基于AVR技术的智能家居管理系统，包含原理图、电路结构

一、项目概述

1.1 引言

10多年前，比尔·盖茨花费了1亿美元打造了一个梦幻般的智能家居系统，这个系统中包括了智能控制、安防系统以及数字视听娱乐等功能。

 

随着互联网技术和信息通讯技术的飞速发展，信息化、智能化的浪潮正在席卷世界的每一个角落，数字化家园进入豪宅，它正全方位地改变着全社会。人们对家的需求已不仅仅局限于生活的舒适和安全，把网络通讯、信息处理与空气环境和家庭电器控制融入到一起简单操作与享受，乃是人们现在的渴望与追求。

 

1.2 项目背景/选题动机

随着网络的发展和智能家居的推广，人们都越来越需求一套高智能化、安全化、网络化控制的智能家居系统。本系统采用了红外遥控技术和GSM远程数据传输技术，不仅实现了实时控制，还实现了远程控制，不仅实现了基本家用电器的控制，还实现了更为舒适的生活环境的布置和安全防范的监控。

   

二、需求分析

2.1 功能要求

1）家庭智能终端

家庭智能终端集成了智能家居的所有子系统，功能强大，是家里的总控制器。对外与别墅门口机连接，实现可视对讲、门禁开锁；与户外监视器连接，实现周界的视频监控；通过互联网、电话网络可与外界信息交互，实现网络远程控制，电话自动报警等。对内通过有线网络，控制灯光照明、家用电器、电动窗帘、家庭场景设置；通过布线与各种探测器，监视器连接，实现家庭防盗、燃气泄漏报警，网络远程监控。

 

2）全宅背景音乐

每个房间都可以独立听音乐、切换音源、调节音量大小而互不干扰，音视频数字交换机内置MP3和FM调频立体声收音机功能，实现不同区域单独控制音源，控制喇叭（分别在客厅，主卧等）

 

3）智能照明控制

实现对全宅灯光的智能管理、轻松控制，可以用遥控等多种智能控制方式实现对全宅灯光状态的控制，调光及多种一键式灯光场景效果的实现；具有集中控制、灯光情景控制、组合控制、远程控制等功能；可以根据自己喜好，随意进行个性化的灯光设置，创造不同场景氛围。

 

4）智能家电控制

实现对家中电器的智能控制，使用一个遥控器即可对电视、空调、热水器等家电控制，也可利用固定电话或手机实施远程控制。

 

5）电话远程控制
将家中电话线与电话远程控制器串连，即可接收来自远程电话的语音控制信息，按照预先约定的按键操作，用户可在任何地方，通过使用固定电话或移动电话对家中的空调、电灯、热水器等家用电器实行远程控制，同时，它不影响电话的正常使用。

 

6）智能电动窗帘
用户可以本地手动、也可以使用遥控器，家庭智能终端、电话远程、网络控制窗帘的开启、关闭。

 

7）防盗报警门禁

对家庭人身、财产等安全进行实时监控，发生入室盗窃、火灾、煤气泄漏以及紧急求助，自动拔打用户设定的电话（最多8路号码），通过语音及时报告险情

 

8）电脑远程控制

通过电脑终端在任何地方都可以实现对家庭PC机发送相应的信号，进行有效地控制，从而达到对家电等的控制。

 

2.2 性能要求

本系统采用红外遥控技术和GSM远程监控技术，用一个通用红外遥控器控制所有联网设备，如灯光控制、空调、各种电器电源、音乐、窗帘、门锁等，各个电器可通过轻触式开关直接控制，同时，灯光亮度不仅可以通过光强传感器智能控制，还可以通过遥控器调节；GSM远程监控技术实现通过TC/IP编程用远程电脑终端直接控制各个电器的开启状态，也可以实现防盗报警和各种安全报警。

 

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理（除图片外需有文字介绍）

本系统由AVR32单片机、数据采集模块、无线遥控模块、液晶显示器、时钟芯片、温度传感器、红外接收、光敏测光、串口通讯、电机驱动、继电器、可控硅调压、鸣响提示模块、PWM软件实现等模块组成，实现通过上位机和遥控器对家电、灯光、窗帘、音乐、电话、安全防范子系统以及门禁子系统的控制。

 

系统硬件结构框图

 

系统功能的实现可分为5个子系统模块组成：

a.由温湿度传感器、光敏电阻、时钟芯片和液晶显示器组成的实时显示子系统模块

b. 由串口通讯、遥控器、键盘、照明等家电设备和背景音乐组成的控制子系统模块

c. 智能窗帘子系统模块

d. 门禁子系统模块

e. 安全防范子系统模块

f. GSM远程控制子系统模块

 

