家庭智能防火防盗系统设计与实现 - 图文

家庭智能防火防盗系统设计与实现

家庭智能防火防盗系统设计与实现

中 文 摘 要

随着社会的发展人们的生活质量越来越高,家用电器和厨房设施也随之增多,家庭存在的安全隐患相应增加,同时整个社会正处于转型期，家庭的安全问题也引起了人们的关注。传统的安全防范措施已无法适应现代化社会的需求。因此，将智能化引入住宅小区已成为一种趋势，并且在智能化住宅的家庭智能管理系统中，对防火防盗报警进行监控，已经成为民用建筑领域，向信息化和网络化发展的一个重要组成部分。家庭智能防火防盗报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展，并可对家居的安全环境进行实时监控。

基于将最新的通信技术融合到传统产业中的考虑，本文综合了单片机、无线数据通信、数据采集等技术，研究并设计了以STC12C5A60S2单片机基于GSM短信模块，的家庭无线防火防盗报警系统。此系统由单片机控制模块、液晶模块、GSM模块和各传感器模块等组成，可解决传统安防系统存在的隐患，让家庭防盗更及时、使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的英文短消息形式，直接把报警情况反映到用户的手机屏幕上。该系统具有用户投资小，运营费用少的优点，并且操作简单。

关键词：单片机 ；GSM模块； LCD显示；报警

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Family intelligent fire alarm system design and implementation

ABSTRACT

With the development of society ,the level of people's lives is increasing and ho-me appliances and kitchen facilities also increase, and families with a corresponding i-ncrease in security risks.As the whole society is in transition, the family's security pro-blems have aroused people's attention . Traditional security measures have been unable to adapt to the needs of modern society. Therefore, the introduction of intelligent resi-dential district has become a trend, and intelligent management system for fire securit-y alarm monitoring of intelligent residential homehas become the field of civil constru-ction to information technology and network development is an important component. Family intelligent fire alarm system has become from the original simplistic, localized to the intelligent, integrated development environment available on the safety of home real-time monitoring.

Based on the latest communication technology merging into traditional industries, this article sybthesizes the microcontroller, wireless data communications, data acquisition technology,researches and designs fire alarm system, STC12C5A60S2 microcontroller based on GSM SMS module wireless fire alarm system. This system consists of single-chip control module, LCD module, GSM module and the sensor module and other components and can resolve the pitfalls of traditional security systems, which makes home security more timely and easier to use. It is no longer dependent on the implementation wired telephone alarm,but the most reliable, mature GSM mobile network in the most intuitive form of short message in English resulting ina direct reflection of the alarm condition to the user's cell phone screen. The system has the advantaged of a small investment, low operating costs, and easy operation.

KEY WORD: MCU；GSM module；LCD Display；Alarm

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目录

第一章 前言 ................................................... 4

1.1 课题研究背景 ........................................... 4 1.2 智能家居的国内外现状及发展趋势 ......................... 4

1.2.1 国外发展现状 ..................................... 4

1.2.2 国内发展现状 ..................................... 5

1.2.3 智能家居系统的发展方向 ........................... 6 1.3 智能家居系统的设计原则 ................................. 7 第二章 系统总体设计 ........................................... 8

2.1 系统的基本工作过程与系统结构框图 ....................... 8 2.2 硬件设计 ............................................... 9 2.3 软件设计 ............................................... 9 2.4 系统总体实现功能 ....................................... 9 第三章 系统硬件设计 .......................................... 10

3.1系统各模块设计 ........................................ 10

3.1.1 主控机模块 ...................................... 10 3.1.2 GSM模块TC35及SIM卡 .......................... 12 3.1.3 LCD显示模块 ................................... 14 3.1.4 时钟模块 ....................................... 15 3.1.5 红外遥控器模块 ................................. 17 3.1.6 报警模块 ....................................... 18 3.1.7 传感器模块 ..................................... 18

第四章 系统软件设计 .......................................... 21

4.1 系统程序设计 .......................................... 21 4.2 系统主程序流程图 ...................................... 21 4.3 时钟模块 .............................................. 23 4.4 温湿度模块 ............................................ 23 4.5 传感器模块 ............................................ 24 4.6 TC35 GSM模块 ......................................... 25 第五章 软件调试及硬件测试 .................................... 27

