智能家居之智能环境监测系统
智能家居之智能环境监测系统
[导读]　智能家居目标是为用户提供一个舒适安全高效的生活环境，为了优化人们的生活质量，环境监测系统的重要性就凸显出来了......
　目前，环境监测系统主要包括室内温湿度探测，室内空气质量探测，室外气候探测，以及室外噪声探测，一个完整的家庭环境监测系统主要包括：环境信息采集，环境信息分析，及控制和执行机构三个部分，其系统组成包括，温湿度传感器，空气质量传感器，光线环境光探测器，室外风速探测器，以及无线噪声传感器。
　　例如通过一体化温湿度传感器，采集室内温湿度，为空调地暖等设备提供控制依据。
　　通过太阳辐射传感器室外风速探测器，雨滴传感器采集室外气候信息，为电动窗帘提供控制的依据。
　　通过无线噪声传感器采集首尔招生信息，为电动开窗器或背景音乐的控制提供依据。
　　通过空气质量传感器，无线pm2.5探测器采集室内空气污染信息，为净化器，电控开窗器提供依据，自动换气或去污。
　　目前市面上的智能环境监测产品有，空气质量传感器，空气质量控制器传感器，空气质量检测仪，窗帘控制电机电动开窗器，太阳辐射传感器，室外风速探测器，雨滴传感器，无线噪声探测器，温湿度一体化传感器。
　　如何搭建设计家庭环境检测系统，首先要根据外部居住环境的好坏，来设计室内的环境监测系统，如处于空气污染严重的地区，就要以室内空气质量检测为主，如处气温偏低又常年潮湿的地区，就应以室内温湿度监控为主，如处于繁华的闹市，就要以噪声监测为主，如处于气候多变的地区，就以室外气候监测为主，总而言之，搭建室内环境监测系统，要以实用性，适用性和稳定性为主。
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编辑：Sally
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智能家居环境监测系统研究与设计
摘 要 本设计通过结合了ARM和ZigBee两大技术，搭建了一个智能家居环境监测系统。实现了对家居中的温度、湿度、烟雾浓度的监控。硬件方面，采用了STM32采集数据，ZigBee模块传输信息，ARM9作为处理器进行统一处理信息。软件方面，利用Qt编写上位机程序。然后移植到ARM，平台，实现了ARM板对家居的监测。【关键词】STM32 智能家居 ZigBee 监测1 引言随着人们生活需求的提高，家居智能化控制已成為一种必然趋势。本系统在研究了嵌入式开发技术和ZigBee网络技术的基础上，使用ARM9微处理器芯片设计为核心，实现大面积的多点温度、湿度以及烟雾浓度进行实时监测，并将数据通过无线网络传输到控制器进行数据存储和分析，最终实现了家居室内监测系统。2 智能家居环境检测系统总体设计系统主要以STM32嵌入式控制芯片为主，外接各种控制模块电路，利用温湿度传感器、烟雾传感器以及光照传感器对室内状况进行检测，并将检测到的数据发送到嵌入式控制器进行数据分析，当有异常状况发生时，嵌入式控制器立即做出相应的处理并发出报警。并通过ZigBee发送给ARM端的上位机中，同时将数据保存到sqlite数据库中，方便用户直观的查看室内状态。外围电路则由光敏传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器模块组成，与嵌入式器件相连接，实现了控制芯片的通信。3 系统硬件设计本系统电路设计主要包括以下几个功能模块的设计：3.1 光强检测模块通过光敏二极管电路接收装置来检测光照强度，将光值转换为电信号，以供单片机处理判断关照条件，决定是否自动开启灯光。3.2 烟雾浓度采集模块通过驱动MQ_2传感器实现对环境中液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等敏感气体的检测，及时传输给单片机后进行条件判断，环境烟雾浓度值是否超过阀值。3.3 温度数据采集模块使用灵敏度系数比较高的DS18B20芯片。该芯片检测灵敏度高、稳定性好、价格便宜，因此很适合用于本系统。3.4 湿度采集模块温湿度采集使用DHT11传感器，该传感器可以同时输出温度和湿度，只需按照规定的时序进行读写即可。3.5 LED电路的设计本次系统通过模拟LED实现对家庭照明灯的控制，所有的灯均是共阳，控制时只需要给对应控制管脚低电平即可实现。3.6 ZigBee通信接口电路ZigBee通信接口为串口，因此只需留出对应的串口接口即可，系统使用串口2作为通信接口。3.7 控制部分功能的实现系统中硬件控制部分主控芯片选择STM32F103C8T6。该芯片具有64KB的SRAM和32位地址数据线，其性能和传统的8位51单片机相比提高了数倍，因此足以实现本系统控制部分功能。辅助电路的设计：复位电路、振荡电路、按键电路及初始位置定位设计，还有额外添加的串口输出模块，方便调试和维护。4 系统软件设计本系统软件方面，利用Qt编写上位机程序。然后移植到ARM平台，实现了ARM板对家居的监测。