1、智能家居报警系统设计物联网实训设计报告word版前言以智能中控主机为核心，采用国际领先的室内无线组网技术，实现门禁、空调、地暖、灯光、热水器、家庭影院、窗帘、各类报警器等家庭电子设备与控制主机之间的通讯组网，用户可以通过手机、座机、遥控面板以及互联网通信终端等方式，一键搞定所有家电设备，随时了解家中的实时信息，远程完成对家里各项设备的控制。只要手指轻轻一触，家里所有电器都可以通过用手机平板电脑或者遥控面板一键操控，轻松对家居中的灯光、电视、空调、窗帘、摄像头等进行实时查看与控制，让你提前享受未来生活，一切变化尽在你的指尖！1.总体设计方案1.1 基于GSM安全系统简介GSM安全系统是基于移动通
2、信网络的监控报警技术，彻底解决了普通防盗器、监控器无法解决的远程报警和易于破解的难题。利用通信加密技术，让用户的家居安全无忧，是继单向防盗器、双向防盗器后的新一代防盗产品。GSM智能防盗器，是利用最新材料技术、最新信息技术、最新人工智能设计让防盗器具备智慧灵魂，使人与财产的安全保障突破时空限制。在性能上必须要在各种情况条件下的高可靠性，在功能上必须既要让用户有不可破解的最高安全等级，又要让用户操作方便，甚至系统为用户自动服务。GSM网络智能防盗器符合全能的防盗技术特点：及时通知：全球范围最高安全：杜绝解码操作方便：手动自动实用功能：防盗防火GSM防盗被喻为继第一代机械锁，第二代电子式防盗锁，第
3、三代芯片式数码防盗器，第四代GPS防盗之后的第五代防盗器。本系统充分运用GSM移动通讯网络，结合数字通讯技术，实现对家居进行状态监控、调度、防盗报警、防火报警等功能。GSM网络防盗主要是突破了无距离的限制。无服务费、无月租、房屋遇到入侵，5秒钟通知到户主，户主可以第一时间制止盗窃行为的发生，防止火灾蔓延。1.2 基于GSM安全系统现状与发展趋势城市规模迅速扩大，外来人口大量涌入，使本来就复杂的城市管理更加复杂。家庭被盗，住户被抢，常有发生。对此，公安部门虽作了大量投入，仍不尽人意。其原因大体是：（1）有的家庭被盗，损失数目极少，公安部门没有用常规的方法立案侦察。（2）有的住户虽然损失严重，但法
4、律意识浅薄，不能将当时的情况和线索作一个明确的表述，自然增加了破案难度。（3）作案人诡计多端，狡猾、飘忽不定，没有固定的着落和去处。（4）公安部门时时有很多大案要案要办，使破案周期变长，破案率下降。综上所述，GSM家庭防盗系统是一个尖端科技的安防产品，性能可靠操作简单，具有深远的发展意义。2.设计正文随着生活水平的提高，提别是物质生活水平的不断提高，人们对自己的个人安全和家庭财产安全越来越重视，安全已成为一种市场需求；同时经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加，给家庭防控增加了新的难题和提出了新的课题，传统的人防物防的形式已难以适应社会形式发展的需求。科学技术的进步和普遍应用，进一步同动了
5、智能化家庭的建设步伐，家庭安全技术防范系统已经从本地向远程监控发展，从社会的周边防范向家庭内部防控逐渐靠拢，家庭防盗报警系统在人们对美好生活的追求中迅速崛起。一个完善的职能家庭，具有便捷、安全、舒适、高档的生活环境，确保每一个家庭住户的声明财产安全，是建设本系统的最大意义和根本目的。GSM模块将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。目前，
6、GSM模块依然在广泛的工业应用领域使用，在更行各业都能看到GSM模块应用的产品。例如，在车载监控领域，使用GSM模块将车辆行驶的GPS数据传输到车辆管理中心；在电力、水务系统，通过GSM模块实现了远程智能抄表，可以实时监控用户的用电和用水量；在测绘行业，为很多偏僻的测绘点安装了GSM模块实现了实时的监控，不必再人工收集数据；在家庭，可以安装无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警；在国外，很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集成了GSM模块。可以说，随着GSM的网络建设的完善，GSM模块的应用范围也越来越广。通过手机终端接收报警短信，并且可以发
