輕松打造智能家庭衛(wèi)士系統(tǒng)（原理，軟硬件實現(xiàn)，器件選型）

前言

家庭是社會的細胞，家庭的幸福也就預(yù)示著社會的和諧。一個良好的居住環(huán)境不但可以給我們一個健康的體魄，更能讓我們以一個良好的心情參加到工作、學(xué)習(xí)當(dāng)中。然而，生活在這個喧囂的城市，整天忙于工作和學(xué)習(xí)的我們也會常常忽視我們休整的地方——家庭，導(dǎo)致室內(nèi)各項生活指數(shù)都嚴重的超過了正常值；我們也會時?？吹竭@樣的報道：出門時忘記關(guān)掉正在使用的煤氣，結(jié)果就引發(fā)了一場損失慘重的火災(zāi)；還有，由于家里沒有防盜裝置，致使猖狂的小偷經(jīng)常對我們的人身、財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重的威脅。

基于以上的背景，我們就提出了這樣一個方案，它使得我們能夠隨時隨地了解到家里的各種情況（如：家里溫度高低，光線明亮與否）。當(dāng)出現(xiàn)意外險情時（如家里燃氣泄露、有小偷闖入等），此系統(tǒng)能及時的告知我們，已達到有備而無患的效果。

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1.1硬件平臺選用及資源配置

本方案擬采用基于Atmel AVR32單片機的EVK1100開發(fā)板作為硬件平臺。本平臺有幾大優(yōu)勢以利于設(shè)計方案的完成。首先是GPIO的引出，這就方便我們的各個模塊的擴展。

其次是多達兩個的串口，可以很方便的讓我們完成實驗調(diào)試。再次是上面的擴展模塊（光線傳感器、溫度傳感器、LCD液晶）設(shè)置，可以加快設(shè)計完成的進度。

在控制信息采集方面，方案使用了傳感器。相對來說，傳感器的使用不是太難，購買也比較方便。主要用了：煙霧傳感器（采集環(huán)境煙霧濃度數(shù)據(jù)）、濕度傳感器（采集周圍環(huán)境濕度數(shù)據(jù)）、溫度傳感器（采集周圍環(huán)境溫度數(shù)據(jù)）、光線傳感器（采集室內(nèi)光強數(shù)據(jù)）。 本設(shè)計系統(tǒng)框圖如下圖1所示：

圖 1

1.1.2軟件設(shè)計

主控芯片AVR32 AT32UC3A0512，為降低CPU運行負載，提高系統(tǒng)實時性，采用以1.8S為周期對占用時間長的程序運行，重點對標(biāo)志進行判斷，同時以中斷的方式對標(biāo)志作處理。下圖2為本系統(tǒng)詳細軟件流程圖

圖 2

1.2各個模塊設(shè)計

1.2.1遠程通信模塊GSM

GSM：global system for mobile communications全球移動通信系統(tǒng)，GSM 是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。全球超過200個國家和地區(qū)超過10億人正在使用GSM電話。通過GSM我們能夠從任何地方遠程遙控家里，借助于GSM我們只需支付極低的費用，而不需要自己搭建一個通信系統(tǒng)，自己搭建通信系統(tǒng)需要極大的人力，物力且通信范圍有限，GSM作為覆蓋最為廣泛的移動電話系統(tǒng)，可以很好的被我們所利用。

本設(shè)計核心模塊采用simcom公司的sim300模塊，具有相當(dāng)高的性價比。廣泛用于手機，PDA，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。sim300是采用60Pin板板連接器的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案。模塊具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，功耗低，可通過GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz通信網(wǎng)絡(luò)傳輸語音、短信、數(shù)據(jù)和傳真。

