基于51單片機的智能家居安防系統設計

李力++陳巧珠

摘 要

系統設計以C8051F330單片機為主站，以STC89C52單片機為各子站微控制器，主站和各子站使用SPI通訊協議通訊，從而實現對家居環境的監測，利用GSM模塊的短消息收發功能，實現實時遠程安防。

【關鍵詞】智能家居 GSM模塊 傳感器

隨著經濟的發展、社會信息化程度不斷提高，智能家居的概念逐步走進人們的生活。自從世界上第1幢智能建筑1984年在美國出現后，不少發達國家也紛紛提出了各種有關智能家居的方案。近年來，我國智能家居市場逐步壯大，智能家居的概念深入人心，智能家居應具有安全、舒適的生活環境，便利的通訊方式，綜合的信息服務，智能化的家庭系統。

本設計針對智能家居安防系統，提出了基于51單片機，利用GSM模塊收發短消息，實現實時監控家居情況，通過SPI通訊協議使主站與各子站進行數據通訊交流，該系統集成有密碼門禁、熱釋電人體紅外感應檢測、氣體煙霧檢測、溫度檢測、報警模塊等功能于一體，實現系統自動感應外界環境變化進行實時反饋的功能，為家居安全以及人身財產提供一個管理便捷、操作簡易，具有可靠保障的家居生活環境。

1 系統總體設計

主要包括有安防系統的8個模塊：主站、GSM模塊、密碼門禁、熱釋電人體紅外感應模塊、照明系統、煙感模塊、溫度模塊、報警模塊。主站是由微控制器C8051F330單片機構成；利用SPI總線搭建星型網絡，以一主多從的多機通訊方式實現各個模塊之間的數據交流。系統上電后各子站正常工作，當系統檢測到異常情況，如傳感器檢測到的數值超過了預先設定的數值，該模塊將通過總線將指令傳遞給主站，主站啟動報警模塊，并向GSM模塊發送短消息，把信息傳送給屋主，從而避免了突發情況的發生。利用UART接口，實現主站與PC機之間的數據交流，實現利用PC機作為主站的輸入和輸出終端。系統設計框圖如圖1。

2 系統硬件設計

主站C8051F330是使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內核。該主站需要對多個模塊不間斷傳送的數據進行及時的處理，對指令的執行效率要求高，此款單片機使用與MCS-51完全兼容的CIP-51指令系統，CIP-51跟傳統的MCS-51相比，擁有更高的指令執行效率。其內部集成的25MHz的高速晶體振蕩器，震蕩頻率超過普通51單片機支持最高頻率的2倍，能高效率的處理各子站間頻繁的通訊交流。

各子站由單片機STC89C52控制，其數量多、功能強、使用靈活的并行I/O接口，滿足系統設計的最大接口數，如密碼門禁中最小系統與矩陣鍵盤、12864液晶顯示器、步進機、AT24C02存儲芯片接口等，無需外擴接口，操作方便；其內部還自帶定時/計數器、中斷系統等功能。

2.1 GSM/GPRS無線模塊

本系統采用的是SIMCom有限公司提供的SIM900A模塊。該款模塊的尺寸大小只有24mm×24mm×3mm；采用省電技術，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA，幾乎可以滿足開發應用中對空間尺寸、低功耗的要求。該模塊提供天線接口引腳與串在IO口線中的22?電阻連接SIM卡。該模塊具有標準AT命令接口，使用不同的編解碼模式可以進行GSM語音、混合中/英文的短消息發送；此外，該模塊上的串口和調試串口有助于開發應用，方便程序的調試。

2.2 門禁系統

智能門禁系統的出現是家居安防系統中不可或缺的一部分，本系統設計電子密碼門禁，該門禁包括兩種模式：管理模式和用戶模式，用戶可根據自己的需要設置密碼。密碼存儲在AT24C02存儲芯片上，由矩陣鍵盤輸入密碼，并由12864液晶顯示器顯示結果。該模塊設計框圖如圖2所示。

2.3 多傳感器

2.3.1 煙霧傳感器

家居安防系統中對除了防盜報警功能外對家居生活氣體的探測尤為重要。本設計采用煙霧傳感器MQ-2，該傳感器外形小，氣體響應快，性能穩定，低功耗，常適用于煤氣、煙霧的監測。其廣泛的探測范圍，適用于家庭氣體：液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的監測。還具有長期的使用壽命和可靠的穩定性。MQ-2傳感器輸出為模擬量，單片機處理的是數字信號，需要利用A/D轉換器，將模擬量轉換成數字量送給單片機進行數據的處理；聲光報警電路里使用蜂鳴器作為報警用，同時還用LED燈進行相應的指示。

