基于单片机的远程智能家居监控控制系统
摘要：随着计算机技术、电子技术、网络技术、通信技术、传感器技术以和大规模集成电路的飞速发展，人们对智能化、舒适化、便捷化的需求越来越高，因此设计一款智能家电远程监控及控制装置以满足市场需求。本文是基于手机网络通信模块SIM900A智能家居监控系统设计，满足用户对家庭环境安全情况实时了解，利用传感器对环境温湿度、煤气泄露、是否有法侵入进行监测，若出现超过设定的阈值，则GSM模块将会发出预警信息告知主人，然后通过手机短信对其家中的设备进行开启，以便实现对家用电器的智能化远程的管理和调控。该系统电路结构紧凑，运行可靠、用户操作简单易懂、控制灵活，物美价廉，在智能家居远程控制监控等领域有较好的应用前景。
关键词：单片机；SIM900A；智能家居；LCD
Remote intelligent home monitoring and control system based on single chip microcomputer
(DU Yongfeng, Cunjin college Of Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524000,广东)
Abstract：With the rapid development of computer technology, electronic technology, network technology, communication technology, sensor technology and large-scale integrated circuit, people’s demand for intelligence, comfort and convenience is getting higher and higher. Therefore, a remote monitoring and control device for intelligent home appliances is designed to meet the market demand. This paper is an design of an intelligent home monitoring and control system based on the mobile network communication module of SIM900A , which can meet the needs of users’ real-time understanding of home environmental safety. It uses sensors to monitor the environmental temperature and humidity, gas leakage, and whether there is any intrusion. If the threshold value is exceeded, the GSM module will send an early warning message to inform the host, and then open the device in the home by the mobile phone short message, in order to realize the intelligent remote management and control of home appliances. The system has the advantages of compact circuit structure, reliable operation, easy to understand operation, flexible control, good quality and low price. It has a good application prospect in the field of remote control and monitoring of smart home.
Key words: single chip microcomputer; sim900a; smart home; LCD
0引言
智能家居远程监控控制系统是单片机技术、自动控制技术、网络通信技术向传统家电行业渗透的必然结果,近年来，由于房地产产业的持续升温，作为下游配套产业智能家居近远程监控控制系统受到市场的青睐，经济的飞跃发展，人们开始对生活环境、工作方式的智能化、舒适化、便捷化的追求提出更高的要求，从而促成对智能家居远程监控控制系统市场化的需求强劲动力。[1]同时科技发展也是智能家居近远程监控控制系统得以飞速发展的催化剂。
