基于gsm技术的智能家居远程无线监测系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于gsm技术的智能家居远程无线监测系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

M 标准协议，根据其基本性能和主要结构，设计一个使用 SIM900A 的 GSM 模块进行短消息发送远程故障的报告系统。 如果室内的某项监控数据出现异常变化，经过单片机处理后，由SIM900A 的 GSM 模块直接发送报警短信息到特定用户的移动终端上，显示环境异常的信息或环境的实时数据 [5]。 该系统利用 GSM 移动通信网络的短消息业务快速性、稳定性和相对低廉的费用，可以很好的嵌入到一个大型的家居环境监控系统和无人值守的系统中，这些系统能够满足客户所需要的高可靠性，及时性和易用性，以及性能稳定，具有很高的性价比 [6]。 所选用的 SIM900A 模块如图 27 所示。 液晶 显示 模块的 选择 方案一： 人机交互界面在每个系统中都有很重要的作用， LCD12864 液晶 显示就天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 7 是一种常见的 人机界面显示 方式， LCD12864 的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来， LCD12864 液晶屏 与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。 并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是 IO 资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其 IO 资源占用较少，对显示速度要求不 高的场合可以选用串行方式连接 [7]。 并且 LCD12864 液晶屏 的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。 方案二：选用 数码管对数据显示。 数码管一般都是七段数码管，分为共阴极数码管和共阳极数码管，其编程方式采用循环扫描将不同的数据和变量在数码管上显示出来，数码管的市场价格相对便宜，而且编程简单，但是该模块只能显示简单的英文字母和阿拉伯数字，其显示效果相对较差，并且外围电路的搭建较为复杂，需要配合74HC595 等类型的锁存器使用，较为复杂 [8]。 但是数码管的显示对单片机的初 学者能起到很好的编程思路学习，但是本系统设计要求较高，不适应用数码管进行显示。 经过对系统分析，最终选择方案一作为本系统的人机交互显示方式的模块。 LCD12864 液晶显示器图 28 所示。 图 27 SIM900A 模块 图 28 LCD12864 液晶显示器 报警模块的 选择 在系统中，声光报警的作用是进行听觉和视觉的双重感官提醒，因此在设计过程中必须考虑到警报灯的颜色对人眼的视觉刺激程度。 在日常生活中，各种常见的 LED照明都 有自己的亮度和意义，往往采用绿色表示正常，黄色代表提示，红色则表示错误警告，因此从人们的习惯出发，用红色的 LED 发光二极管当作灯光报警。 红色发天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 8 光 LED 实物图如图 29 所示。 声音报警在设计是要求可以在一定范围内听到警报声，为了减少制作成本，使用蜂鸣器来进行设计。 蜂鸣器只需要经过驱动电路便可以发出声音，并且可以通过改变控制信号的频率，使发出的声音产生不同的声波，报警不同频率的声音可以被用来区分警报信号的类型。 蜂鸣器实物如图如图 210 所示。 图 29 红色发光 LED 实物 图 210 蜂鸣器实物 天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 9 第 3 章 系统模块的电路设计 单片机电路设计 此次设计的芯片采用的是 STM32F103C8T6 单片机，由于 STM32 系列基于ARM CortexM3 内核的高性能单片机，其工作频率高达 72MHz，芯片内部集成有高速存储器，丰富的 I/O 接口 [9]。 内部包括多路 ADC 接口、串口、中断定时器、硬件 SPI、CAN 通信以及外部中断等多种资源接口。 STM32F103C8T6 单片机的温度工作范围很宽，能够在零下 40 摄氏度到零上 105 摄氏度的范围里面正常工作。 并且该单片机的工作电压一般在 左右就能正常工作，其功耗非常低，因此能够很好的嵌入到大部分系统中 [7]。 本课题选用的单片机最小系统原理图如图 31 所示。 图 31 STM32F103C8T6 最小系统 原理图 温湿度传感器电路设计 DHT11 传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。 为了确保该传感器的可靠性和稳定性，器内部采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术。 该传感器采用单总线天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 10 的数据传输方式，并 且其体积小，功耗低，传输距离能达到 20 米以上，能够很好的与单片机进行连接嵌入到系统中。 DHT11 温湿度传感器的湿度检测范围是 20％ ~90％RH； 177。 5％ RH 的测量精度；温度检测的范围是 0~50℃ ， 177。 2℃ 的测量精度，其额定供电电压在 至 均可，供电范围较宽，响应时间短，最长不超过 5 秒， DHT11温度传感器有 4 个外接引脚，给传感器上电后，需要经过一秒钟左右的预热时间，因为刚上电会有一个不稳定过程，所以在这段时间内控制器不需要发送任何指令个传感器。 DHT11 实物如图 32 所示。 图 32 的三个引脚中有两 个是电源引脚，有一个是输出数据的引脚，只需要给模块供上额定的电压，然后就可以通过单片机的某个 IO 口从 DHT11 的输出引脚采集到所需要的温湿度数据。 DHT11 是数字式的温湿度传感器，所以其 DATA 端可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度数据，由于 DHT11 是通过单总线的通信方式进行检测数据的输出，所以仅需将 CPU 的一个 IO 接口与 DHT11 的 DATA 端连接在一起就能够进行实时温湿度数据的采集了，为了保证接收数据的稳定性和正确性一般都会在 DHT11 的输出端与单片机的连接处焊接一个 5K的上拉电阻，该电路的设计相对于其他电路来说比较简单 [10]。 