5.1 软件调试工具 .......................................... 27 5.2 硬件调试 .............................................. 28 5.3 系统调试 .............................................. 29 总结 .......................................................... 31 参考文献 ...................................................... 32 致 谢 ....................................................... 34 附 录 ........................................................ 35

附录1：系统原理图 ........................................ 35 附录2：程序清单 .......................................... 35

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第一章 前言

1.1 课题研究背景

当代家庭防范盗贼的主要方式是以安装防盗安全门、防盗锁为主,但是这些防盗设备主要是通过增加相应入室的难度来达到防盗目的。这种传统的安防系统在实际使用时暴露出很多缺点,且防盗效果往往不尽如人意。这种防盗方式不仅影响房屋的美观,而且在发生火灾等事故时,住户难以逃生,威胁人们的生命安全[1]。因此,人们需要有新型的防盗系统。

随着现代科技的快速发展，原来那些简单化、局部化的报警系统已向智能化、集成化的方向发展。当前市场上常规防盗报警系统主要的通信形式为家庭电话、以太网、集群系统等等。但是这些通信方式都存在各自的缺点。

（1）盗贼在入室前比较容易切断固定电话线或者恶意占线，使其在关键时刻失灵。

（2）以太网和固定电话一样都面临着线路被剪切的问题，且以太网不易被推广使用。

（3）集群系统功耗相当大，其网络架设和管理维护费用很高，其正常使用需要购买固定的频点[2]。

1.2 智能家居的国内外现状及发展趋势

智能家居与普通家居相比，智能家居不但具有正常的居住功能，提供安全舒适宜人的家庭生活空间；而且还能把原来的被动静止物体转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外界时时刻刻保持信息畅通，有效合理的安排人们的生活工作时间，提高家居生活的安全性、舒适性、甚至合理控制各种能源的使用。 1.2.1 国外发展现状

目前，世界上多家IT、通信、家电行业的巨头纷纷认识到智能家居市场有着巨大的潜力，并相继进入这个空白的领域。目前已出现在市场上的智能型产品主要有：

（1）X-10系统为美国公司推出的智能型系统，该系统主要是通过电力线作

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为网络平台，采取集中控制方式实现多种功能。这套系统在国内极少应用，虽然这套系统有着相当强大的功能，但它在国内市场应用的条件尚未成熟。首先，它一开始的设计就是基于美国的电力环境，很难适应我国条件较为恶劣的电力线环境;其次，这套系统的设计是针对西方消费者习惯设计的，并未考虑到我国消费者的实际需求;最后，它的价格也是国内的房地产开发商和普通消费者难以承受的。

（2）德国研发推出的EIB系统，该系统是通过预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能，当前在国内应用也依然极少。探其原因，首先，该系统的工程要求较为复杂、严格，不能存在任何问题;其次，由于该系统在施工的时候需要进行线路预埋，它较高的价格也是中国客户难以承受的，所以一直无法打开国内市场推广使用该系统。

（3）新加坡的8X系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用的产品能够对系统进行扩展，目前该套系统在国内有少量应用。该系统存在的最大优势就是较为成熟，其成功应用的范例在国内及东南亚市场都可以找到。虽然说该系统比较成熟，但其在系统架构、适应性、产品价格等方面还难以做到客户的要求。首先，8X采用的预埋总线形式决定了它只能应用在新建的小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力;其次该系统集中控制的形式，使用户的可选择性大大降低，且该系统前期投入成本较高 [3]。 1.2.2 国内发展现状

我国的智能家居和国外相比起步较晚，国家统一的标准尚未形成，主要采用国外的技术和标准，但也有一些国内著名企业和科研单位推出了自己的产品，主要有:

（1）清华同方的e-Home数字家园。专门为国内普通家庭推出的智能家居控制系统，依据国际通用标准规范，运用嵌入式技术，提供网络、网络节点及末端设备等全系列家庭自动化产品。系统提供的功能主要有:智能调光、家电管理、远程控制、家政保安、环境设置和窗帘控制等。e-Home 数字家园目前主要应用的领域是正在建设中的智能大厦和智能小区，其提供全套完整的解决方案，系统以功能模块开发为主，采用了国际上较为成熟的智能家居技术标准。