在这样的大背景下，越来越多的人开始关注寻求改变传统家居方式的方法，追求安全、舒适、智能、便捷的生活方式。本文以信息交换工具SIM900A通信模块来实现，对家庭环境量参数和家用电器设备进行远程监控和调节控制的智能家居远程监控控制系统。该系统以单片机STC89C52最小系统为主控电路，包括输入和输出回路，其中输入回路有网络通信系统（SIM900A通信模块）和数据信息采集系统（温湿度传感器DHT11、热释电传感器和MQ-2传感器模块）。输出回路有12864液晶显示、四路光耦隔离继电驱动电路和声光报警电路。该系统能够很好的控制空气的温湿度，检查分析空气成份，让用户享受该系统对家居环境改善而享受的舒适化、安全化、智能化的环境生活。同时，该系统还可以根据住户的要求对数据采集系统加以调整（通过增加种类不同的传感器来对不同环境量得以检测、控制和调节控制，如采用光电传感器、雨滴传感器、PM2.5传感器。实现居室窗帘、户外阳台窗户控制和大气污染监测）。通过微处理器、外部传感器和通信模块相结合，对家电设备进行远程的集中控制和管理，使人们能够在任何时间、任何地点（在有移动网络信号的条件下）方便地控制、了解家庭安全信息，让这些家用电器为人们提供优美、舒适、人性化的家居环境。
1 近远程智能家居监控控制系统整体结构设计
本文采用单片机STC89C52为主控芯片，将测量不同环境量的传感器的引脚和单片机STC89C52主控芯片连接起来，单片机STC89C52主控芯片能够处理各类传感器输入的各类信号，数据处理完毕后通过I/O输出使各相应模块做出预先设计的对应的操作，实现相应功能。
该系统由硬件电路和软件程序两部分组成。硬件电路设计部分包括STC89C52单片机最小系统、SIM900A GSM网络模块、HC-SR501热释电传感器模块、DHT11温湿度传感器模块、MQ-2气体传感器模块、12864液晶显示器模块、四路光耦隔离继电器驱动电路、电源供电管理等模块。远程智能家居监控控制系统整体结构框图如1所示。软件程序设计部分包括：单片机系统软件设计（串行口初始化程序和串行中断服务程序）；SIM900A GSM模块接口控制原理及其初始化程序；12864液晶显示器初始化程序；短消息收发程序设计等。最后通过对系统硬件调试，软件调试再系统联调，从而可以实现近远程监控和控制的目的。
图1 远程智能家居监控控制系统整体结构框图
2 远程智能家居监控控制系统硬件电路结构设计
2.1单片机最小系统
单片机最小系统由单片机、复位电路和振荡电路构成，它是单片机能够正常工作的最基本电路。本设计单片机采用是STC89C52为主控芯片，该单片机采用ATMEL高密度非易失存储器制作技术制作，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的微处理器，称为单片机。有4个I/O口，可以外接多个输入和输出模块。
2.2温湿度传感器模块
温湿度信号采集用DHT11温湿度传感器，它是一款含有已校准的数字温湿度复合传感器。[2] 它由两部分构成分别是电阻式感湿元件和NTC测温元件，它的输出端与控制芯片单片机相连接，如图2所示。数字温湿度传感器DHT11读出数据的顺序是先湿度，后温度；先整数，后小数的顺序，当传送完32bit数据时，还需要对其传送的结果用8bit数据进行校验。即数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度整数数据”相加所得结果的末8位。
图2 温湿度传感器DHT11连接电路
2.3 MQ-2烟雾传感器模块
煤气泄漏信号采集用MQ-2多种气体探测传感器。适宜探测的气体类型有液化气、苯、烷、酒精、氢气和烟雾等气体。它的优点：灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。[3] 当MQ-2型气体传感器接触到烟雾时，将使其表面导电率发生变化而感知烟雾的存在。烟雾浓度的大小，将引起导电率的变化，最后改变电阻值的变化。烟雾浓度升高，导电率增大，电阻值减小；输出信号就越大。该模块有四个引脚。分别依次为电源正VCC、接地GND、数字输出DO和模拟输出AO。在该系统中，该模块与单片机的连接线路如图3所示。该电路主要由MQ-2传感器、LM393电压比较器构成。MQ-2传感器输出信号随烟雾浓度变化的直流信号，被加到LM393电压比较器反相输入端，同相端为基准电压。当烟雾浓度较高MQ-2传感器输出电压大于基准电压时，电压比较比较器输出低电平；当烟雾浓度降低MQ-2传感器输出电压低于基准电压时，比较器翻转输出高电平。
图3 MQ-2气体传感器与单片机线路连接图
2.4 热释电红外传感器模块