本設計使用的A/D轉換芯片是ADC0808，該芯片具有8個通道的模擬輸入線（IN0～IN7），且有三態輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨工作。輸入輸出與TTL兼容。可在程序控制下對任意通道進行A/D轉換，獲得8位二進制數字量（D7～D0）。模擬輸入部分有8路多路開關，可由3位地址輸入ADDA、ADDB、ADDC的不同組合來選擇，ALE為地址鎖存信號，高電平有效，鎖存這三條地址輸入信號。模塊設計框圖如圖3。

2.3.2 溫度傳感器

面對眾多的溫度傳感器，本設計采用高精度，高可靠性的由DALLAS（達拉斯）公司生產的DS18B20的溫度傳感器。超小的體積，抗干擾能力強，精度高，附加功能強等特點。該款芯片內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM，有其自身系列號，可在總線上連接多個DS18B20，溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。該模塊設計框圖如圖4。

2.3.3 DYP-ME003紅外人體感應模塊

DYP-ME003人體感模塊是基于紅外線技術的自動控制產品，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式。具有全自動感應、光敏控制、溫度補償等特點。一旦人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。輸出高電平信號：可方便與各類電路實現對接。其與單片機工作流程圖如圖5。

3 系統軟件設計

在硬件設計的基礎上，采用模塊化思想進行軟件編程，主站C8051F330單片機使用SPI通信協議，在軟件設計中采用輪詢方式，不間斷地對各子站傳送的數據進行檢測。當接收到傳感器預設的警報值或者門禁報警、管理模式的指令時，系統跳到指定的中斷程序，執行該中斷程序，完成后退出，繼續循環檢測。GSM模塊能接收/發送語音、中文/英文等格式信息，對于發送語音、中文需要復雜的PDU編碼格式，而在本系統中Text模式單獨地發送英文消息就足以系統的功能要求。

GSM模塊的部分程序代碼如下：

printf（"AT+CMGF=1＼r"）； /*選擇短信消息格式為文本模式（非中文）*/

delay_ms（3000）；

printf（"AT+CSCS=＼"GSM＼"＼r"）；/*設置選擇TE字符集為GSM7位默認字符*/

delay_ms（3000）；

printf（"AT+CSMP=17，167，0，250＼r"）；/*設置短信模式（手機自動保存模式）*/

delay_ms（3000）；

printf（"AT+CMGS=＼"135xxxxxxxx＼"＼r"）；/*填入接收短信的目標號碼*/

delay_ms（3000）；

printf（sms_text）； /*短信內容*/

puts（&end_char）； /*短信內容后加“0x1a”結尾，以16進制發送*/

3.1 電子密碼門禁

本系統設計電子密碼門禁，由STC89C52單片機控制，系統第一次上電后，初始化數據，設定初始密碼并存儲在AT24C02上，鍵盤掃描是否有按鍵按下，檢測按下的按鍵是否為用戶模式，若是，輸入正確的6位數字密碼，開門。否則，系統不予以響應；該門禁系統還支持用戶隨時隨地修改門鎖密碼，當用戶需要修改密碼時，通過手機發送預設的短消息指令給GSM模塊，由GSM模塊把修改密碼的指令發送給主站，并由主站傳送對應的指令給密碼門禁系統上的STC89C52單片機，把修改的密碼存入AT24C02芯片并標記新的密碼生成。

3.2 傳感器

系統對于住宅環境中的有毒氣體以及溫度檢測分別采用煙霧傳感器模塊、溫度傳感器模塊，當系統正常工作時，實時采集現場數據，由各子站的STC89C52單片機處理數據，并把數據傳送給主站，一旦傳輸的數值超過預先設定的值，即氣體濃度超過100mg/m3或者溫度傳感器檢測到房間溫度值超過40℃時，主站傳指令給報警系統，此時報警系統開啟，并通過GSM短消息模塊發送信息給主人做好防范措施。

該系統除了環境檢測傳感器之外還有防止外人入侵的紅外照明系統，紅外系統工作時，一旦檢測到有人，先詢問主站，門鎖是否正常開啟，若是，門口、客廳的燈光會自動亮起；否則，報警系統啟動。對于各個房間的燈光，可根據主人的需要，通過手機發送相應的GSM消息開啟或者關閉燈光。

4 結論

經實驗，本系統在運行情況上良好，能實時監測家居人員情況，對氣體、溫度進行實時監測、并通過GSM模塊進行短信息收發。適用范圍廣，成本低，能滿足一般家庭的需要，本系統將在后續的開發中實現更高的靈活性。

參考文獻

[1]倪偉，張粵.智能家居安防系統的設計[J]，淮陰工學院學報，2009（05）.

[2]朱敏玲，李寧.智能家居發展現狀及未來淺析[J].電視技術，2015（04）.

[3]萬隆.單片機原理與實例應用.北京：清華大學出版社，2011.

作者簡介

李力（1965-），四川省人。現為廣東科學技術職業學院廣州學院副教授。主要研究方向為計算機技術，嵌入式應用與開發。

陳巧珠（1994-），現為廣東科學技術職業學院2012級學生。

作者單位

廣東科學技術職業學院廣州學院 廣東省廣州市 510640