张红叶,陈 燕,马春燕,赵杨竹雨，窦银科

(太原理工大学 a.信息工程学院,b.电气与动力工程学院,太原 030024)

智能家居生态与安防系统设计与实现

张红叶a,陈 燕b,马春燕b,赵杨竹雨b，窦银科b

(太原理工大学 a.信息工程学院,b.电气与动力工程学院,太原 030024)

研究并设计了一种智能家居生态与安防系统,采用C8051F020为主控制芯片,监测室内温度、湿度、光照强度、CO浓度、CO2浓度和甲醛浓度,同时监测门窗以及特殊环境的安防情况。将监测数据通过有线和无线通讯传输至上位机系统进行数据监控、显示和报警,实现家居生态及安防系统的智能控制。该系统结构设计简单,成本低,适合普通家居需求,便于推广使用。

智能家居;室内环境监测;LabVIEW

随着人们生活品质的不断提高,智能家居越来越受到青睐。智能家居是利用先进技术将与家居生活相关的子系统有机联系起来,对家居环境进行智能监测与控制,实现家居生活的智能化、信息化[1],为人们提供快捷高效、舒适安全、健康宜人的家居环境[2]。但是,目前市场上的智能家居产品费用极高,主要用于高档小区和别墅等,很难走入普通百姓的生活。笔者研究并设计了一种智能家居生态与安防系统,采用便宜常见的硬件搭建,结构设计简单,适合普通家庭使用。

1 系统整体结构设计

本系统包括智能家居生态系统和安防系统。智能家居生态系统采用单片机C8051F020为下位机主控制芯片,利用智能传感器检测室内环境指标参数,如温度、湿度、光照强度及CO浓度等,判断室内环境质量是否符合家居要求。根据检测和判断的结果,做出相应控制决策,并上传数据到基于LabVIEW的上位机系统界面进行数据监控、显示和报警。单片机C8051F020通过有线/无线方式对电机及传动装置发出指令,控制智能窗与智能窗帘的开启、闭合,改善室内生态环境质量。智能家居生态系统如图1所示。

图1 智能家居生态系统结构框图

智能家居安防系统是采用单片机C8051F020为下位机主控制芯片,通过热释电传感器、温度传感

器、CO传感器、烟雾传感器等,监测门、窗以及特殊环境的安全。如发现异常情况则进行报警,提醒业主或小区安保人员解决处理。通过终端设备联网将业主家中安防信息上传到小区的总监控室,并实时显示,发现事故隐患及时防范处理,实现整个小区的安防网络系统。智能家居安防系统如图2所示。

图2 智能家居安防系统结构框图

2 系统硬件设计

系统硬件选择便宜常见且应用成熟的芯片,采用模块化思想进行设计,便于推广,也容易被普通家庭所接受。

2.1 下位机主控制芯片

下位机主控制芯片为美国Cygnal公司生产的C8051F020。这款单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统,单片机含有64 kB片内Flash程序存储器,4 352 B的RAM、8个I/O端口、64根I/O线、一个8通道12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个两路12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。与以前的5l系列单片机相比,C8051F020具有内核流水线结构,速度更快,高度集成避免外扩,简化硬件电路,通信灵活等特点。其最突出的优点就是可通过设置交叉开关寄存器来控制片内数字资源并将其映射到外部I/O引脚,从而允许用户根据自己的特定需求,选择通用I/O端口和所需数字资源,使设计更加灵活。

2.2 智能家居生态系统参数测量模块

智能家居生态系统的环境参数测量模块主要包括温度、湿度、光照强度、CO浓度、CO2浓度、甲醛浓度的测量模块,系统传感器型号及参数见表1[3-7]。

表1 生态系统传感器型号及参数

2.3 智能家居安防系统各测量模块

智能家居安防系统主要包括热释电传感器检测和温度、烟雾、CO浓度的测量模块,系统传感器型号及参数见表2。

表2 安防系统传感器及参数

2.4 智能窗帘控制模块

智能家居生态系统的智能窗帘选用DOOYA公司生产的皮带式交流开合帘,采用220 V交流同步电动机DT52E作为动力,包括电子行程、内置遥控、电机、离合和减速装置等部分,具有电子行程限位和内置遥控功能、遇阻停止功能、轻触启动功能和第三行程点功能等。

图3 智能窗帘控制电路的硬件原理图

智能窗帘有两种控制方式:单片机直接控制和无线射频信号控制。单片机直接控制的电路如图3所示[8-9]。用4P4C水晶头线连接DT52E型电机中控弱电接口与P10接口,当需要开启智能窗帘时(数字式光照强度传感器TSL2561检测到室内的光照强度低于预先设定值,或定时开启时间到),C8051F020的引脚P6.3输出低电平,继电器线圈K1吸合,常开触点闭合,并点亮状态指示灯D22,连接导通正转线(黑色)和信号线(黄色),控制电机正转,开启窗帘。当引脚P6.4输出低电平,控制继电器连接导通反转线(红色)和信号线(黄色),电机反转,闭合窗帘。继电器线圈两端并接二极管IN4148,用于吸收反向电动势,起保护作用,防止反向电势击穿三极管及干扰其他电路。单片机直接控制方式接线简单,稳定可靠,且容易实现。

