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1、第十三屆“挑戰(zhàn)杯”四川省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽參賽作品 家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)【摘 要】：目前市場上還沒有一款比較完善的能夠使用互聯(lián)網(wǎng)和移動通信對住宅進行遠程智能監(jiān)控的系統(tǒng)，而按市場需求的發(fā)展趨勢分析，遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)很有可能成為市場發(fā)展需求的主流家居系統(tǒng)。 我們本著以人為本的理念，為方便用戶對住宅進行近、遠程監(jiān)測和控制而設(shè)計本項目-帶紅外學(xué)習(xí)功能的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含紅外學(xué)習(xí)功能的模塊，對溫度濕度、天然氣、PM2.5的檢測，并能實現(xiàn)煙霧報警，光電檢測控制窗簾，語音播報的功能，以藍牙無線通信模塊實現(xiàn)對室內(nèi)（光、電、氣）開關(guān)的控制，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控整個室內(nèi)環(huán)

2、境，確保室內(nèi)環(huán)境處于安全，健康，節(jié)能狀態(tài)。通過WiFi模塊、移動通信設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)等實現(xiàn)無線通信，實現(xiàn)對加濕器、空氣凈化器等家用電器的智能化管理?！娟P(guān)鍵詞】：遠程智能監(jiān)控 移動通信設(shè)備 紅外記憶功能 環(huán)境監(jiān)控 WiFi 藍牙 目 錄1 前言11.1 研究目的及現(xiàn)狀11.2 研究基本思路21.3 創(chuàng)新點31.4 展望32 總體方案及關(guān)鍵技術(shù)42.1 方案設(shè)計42.2 關(guān)鍵技術(shù)52.2.1 紅外通信信息編碼52.2.2 IrDA 調(diào)制方式62.2.3 GSM短消息的發(fā)送過程及AT指令83 硬件設(shè)計113.1 系統(tǒng)控制模塊113.2 無線模塊（HLK-RM04）123.3 GSM模塊（SIM300）1

3、33.4 紅外發(fā)射模塊133.5 DHT11溫度濕度檢測模塊143.6 MQ-5煤氣檢測模塊153.7 煙霧報警檢測模塊163.8 語音播報模塊163.9 手機藍牙匹配控制（水，電，氣）開關(guān)模塊173.10 串口通信模塊184 軟件設(shè)計194.1 主控端紅外記憶及發(fā)射模塊程序194.2 紅外脈沖解碼子程序194.3 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)程序205 系統(tǒng)測試215.1 主要技術(shù)指標215.2 系統(tǒng)模塊測試215.3 系統(tǒng)實物展示256 結(jié)論266.1 作品的適用范圍266.2 與同類產(chǎn)品的對比266.2.1 與同類產(chǎn)品的功能做比較266.2.2 成本比較276.3 應(yīng)用前景預(yù)測27參考文獻2930

4、1 前言1.1 研究目的及現(xiàn)狀1.1.1 技術(shù)背景目前市場上還沒有一款能夠比較完善使用Android操作系統(tǒng)的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，而按Android系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢，Android很有可能成為便攜式設(shè)備的主流系統(tǒng)。Android系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它不僅可以在手持設(shè)備上運行，還可以在平板電腦上運行，且在應(yīng)用市場上占主流。鑒于以上優(yōu)點，如果在Android系統(tǒng)上開發(fā)一款智能家居軟件，不僅可以縮短研發(fā)周期，而且便于日后的升級維護。隨著Android系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它很有可能成為智能家居系統(tǒng)中操作系統(tǒng)的標準。本系統(tǒng)通過設(shè)計一個小型的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)中關(guān)鍵的功能，成為智

5、能家居設(shè)計的原型系統(tǒng)，為住宅用戶提供了一套完整的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。 我們本著以人為本的理念，為方便用戶對住宅進行近、遠程監(jiān)測和控制而設(shè)計本項目-帶紅外學(xué)習(xí)功能的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含紅外學(xué)習(xí)功能的模塊，對溫度濕度、天然氣、PM2.5的檢測，并能實現(xiàn)煙霧報警，光電檢測控制窗簾，語音播報的功能，以藍牙無線通信模塊實現(xiàn)對室內(nèi)（光、電、氣）開關(guān)的控制，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控整個室內(nèi)環(huán)境，確保室內(nèi)環(huán)境處于安全，健康，節(jié)能狀態(tài)。通過WIFI模塊、移動通信設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)等實現(xiàn)無線通信，實現(xiàn)對加濕器、空氣凈化器等家用電器的智能化管理。1.1.2 社會背景1、生活壓力。隨著當今社會的生活節(jié)奏不斷加

