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1、目录1 设计背景及概述21.1 研究目的和意义21.2 应用背景21.3 社会效益与经济效益32 项目设计原理42.1 原理概述42.2 硬件设计原理42.3 设计框图122.4 软件设计原理及思想123 操作流程、实验调试过程133.1 操作流程133.2 实验调试过程134 实验中出现的问题及解决情况135 附程序源代码参数设计146 设计达到的目标及参数157 完成情况及结果158 设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会159 参考文献171 设计背景及概述 1.1 研究目的和意义随着社会的发展，生产技术的更新，物联网理念如今已经逐渐深入人心，并随着传感器技术、通信技术和物联网技术的发
2、展逐渐触及社会的每一个角落。一个智能化的控制系统，不仅能够帮助家庭与外部保持信息交流畅通，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。1 但很少有将这种物联网技术应用于大学生宿舍。然而，随着各大高校的扩张，在校大学生的人数越来越多，学生宿舍的不稳定因素因素也越来越多，在当代社会信息化、智能化快速发展的背景下，基于这些因素，设计了“智慧宿舍”系统来对学生宿舍经行管理是有现实意义的。1.2 应用背景自从1984年后，美国、欧洲等经济发达的西方国家和部分电子行业先进的东南亚国家，看到了智能家居存在的巨大的潜在市场价值后，纷纷投入人力物力进行相关研究。由
3、于西方等国家的经济实力和科学技术当时走在世界前列，他们在这方面的研究也相对深入。人工智能是人类发展进步的重要环节，还在很早的时候，人们就开始在文学作品和影视作品中幻想着先进的智能控制技术，例如熟知的巧啦梦和变形金刚等，机器人和智能家居都是人工智能研究的重要方向，其目的都是为了极大的方便人类的生活，增强社会生产力，促进化会发展。由于西方等国家的经济实力和科学技术当时走在世界前列，他们在这方面的研究也相对深入。特别是1998年在新加坡举办的亚洲电器与电子消费品博览会上推出的未来之家智能家居系统深受用户的好评，当时的功能已经包括：抄表、部分家电控制、电话接入、智能布线箱等，这个成功的案例为智能家居研
4、究人员指明了方向，也初步定义了智能家居的功能需求。当然随着科学技术的不断发展，人们对于生活品质的要求也在不断提升，相应的功能要求也随之不断更新。国内相比西方发达国家来说起步较晚，1994年才从美国等发这国家首次进曰智能家居设备，真正开始进入实质性研究也就是从2000年开始，我国才有了具有独立自主研发功能的相关公司。所以国内智能家居的研究大概可被分为以下几个阶段：萌芽期：整个行业还处在一个熟悉概念、产品认知的阶段，国内没有专业的智能家居生产厂商，只是有个别的厂商代卖美国的一些概念产品，实际效果更偏向于“家居自动化”。徘徊期：送个阶段，大量的企业开始着手做智能家居，虽然在功能上实现了一定的“智能化
5、”，但大部分厂商盲目夸大其实际作用，使得用户的认同感很差，很多厂家都在这个时期夭折。融合发展期：近些年，随着物联网研究的不断深入，家庭网络和信息家电的高度融合使得智能家居不断发展，生产研发开始正规化，价格也趋于“平民化”，加之国家政策的不断倾斜，智能家居正在迎来一个崭新的发展机遇期，向着真正意义上的“智能家居”又开始大踏步的向前走2。由此可看出，国内的智能家居还处于一个比较低层次的阶段，智能家居系统的集成性、系统性还不够完善叫但也可从另一方面可看出智能家居在国内还有很大的潜在开发价值，一些知名的企业如天津瑞朗，青岛爱尔豪斯，海尔，华为等已经在智能家居方面做了不少研究。而对于大学生来说，宿舍就是
6、大学生的家。现在大学生已经充分享受到了科技带来的诸多便利，但“智能家居”却并没有在校园宿舍中得到应用和发展，智慧宿舍的发展正处于空窗期。经调查智慧宿舍在经济方面是大学生可以接受的。相关元器件价格不断下降，技术越来越成熟，使得智能宿走进了我们普通人的生活。其系统功耗低、操作简便、稳定性高、实时性好。系统主要应用了单片机技术和现代化电子通信技术，具有多项功能。具有性能稳定、能全天候工作、耗电省，安装使用方便等特点。研究目的基于生活的便捷及高效的方向出发，主要是为了改进当下宿舍的监控方式落后及使用不方便等缺点，本设计的智能代替了传统设备手动机械控制，不仅效率高、成本低、使用方便、可控性强，更能提升安
7、全性性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境3。1.3 社会效益与经济效益如今在学校的寝室里,学生贵重物品被盗、由于学生过失而引起着火等事故时有发生,这些都是一直以来困扰着学生、学工以及学校保卫处的“大问题”。传统的防范措施存在很大的弊端,比如当事故发生时,防护铁门、铁栏杆就会成为主人逃生的最大障碍。而采用智能防火防盗报警系统,便能很好地解决此类问题了。但是市场上防火防盗系统价格对大学生来讲过高,本系统便是针对大学宿舍,从低成本的角度来设计制作的4 。以保证学生人身及财产安全免受损失，在进行具体设计的时候要考虑到许多理论与实际的问题，对所有的技术运用做一个总结，探索出了一种适合学生宿舍使用
8、并且价格合理的智能安防系统，在极大提升学生宿舍的安全系数的同时，成本控制在两百元以下，易于推广容易被广大学生所接受。2 项目设计原理 2.1 原理概述智慧宿舍的主控芯片采用Arduino，其优势就在于其开发方便，兼容性好，处理速度快。系统分为5部分：Arduino核心板，烟雾监测模块，GSM模块及热释红外模块，蜂鸣器或语音模块。如图1所示，Arduino核心板负责一系列状态检测，数据处理，逻辑处理及执行控制。烟雾监测模块用于检测烟雾，当宿舍发生火灾产生烟雾时，可感知烟雾并将当前状态发送至Arduino核心板。热释红外模块用于检测是否有人经过，当宿舍人员全部离开后，安防系统开始工作；当有人进入时