7、送命令短信异地遥控系统实现各种操作。利用各种传感器对可能出现的煤气泄露、火灾、家中门窗被打开并有人闯入等意外情况进行，并通过短信发送特定报警信息于预先设定好的手机号码，通知事主做出相应措施。通过GSM 网络，即使远在千里之外也能对家中发生的各种突发意外情况了如指掌，使生活更安全更智能。 2.1 基于GSM的安全系统简介GSM安全系统是基于移动通信网络的监控报警技术，彻底解决了普通防盗器、监控器无法解决的远程报警和易于破解的难题。利用通信加密技术，让用户的家居安全无忧，是继单向防盗器、双向防盗器后的新一代防盗产品。GSM智能防盗器，是利用最新材料技术、最新信息技术、最新人工智能设计让防盗器具备智
8、慧灵魂，使人与财产的安全保障突破时空限制。在性能上必须要在各种情况条件下的高可靠性，在功能上必须既要让用户有不可破解的最高安全等级，又要让用户操作方便，甚至系统为用户自动服务，系统设计如图1图1 系统设计图2.1 单片机控制模块单片机控制模块主要采用STC89C52单片机作为主控制芯片。STC89C52作为普通51单片机已广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大。 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使S
9、TC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚图如图2所示。图2 STC89C52引脚图2.2 传感器模块传感器模块主要由
10、红外传感式集发射接收于一体的ITR9909。这是一种光电开关。光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。2.3 GSM模块GSM模块主要采用SIEMENS公司的TC35模块，通过串口接入电路与单片机控制模块相连，主要负责实现远距离报警的功能。采用GSM的短信功能，可以使某些控制达到“零距离”。由于短信息的费用低廉，可以取代传统的无线遥控。因此本系统采用单片机控制GSM模
11、块发送GSM短信，实现远距离报警的功能。TC35模块是SIEMENS公司为嵌入式设备设计的GSM双频通讯核心模块，TC35T内含TC35/SIM卡座/电源/天线/RS232接口，是可独立使用的通讯终端。TC35支持标准的AT命令集，通过AT指令可实现发送短信功能。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4K、4.8K、9.6K的非透明模式。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数
12、字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。设置以下AT指令，GSM模块可以发送短消息：AT+CMGF=1回车(采用文本格式发送，如用PDU格式，则AT+CMGF=0)AT+CMGS=“+8613xxxxxxxxx”回车输入短消息。Crtl+Z结束并发送。2.4 存储器模块为了实现对密码的存储，防止不法分子切断电源造成密码丢失，本系统采用了AT24C02存储器对密码进行存储。AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节。内部有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02支持I2
13、C总线数据传送协议。I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式。 AT24C02通过8个引脚实现数据的存储功能，其引脚图如下图3所示。图3AT24C02引脚图2.5 液晶键盘模块液晶键盘模块主要由4*4矩阵键盘和LCD1602液晶显示器组成。4*4矩阵键盘主要提供用户操作输入功能，是实现人机通信的主要控制部分；LCD1602液晶显示器主要负责显示系统信息，协助用户操作系统。下面分别简单介绍矩阵键盘和LCD16