6、快，各行各業(yè)的壓力不斷急劇上升。在各方面的壓力沖擊下，綜合的利用時間以及健康的生活方式變得更為重要。早在2000年，世界衛(wèi)生組織和國際勞工組織同時發(fā)表對工作者職業(yè)健康問題的擔憂，繼心臟疾患之后，職業(yè)健康及其伴隨的憂郁癥已成為人類第二大健康隱患。隨著中國改革開放近四十年的經(jīng)濟騰飛，同種擔憂在中國也廣泛存在。有報導(dǎo)稱在華工作者中，有46.2%的人在不同程度上受到職業(yè)壓力的困擾導(dǎo)致身心健康嚴重受損。最新調(diào)查報告現(xiàn)顯示，每年由于工作壓力太大而死亡的人數(shù)在逐漸上升。那么下班后選擇一種便捷的生活方式，一個舒適的居家環(huán)境，將會對我們的身心健康帶來益處，有益于克服工作上壓力的滋長。對生活質(zhì)量的追求,對科學(xué)創(chuàng)新

7、的探索，對于健康身心的發(fā)展，這些都是促使“家庭環(huán)境智能遠程控制系統(tǒng)”誕生的重大因素。2、能源危機。能源危機是全球都面臨的一個重大危機，只有保證了能源的充足供給，才能保證生命的延續(xù)。據(jù)2012年能源調(diào)查資料顯示，在技術(shù)與成本的限制下，預(yù)估世界石油蘊藏量只可以再開采40年，天然氣只可以開采62年，煤炭可以開采77年等等可以看出現(xiàn)在全世界依賴最深的主要能源石油及天然氣，在二十一世紀的牽絆，就將日趨枯竭。目前全球因石油，天然氣等能源生產(chǎn)投資造成市場供過于求，但產(chǎn)地蘊藏量降低甚至枯竭，使得全球?qū)⒚媾R能源價格劇烈波動的尷尬問題。沒有了穩(wěn)定的經(jīng)濟基礎(chǔ)，上層建筑定會搖搖晃晃。為了國泰民安的明天，為了更長久的未

8、來，環(huán)保節(jié)能刻不容緩。在著眼于新能源的開發(fā)的同時，平常生活的細微之處，我們又能做些什么呢？3、醫(yī)療與社會根據(jù)社會的新聞熱點與輿論，我們很容易發(fā)現(xiàn)許多空巢老人存在的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是由于子女忙于事業(yè)，而無時間陪長輩。住宅的安全隱患成為子女最擔憂的問題。因而開發(fā)一種易于操作，且安全的家庭環(huán)境系統(tǒng)又成為現(xiàn)在社會的一大熱點。加入醫(yī)療監(jiān)控，確保他們的健康生活。建立在技術(shù)發(fā)展背景以及社會現(xiàn)狀背景的基礎(chǔ)上，我們小組進行了“家庭環(huán)境智能遠程控制系統(tǒng)”的開發(fā)。1.2 研究基本思路基于上述的開發(fā)背景，設(shè)計出帶紅外記憶功能的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)：用戶可將任意電器遙控器上的任意按鍵上的紅外線記錄在終端

9、上，用戶可通過接入無線網(wǎng)絡(luò)的手機來輕松控制家用電器設(shè)備。用戶也可通過手機發(fā)短信或打電話到終端，該系統(tǒng)就能自動對家庭環(huán)境進行檢測和控制使其達到人體舒適值。同時該終端還能控制傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)反饋到手機上。該系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、無線WIFI模塊、PM2.5檢測模塊、溫度濕度檢測模塊、用電流檢測模塊、MQ-5煤氣/天然氣檢測模塊、GSM進行手機傳輸模塊、煙霧報警模塊、語音播報模塊、攝像頭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊、光電檢測控制窗簾、藍牙匹配總開關(guān)等模塊構(gòu)成，圍繞IAP15F2K61S2單片機設(shè)計開發(fā)，紅外接收模塊將采集到紅外信號存儲在單片機里，用戶通過電腦、手機等終端發(fā)送信號經(jīng)由WIFI模塊

