基于MCU的智能家居自動化和安全系統設計

韓博 李卓

（桂林理工大學，廣西 桂林 541006）

隨著我國改革開放政策取得巨大成功，社會經濟的不斷發展,帶動了科學技術的不斷前進,使得人們對自身的生存質量和品質提出了更高的要求。而家庭環境作為人們生活質量的最具有代表性的體現,智能家居系統也逐漸走進人們的視野。以前人們只追求溫飽問題，而現在，人們對于自己的生活質量有了新的要求。比如：生活品質、環境的舒適、住房安全等等。讓家居實現智能化，為人們提供更多的便利是當今社會發展的趨勢。為人們創造了一個安全、舒適、智能、便利、全自動化的生活環境，人們可以有更多的時間和精力去做其他的事情。所以智能家居的發展，對人們生活的質量的提升有著非比尋常的意義[1]。

1 系統整體設計方案

本智能家居自動化和安全系統以STC12C5A60S2單片機為核心處理器，利用WiFi 通信技術將傳感器和PC 端相結合組成的遠程控制系統。在相應的節點上布置了溫濕度傳感器、火焰傳感器、粉塵濃度傳感器、PM2.5 傳感器和人體紅外傳感器用于感測現場的信息[4]。本系統的硬件部分采用跟和IAR集成開發環境集成開發環境進行開發，利用C 語言進行編程。本系統的軟件部分采用Microsoft Visual Studio Solution 集成開發平臺進行軟件開發。使用c 語言以及c#語言進行軟件部分的編程。系統的總體功能結構如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統設計

2.1 STC12C5A60S2 單片機

STC12C5A60S2 單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的單片機，其具有高速、低功耗以及超強抗干擾的性能，屬于新一代8051 單片機，它的令代碼完全兼容傳統8051，但運行速度是傳統單片機8-12 倍。內部集成MAX810 專用復位電路，2路PWM，8 路高速10 位A/D 轉換(250K/S)。單片機最小系統如下圖2 所示。

圖2 單片機最小系統

2.2 光敏電阻傳感器

光敏電阻傳感器分為三針型和四針型兩種，本系統選用四針型光敏電阻傳感器進行設計。該產品使用比較方便，其具有抗干擾能力強，波形好，驅動能力強的優點，并自帶可調節電位器，可對檢驗光線亮度進行調節，擁有DO 數字開關量的輸出方式（0 和1）和AO 模擬量輸出（電壓）。具體的傳感器的采集信息的原理是通過光敏電阻中的電阻器來根據光照強度的升高，使得電阻值下降。量程：0～1000Lux/10～10 000 Lux 可選，測量精度：＜7%。四針型光敏電阻傳感器共有4 個引腳，分別是VCC、GND、AO 以及DO。VCC 代表電路的供電電壓，GND 代表電線接地端，AO 負責模擬信號輸出，DO 負責開關信號輸出，可與單片機相連[2]。光敏電阻傳感器的引腳圖如圖3 所示。

圖3 光敏電阻電路圖

2.3 人體紅外傳感器

本系統采用的是HC-SR501 型號的人體紅外傳感器，HC-SR501 是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778 探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式[3]，外罩菲涅耳透鏡隔離外界干擾并增加檢測距離，直流電壓5V 至20V 之間可正常工作，能夠輸出0V 至3V的高低電平，感應范圍在7 米以內，小于120 度錐角，可以調節封鎖時間及檢測距離。傳感器具體的實現原理是通過熱釋電原件當做一個紅外感應源，當感知到人體溫度的變化時就會導致電荷失衡，并且會向外排放電荷，經過電路檢測到以后就會發生報警。

HC-SR501 型號的人體紅外傳感器共有5 個可外接端口，包括電源正極，電源負極以及信號輸出端口OUT，其余兩個端口H 和L 可以設置觸發方式，分別代表了可重復觸發和不可重復觸發，RT 是溫度補償電阻，CDS 是光敏電阻[4]。圖4 為人體紅外傳感器電路連接圖。