14、02液晶显示器的性能和工作原理。2.5.1 LCD1602液晶显示器LCD1602是一种字符型液晶显示模块，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式的LCD。该液晶显示器使用方便，功耗小，因此本系统采用LCD1602作为系统的显示部分。LCD1602包括4种工作状态，通过MCU设置RS、RW和E值，可使液晶工作在不同的状态。读状态：输入：RS0，RW1，E1输出：D0D7状态字写指令：输入：RS0，RW0，D0D7=指令码，E高脉冲输出：无读数据：输入：RS1，RW1，E1输出：D0D7=数据写数据：输入：RS0，RW1，E1输出：无2.5.2 4*4矩阵键盘在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直
15、线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，从而节省I/O资源，因此在本设计中采用4*4矩阵键盘。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。3.硬件设计3.1 系统硬件电路设计系统硬件电路主要由单片机控制模块电路、报
16、警模块电路、GSM模块电路、存储器模块电路、液晶键盘模块电路和传感器模块电路组成。系统硬件电路如图4所示。图4 系统电路图3.2 单片机控制模块电路设计单片机电路主要包括晶振电路、复位电路、P0口的上拉电阻等组成，电路如图7所示。接口P3为单片机P0引脚的上拉电阻，接口P2为矩阵键盘的接入口。在晶振电路中，晶振频率选为11.0592MHz，原因是使初值为整数，从而产生精确的波特率，如图5 图5 单片机控制模块电路图3.3 传感器模块电路设计在本设计中，为了提高传感器的精确度和方便性，传感器都通过引线连接到相应的接口上，而非直接焊接到电路板上。由于传感器的信号为弱电平信号，容易造成单片机的误操作
17、。为保证系统具有较高的灵敏度，故加入由LM324组成的放大电路，电路如图8所示。接口P6为烟雾传感器的接口；接口P7为人体感应传感器的接口。通过分别调整可变电阻R2和R7，可以改变烟雾传感器和人体感应传感器信号的放大倍数。由于单片机的中断方式为低电平中断，所以经放大器放大后的信号要先接入反相器，才能再连接到单片机的中断引脚上如图6。图6 传感器模块电路图3.4 报警模块电路设计由于单片机STC89C52提供的工作电流只有20mA，而蜂鸣器正常工作电流一般比较大，片机的I/O口是无法直接驱动的，因此需要一个外部的驱动电路，提供正常工作所需要的电流。报警模块电路图如图7所示，在该电路中，speak
18、er连接在单片机引脚上，接口P4为蜂鸣器，晶体管工作在饱和状态，相当于一个开关。图7 报警模块电路图3.5 GSM模块接口电路设计GSM模块的工作主要由单片机通过串口将AT指令发送到GSM模块。串口电路主要由芯片MAX232进行电平转换，实现串口电压与单片机电压的转换，确保双方可以相互通信，电路如图8所示。单片机的TXD引脚接到MAX232的T2IN引脚，单片机的RXD引脚接到MAX232的T2OUT引脚。图8GSM模块接口电路图3.6 存储器模块电路设计存储器模块电路主要由芯片AT24C02构成，存储器模块电路图如图9所示。在本设计中，只有一个AT24C02被总线寻址这三个地址，故输入脚A0
19、 A1 A2 可悬空或连接到Vss。串行时钟SCL和串行数据/地址引脚SDA分别接到单片机引脚P3.6和P3.7上，通过单片机编程控制存储器的读写。图9存储器模块电路图3.7 液晶模块电路设计液晶模块电路如图10所示。可调电阻R1调节液晶偏压，RS、RW和EN分别接到单片机的P0.5、P0.6、P0.7引脚，通过单片机按相应时序编程控制液晶显示。Data0Data7为液晶数据位，接到单片机P2引脚。图10 液晶模块电路图3.8 PCB板设计在本设计中，硬件部分采用PCB板制作。首先，利用Protel DXP软件绘制电路图并生成PCB板，利用人工布局，对PCB图进行布线。如果使用自动布线，很容易
20、出现飞线或者布线错误。所以在布线时，应该先使用自动布线，然后再手动布线，对部分线路进行修改。在布线过程中，调整元器件的位置和方向，可以改善电路板布线，减少飞线。生成的PCB图如图11所示。图11 PCB板图焊接时，需要特别注意避免造成短路。相距很近的引线要用万用表测量是否存在通路，若通过可能会造成短路等严重的后果。电器元件焊接中应避免烫坏元件.4.软件设计该系统主要实现的功能是：输入密码，密码正确则进入系统。当输入密码错误次数小于3次时，可以重新输入。当错误次数达到3次，系统便进入自锁状态并通过GSM发送短信通知用户。成功进入系统后可以选择不同的功能：开门、修改系统密码和开启报警系统。选择开门