本項目中家里的任何情況，在任何時刻，任何地點都能及時的通知到我們，讓我們隨時隨地的了解家里的情況。同時遠程手機可在異地通過發(fā)短信了解家里的情況，溫度、濕度、光照等等，同時家里發(fā)生異常，例如有外人闖入也可以通過GSM向遠程手機報告，如果家里有小孩，在外的父母也能通過GSM及時了解家里的情況，例如撥通電話，對小孩作必要的囑咐。GSM模塊的通信示意圖如圖3所示：

圖 3

1.2.2人機交互設(shè)計

（1）語音模塊

采用WT588D語音芯片的應(yīng)用框圖如下：

圖 4

三線串口控制模式由三條通信線組成，分別是片選 CS，數(shù)據(jù) DATA，時鐘 CLK，時序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) SPI 通信方式。通過三線串口可以實現(xiàn)對 WT588D語音模塊命令控制、語音播放。三線串口模式下，所有按鍵均無效。三線串口控制模式下的時序圖5如下：

圖 5

另外、由于直接使用WT588D驅(qū)動喇叭時的驅(qū)動能力不夠，需要外接語音放大器，本系統(tǒng)使用運放TDA2882來放大語音信號，放大電路如下圖6所示：

圖 6

（2）LCD顯示模塊

作為人機交互的重要模塊，lcd顯示采用avr開發(fā)板上面的lcd204，我們目前的項目顯示內(nèi)容主要是溫度，濕度，光線強度，天然氣濃度等，顯示的內(nèi)容比較少。同時，本次參賽的avr例程上面對lcd204有詳細的介紹，使用起來比較方便。

1.2.3傳感器檢測模塊

（1）紅外熱釋電探測模塊

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。

本系統(tǒng)的設(shè)計采用的是HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，其內(nèi)部傳感器芯片為LHI778。

系統(tǒng)中本模塊的工作原理如下圖7示：

圖 7

（2）MQ2氣體濃度檢測模塊

本系統(tǒng)中采用的可燃易爆氣體濃度檢測裝置是對液化氣、甲烷、丁烷、煙霧等都有較好的靈敏度的MQ2傳感器。

其靈敏度特性曲線如下圖8所示：

圖 8

本MQ2濃度檢測模塊的原理圖如下圖9所示：

圖 9

系統(tǒng)中MQ2濃度探測模塊的工作原理如下圖10示：

圖 10

（3）濕度傳感器

本設(shè)計采用的濕度傳感器是：HR31電阻型濕度傳感器。HR31濕敏電阻是采用有機高分子材料的濕度敏感元件，感濕范圍寬，長期使用性能穩(wěn)定。能夠達到精度5%RH增減的要求。

其阻抗特性如下圖11所示：

圖 11

本系統(tǒng)中濕度傳感器的工作原理如下圖12所示：

圖 12

（4）溫度傳感器

考慮到EVK1100板卡上面已經(jīng)安裝了溫度傳感器NCP18WF，為了開發(fā)的進度和成本，就沒有再買模塊，直接使用就可以了。

在系統(tǒng)中的電路原理圖如下圖13所示：

圖 13

（5）光照強度傳感器

與溫度傳感器類似，光線傳感器也是使用的EVK1100上面自帶的TEMT6000光線傳感器。其電路原理圖如下左圖14所示，特性原理圖如下右圖15所示：

圖 14圖 15

1.3軟件設(shè)計

1.3.1中斷

為了更好的提高系統(tǒng)效率，本系統(tǒng)充分的利用了AVR32單片機的中斷功能。

（1）定時器中斷

在定時中斷服務(wù)函數(shù)里面利用AD采集各種傳感器數(shù)據(jù)是一種常用的手段，本設(shè)計就是利用1.8s定時來采集各種室內(nèi)數(shù)據(jù)

定時器后臺中斷程序流程：定時器前臺主程序流程：

（2）串口中斷

在設(shè)計中，AVR單片機與GSM模塊的通信是利用串口進行的。由于用查詢方式接收串口數(shù)據(jù)會大大的降低系統(tǒng)性能實時，故串口接收部分利用串口中斷。

