基于ARM的智能家电控制及GSM安防报警系统

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1、基于 ARM 的智能家电控制及 GSM安防报警系统成员：张悦勇 莫建昌 陈木春学院: 物理学院指导老师： 陈元电 基于 ARM 的智能家电控制及 GSM 安防报警系统【摘要】随着时代的进步和科技的发展，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密，也越来越关心自己的居住环境，不仅要求家居环境的人性化和舒适化，而且对智能化和安全化也提供了更高的要求。而相应的研究开发领域也应运而生，新技术、新产品层出不穷。本设计主要实现的是嵌入式 ARM 在实际生活中的典型应用，将引入先进 GSM无线通讯网络、家电控制系统和安全监控系统等。对于家电控制，本设计采用两种方法，一是基于 TC35 短消息的远程家电控制系

2、统，另一是基于 NRF24L01 无线遥控的室内家电控制系统。基于 TC35 短消息的远程家电控制系统，用户外出期间，可以随时随地在任何地方对整个住宅的家电进行远程控制，克服了电话远程家电控制系统电话费用高，控制时间长等的缺点，具有良好可扩展性和使用价值，提高了用户的时间利用率。而基于NRF24L01 无线遥控的室内家电控制系统，用户居于室内期间，同样可以方便地在室内对各种电器进行近程控制。安全监控可以对居住环境进行实时的监控。监控范围包括室内防盗、烟雾报警、煤气泄漏等一系列不安全因素，保障用户生命和财产的安全。一旦有上述安全事故发生，智能监控器就会立即通过 GSM 网络发短消息给户主，户主在

3、得到消息后，可以立即采取有效的应急措施，对事故进行紧急处理。为了满足信息存储和模拟量采集，本系统采用了周立功公司的 easyarm1138作为 MCU，集中管理各种家电、红外传感器、温度传感器和烟雾传感器，并通过西门子公司的 GSM 模块（TC35i）和用户进行远程信息交换。各种家电开启和关闭，主要通过无线遥控和手机发短消息进行控制。红外传感器、温度传感器、烟雾传感器构成了安防系统，保障用户生命和财产的安全。通过使用嵌入式 ARM 做无线遥控的主控芯片，我们优秀地实现了本系统的4 大特色：1、智能化家电控制；2、友善的界面、实用性高的控制；3、全面、高效的功能；4、高商业化的制作工艺及低廉的价

4、格控制。【关键词】：智能家居 嵌入式系统 GSM（TC35） NRF24L01 家电控制 安防1 概述在 21 世纪，这个技术化和自动化的时代，设计一个智能家电控制和安防系统是非常具有应用价值和市场前景的。它适用于普通家庭，实现家用家电远程和室内控制，提高时间利用率，实时对住宅环境进行安全监控因此，设计这样的系统，可以为普通家庭带来方便，同时也可以实时监控用户居住环境，避免灾难发生时，带来重大经济损失和人员伤亡。而且，这样的系统同时适用于各种危险环境对家电的控制，体现了人性化的要求。因此，该方案具有可行性，并且具有很强的扩展性，稍加修改就可以实现不同的功能，为企业带来经济利益和实用价值。1.1

5、 各模块选择与论证1.1.1MCU 的选择考虑到本设计需要对大量数据进行分析处理，同时，需要预设大量用户信息，因此，考虑使用数据存储器和程序存储器偏大的微控制芯片。其次，本系统需要对多组模拟量进行采集分析，考虑到构造最小系统的条件约束，同时为了简化系统电路，提高系统稳定性，因此在微控制芯片选择时，我们选择了周立功公司的 easyarm1138 作为 MCU。1.1.2 GSM 的选择由于 GSM（“全球移动通信系统” （Globa1 system for Mobile communications） ）是目前我国主要使用的蜂窝数字移动通信系统，技术成熟，覆盖面广，传输距离基本不受限制，而且直接