9、可感应到有人非法闯入，并将次状态发送至Arduino核心板。GSM模块用于发送手机短信，当盗窃、火灾等事故发生时，通过Arduino核心板的控制可使该模块向固定手机号码发送短信，提示用户。蜂鸣器或语音模块用于语音报警，当出现意外状况时，发出警报声。2.2 硬件设计原理2.2.1 主控芯片ArduinoArduino是近年来快速流行起来的一种控制器,它是一个硬件平台，使用的核心是一个AVR芯片，整块控制板类似于单片机开发板，但是在功能上强大了很多。Arduino是一款便捷灵活、方便开发者使用和上手的开源电子原型平台，包含各种型号的Arduino板及扩展板硬件资源和ArduinoIDE软件资源。A
10、rduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是当前硬件开发的趋势。Arduino 构建开放源代码的simple I/O接口板，使用Java，C语言的Processing/Wiring 开发环境。开发语言和开发环境简单、易理解，使用者可以快速做出有趣的东西。Aduino可以配合LED灯、蜂鸣器、按键、光敏电阻等电子原件一起工作。我们所使用的ArduinoUNO是目前使用最广泛的Arduino控制器，具有Arduino UNO时Arduino USB接口系列的最新版本，电路如图 1所示。作为Arduino 平台的标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，它包括1
11、4路数字输入/输出接口（其中6路可作为PWM输出，6路模拟输入），一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口,一个电源插座，一个ICSP接口和一个复位按钮，。在掌握了ArduinoUNO开发技术以后，就可以将自己编写的代码轻松地移植到其他型号的控制器上，可以用来开发交互产品，比如可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理电子设备等5。Arduino的优势就在于其开发方便，兼容性好，处理速度快。对Arduino的编程是利用 Arduino编程语言 (基于 Wiring)和Arduino开发环境(基于 Processing)来实现的。基于Arduino的项目，可以只包
12、含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)来实现。Arduino具有一下特色：1. 开放源代码的电路图设计，程序开发接口可免费下载，也可以依需求自己修改。2. 使用低价位的微处理控制器，（AVR系列控制器），可以采用USB接口供电，也可以使用外部DC 9V电源。3. Arduino支持ISP在线烧写，可以将新的bootloader固件烧入AVR芯片。有了bootloader之后，就可以通过串口或者USB转RS232的转换线来更新固件。4. 可依据官方提供的Eagle格式的PCB和SCH电
13、路图简化Arduino模组，完成独立运行的微处理；可简单地与传感器、各式各样的电子原件连接（例如：热敏电阻、光敏电阻、伺服电机等）。5. 支持多种互动程序，如：Flash、Max/MSP、VVVV、PD、C、Processing等。6. 应用方面，利用Arduino，突破了以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入装置互动的限制，可以更简单地完成单人或多人互动游戏。5图 1 Arduino UNO Rev3电路图2.2.2 烟雾检测模块烟雾浓度的传感器经过与其他产品比较后，采用的是MQ-2型烟雾传感器，该传感器采用的是在正常空气中电导率较低的二氧化锡，当可燃气体外泄时，传感器的电导率随空气中杂质气体
14、浓度的增加而增大，即可通过高低电平的变化来判断烟雾浓度的大小。性能参数如表1，图2为MQ-2型烟雾探测传感器器对于不同气体的探测灵敏度。可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的探测；模块特色：1、 采用优质双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；2、具有DO开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出；3、TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机或继电器模块）4、模拟量输出电压随浓度越高电压越高。5、对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度。6、有四个螺丝孔便于定位；7、产品外形尺寸：32(L)*20(W)*22(H)8
15、、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性9、快速的响应恢复特性 电气性能：输入电压：DC5V 功耗（电流）：150mADO输出：TTL数字量0和1（0.1和5V）AO输出：0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压4V左右特别提醒：传感器通电后，需要预热20S左右，测量的数据才稳定，传感器发热属于正常现象，因为内部有电热丝，如果烫手就不正常了。接线方式：1、VCC:接电源正极（5V）2、GND:接电源负极3、DO:TTL开关信号输出4、AO:模拟信号输出表1 MQ-2型烟雾传感器参数 产品名称 MQ-2型烟雾传感器 测试范围 30010000ppm 适用气体 可燃气体、烟雾 响应时间 10s 工作条件 环境温度：20+55；湿度：95RH 工作电压 5.0V0.2V