3 系统软件设计

3.1 下位机程序设计与实现

系统下位机程序采用C语言在Keil uVision3集成环境中编写、编译,通过SILICON LABORATORIES仿真器下载到C8051F020单片机中运行。系统下位机程序采用结构化设计方案,分为传感器信号采集、单片机数据处理、按键识别、液晶显示、通讯和电机控制等子程序。其中温度测量、显示并控制开启智能窗的程序流程图如图4所示。将DS18b20的I/O引脚与单片机C8051F020的P3.7引脚相连,实现温度传感器与单片机之间数据的交互操作。经过多次实验调试,验证系统的可行性。

图4 温度测量的程序流程图

3.2 上位机程序设计与实现

上位机人机交互界面采用虚拟仪器LabVIEW程序开发,实现对下位机环境参数数据和室内安全的实时监控、显示和报警。数值显示控件显示实时测量的温度值,温度波形图控件反映了室内环境温度的历史变化。下位机检测到环境参数的数据后发送到单片机C8051F020的串口。单片机C8051F020的串口与上位机PC机的串口通信通过RS-232总线实现[10], RX0和TX0引脚与PC交叉连接时通过电平转换芯片MAX232进行电平转换。上位机的串口通信程序的功能是将下位机传输过来的数据显示到前面板。

4 系统整体调试与结果分析

整个系统搭建完成后,在实验室进行了系统调试。按先部分再整体的思路,首先调试了下位机各传感器参数测量、按键识别、液晶显示及报警等程序,然后调试了上位机串口通信程序,最后进行上位机和下位机联调。

用户能够通过上位机LabVIEW软件随时查看系统历史数据,存储、打印测量结果。在调试过程中进行了大量的实验并测量了多组数据。每天上午9：00左右监测实验室环境参数,连续测量了一周,测量结果见表3。测量结果表明,智能家居生态系统能够实时监测数据,为调节改善室内环境参数提供实时准确的依据。

表3 室内环境参数测量结果

5 结束语

设计了一种智能家居生态环境与安防系统,详细阐述了整个控制系统的硬件组成和软件设计。系统采用单片机C8051F020为下位机主控芯片,LabVIEW为上位机平台监测整个家居系统。经调试运行,系统实现了对温度、湿度、光照强度、CO浓度、CO2浓度和甲醛浓度的监测、显示与报警,能够监测门、窗以及特殊环境安防情况,控制智能窗和智能窗帘,为人们的家居生活提供健康舒适、安全放心的环境。通过家中的电脑等终端设备联网远程监控,随时随地了解家中的一切信息。

[1] 高小平.中国智能家居的现状及发展趋势[J].低压电器,2005,4:18-21.

[2] Anbarasi A,Ishwarya M.Design and Implementation of Smart Home Using Sensor Network,Optical Imaging Sensor and Security (ICOSS)∥2013 International Conference on,2013,1(6):2-3.

[3] 吕红海.基于Android的智能家居无线控制系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学,2012.

[4] Zhao A J,Wu M.A Design for Electric Heating Thermostat System Based on ZigBee in Intelligent Building[C]∥Applied Mechanics and Materials,2014,587:265-268.

[5] 朱 理.基于单片机的光电能量转换数据采集系统设计[J].计算机测量与控制,2009,12:2558-2561.[6] Tang E,Chen F,Zhu Q.Emerging Technologies for Information Systems,Computing,and Management[M].New York:Springer,2013:125-132.

[7] 安锡颖.LED路灯无线智能控制系统设计[D].武汉：华中科技大学,2009.

[8] 孙 健.智能家居电动窗帘的设计与实现[J].机械工程与自动化,2012,2:133-135.

[9] 车小伟.基于ARM9的模块化智能家居控制系统设计[D].成都：西南交通大学,2013.

[10] 李江全,刘恩博,胡 蓉,等.LabVIEW虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战[M].北京:人民邮电出版社,2010.

(编辑：刘笑达)

The Design of Ecology and Security System for Smart Home

ZHANG Hongyea,CHEN Yanb,MA Chunyanb，ZHAO Yangzhuyub,DOU Yinkeb

(a.CollegeofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;b.CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

A kind of ecology and security system for smart home has been researched and designed to monitor indoor temperature, humidity, light intensity, CO concentration, CO2concentration and formaldehyde concentration.The security of doors and windows as well as the special circumstances is monitored at the same time. The acquired data is uploaded to the system in the host computer for data monitoring, displaying and alarming through wired and wireless communications and the smart control of ecology and security system for home is implemented. The design of the system’s structure is simple and the cost is low, so it’s very suitable for the ordinary home and easy to promote.

smart home;indoor environment monitoring;LabVIEW

1007-9432(2015)04-0448-03

2014-12-07

纵向国家级项目：南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE2015-02-02)

张红叶(1987- )，女，河北唐山人，硕士生，主要从事传感器与智能控制研究，(Tel)13233697702

陈燕,女，博士，(Tel)13593182148

TP212.9

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.017