是否陌生人入侵信号采用HC-SR501，它是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778热释电传感器的优点是灵敏度和可靠性均高，在各类自动感应设备等方面广泛应用。热释电红外传感器应用模块有三个引脚，其中标有“+”端是正电源；标有“—”端是地，标有“OUT”端是输出引脚。热释电传感器与单片机的连接如图4所示。将热释电红外传感器模块底部三个端子中的OUT端子经自锁开关与单片机的P1.1引脚相连，“+”和“-”两个端子分别接电源。该电路包含了热释电红外传感器模块、开关、三极管放大电路、电源工作指示电路。当主人在家时，关闭开关热释电传感器不工作，当主人不再家时，开关打开热释电红外传感器正常工作。当模块电源接通后，端子OUT的输出状态为低电平，处于初始工作状态。此时，如果有人在感应区范围内移动，模块的输出端子OUT会输出一个高电平。所以，通过查询或中断方式来检测红外感应模块输出端OUT电平的高低状态就可以判断是否有人靠近。[4]
图4 热释电红外传感器与单片机线路连接图
2.5 GSM900A通信模块
SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，供电电压3.4V~4.5V；它可以自动的搜寻EGSM900和DCS1800两个频段。也可以通过AT命令来设置频段；具有低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。[5] 该模块有AT指令集接口，支持Text和PDU两种短消息模式。SM移动通信模块采用SIM900A作为控制核心，加以外围辅助电路实现系统短信的收发功能。电路连接是将SIM900A通信模块的串口与单片机的串口进行连接，从而实现单片机对SIM900A通信模块的控制。RXD数据接收信号线用于接收来自单片机的数据。接22Ω电阻后与单片机数据发送端口TXD即P3.0相接。TXD数据发送信号线用于向单片机发送数据。接22Ω电阻后与单片机RXD即P3.1相接。且需与SIM900A模块与单片机模块必须共地。如图5所示。IM900A模块还需要连接SIM卡座，必须安装手机卡，这样才能够实现一个完整独立的GSM终端。[6]
图5 单片机与SIM900A通信模块连接图
单片机与SIM900A实现远程开关控制和报警功能的通信链路用AT指令来建立，系统中用的AT指令及在本系统程序中的具体设置如下：
uchar code AT[ ]="AT"; //握手信号
uchar code ATE[ ]="ATE0"; //关回显
uchar code AT_CNMI[ ]="AT+CNMI=1,1,2";//新信息直接显示到串口，不作存储
uchar code AT_CSCA[ ]="AT+CSCA=\"+861380759500\"";//设置服务中心号码
uchar code AT_CMGF[ ]="AT+CMGF=1";//设置短信的格式为text格式
uchar code AT_CMGR[ ]="AT+CMGR=";//读取短信指令
uchar code AT_CMGS[ ]="AT+CMGS=";//发送短信指令
uchar code AT_CMGD[ ]="AT+CMGD=";//删除短信指令
uchar AT_delete[12];
uchar AT_Read[12]; //用来存储发送读取短信指令
uchar AT_SendNumber[22]; //用来存储发送短信号码指令
2.6 液晶显示模块
液晶显示器12864，它主要由液晶显示器件、连接件、PCB板、背光源、集成电路等结构件装配在一起的一种图形点阵液晶显示模块；具有显示容量大、耗能低、人机交流界面友好等优点；它可显示8X4行的汉字，也可完成字符、图形显示，构成全中文人机交互图形界面；12864液晶显示器主要采用动态驱动原理由行和列驱动控制器两部分组成128（列）X64（行）的全点阵液晶显示模块。以ST7920芯片作为驱动控制器，该模块内置8192个中文汉字（16X16点阵），128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。液晶显示器12864与单片机的连接电路是：用单片机P0口接液晶的DB0~DB7数据总线；P2.5、 P2.6、P2.7分别接数据/命令选择端RS、读/写命令选择端R/、使能信号E。然后VSS（1脚）接上电源地，VDD（2脚）电源正端接+5.0V，LCD驱动电压VO（3脚）外接可调电阻，可调节对比度。
2.7 继电器驱动电路模块
继电器属于一种用较小电流去控制较大电流的一种自动电子开关控制装置。模块工作电压有5V、9、12V、24V可供选择，可以通过跳线设置高电平或低电平触发，电源指示灯（绿色），继电器状态指示灯（红色），DC+接电源正极，DC-接电源负极，IN可以高或低电平控制继电器吸合。四路光耦隔离继电器驱动输出电路其中一路如图6所示。