DHT11 传感器典型应用电路如图 33 所示： 图 32 DHT11 实物图 图 33 DHT11 传感器典型应用电路 烟雾传感器电路设计 烟雾传感器在工作时，内部的加热丝会产生大量的热量，因此需要较大的工作电流，因此对供电电源有一定的要求，至少应该使用电流在 1A 以上的电源。 MQ2 在测量时，输出的电阻值会随着空气中烟雾和可燃气体浓度的改变而发生变化。 外部使用电位器来检测阀值，电压信号经过调整以后送到 后面一级，经过由 LM393 组成的比较器进行比较，最终将得到的模拟量电压信号输出，以便控制器对其进行数据的收集与处理。 MQ2 模块与单片机的电路连接如图 35 所示 [11]。 VCCDATAGNDNCDATA5 KVCC VCCGNDDHT 11C P U天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 11 图 35 MQ2 模块与单片机连接电路图 震动传感器模块 设计 SW420 为常闭式振动传感器采用了比较器输出，波形好，信号稳定，有较强的驱动能力，电流大于 15mA。 如果没有震动时，振动开关处于导通状态，输出低电平，绿色的指示灯点亮；有震动时，振动开关断开，输出高电平，绿灯不亮。 输出可直接连接到单片机，由单片机 来检测电平的高低，从而检测有无振动，发出震感报警信号。 SW420 与单片机连接的电路原理图如图 36 所示。 图 36 SW420 震动传感器与单片机连接电路图 GSM 无线通讯模块 设计 单片机与 SIM900A 模块的连接和控制主要是通过串口进行控制。 SIM900A 的串口提供了很多控制线，这样就会使得接口变得非常复杂。 为了使设计简单化，采用串口的方式与单片机连接，这样仅需要三根线即可实现单片机与 SIM900A 模块之间的通信，即发送线 TXD，接收线 RXD，地线 GND 三根线。 通过 SIM900A模块发送短信息需要单片机通过串口发送相应的指令才能实现， SIM900A 模块的控制指令采用简单的 AT 指令即可实现短信息和电话功能，在本设计中主要使用了模块的短信息功能，短信息功能有分为 Text 模式和 PDU 模式，两种短信息模式在发送指令上有部分天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 12 差别，根据不同的功能需要，在本设计系统中两种模式均涉及。 本设计选用 SIM900A模块作为系统的 GSM 通讯模块，主要考虑其功耗低，运行稳定且体积较小，安装较为方便等优点。 SIM900A 模块的与单片机的的连接需要经过 RS232 电平转换芯片，电路连接如图 37 所示 [12]。 图 37 SIM900A 模块与单片机连接电路图 显示电路设计 在本系统中 LCD12864 液晶 显示 用于显示 当前的日期时间、系统周围的温湿度、烟雾浓度及雨量检测数据。 LCD12864 的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来，LCD12864 液晶屏 与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。 并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是 IO 资源占 用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其 IO 资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接。 并且LCD12864 液晶屏 的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。 虽然 本系统中单片机接口资源丰富， 但是考虑减轻电路焊接的工作量， 所以采用 串 行传输的方式与 LCD12864 液晶显示屏连接通讯。 LCD12864液晶显示屏 电路连接 如图 38 所 示。 天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 13 图 38 液晶显示电路 蜂鸣语音报警模块及模拟继电器 LED 指示模块 由于蜂 鸣器是直流电压驱动器件，只需要给蜂鸣器供上额定的电压就能驱动蜂鸣器发出响声。 单片机驱动蜂鸣器有两种方式：一种是通过单片机输出 PWM 直接对蜂鸣器进行驱动，另一种是通过单片机的 IO 电平翻转产生不同的驱动波形对蜂鸣器进行驱动 [13]。 因为蜂鸣器的工作电流比较大，所以无法直接通过单片机的 IO 口进行驱动，一般需要通过放大电路才能驱动蜂鸣器发出声响。 驱动电路如图 39 所示。 LED 报警指示功能的驱动电流和驱动方式较为简单，可以通过单片机的 IO 直接驱动。 报警驱动电路如图 39 所示。 图 39 报警驱动 电路 天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 14 电源驱动模块 电源适配器能够很好的输出较为平稳的直流电压，其输出电流也相对稳定，并且电源适配器有塑料外壳能够起到电源芯片的防尘和防爆作用，其内部电路的功耗较低，稳定性也相对比较好，携带也比较方便。 电源 适配器 一般都具有 多种自我 保护功能，使用更加安全可靠。 此处我们选用 5V1A 的直流输出型电源适配器作为电源驱动模块。 这种电源驱动模块安全可靠、运行稳定、工作效率高，并且适配器内部还设计了过流保护，这样就使得整个系统更加稳定。 在该系统中还需要提供 的电压作为单片机系统的供电电压，因此还需要设计 5V 转 的稳压整流电路，系统选择 稳压 芯片， 通过该稳压芯片的内部整流和稳压电路对输出电压进行精确的降压，保证控制系统电压的稳定性。 电源 5V 转 驱动电路图如图 310 所示。 图 310 电源 5V 转 驱动电路 天津职 业技术师范大学 201 届本科生毕业设计 15 第 4 章系统软件设计 系统总体软件设计 系统主程序设计中，防止不同功能函数之间的运行冲突，造成不合理的运行结果，主函数对各子函数的合理调用非常关键，在本设计中主函数的运行主要包括初始化所有函数、配置寄存器、传感器数据读取函数、采集数据运算函数、 LCD 显示函数、扫描报警中断函数。 主程序工作流程如图 41 所示。 图 41 主程序工作 流程图 各传感器模块软件设计 温湿度传感器检测的软件设计 为了确保通信数据接收的稳定性和准确性，对于 DHT11 温 湿 度检测 传感器 软件设计的测温原理 必须 遵循 标准 的单总线 通信 协议，单片机通过 标准的 时序写入和读出。