6、面向用户手机，是良好的无线传输平台。用户手机为远程监控终端，当有安全事故发生时，手机就会接收到一条来自智能监控器的报警短信，在设计开发过程中 GSM 网络和用户手机均为现有设备，可以直接引入系统，因此，大大降低了设计成本，提高了普及率。本设计在综合考虑设备质量和造价的前提下，决定使用 Siemens 公司的 GSM 模块TC35i。TC35i 是一个支持中文短信息的工业级 GSM 模块，具有良好的市场口碑，且接口电路简单，可直接和串口通信 ，因此，具有可用性。1.1.3 防盗模块的选择防盗类传感器分为无源和有源两类。有源传感器常用的有直射红外，热释电红外等，其中，直射红外容易受到小动物的干扰，

7、如昆虫等。热释电红外则可以防止昆虫等干扰，灵敏度相对稳定，不大容易产生误报警。因此，本系统在设计时，热释电红外传感器作为防盗报警的探测器。1.1.4 家电控制模块的选择家电的控制可以通过单片机的 IO 口状态控制其开启与关闭，在不影响控制效率的情况下，为了降低造价，我们选择了 at89s52。1.1.5 气敏模块的选择考虑到本系统需要采集烟雾浓度和煤气浓度，因此，我们需要选择一个多功能的气敏传感器，这样可以节约成本，同时可以简化电路，提高系统稳定性等。经过分析对比，我们选择了MQ-5 气体传感器。该传感器可用于家庭的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。因

8、此，符合本设计的要求。1.1.6 温度模块的选择在考虑降低系统设计难度和体积的前提下，我们选择了DS18B20数字温度传感器，它的外部电路接口简单，可以与单片机通过单总线协议直接进行通信，还可避免使用其它模拟传感器带来数据采集与转换的复杂计算。而使用DS18B20可以直接读取环境温度值，精确度高达0.5摄氏度偏差，而且其体积小，便于安装和调试。1.2 结论通过对各类型元器件的对比，考虑到设计成本和设计精度的要求，在充分保障系统可靠性的前提下，我们选择了成本低廉的元器件，降低了系统硬件投资并减少了软件开发周期，具有可行性。同时，在模块的选择时，考虑了系统升级或者功能的改变带来的资源消耗，我们考虑

9、了冗余部分资源，提高了系统的适应能力。2 系统硬件电路设计系统功能模块包括三部分：烟雾报警模块，主要由分机 MCU、检测电路、报警电路和应急处理电路组成；入侵报警模块，主要由分机 MCU、被动式红外报警电路组成；家电控制模块，主要由 MCU、无线遥控信号发射器、无线遥控接收器及其外围电路组成。系统硬件框图如图 1 所示，本设计采用周立功公司的 easyarm1138 作为中央微处理器，整合了一些外围模块，构成了最小系统，完成了远程家电控制、火灾报警、防盗和煤气泄漏监测功能。GSM 通讯模块：在本方案中作为主控器的报警通道，同时也是用户远程控制的通道，负责信息的接收与传送。家电控制子系统：负责各

10、类家电的开启与关闭。液晶显示模块：显示模块工作状态及数据，主要用于测试系统和安装系统以及演示时使用。传感器子系统：负责环境数据采集并传到控制器处理。 MCU（ easyarm1138）系统控制中心家电控制子系统GSM 通讯模块（TC35）液晶显示 温度、烟雾、红外传感器图 1 系统框图21 传感器模块211 红外发射接收传感器我们使用一体化的红外接收发送传感器可以通过连续的红外发射接收感应大门的开启关闭状态。大门状态检测主要是用门上的板挡着拼在一起的红外发射接收探头，大门关闭状态下，发射抬头的红外信号被大量的反射到接收探头，分压电阻两端输出高电平；当在大门打开状态下，接收探头接收到得红外信号骤

11、减，分压电阻两端输出的是低电平。加入比较器后，可以稳定的输出 4V 的高电平和 0V 的低电平。电路图如下：212 热释电红外传感器通常窗口人流量较小，而小偷经常通过窗口入室盗窃，所以采用红外热探测比较合适。这里采用被动红外热释电探测器。人体有恒定的体温，一般在37时会发出特定波长为 1 0m 左右的红外线。被动式红外探头就是靠探测人体发射的 1 0m 左右的红外线而工作。通过单片机接收高电平信号后，可以直接控制 GSM 发送报警短信给用户。电路图如下：213 火灾烟雾传感器本系统可以通过无线遥控开关烟雾传感器报警开关，也可通过不同手机用指定短信控制烟雾传感器报警开关，让使用者可以自如的在户外