10、給單片機，單片機接收到信號后查找存儲區(qū)域內(nèi)的紅外脈沖信號，并將紅外信號發(fā)送給設(shè)備，從而對設(shè)備進行控制。用戶也可通過手機發(fā)送短信或撥打電話到GSM，GSM收到信息后將會自動打開系統(tǒng)，各檢測模塊將會開始對環(huán)境進行檢測，系統(tǒng)也將對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和對相應(yīng)設(shè)備的控制，使其達到適宜人體的值。1.3 創(chuàng)新點（1）具有紅外信號學(xué)習(xí)功能。在不改變紅外家電的條件下與其兼容，從而實現(xiàn)終端控制紅外家電。（2）通過主控機、智能手機以及平板電腦實現(xiàn)紅外電器設(shè)備的遠程控制，可遠程操控家電，使家居環(huán)境達到主人要求的舒適度。并且通過WiFi、網(wǎng)絡(luò)等與用戶的手機進行通信，用戶可直觀的看到室內(nèi)環(huán)境狀況以及當前的各個環(huán)境檢測值

11、；遠程監(jiān)測控制家庭環(huán)境，可及時預(yù)防人為災(zāi)害以及防盜。（3）通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)并進行控制，使用更加方便快捷。（4）該系統(tǒng)設(shè)有移動網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)，用戶用隨身攜帶的智能手機就可實現(xiàn)對電器設(shè)備的控制，使控制更加智能化。（5）實現(xiàn)了對室內(nèi)溫度、濕度、PM2.5以及煤氣、天然氣檢測，煙霧報警，光電檢測控制窗簾，藍牙匹配控制總（水，電，氣）開關(guān)，語音播報，攝像頭監(jiān)控等功能。（6）用戶可以以發(fā)短信的方式遠程啟動系統(tǒng)，通過手機上的應(yīng)用控制家用設(shè)備，使環(huán)境值達到舒適；（7）該系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)能、安全、方便快捷、成本低等功能。1.4 展望（1）將水表，電表，氣表的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)反饋傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備上，并可進行相應(yīng)的繳

12、費功能。（2）建立家庭PSOC設(shè)計的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)。為家庭成員的健康指數(shù)進行遠程檢測。（3）采用NE555構(gòu)成占空比可調(diào)的震蕩電路給紅外脈沖提供任意頻率載波，滑動變阻器調(diào)節(jié)占空比。也可用在工業(yè)上。2 總體方案及關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)總體設(shè)計方案：本設(shè)計基于IAP15F2K61S2單片機最小系統(tǒng)、HLK-RM04無線模塊的帶記憶功能的無線紅外控制終端、GSM進行手機傳輸模塊、WIFI模塊、溫度，濕度模塊、PM2.5，煙霧報警模塊、語音播報模塊、攝像頭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊、光電檢測控制窗簾、藍牙匹配控制總（水、電、氣）開關(guān)，實現(xiàn)了對家用環(huán)境遠、近程的智能檢測與控制、紅外記憶、紅外遙控、溫濕度顯示等功能。2.1 方

13、案設(shè)計該系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、無線WIFI模塊、PM2.5檢測模塊、溫度濕度檢測模塊、用電流檢測模塊、MQ-5煤氣/天然氣檢測模塊、GSM進行手機傳輸模塊、煙霧報警模塊、語音播報模塊、攝像頭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊、光電檢測控制窗簾、藍牙匹配總開關(guān)等模塊構(gòu)成，圍繞IAP15F2K61S2單片機設(shè)計開發(fā)，紅外接收模塊將采集到紅外信號存儲在單片機里，用戶通過電腦、手機等終端發(fā)送信號經(jīng)由WIFI模塊給單片機，單片機接收到信號后查找存儲區(qū)域內(nèi)的紅外脈沖信號，并將紅外信號發(fā)送給設(shè)備，從而對設(shè)備進行控制。用戶也可通過手機發(fā)送短信或撥打電話到GSM，GSM收到信息后將會自動打開系統(tǒng)，各檢測模塊將會開始對環(huán)境進行檢測

