗报警系统与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。
报警系统通常由探测器(又称防盗报警器)、传输通道和报警控制器三部分构成。
报警探测器是由传感器和信号处理组成的,用来探测入侵者入侵行为的,由电子和机械部件组成的装置,是防盗报警系统的关键,而传感器又是报警探测器的核心元件。
采用不同原理的传感器件,可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的报警探测装置。
1、报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。
2、报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。
3、报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。
除了以上区分以外,还有其他方式的划分。
在实际应用中,根据使用情况不同,合理选择不同防范类型的报警探测器,才能满足不同的安全防范要求。
报警探测器作为传感探测装置,用来探测入侵者的入侵行为及各种异常情况。
在各种各样的智能建筑和普通建筑物中需要安全防范的场所很多。
这些场所根据实际情况也有各种各样的安全防范目的和要求。
因此,就需要各种各样的报警探测器,以满足不同的安全防范要求。
根据实际现场环境和用户的安全防范要求,合理的选择和安装各种报警探测器,才能较好的达到安全防范的目的。
当选择和安装报警探测器不合适时,有可能出现安全防范的漏洞,达不到安全防范的严密性,给入侵者造成可乘之机,从而给安全防范工作带来不应有的损失。
报警探测器要求具有防拆动、防破坏功能。
当报警探测器受到破
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