遠程用戶為了遠程監(jiān)視家里的情況，只需要向目標(biāo)板GSM發(fā)送短信，GSM收到短信后會向核心板AVR32串口發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)AVR32串口接受到數(shù)據(jù)后，在串口中斷中把標(biāo)志位flag置1，同時把串口接受到得數(shù)據(jù)儲存到緩存中，主程序在定時器控制下，每隔1.8s檢測flag，當(dāng)檢測到flag等于1的時候，讀取緩存中的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取到得不同數(shù)據(jù)，作不用的處理，然后單片機AVR32通過串口向GSM發(fā)送相應(yīng)的室內(nèi)信息代碼，然后GSM通過短信向遠程用戶發(fā)送室內(nèi)檢測到的信息，例如溫度、濕度等等，從而高效的查詢家里的情況，達到遠程控制的功能，流程如下圖16。

圖 16

1.3.2語音部分

作為人機交互的重要平臺，語音處理部分主要是將各種傳感器采集到的參數(shù)，通過語音提示用戶，語音部分的軟件框圖如下圖17所示，并通過發(fā)出警告的方式，提醒用戶改善居住環(huán)境。

圖 17

2 總結(jié)

本次項目設(shè)計時間相對緊迫，離最初的要求有一定的距離，但是總體效果還算令人滿意，實現(xiàn)了遠程用戶實時監(jiān)視家里環(huán)境，在家里環(huán)境發(fā)生異常的情況下，如有外人闖入，溫度、濕度、可燃氣體濃度發(fā)生異常時，及時的做出報警，同時通過GSM發(fā)送短信向遠程用戶發(fā)出警告，其語音模塊能夠準(zhǔn)備的根據(jù)當(dāng)時環(huán)境測得的情況，做出語音提示。

本次設(shè)計加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在設(shè)計過程中，是心里老想著這樣的方法可以行得通的，但實際上，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間也挺多的。但是到后面，我們又會換換方案，解決問題。感觸最深的就是：無論多么簡單的事情，一定要親自去做了才能做評價。想象中的簡單不等于實現(xiàn)的簡單。在本次設(shè)計當(dāng)中，我們的模塊調(diào)試用了相當(dāng)長的時間。本來以為很簡單，但是在實際調(diào)試過程中卻總是會遇到這樣那樣的問題。最后連調(diào)的時候，本來以為模塊調(diào)試通過了，連調(diào)就容易了，但是當(dāng)所有模塊連接在一起的時候就會因為相互的沖突而不能同時工作。所以又話了很長時間來調(diào)試系統(tǒng)，經(jīng)過幾天不分晝夜的努力，我們終于完成了我們的系統(tǒng)。

在調(diào)試系統(tǒng)的過程中，遇到的問題真的很麻煩，比如在調(diào)試GSM SIM300模塊的過程中，需要通過avr單片機控制短信的接收和發(fā)送，但是，短信的接收過程中對于數(shù)據(jù)的采集，判斷，分析都是異常艱難的，需要從眾多的信息中提取出短信中的有效信息，就需要不斷地判斷，不斷地選擇。所以，在這個過程中會有很多莫名其妙的死機，但是，我們還是堅持了下來，通過串口，分別調(diào)試gsm和avr部分。不斷優(yōu)化我們的程序，最后達到了我們想要的結(jié)果。另外，在語音模塊的控制上面，我們選擇使用三線spi控制過程中，仍然遇到了不少的問題，比如，由于wt588d模塊上面的輸出，有busy信號，這對于實時查詢語音的播報情況十分重要，所以在調(diào)試這個語音模塊的過程中，始終想把這個忙信號用起來，但是，通過反復(fù)地調(diào)試，發(fā)現(xiàn)busy信號并不是隨語音的實時播報而一直顯示為高電平，反而只是在開始播報時會產(chǎn)生一個上升沿而已，所以，我們最后修改方案，不使用這跟信號線了。