21、功能。则开门的指示灯会亮。选择修改系统密码功能，则按照系统指引输入旧密码、新密码和重复新密码。若输入的密码都正确，则修改密码成功。若输入的密码错误，则需要重新输入，当错误次数达到3次时，系统也会进入自锁状态和通过GSM发送短信通知用户。选择开启报警功能，烟雾传感器和红外热释能传感器便开始工作，一旦检测到信号，报警音响并通过GSM发送短信通知用户。若需要关闭报警功能，只要按关闭报警的按键，并正确输入密码后，报警功能就会关闭。主程序流程图如图17所示。4.1 传感器模块软件设计在本系统中，LCD1602液晶显示是通过调用void display(uchar pos,uchar *q)函数实现的，其
22、流程图如图12所示。在void display(uchar pos,uchar *q)函数中，pos是写入的位置，q指向要写入的数据所在的数组。该函数主要调用lcd_wcmd()，lcd_pos()两个函数，先写显示地址，后写显示数据。单片机P2口接LCD1602的数据引脚，P05、P06、P07分别接LCD1602的RS、RW、EP引脚，通过单片机控制液晶显示图12 流程图在本系统中，键盘的软件实现通过分时扫描、键盘编码的形式来实现，其流程图如图13所示。P1口低4位作为键盘的行，高4位作为键盘的列。P1口低4位先循环输出0，单片机扫描P1口高4位。如果有键按下，P1口高4位不会全为1。如果
23、读取不到P1口的值，比如是干扰，则不做键值处理，返回继续循环下次。图13主程序流程图4.2 GSM模块软件设计在本系统中，GSM模块软件设计是通过串口发送AT指令给GSM模块来实现发送短信的功能，其流程图如图14所示。首先串口发送字符串“AT+CMGF=1r”给GSM模块，设置短信为TXT模式；然后发送“AT+CMGS=13760727792r”，设置收信方的手机号码；接着将待发送短信的内容发给GSM模块；最后发送十六进制的0x1A（回车）确认发送，这样就能通过GSM模块最终实现报警通知用户的功能。程序见附录。图14 短信发送流程图在GSM模块和单片机的串行通信中，选用定时器T1在工作方式2设
24、定波特率为9600，其初值计算公式如下：已知为11.00592MHz，设波特率控制位SMOD=0，则有故在程序设计时，定时器初值设置为0xFD。4.3 存储器模块软件设计在本系统中，AT24C02的存储功能主要是通过I2C总线来实现串行读写，其流程图如图15所示。I2C总线在写入和读取一个8位二进制数时，总是高位在前低位在后。在读函数_24C02Read(unsigned char l_address)中，先向I2C总线发出读取24C02的写地址，在完成I2C串口协议后，写入24C02的读地址，再读取存储器对应位置的数据。在写函数_24C02Write(unsigned char dat，un
25、signed char l_address)中，先向总线发出写24C02的地址，在完成I2C串口协议后，写入24C02的写地址，然后写入数据。程序见附录。图15 AT24C02读写流程图4.4 液晶键盘模块软件设计在本系统中，LCD1602液晶显示是通过调用void display(uchar pos,uchar *q)函数实现的，其流程图如图16所示。在void display(uchar pos,uchar *q)函数中，pos是写入的位置，q指向要写入的数据所在的数组。该函数主要调用lcd_wcmd()，lcd_pos()两个函数，先写显示地址，后写显示数据。单片机P2口接LCD1602
26、的数据引脚，P05、P06、P07分别接LCD1602的RS、RW、EP引脚，通过单片机控制液晶显示。程序见附录。图16 LCD1602显示流程图在本系统中，键盘的软件实现通过分时扫描、键盘编码的形式来实现，其流程图如图17所示。P1口低4位作为键盘的行，高4位作为键盘的列。P1口低4位先循环输出0，单片机扫描P1口高4位。如果有键按下，P1口高4位不会全为1。读取P1口的值，查表获得相应的16进制值存放l_key变量中，退出循环。如果读取不到P1口的值，比如是干扰，则不做键值处理，返回继续循环下次。程序见附录。图17 键盘扫描流程图4.5 密码锁软件设计在本系统中，密码锁的软件实现是通过比较