（一）、实时显示子系统模块

1）模块概要

实时显示子系统模块通过时钟芯片和传感器检测光线强度、温湿度等情况，在液晶显示屏中实时地显示出来，该子系统对传感器的监测速度以及效率、性能的要求不高，我们把各传感器以及ATMEGA 16单片机作为主机（EVK1100开发板）的一个子系统，子系统作为一个独立的模块可以单独工作但又从属于主机。整体的硬件框图如下图3.1—1所示：

 

 

2）单元模块介绍

2.1  时钟芯片

现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本系统采用的DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力，其主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

 

图3.1—2  DS1302引脚图

 

2.1.1  引脚功能及结构

图3.1—3示出DS1302的引脚排列及内部结构图，其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。

 

 

2.1.2  DS1302的控制字节

DS1302 的控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

 

2.1.3  数据输入输出(I/O)

在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

 

2.2  光敏电阻

目前，在光电检测技术中常用的一些光电监测器件有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等，选择光照传感器可根据参考表3.1来进行比较选择。

 

特性 器件	光谱和光电特性		线性度	伏安特性	电特性 输出电流	噪声特性
	光谱响应	灵敏度
光敏电阻	可见光至红外	高	差	电阻型	大	低
光电池	可见光至红外	低	一般	光伏型	最大	低
光电二极管	可见光至红外	一般	好	光伏型和饱和型	小	高
光电三极管	可见光至近红外	高	差	饱和型	大	高

表3.1  各种光电器件特性比较

 

本系统采用的光敏电阻和其他光电监测器件相比具有以下特点：

a）光谱响应范围宽，根据光电导材料的不同，光谱响应可从可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红外和红外辐射有较高的响应度。

b）灵敏度高，光电导增益大于1。

c）工作电流大，可达数毫安。

d）所测光强范围宽度，既可检测强光也可检测弱光。

其缺点是在强光照射下光电转换线性较差，频率响应（器件检测变化很快的光信号的能力）低。

 

2.2.1光敏电阻的工作原理

光敏电阻的工作原理是：在其两级加上一定的电压后，当光照射在光电导体时，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动。在电路中产生电流，达到光电转换的目的。光敏电阻的工作原理如图3.1.4所示：

 

 

光敏电阻随光照强度的增加起到点性能变好，既光敏电阻的电导率增加，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值减小，随光照强度的增加起导电性能变差，既光敏电阻的电导率减小，流过其内的光电流增加，其本身的电阻值增加。

 

根据热平衡状态下半导体电导率公式，在光照射作用下产生的光电流：

式中，qN是光电子形成的内部电流，V是光敏电阻两端的电压，L是光电导体色长度，Tn，Tp是光辐射下没单位时间产生的N个电子一空穴的各自寿命，μn，μp，分别是电子和空穴的迁移率。由此可见，光敏电阻的光电流与入射的光子数、量子效率和光电导体的长度L以及加在其两端的电压大小等因素有关，其电流大小与L的平方成反比。

 

所以，在设计光敏电阻时，常设法将L减小，使光电流增大。

 

光敏电阻主要参数：

a）暗电阻 在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

b）亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

c）光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。

 

2.2.2 光敏电阻的基本特性

a）伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。

b）光照特性    光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图3.1.5为硫化镉光敏电阻的光照特性。

 

c）光谱特性    光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入社波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。对于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。

 

通过对光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等光电传感器的各种性能进行比较，以及通过分析光敏电阻的工作原理、基本特性，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人的视觉敏感区555nm波长；以及当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，这对光敏电阻在光照强度变化进行检测时输出状态保持相对稳定十分重要，为避免光敏电阻受光面笑的光敏电阻件应在教室周围进行合理地分布，用于探测自然光的有无及强弱（可根据需要进行调整）。

 

2.2.3  光照监测接口电路

光敏电阻与电阻R构成反向比例放大电路。由于光敏电阻是敏感性元件，对光照强度、距离等有一定的敏感性，以及电源的噪声等引起的各种干扰都会随设备进入到单片机控制系统中，系统的干扰影响了需要采集的真实信号，给光敏电阻的前端供电加上稳压管，以避免电源的噪声的影响获取更接近真实的信号，单片机的模拟信号输入端GM口。当光敏电阻的阻值发生变化时，GM端上的应发生变化，该信号被单片机的模拟通道GM采集，采集的是光敏电阻上的暗时，光敏电阻上的电压值接近5V，光强时，大约0V，模数转换为数字量后0~255。

 

 

图3.1.6中可知:    I=Vcc（R+Rp），V=R*Vcc*（R+Rp）

（1）当R>>Rp时，V=Vcc。因此光敏电阻电压V近似等于Vcc。此时为恒压偏置。

（2）当R<<Rp时，I=Vcc/Rp。即负载电压与电阻R无关，近似为常数。此时为恒流偏置。

（3）当R=Rp时，表示负载匹配，探测器输出功率最大。此时的工作状态为恒功率偏置

 