软件设计总体上分为STM32数据采集、ZigBee网络数据发送和接收、嵌入式平台的搭建以及基于Qt技术的系统主控软件的设计。上位机部分的软件设计实时显示当前家居内的温湿度、烟雾浓度以及LED灯的状态灯信息，还可以实现实时控制LED灯的状态。下位机STM32单片机中移植了一款嵌入式操作系统μC/OS-II，所以的传感器都是以独立任务的形式在运行，使得整个程序比较流畅、效率比较高，系统的稳定性也得到了调高。5 通信协议设计ZigBee网络中传递的是信息叫ZigBee消息，一个ZigBee消息由127个字节组成， 在本智能家居系统设计中，采用的ZigBee协议帧格式为MsG格式。通信协议作为一个比较重要的部分，它完成了系统中数据的封装和解析依据。本系统中通信协议使用自定义的，数据帧结构体的定义如下：typedef struct Protocol{u8 send_begin； //起始标志 以“#”开始u8 potocol_len； //信息长度 可变长u8 device； //设备名u8 device_cmd； //设备命令u8 date_len； //数据长度 没有为0u8 *date； //数据 没有指向空u8 send_end； //结束标志 以“*”结束}protocol；不仅在上位机和下位机通信过程中始终保持着同一份协议，数据的发送和解析都是严格按照此协议进行的。6 系统测试系统硬件平台的搭建以及软件的开发完毕后，需要对系统进行性能测试，以验证整个智能家居系统运行的可靠性和稳定性。在硬件连接测试，可以点击上位机中的LED灯开关，发送开灯或者关灯命令，查看下位机STM32板上所连接的LED灯状态是否改变，若改变了则证明整个硬件连接正确。此外测试系统是否死机的一个办法是用手挡住光敏传感器，若此时旁边的LED灯亮，说明系统正常运行。通过测试最终实现本系统监测功能要求。参考文献[1]柯国琴.基于单片机的智能家居系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.[2]孙常清，赵英涛.数字家庭网络发展分析[J].电信科学，2007（06）：23-27.[3]穆秀春著.Altium Designer原理图与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2011.[4]师振伟.基于ARM和ZigBee的智能家居无线终端控制系统的设计[D].西安：西安工业大学，2013.[5]冯承金.基于ZigBee和ARM9的智能家居系统的研究与设计[D].湖北：武汉理工大学，2010.作者简介刘云萍（1980-），女，山西省太原市人。硕士学位。现为太原工业学院计算机工程系讲师。主要从事数据库系统设计研究。作者单位太原工业学院计算机工程系 山西省太原市 030008
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智能家居环境监测控制系统的设计
摘要:介绍了一种以单片机AT89C52为核心的智能家居环境监测控制系统，实现温度、相对湿度以及光照强度等级等进行检测，并进行自动控制，以提高环境的舒适度．该系统性能可靠，结构简单，能实现对环境参数的自动调节．
关键词:智能家居;温湿度;光照强度;AT89C52
随着现代家庭生活水平的不断提高，使家居主人感觉舒适，需要对家居的温度、湿度、光照强度等进行检测，并实现自动控制，以提高家居环境的舒适度．本文介绍的温度、湿度和光照强度进行实时控制，并可将温度值在0～50℃、湿度值在20%～98%RH(相对湿度)、光照强度等级之间任意设定，由执行机构控制温度、湿度、光照强度满足预定设置，设有报警提示功能，同时该系统带有键盘、显示、日历时钟等功能．
系统主要由单片机模块、光照强度等级检测模块、温湿度检测模块、日历时钟模块、键盘模块、显示模块、声光报警模块、执行机构控制模块和电源模块组成，其整体框图，如图1所示．
该监测控制系统的功能主要是根据传感器测量的数据与设定值相比较，单片机系统通过指令控制继电器的开关来控制执行设备的开启和关闭，室内主人可以通过键盘设定温度和湿度的范围，显示模块用于实时显示当前测量的温度和湿度、光照强度等级以及日历时钟．
2系统主要硬件电路设计
单片机数据采集系统是由单片机最小应用系统、温湿度测量电路、日历时钟电路等组成，如图2所示．
2．1单片机最小系统
采用单片机AT89C52、复位模块、时钟模块、键盘模块和显示模块组成，其中复位模块、时钟模块和单片机AT89C52构成最小应用系统;键盘模块采用独立式键盘接口，当某一按键闭合时，相应的I/O数据线变为低电平，这样通过键盘上的高低电平来检测有无按键被按下，读入相应的数值，用于设置室内温度、湿度范围;显示模块采用图形液晶显示模块TM240128D，用于实时显示当前温度、湿度、光照强度等级以及当前的日历时钟．
2．2温湿度测量电路及控制电路