27、输入密码值和实际密码值是否一样来进行的，其流程图如图18所示。如果密码正确，则进入下一步操作。如果密码错误，则需要重新输入密码，直到密码正确为止。每输错一次密码，错误次数记录变量times就会加1。一旦times增加到3，则调用GSM程序发短信，并且系统进入死锁状态。程序见附录。图18 密码锁设置流程图5.调试与结果电路板焊接成功后就可以进行调试，在调试之前，应先将已编好的程序下载到芯片STC89C52。编写好程序后，将文件加载到工程中，然后“build”，生成“*.hex”文件，将AT89S52芯片插到下载开发板中，然后打开下载软件，通过它导入“*.hex”运行编译，载入到芯片即可。5.1
28、密码锁调试系统上电后，液晶显示“Please input the password:”字样，如图24所示。2秒后，系统进入输入状态，此时可通过键盘输入6位密码。在输入状态，当输入错误时，可通过键盘上的“Delect”键删除错误位。当输入完成以后，按“Enter”键确认输入。若输入的密码正确，则进入操作系统，液晶显示“Please press the function key”字样，此时可通过按不同的功能键选择不同的功能。若输入的密码错误，蜂鸣器长鸣同时液晶显示“Error!”，如图26所示。若错误次数小于3次，2秒后可重新输入密码。若错误次数达到三次，系统进入死锁状态，液晶显示“Try it
29、tomorrow!”，并通过GSM模块发送短信通知用户，5.2 开门功能调试在进入操作系统后，按“Open”键进入开门功能。此时，开门灯亮，液晶显示“Open the door.”。5.3 修改密码功能调试在进入操作系统后，按“Change”键进入修改密码功能。按照液晶指示“Input old password”，输入旧密码；然后提示“Input new password”，输入新密码；最后在提示“Input it again!”后重复输入新密码。若输入的密码都正确，则修改密码成功，显示“Establishes successful!”，如图28所示。若密码有一次错误，则需要从输入旧密码开始重
30、新操作，当错误次数达到3次时，系统也会进入死锁状态。5.4 报警功能调试在进入操作系统后，按“Alarm”键进入开启报警功能，此时液晶显示“System startup.”。当烟雾传感器检测到烟雾时，启动中断程序，蜂鸣器报警，液晶显示“Alarm!”和“On fire!”，并通过GSM发送短信通知用户， 当红外热释能传感器检测到人体时，启动中断程序，蜂鸣器报警，液晶显示“Alarm!”和“Steal!”，并通过GSM发送短信通知用户。5.5 调试存在问题整个设计的难点在于调试方面，因此在调试中也遇到了很多问题，但经过查看资料和细心分析后，最终都能顺利解决。下面总结以下调试过程中出现的问题及解决
31、方法。在制板过程中，难免会出现各种差错而导致电路短路或断路等现象。为避免此类情况的发生影响调试结果，在调试前，先用万用表二极管档将电路板的线路都测一下，确保电路正常。调试过程首先验证LCD1602能否正常运行。先编写简单的LCD1602显示程序，然后通过串口下载HEX格式文件到单片机。上电后，液晶只亮但没有显示，初步怀疑是RS、RW和E控制位设置错误。但通过万用表测试控制引脚电平跳变情况，发现正常，故排除该可能。最后经过反复检查，发现原来是因为单片机P2引脚为倒序排列，在画板图时没有留意，导致接错数据引脚。采用飞线修改后，LCD1602能正常显示。在设计程序时，考虑到存储器AT24C02全新时
32、存储内容为0，此时才写入初始化密码。但经过验证，该设想不实际，故直接写入初始化密码。在设计功能选择时，采用按键获得键值，再根据键值选择不同功能函数的方式来实现的。在调试时，出现第一次按键有反应，之后都没有反应的现象。经过仔细分析后得知，在每次按键后，程序跳入不同功能函数时要将键值重设初值0xFF，否则会进入死循环。调试过程遇到的最大难题是中断问题。刚开始时，传感器没有检测到信号，但单片机却运行中断程序。通过万用表测试中断引脚，发现电平正常。试过更换单片机芯片和将中断引脚接地，问题依然存在。最后使用示波器测试中断引脚，发现存在干扰信号，使得单片机出现误中断现象。故在程序中加入延时检测中断信号部分后，干扰信号被排除掉，中断正常。编程