2.3  温度传感器

本系统采用数字温湿度传感器DHT11。此传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件。单线制串行输出接口，单总线结构输出有效地节省用户控制器的I/O口资源。40bit二进制数据输出，其中湿度整数部分占1Byte，小数部分1Byte，温度整数部分1Byte，小数部分1Byte。湿度为高16位。最后1Byte为校验和。具体如表3.2所示：

 

湿度		温度		校验
整数	小数	整数	小数	bite 0
bite 4	bite 3	bite 2	bite 1
8 bit	8 bit	8  bit	8 bit	8 bit

表3.2  温湿度传感器DHT11输出特性

 

计算方法为：

Humi（湿度）=bite 4.bite 3       

Temp（温度）=bite 2. bite 1

Jiaoyan( 校验)=bite4+bite 3+bite 2+bite 1

 

 DHT11的外形以及引脚排列如图3.1.7所示：

图3.1.7  DHT11外形引脚

 

DHT11的供电电压为3.5~5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间不要发送任何指令。电源引脚之间可增加一个瓷片电容用以去耦滤波。

 

DHT11与单片机的连接如图3.1.8所示：

图3.1.8  DHT11与单片机的连接图

 

2.4  液晶显示器

本系统采用LCD1602作为显示器显示输出信息。与传统的LED数码管相比，液晶显示器模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常见的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。

 

2.4.1  LCD1602的引脚功能

 

LCD1602模块的引脚图如图3.1.9所示，其引脚功能如表：

 

（二）、控制子系统模块

1）模块概要

控制子系统模块由RS-232串口通信、遥控器、键盘组成，实现PC机在线控制以及红外遥控器和按钮的实时控制。该子系统既可以通过PC机上位机上安装与系统连接的控件，实现可以在使用一根线发送数据的同时用另一根接收数据，从而实现很简单的远程通信，该系统也可以通过遥控器发送红外数据，通过红外解码，实现对家电的实时控制，又可以通过按钮对家用电器实行控制。整体硬件框图如图3.2—1所示：

 

图3.2—1  控制子系统模块

2）单元模块介绍

2.1  RS-232串口通信

RS-232的RS的英文意思就是Recommended standard的缩写，意为推荐标准。C表示为此协议为第三版（1962年的版本）。PD0和PD1是ATmega16的两根全双工串行通信传输线，其中RXD为输入线、TXD为输出线。从理论上讲，它是可以实现全双工工作的，但CPU是不可能同时执行“接收”和“发送”两种指令的，因此该“全双工”的定义只是对串行接口有独立的接受通道和发送通道而言。RS-232与单片机的连接图如图3.2.2所示：

 

串口通信的概念就是串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根接收数据。它很简单实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米。并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达15米。典型地，串口用于ASCLL码字符的传输。通信使用3根线完成：（1）地线（2）发送（3）接收。由于串口通信是异步的，端口能在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：

 

a 波特率:这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率。例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400,28800和36600.波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。

 

b 数据位：这是衡量通信中时机数据位的参数。当计算机发送一个信息包，时机的数据不会是8位的，表示的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。例如，标准的ASCLL码是0~127（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCLL码），那么每个数据包使用7位数据。每个包指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶检验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。

 

c 停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1,1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

 

d 奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有检验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置检验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇哥逻辑高位。例如，如果数据时011，那么对于偶校验，校验位是0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的见车数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

 

2.2  红外遥控器

红外线遥控就是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。其实现原理，是在遥控器的内部芯片中存放了对应电器可以解析的编码，从而在使用中，可以和电器进行互相通信，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本地，易实现等显著优点。

 

红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接受二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。

 

2.2.1  发射电路

发射机一般由指令键(或操作杆)、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。

 

图3.2.3  红外遥控发射原理框图

 

遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：

 

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3.2.4所示。

 

图3.2.4  遥控码的“0”和“1”

 

上述“0”和“1”组成的32 位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图3.2.5所示。

 

图3.2.5  遥控信号编码波形图

 

UPD6121G产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。UPD6121G最多额128种不同组合的编码。

 

遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间，图4为发射波形图。

 

当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个起始码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms~18ms）,高8 位地址码（9ms~18ms）,8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成。如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.5ms）组成。

 

2.2.2  接收电路

接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路(机构)等几部分组成。接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。

 

一体化红外线接收器是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。

 

图3.2.6  红外遥控接收原理框图

 

1.  键盘

本系统采用键盘实现对家电设备的实时控制，各个部分可拥有单独的按钮，达到对时间的调准，对窗帘开启状态的控制以及背景音乐的切换等。

 

1.  照明、家电设备