12、控制家居的检测系统。烟雾传感器使用的是 MQ-5 一氧化碳、烟雾传感器，主要原理是 MQ-5 会随着一氧化碳、烟雾的浓度的提高而电阻变小。通过比较器输出单片机可用的电平信号。 22 基于嵌入式 ARM 的无线遥控器模块主要功能是连上 ARM 主控芯片的外设（LCD 屏幕、矩阵键盘、无线模块、温度传感器）2.3 家电、GSM 的单片机主控模块主要功能是实现无线、用电器、GSM 与单片机的连接3.软件设计：3.1 软件系统设计的构想及方案选择：在刚开始构思软件程序时，考虑到硬件部分主要有遥控板及测试板两部分，一方面遥控方面用了周立功的 LM3S1138 开发板，由于板本身的特点及其所带的Stell

13、aris 外设驱动库，对于其函数的调用方便实用，而且也方便节省系统的功耗；另一方面，测控板主要对遥控的数据进行解码识别，通过不同的数据模式来实行不同的功能或操作，且想到测控板用到的单片机 AT89S52 进行硬件设计，对早已熟悉的 C51 更能发挥其作用。3.2 遥控板软件设计3.2.1 LCD 菜单的设计1. 因为遥控板模块应用的是诺基亚的 5110 液晶屏做为人机交互界面，考虑到该液晶屏的时序问题，不能出现较大的时间间隔来控制驱动时序，原本想利用 UCOSII 来设计系统，但调节的时候总是不能把显示屏的时序与 UCOS 的时钟相结合，最后还是采用一个超级循环来实现菜单界面。如图所示为遥控主

14、程序及节拍中断流程图：进 入 系 统 节 拍 中 断节 拍 计 数 满 ？按 键 扫 描节 拍 计 数 加 1节 拍 计 数 清 零判 断 是 否 有 键按 下 ？系 统 进 入 睡 眠 模 式标 志 使 能中 断 退 出 系 统 初 始 化判 断 系 统 模 式主 菜 单模 式 控 制 菜单 模 式 无 线 发送 模 式 设 置 菜单 模 式 设 置 温度 模 式 设 置 短信 号 码刷 新 主 屏 状 态 刷 新 画 面 刷 新 画 面 图 3.2.1 遥控主程序及节拍中断流程图 2.对于多级菜单的编写，控制关系比较复杂，特别是对于不同的界面，人机交互的内容一般都不相同。所以在操作系统实现

15、时，一般把每一级菜单的实现都作为一个任务分别设计。这样思路清晰，不容易出现问题，而且方便删减和增加菜单项，也便于程序的维护和更新。各级菜单的设计方式类似，如下是主菜单任务循环体内程序：void taskMainMenu(void)if( KeySem )KeySem=0;switch(keycode)case KEY_DOWN:/向下按键break； case KEY_UP:/向上按键break;case KEY_OK:SystemMode= SubMenuNumber;switch(SubMenuNumber)case SubXXXMode:/ XXXMode 子菜单初始化break;bre

16、ak;keycode=0;3.除了菜单界面的程序编写，还有无线模块，液晶的驱动和键盘扫描的驱动，因为无线模块的应用比较简单，模块的驱动程序也很容易通过使用手册来调试出来，因此这里不做介绍，主要分析一下键盘扫描的原理。因为遥控板使用的是 LM3S1138 来控制，其所有 IO 口都能按所需设置成输入或输出口，因此在驱动 4x4 矩阵键盘时可以灵活利用其特性，直接将 8 个数据端分成两组，一组设为输入，一组设为输出（高电平有效） ，不断循环从四个输出口输出 4 行，按顺序读这四行数据，如有键按下则该行有置 1 位，只要在扫描的最后根据高电平的位置就能确定是哪个键按下，继而执行键盘消抖任务，如图为其流程图：3.3 测试板软件设计该 硬件的功能主要是模拟 家用电器的工作情况， 可以通过手机短信和遥 控器来控制，因此软件 主要是识别短信和遥控发过来的数据来