圖4 HC-SR501 人體紅外傳感器電路連接圖

2.4 WiFi 模塊

本課題設計采用的wifi 模塊具體型號為ESP8266，ESP8266模塊體積在11×10 毫米左右，工作電壓在3.3V，板載PCB天線，對于802.11 b/g/n 非常支持，工作的模式主要有AP，STA 以及混合三種工作模式，在控制的時候是用AT 來控制。內置TCP/IP 協議棧，支持多路TCP Client 連接，支持Socket AT 指令、UART/GPIO 數據通信接口以及Smart Link 智能聯網功能，內置32 位MCU，可兼作應用處理器，適用于各種物聯網應用設計[5]。圖5WiFi 模塊的電路連接圖。

圖5 WIFI 模塊連接電路圖

2.5 溫濕度傳感器

本設計的溫濕度檢測模塊硬件采用的DHT11 溫濕度傳感器與STC12C5A60S2 單片機P3.7 口連接通信，適用于很多環境中。溫濕度傳感器的引腳連接圖如圖6 所示。

圖6 溫濕度檢測模塊連接電路圖

2.6 煙霧傳感器設計實現中對煙霧模塊硬件采用的是MQ-2 煙霧傳感器。在系統環境監測與控制中，經過比對選材，發現該型號MQ-2 煙霧傳感器可對液化氣、苯、氫氣、煙霧等進行探測，高靈敏度、簡單的驅動電路。通過單片機上標注的引腳口將MQ-2 煙霧傳感器的AO 引腳于P1.0 口相連進行通信。

2.7 火焰傳感器

本課題采用的檢測火焰的傳感器具體的原理是通過燃燒時火焰的不同輻射強度和波長為基礎，通過傳感器的紅外接收管接收光源信號，并經過電壓電路比較，就可以相應的輸出A/D數據。該傳感器可以檢測的火焰或者波長為760 納米-1100 納米范圍。火焰傳感器具有靈敏度高、抗干擾性強的特征，在工作時不受日光、紅外熱輻射的影響傳輸距離長。經過比對選材，最終火焰傳感器類型選擇TELESKY 型。火焰傳感器引腳圖如圖7所示。

圖7 火焰傳感器引腳圖

3 軟件設計

本系統PC 端設計主要包括底層傳感器對模擬家居環境中的溫濕度，光照強度，火焰煙霧，PM2.5，人體感應等進行實時采集及上傳給上位機。當室內PM2.5、CO 超標，檢測到有陌生人入侵，室內火焰指數超標時，系統會及時進行處理，LED 燈亮起，蜂鳴器開始報警，同時管理人員也可以通過上位機上的執行向系統終端下發命令，控制系統終端的蜂鳴器、LED 燈。同時管理員也可以通過上位機對LED 燈、蜂鳴器等自主操作。報警提示功能流程圖如圖8 所示。

圖8 報警提示功能軟件程序流程圖

4 結論

物聯網智能家居系統是具有極大潛力的高科技消費型產品，在中國具有廣闊的市場空間。我們所提出的物聯網智能家居系統具有如下功能：

4.1 門禁功能：采用輸入密碼的方式，上位機設置密碼，根據按鍵矩陣的輸入值判斷密碼是否正確。若密碼正確，則LED 燈閃爍綠燈，表示開門狀態，若密碼失敗則LED 燈閃爍紅燈，表示需要重新輸入密碼。

4.2 環境監測功能：溫濕度傳感器、煙霧傳感器感知周圍環境，若監測到數據超過系統值，LED 燈閃爍紅燈、蜂鳴器報警，上位機顯示數據并設置閾值。

4.3 智能感知功能：聲敏、光敏傳感器、人體紅外感應傳感器來檢測周圍光線、是否有人，來決定是否開啟燈光。光敏先判斷是白天還是晚上，晚上在判斷聲敏有沒有人，最后人體紅外監測有沒有人，如若有人則開燈。