便攜式多功能家居環境監控系統設計

羅淇尹 劉頓 粱文霞 史楠楠 李京

文章編號： 2095-2163（2018）03-0197-04中圖分類號： 文獻標志碼： A

摘要： 關鍵詞： （School of Electronic Engineering Science， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： In modern home life， the comfort and safety of home environment is important. Therefore， the main task of home environment monitoring system is to detect the environment information and obtain the measurement results along with sending out early warning. Based on single-chip microcomputer， the designed portable home environment monitoring system can control a variety of devices by multiple sensors. The system integrates environmental monitoring， air purification， lamp control， gate control and burglarproof， which can improve the controllability， comfortability and security of the home environment effectively.

Key words：

基金項目：

作者簡介：

收稿日期： 通訊作者： 引言

隨著人類物質生活水平的提高，家居環境的改善越來越受到重視，各種家居環境智能控制系統應運而生。本設計是一個以單片機為核心單元，多種傳感器采集信息，輸出控制多種設備的便攜式多功能家居環境監控系統。該系統集環境監測、空氣凈化、燈控、門控和防盜于一體，提高了家居生活的品質。

1系統設計

1.1硬件總體設計

本系統采用MCS51系列單片機作為控制核心，多個子系統功能模塊協調工作。其中包括：溫濕度檢測、PM2.5檢測、甲醛檢測、燈控、門控、空氣凈化、及報警顯示等。液晶顯示屏將各傳感器采集到的當前家居環境信息參數處理后實時顯示，對超標的環境參數進行報警提示并自動控制空氣凈化模塊開始工作；系統還具有人工控制功能，通過鍵盤輸入相應參數，可以根據自身情況設定一些環境參數閾值。系統總體框圖如圖1所示。

1.2電路設計

1.2.1PM2.5檢測電路設計

目前PM2.5測量的原理是采用粉塵采樣器抽取一定量的空氣，當其通過濾膜時，粉塵會被收集到濾膜上。再用光學檢測法中的濁度法，基于朗伯特-比爾（Lambert-Beer）定律測量光透過被測物質后，由于光的散射而使光強減弱，測定通過介質前后的光束的光強比就可確定粉塵的濃度。

PM2.5采集電路如圖2所示，專用的LED光散法傳感器用來采集空氣中的PM2.5顆粒值，三極管 9012驅動磁傳感器的LED端，其輸出的模擬量通過模數轉換芯片ADC0832轉換后傳送給單片機的P3口。單片機進行運算處理后，在LCD1602液晶屏上顯示出測量的PM2.5濃度值，LCD顯示電路如圖3所示。若濃度值超出設定的閾值，會發出聲光預警信號，報警電路如圖4所示，電路中采用了蜂鳴器和LED指示燈。

1.2.2門控電路設計

門控電路由FM1702高頻讀卡器、Mifare射頻卡、12864LCD顯示模塊、矩陣鍵盤輸入、電子鎖模塊組成，電路如圖5、圖6、圖7所示。FM1702S是應用13.56 MHz晶振頻率的高集成度IC，非接觸式讀卡器，支持多種加密算法，兼容SPI接口，其內部的發射器不需要增加有源電路就可以驅動近距離的天線（可達10 cm）。單片機與高頻讀卡器進行通信，將卡上信息與合法卡的信息匹配后，決定是否控制電子鎖開啟。同時矩陣鍵盤輸入可以選擇不同的功能，如密碼設置和卡的登記等。

1.2.3溫濕度測量電路設計

溫濕度測量電路采用的核心元件是DHT11溫濕度傳感器，其內部包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件。濕度精度：±5%RH；量程為：20%-90%RH；溫度精度：±2 ℃；量程為：0 ℃～50 ℃；可靠性和穩定性較好。輸出為單總線數字信號，可以直接連接到單片機的IO口上，電路接線如圖8所示。

1.2.4燈控電路

燈控電路由延時、光感、紅外感應、拾音電路、繼電器驅動等組成，能夠檢測出室內的光線強度和聲音大小。當光線暗并有聲響發出時，表示有人走動電路就會自動開啟燈光照明，做到人來燈亮，人走燈滅的功能，同時還可以手動開燈，多種開關燈的方式可以極大適應不同場合的要求。

1.2.5液化氣檢測電路

液化氣檢測電路如圖9所示。系統采用對液化氣、天然氣和煤氣都有較高靈敏度的MQ-5氣體傳感器，當傳感器所處環境中存在上述可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用運算放大器構成的比較器電路即可將電導率的變化量轉換為與該氣體濃度相對應的輸出控制信號。