（2）海尔的“e家庭”。 海尔在千禧年的时候提出了“e家庭”概念，并计划在未来的几年内相继推出:家庭无线网络、掌上智能设备、整体卫浴、指纹/瞳孔识别系统、整体智能厨房、ebook、TabletPC、智能上网设备等“e家庭”产品。海尔“e家庭”的控制中心是海尔自己生产的PC电脑，终端设备是各样的网络家电，移动数字控制中心是运用海尔本公司自己生产的移动电话。技术方面，海尔

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集团与微软公司强强合作，利用微软的软件技术和海尔的家电技术，使“e 家庭”己具雏形，海尔目前己推出了网络空调、网络微波炉、网络洗衣机、网络热水器等一系列信息家电的产品。

（3）科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”。科隆公司设计的“现代家居信息服务集散控制系统”，高效地远程互联网操作、远程家居故障维护、家电智能控制和家庭娱乐等诸多功能[3]。

以上介绍的智能家居系统，是我国不同企业和科研单位，从不同角度和立场理解智能家居的结果。由于智能家居系统到目前为止还缺乏明确的国际通用标准，因此很多公司推出的智能家居产品，使用的都是自己公司的相关技术和协议，有的核心技术由于是公司的专利并未公开，同时存在很多产品都是针对特殊的环境设计生产的，因此，在很大程度上限制了其使用的范围。虽然有的系统运用了几家大公司协定的技术，但相关的第三方产品比较缺乏，各个接入设备之间兼容性不强，相互操作的性能较差，用户扩充很不方便，这些因素进一步的制约了其发展。还有的系统价格太高，普通用户根本就没法去考虑这些产品，所以也就不能广泛的推广使用。

因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义。 1.2.3 智能家居系统的发展方向

依据目前电子技术的发展情况和人们的生活消费理念,智能家居系统有以下三个大方面的发展趋势：

（1）向“一体化系统集成”方向发展。未来智能家居一体化需满足自动化管理、三表计量、安全防范监控、火灾自动报警、楼宇门禁、设备监控等六方面内容，把这六项功能集成，从而降低生产成本，是其未来发展的一个方向。

（2）向网络化、仿人智能化、人性化方向发展。网络化是计算机技术和通信技术发展的必然趋势，而网络化是智能化的一个重要发展方向；仿人智能化是智能控制发展的趋势所在，它代表着当代高科技技术和生物学技术的高度结合和升华。因此，仿人智能化是智能家居必然发展的方向之一；人性化体现了“以人为本”的设计思想，是科学技术发展的最终归宿。因此，也是智能家居未来的一个发展方向。

（3）向规范化、标准化方向发展。我国智能家居起步较晚，新技术、新产品更新不断，统一的国家标准和规范还在制定当中。随着经济全球化的加剧还应考

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虑和国际接轨的问题；因此，国家统一制定的规范化、标准化是智能家居快速发展和走入国际市场的有力保证[4]。

而在我国现今的生活环境下，普通百姓在家庭装潢时对于智能家居系统暂时还处于陌生和不接受的状态，其中主要原因为智能家居系统的高昂成本让智能家居难以走进普通百姓家庭。

1.3 智能家居系统的设计原则

根据当前的大环境，智能家居系统的总体设计要求提供先进、可靠的功能，具有可扩展能力与升级能力。因此智能家居的设计有着下面几方面的要求：

（l）稳定性和可靠性：稳定和可靠是系统的重要前提。在系统方案的最初设计、设备的选型、产品的研发以及操作使用中，都要优先考虑提供稳定可靠的系统。

（2）可维护性和可扩展性:系统的总体结构合理，扩展灵活，即系统外设配置可灵活增加，系统规模容易扩展，方便和同类相关产品相互连接。

（3）实用性和先进性:采用的技术及产品，都应具有实用、先进、成熟、稳定的特点。技术和产品具有开放性原则，具有灵活方便的连接及升级方案[5]。

（4）经济适用性:产品在设计时应力争做到高性价比。

基于这些方面的要求考虑，本文设计了基于GSM短信模块的家庭无线防火防盗报警系统。此系统可解决这些隐患，让家庭防火防盗更及时、使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上。