作为测量温湿度电路，主要采用了先进的数字式温湿度传感器SHT15对温湿度信号进行采集及处理，实现对环境温湿度的智能控制功能．SHT15是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，将湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C线接口全部集成于一个芯片上，具有全校准相对湿度及温值输出，I2C总线数字输出接口，露点值计算输出功能，免围元件，湿度值输出分辨率为l4位，温度值输出分辨率为12位，可编程降至l2位和8位，CRC数据传输校验功能，片装载的校准系数可保证100%的互换性．SHT15与单片机的接口电路为:GND为接地端;DATA为双向串行数据总线;SCK为串行时钟输入端;VDD为电源端，范围为2．4～5．5 V;NC为空管脚．温湿度传感器将采集的温度、湿度转换为数字信号，这些数字信号与相应的给定的数值进行比较，单片机发出相应的控制信号控制加湿装置、去湿装置、加温装置、降温装置等执行设备的动作，实现对室内温度、湿度的控制．
2．3光照强度测量电路及控制电路
作为测量光照强度电路，主要采用光敏电阻．光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件．它在光线的作用下其阻值往往很小．在黑暗的环境里，它的电阻值很高．当受到光照时，光敏电阻阻值下降．光照愈强，阻值越低．入射光消失后，光敏电阻的阻值逐渐恢复原值．在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换．
当光照强度检测电路中，发光二极管LED1、LED2、LED3均不发光时，表示光照强度暗;发光二极管LED1发光、LED2、LED3均不发光时，表示光照强度弱;发光二极管LED1、LED2均发光、LED3不发光时，表示光照强度中;发光二极管LED1、LED2、LED3均发光时，表示光照强度强．当阳光照到光敏电阻上，光照等级自动增强时，单片机发出相应的控制信号，控制电动机正转，将窗帘自动拉合;当光照等级自动变弱时，单片机发出相应的控制信号，控制电动机反转，将窗帘自动拉开．
2．4日历时钟电路
作为日历时钟电路，主要采用了Dallas公司生产的串行实时时钟芯片DS1302，DS1302具有实时时钟和静态RAM，采用串行通信，可方便地与单片机接口．DS1302是Dallas公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路．提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式．DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到3个I/O线:复位端、数据线I/O、串行时钟SCLK．
本系统软件设计是从主程序、温湿度处理部分、光照强度处理部分、键盘功能设置、TM240128液晶显示、执行机构控制等几个方面进行具体描述的．整个程序的思路是:主程序以&测量温湿度、光照强度&&&处理温湿度、光照强度&&&查询键盘&&&执行机构控制&进行着，定时器1定时时间到了，保护现场，进行数据显示，之后恢复现场，中断返回，继续回到主程序．主程序流程如图3所示．
主程序的主要功能:
负责温湿度、光照强度和日历时钟的实时显示和设定温湿度、光照强度上限与下限的预期值，使实时温湿度、光照强度与预期值进行比较，当实时温湿度、光照强度低于下限值时，控制加温装置、加湿装置和电动机反转拉开窗帘;当实时温湿度、光照强度高于上限值时，控制降温装置、去湿装置和电动机正转拉合窗帘;当实时温湿度、光照强度不在预期值范围内时，相应的指示灯会亮，同时发出报警信号．
键盘功能设置:
键S1第一次按下要进行修改预期值，然后再按下键S2、键S3或键S4进行参数设置操作，设置完成后，再按下键S1表示参数设置成功．键S2按下进行对哪个参数进行设置．键S3和键S4按下进行相应的加1或减1操作．当先按到键S2、键S3或键S4时前状态继续进行，数据显示也不会发生改变．
温湿度程序设计:
温湿度程序设计中，包含了以下子程序:写程序、读程序、传输启动程序、复位程序、计算及修正温湿度值程序．
按照本设计方法制作的控制系统具有精度高，稳定性好，反应灵敏，成本低等特点，也适用于温室或者暖房的温度、湿度、光照强度的调节．
［1］张毅刚．单片机原理及应用［M］．北京:高等教育出版社，2003．
［2］吴湘剑，王慧，蔡进科．家用小范围环境控制系统［J］．现代电子技术，-41．
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［5］王煜东．传感器应用电路400例［M］．北京:中国电力出版社，2008．
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