總之，通過本次設(shè)計，我們又學(xué)到了不少知識。尤其是對AVR單片機又有了更深入的了解。通過本次大賽，我們對AVR32單片機的高級性能算是有了一個全新的認識。它的內(nèi)部Flash多達512KB，完全保證了程序的存儲。方便的基于優(yōu)先級的中斷管理，能讓我們快速的實現(xiàn)程序的設(shè)計。還有，不能不說集成開發(fā)環(huán)境AVR Studio 5.0真的很方便，尤其是里面的模塊化編程asf部分，在我們的設(shè)計過程中起到了很大的作用。

3 參考文獻

《信號與系統(tǒng)》，ALAN V.OPPENHEIM著，西安：西安交通大學(xué)出版社，1997年；

《數(shù)字圖像處理學(xué)》，元秋奇著，北京：電子工業(yè)出版社，2000年；

《模擬電子線路基礎(chǔ)》，吳運昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年；

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年；

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》，張曉麗等著，北京：機械工業(yè)出版社，2002年；

《ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程》，馬忠梅等著，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年；

《單片機原理及應(yīng)用》，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)，2002年；

附1：程序清單

/////////////////////////////////////////////////////////

//*************語音模塊頭文件***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

#ifndef _SOUND_H_

#define _SOUND_H_

#include "asf.h"

//IO口控制

#define GPIO_sound_control_Pin1 AVR32_PIN_PX23 //jidan0818 語音模塊IO：PX17

#define GPIO_sound_control_Pin2 AVR32_PIN_PX25 //jidan0818 語音模塊IO：PX17

#define GPIO_sound_control_Pin3 AVR32_PIN_PX27 //jidan0818 語音模塊IO：PX17

#define sound_cs GPIO_sound_control_Pin1 //PTAD_PTAD1

#define sound_clk GPIO_sound_control_Pin2 //PTAD_PTAD2

#define sound_data GPIO_sound_control_Pin3 //PTAD_PTAD0

//函數(shù)聲明

void init_sound_io(void);

void delay100us(unsigned char cnt);

void delay1s(unsigned char cnt);

void send_sound(unsigned char addr);

void sound_plus(void);

void sound_minus(void);

void sound_cycle(unsigned char addr);

void sound_stop(void);

void sound_test(void);

//各種報警語音聲明

void sound_wet_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_wet_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_temp_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_temp_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_sunshine_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_sunshine_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_gas_waring_high(void); //濕度過高報警

void sound_gas_waring_low(void); //濕度過低報警

void sound_people_waring(void); //濕度過高報警

void sound_temp(short int t ) ;

void sound_time(unsigned char hh,unsigned char mm,unsigned char ss);

void sound_sunshine(short int t );

void sound_wet(short int t );

void sound_gas(short int t ) ;

void sound_welcom(void);

#endif

/////////////////////////////////////////////////////////

//****************延時服務(wù)函數(shù)***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

//系統(tǒng)延時初始化函數(shù)

void delay_init(unsigned long fcpu_hz)

{

#ifndef FREERTOS_USED

s_fcpu_hz = fcpu_hz;

#endif

}

//系統(tǒng)ms延時函數(shù)

void delay_ms(unsigned long delay)

{

#if (defined FREERTOS_USED)

vTaskDelay( (portTickType)TASK_DELAY_MS(delay) );

#elif (defined NUTOS_USED)

NutSleep(delay);

#else

cpu_delay_ms(delay, s_fcpu_hz);

#endif

}

//系統(tǒng)us延時函數(shù)

void delay_us(unsigned long delay)

{

#if (defined FREERTOS_USED)

vTaskDelay( (portTickType)TASK_DELAY_MS(delay) );

#elif (defined NUTOS_USED)

NutSleep(delay);

#else

cpu_delay_us(delay, s_fcpu_hz);

#endif

}

/////////////////////////////////////////////////////////

//**********部分重要的服務(wù)函數(shù)***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

//播放存放語音的底層函數(shù)

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