该系统具有以下特点：

（1）操作方便，通过手机短信可以知道家里的实际情况；

（2）低成本方案，可定制性强，有利于实现商品化的特点，大大降低了成本，节能环保[6]。

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第二章 系统总体设计

2.1 系统的基本工作过程与系统结构框图

该系统的设计是将传感器探测、单片机控制和通信技术相结合，从而形成一个可靠的防火防盗报警系统。系统总体构成包括时钟模块、信号采集与处理模块、短信自动报警器、遥控器模块和LCD显示模块等。当用户离家时，把系统置于工作模式，防盗、防火探测器不断地进行采集，当在警戒范围内感应到人出现时、家中发生煤气泄漏或火灾时，信号处理电路向单片机输出信号，单片机与短信模块通信短信通知家主，同时启动本地声光报警，提起周围人的警惕。系统总体结构如图2.1 所示。

图2.1 系统结构框图

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2.2 硬件设计

硬件设计部分主要包括：MCU、时钟芯片、LCD显示、GSM模块、传感器、报警模块等芯片的选择；主控芯片电路设计、数据采集电路设计（人体红外传感器、烟雾传感器）、温湿度传感器电路、LCD显示电路、时钟电路、GSM模块电路、报警电路等功能模块电路设计。

2.3 软件设计

软件运用模块化设计采用C语言编写。有初始化模块、数据采集与处理模块、显示模块、报警模块、时钟模块、GSM模块。数据采集和数据处理模块是完成人体红外和烟雾检测，并对其进行分析处理；显示模块将显示温湿度、布防或撤防等信息；时钟设置模块显示时间；报警模块是在工作模式下检测到有人出现或检测到烟雾时扬声器就会发出不同的警报声，同时GSM模块就会通过已设定好的短信通知用户家中发生的事情。

2.4 系统总体实现功能

家庭智能防火防盗系统分四个功能：

(1) 时间部分：上电后DS1302时钟就会在LCD上显示时间信息，同时可以通过遥控器对时间信息进行修改。

(2) 温湿度部分：单片机通过对DHT11温湿度传感器的数据读取，并在LCD上显示出相应的温度信息和湿度信息。

(3) 防火部分：在工作模式下，烟雾传感器不断检测家中的烟雾浓度，家中的浓度当超过设定值时，控制器会自定的触发报警模块，同时发短信通知主人家中的情况。

(4) 防盗部分：在工作模式下，一旦人体红外感应到有人存在，会自动的触发报警模块并打电话并发短信通知主人家中的情况。

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第三章 系统硬件设计

3.1系统各模块设计

3.1.1 主控机模块

从价格、输入输出的执行速度、编程的灵活性、寻址能力、中断功能、直接存储访问能力、配套的外围电路芯片是否丰富以及开发系统是否具备等多方面进行综合考虑，决定选用8 位微处理器STC12C5A60S2, STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/ 8051单片机是新的一代具有强抗干扰力的单片机，其特点为：

（1）比较传统的8051也能完全兼容指令代码，其速度要快八到十二倍。 （2）MAX810是它里面集成的复位电路。

（3）工作电压为宽电压：3.5V-5.5V（5V单片机）。

（4）工作的主要的频率：0至35兆赫兹,与普通8051的0至420兆赫兹相当。 （5）用户应用程序为60K字节的空间，片上集成1280字节RAM。 （6）通用I/O口复位后为：准双向口/弱上拉（传统8051的 I/O口）能够有四个模式设置：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口都能达到20mA的驱动能力,但是整个芯片输入的限额即120mA。

（7）ISP(系统上可编程)/IAP（在应用编程），不用特别准备的编程器，也不需要专门的仿真器，配合PC端的控制程序，通过串口直接的对程序下载，几秒钟就可以下载成一片。