图6 四路光耦隔离继电器驱动输出电路其中一路
四路光耦隔离继电器驱动输出电路与单片机的P2.0~P2.3四个口相连。当单片机某个I/O输出低电平时，其光耦的输入电路发光二极管导通发光，直接照射到输出电路的光敏三极管使其工作，旁边的三极管饱和饱和导通，继电器线圈得电并吸合，相应家用电器设备开始工作。当单片机I/O输出高电平时，三极管处于截至状态，继电器失电而处于释放状态，相应家用电器设备停止工作。
2.8 声光报警电路
如图7所示是声光报警电路，该电路由三极管、扬声器、LED、电阻构成。当出现有人入侵、或者是达到温湿度上下限、或者烟雾浓度达到设定值时，P2.4引脚输出高电平，使三极管饱和导通，扬声器发声，并且同时LED发光。
图7声光报警电路
3 远程智能家居监控控制系统软件程序设计
3.1 远程智能家居监控控制系统主流程图
智能家居近远程监控控制系统的核心问题是单片机主控系统利用串口对无线通信模块的串口进行控制发送命令信息。根据短消息内容来对被控对象进行反控制的过程。智能远程家居监控控制系统主流程图如图8所示。
图8远程智能家居监控控制系统主流程图
当系统上电后首先完成单片机初始化、温湿度传感器初始化、液晶显示初始化、SIM900A模块初始化等；初始化完成以后系统首先要启动GSM网络，保证移动通信模块SIM900A可以正常工作在收发短信状态；单片机通过串口通信的方式实现和SIM900A模块的通信，单片机对SIM900A模块发送的短信信息进行解析然后输出控制指令给继电器开关，从而实现对家电开关的控制；LCD12864液晶对4路家电开关的开启和关闭状态进行显示，便于直观显示电器开关状态和环境量检测状态；手机经通信模块SIM900A短信模块发送指令并传给单片机通过串口接收并对其进行解析后向输出终端输出相应数字控制信号，使继电器动作，来控制相应电器设备家电的工作和停止。另外手机发出命令信息后SIM900A模块将向手机反馈一个信号以告知短信发送是否成功。通过温湿度传感器DHT11模块采集温度和湿度；通过烟雾传感器MQ-2模块监测厨房或卫生间的煤气，通过热释电传感器HC-SR501检测是否极有人入侵，并将各模块采集数据通过单片机处理后在液晶显示屏12864上进行显示。独立按键可以改变温湿度、烟雾浓度和布防灵敏度等阈值。当温湿度和烟雾浓度超过阈值，或者有人入侵时，报警系统开启，GSM900A模块发送手机短信给手机，短信的内容当前环境检测的环境量的数值。
3.2 SIM900A通信模块流程图
系统SIM900A通信模块初始化流程图如图9。首先扳动电源开关，模块开始工作，先是建立网络连接，再开关回显，设置短消息提示，设置地区短信服务中心地址号码，接收短信，设置发送短信息的格式为PDU还是Text格式，初始化否成功。若成功后，将返回OK。
图9 SIM900A通信模块初始化流程图
3.3 SIM900A通信模块短信收发子程序流程图
系统SIM900A通信模块收发子程序主要完成短信的发送与接收，此部分程序的完成是整个系统软件设计成功与否的关键所在。系统SIM900A通信模块短信收发子程序流程图如图10所示。
图10 SIM900A通信模块短信收发子程序流程图
（4）DHT11温湿度传感器工作流程图
DHT11温湿度传感器工作流程图如11所示。
图11 DHT11温湿度传感器工作流程图
由于串口初始化流程图、中断服务程序流程图、液晶显示流程图非常常用，这里就不做赘述。
4.结论
综上所述，远程智能家居监控控制系统由完成设计，使用实物硬件电路证明了设计方案可实现对家居设备和家居安全的远程监控、报警、控制等功能，对于系统硬件的结构与软件开发流程进行了详细的描述；成功利用了系统的各种硬件和软件资源，在现有智能家居设备的基础上实现，降低了系统开发成本，大大提升了各个模块之间的协调性与可控性。同时为以后的智能家居监控控制系统应用升级提供方便。在这个系统中，具有较完整功能的智能家居监控控制系统，具有操作简单，方便扩展的特点，能较好地满足当前用户的大部分需求。
参考文献：
[1]王亓剑,曹硕等.物联网技术在智能家居系统中的应用.产业与科技论坛,2017,16(22):69-70
[2]安康,徐玮.51单片机初级入门实战教程.北京:机械工业出版社.2014,202-203
[3]梁森,黄杭美编著.自动检测与转换技术.北京:机械工业出版社.2011,36-8
[4]朱云乐.一种智能家居系统能设计与实现.[DB].https://www.kj009.net
[5] ATK-SIM900A 用户手册.1-2
[6]李宗卿,刘忠富,吴学富,庄婧昱.无线智能家居舒适度测控系统.国外电子测量技术,2016,11:103-107