1.2.6空氣凈化控制電路設計

在檢測電路監測到家居中有害物質或PM2.5顆粒濃度超過設定的最高值時，單片機會產生開機信號給空氣凈化電路中的控制繼電器開啟空氣凈化模式，直到空氣中有害物質達到標準時自動停止凈化。空氣凈化控制電路如圖10所示。

2軟件系統設計

本系統采用keil軟件編程，用C語言編寫的程序可以調試檢查。軟件編程采用模塊化實現各個子模塊功能，用主編程調用各子模塊功能 ，最終實現整個多功能家居控制系統的工作過程。

2.1PM2.5檢測程序設計

程序首先初始化信息，然后從粉塵傳感器檢測到PM2.5濃度后，用串口方式將模擬信號經過ADC 0832芯片轉換，傳輸給單片機，計算PM2.5值。為減少測量誤差，再將多次采集到的數據通過擬和求平均值的方法，計算出最終測量結果。通過液晶顯示屏將PM2.5值顯示出來。具體流程如圖11所示。

2.2門控系統流程設計

門控系統首先初始化信息，液晶顯示屏顯示菜單界面，用戶通過鍵盤輸入相應功能，將卡放到讀卡器上讀出信息，由單片機自動核對卡的信息，若合法則開門，反之則報警返回讀卡狀態。程序流程如圖12所示。

其它軟件模塊編程過程同上，不再一一贅述，各個子模塊功能實現后，主編程調用各子程序模塊，最終實現整個系統的工作過程。溫濕度檢測過程如圖13所示。

3系統測試

系統硬件設計、組裝調試后，在一個模擬的環境模型中運行，測量環境的溫濕度以及甲醛濃度。實驗過程：首先對家居環境狀態進行整體研究，采用傳感器采集數據，顯示對家居狀況的監測與控制，液晶顯示器實時顯示室內各種參數，顯示部分如圖14所示。報警電路和空氣凈化電路及時提醒家居的異常情況，還可將數據傳輸到計算機中分析環境變化的規律，最后將數據情況顯示出來。為進一步完善系統功能，可以在系統中加入無線傳輸模塊及手機遠程控制系統，從而使系統的性能更加智能化和完善。

4結束語

便攜式多功能家居環境監控系統以單片機為控制核心，通過與多種傳感器結合做到了全方位、多功能的監控家居情況，并自動排除安全隱患，在實現安全監控的基礎上還加裝了燈控電路，智能調配電能，做到智能化用電，節約了能源。系統通過智能防盜門鎖電路可以實現門控，做到安全出行，保障了財產和人身安全。系統功能操作簡單便捷，是現代家居生活的好幫手。

參考文獻

[1] 陳致遠，朱葉承，周卓泉，等. 一種基于STMB32 的智能家居控制系統[J]. 電子技術應用，2012，38（9）： 138- 140.

[2] 孟平. 多功能智能家居系統的設計與實現 [D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[3] 曾思通. 基于STC89C52的智能家居系統設計[J]. 電子質量，2015（12）： 45- 47.

[4] 李宗 . 智能家居中燈光控制系統的研究 [D]. 上海：上海交通大學， 2008.

[5] 葉香美. 單片機控制強電的簡單實用電路[J]. 數字技術與應用，201（6）：116-120.

[6] 楊凡. 基于傳感器的家居環境監測系統應用與設計 [J]. 電腦知識與技術，2016. 12（16）：87-89.

[7] 韓丹翱， 王菲. DHT11 數字式溫濕度傳感器的應用性研究 [J]. 電子設計工程 ，2013（13）：83-85.

[8] 董繼，張政煊，李鈴慶，等. 便捷式家庭安全環境監測分析儀 [J]. 電子制作，2017（4）：99-100.

[9] LIN Yuanxin， KONG Rui， SHE Rongbin. et al. Design and implementation of remote / short-range smart home monitoring system based on ZigBee and STM32 [J]. Research Journal of Applied Sciences， Engineering & Technology，2013，5（9）： 2792-2798.

[10]YANG Fan. WANG Chunlong. CAO Miaoke. et al. A design of smart home system based on B/S mode[C]// 201l Third Pacific-Asia Conference on Circuits， Communications and System （PACCS）.Wuhan， China：IEEE， 2011：1-2.