（8）有EEPROM功能，其大小为1K字节。

（9）共四个16位定时器，其中两个域普通8051相互能兼容的计数器/定时器，16位计时器T0和T1，没有计时器2，还有独立的波特率发生器作为串行通讯的波特率发生器，内部有2个PCA模块就能够实现2个16位的计时器。

（10）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒。

（11）有10位精度ADC共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）。 （12）通用全双工异步串行口（UART），可再用定时器或PCA软件实现多

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串口。

STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如图3.1所示，包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C震荡器和外部晶体震荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制的所有单元模块，可称得上一个片上系统[7]。

图3.1 STC12C5A60S2内部结构框图

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图3.2 主控芯片的最小系统

3.1.2 GSM模块TC35及SIM卡

TC35模块介绍：

目前,国内商品化的GSM模块有Falcom 的A2D 系列、Wavecome 的WM02 系列、西门子TC35系列、爱立信的DM10 /DM20 系列、中兴的ZXGM18系列等,这些模块之间的用法没有多大差距。西门子的TC35 系列模块的性价比相较其他产品有着较高的优势,同时也有了我国的无线设备入网证。所以,该设计选用了西门子的TC35[8]。

TC35是Siemens公司推出的GSM模块用于无线通信，也弄够实现系统中各种各样的比如数据，传真和短消息服务。3.3V－5.5V是这个模块的主要工作电压，工作频段可以在900M赫兹和1800M赫兹两个频段，当前的频率段的功率损耗分别是2W（900M）和1W（1800M）。而模块也含有AT命令集的接口，不仅对文本模式支持也对PDU模式的短消息支持、同时在二类传真的第三组、以及2.4k，4.8k，9.6k的不透明模式[9]。此外，此模块还含有多方通话、通讯录，漫游的测试等功能，它们常用工作的模式一般还有省电模式、IDLE、TALK等三种模式。经过特别的ZIF连接器，还有40个引脚，这样就体现了电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。它是经过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪

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存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。

图3.3 TC35结构框图

图3.4 TC35实物图

SIM卡

SIM卡是（Subscriber Identity Module 客户识别模块）的缩写，也叫做身份的识别卡，在一般情况下GSM的数字的移动通话机，若不插上SIM卡是不能正常通信的。SIM卡主要是在特定的电脑上存上了使用电话机的用户信息，用户存储的电话簿信息，加密过的密钥，能够用于客户的身份证明，能对客户通话的内

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容加密[10]。TC35使用外接式SIM卡，ZIF的连接器上有6个引脚作为SIM卡的借口，SIM卡上也有6个引脚分别与它们相对应，如图3.5所示

图3.5 SIM引脚图

图3.6 TC35与SIM的电气连接图

3.1.3 LCD显示模块

鉴于对显示的需要，我们采用带中文字符的LCD12864液晶显示器，其显示内容丰富，接口相对简单。内部嵌入了国标一级、二级简体汉字库的液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块较为灵活的接口方式和方便的操作指令，可以轻松做成全汉字的人机交互画面[11]。其不仅可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，电压低，功耗低，是它的明显特点。这个模块的液晶显示的方案同同种类型的液晶显示方案相比，不仅在电路结构上要简洁许多，在程序上也要简洁不少，并且它的价格同别的相比也要便宜不少。由于对系统整体设计的需求，本设计采用128×64并口模式，使用其并口模式，使显示速度更加的迅速，其具体管脚如表3.1所示：

表3.1 128×64串口接口管脚

管脚号 名称 LEVEL 功能 14

1 2 3 4 5 6 VSS VDD V0 CS SID CLK 0V +5V - H/L H/L H/L 电源地 电源正（3..3V～5.5V） 对比度（亮度）调整 模组片选端，高电平有效 串行数据输入端 串行同步时钟，上升沿时读SID数据 15 17 19 20 PSB /REST A K L H/L VDD VSS L：串口模式 复位端，低电平有效 背光源电压＋5V 背光源电压负端0V 其与单片机的电路接口如图所示：

图3.7 LCD与单片机的连接图

3.1.4 时钟模块

当前比较常用的时钟芯片有很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些芯片的接口比较简单、价格便宜、使用方便，在众多场合被广泛地采用。本文介

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