14、，系統(tǒng)也將對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和對相應(yīng)設(shè)備的控制，使其達到適宜人體的值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)圖1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 關(guān)鍵技術(shù)2.2.1 紅外通信信息編碼紅外遙控信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一組連續(xù)的串行二進制碼，通常由引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼、系統(tǒng)反碼、功能碼、功能反碼等組成。當某一個按鍵被按下再松開之前，遙控器一直重復(fù)發(fā)送完整的數(shù)據(jù)字即循環(huán)碼。由于二進制編碼脈沖的頻率低，為提高抗干擾性能和降低電源消耗，一般將這些編碼信號用高頻載波信號進行脈幅調(diào)制，經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)換為紅外信號發(fā)射出去。目前常用的載波頻率為38KHZ。NEC 標準和 RC5 標準是目前兩種最常用的紅外編碼標準。

15、其中NEC標準是日本NEC公司開發(fā)的，采用數(shù)字脈寬調(diào)制來表示“0”和“1”，其引導(dǎo)碼由一段9ms的高電平(有些碼是4.5ms)和4.5ms的低電平組成，系統(tǒng)碼和功能碼占8位，載波頻率為38KHZ。當連續(xù)發(fā)射時，先發(fā)送一個完整的控制字，接著只發(fā)射9ms高電平和2.25ms的低電平，再跟著一個560us的脈沖，整個波形周期仍為108ms。該標準在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，很多廠家使用該標準和與其類似的標準，他們在碼型結(jié)構(gòu)上基本一致，只是在具體的脈沖寬度的數(shù)值、引導(dǎo)碼的長度、系統(tǒng)碼和功能碼的位數(shù)、順序上有改變。比方說，表示 “0” 的脈沖寬度，有的是560/600(高/低)， 有的卻是1100/700(高/

16、低)。RC5標準由Philips 公司開發(fā)，歐洲使用較多，在亞洲地區(qū)該標準使用較少。采用雙相位脈沖表示“1”和 “0” ，每一位的時間是1.68ms，5位系統(tǒng)碼，6位功能碼，最初的載波頻率為36KHz。當按鍵按下的時間超過114ms后，它會重復(fù)發(fā)送完整的數(shù)據(jù)字，控制字之間的間隔一般是數(shù)十個毫秒。目前的紅外學(xué)習(xí)方法大體分兩種。第一種：采用脈寬調(diào)制，具有脈沖寬度固定而脈沖間隔不同的特點，用定時器對脈沖間隔計數(shù)， 由計數(shù)值的大小區(qū)別脈沖間隔時間， 從而識別出二進制的“1”、“0”和遙控信號起始位，最終學(xué)習(xí)到紅外信號對應(yīng)的串行二進制碼。由對常用的紅外協(xié)議分析可知，很多紅外編碼標準的編碼邏輯“0”、“1

17、”在調(diào)制方式、脈寬等方面存在差異，因此此種方法通用性不強。第二種：不考慮紅外編碼的構(gòu)上位機等待下位機發(fā)送學(xué)習(xí)結(jié)束標志，并準備接受其后發(fā)送的紅外編碼。此時上位機做接收，單片機做發(fā)送。本系統(tǒng)采用了NEC實現(xiàn)功能。2.2.2 IrDA 調(diào)制方式紅外線接口的標準由IrDA（InfraRed DataAssociation，紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會）制定的，IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)。IrDA 于 1994年發(fā)表了IrDA 1.0，簡稱為SIR（Serial InfraRed），是一種非同步、半雙工紅外通信方式。SIR是基于UART的紅外實現(xiàn)方案，在UART器件連接紅外編解碼器，支持UART從2

18、,400115,200的多個傳輸速率。部分 UART芯片內(nèi)部集成了SIR編解碼器。通過紅外編解碼器連接紅外收發(fā)器，構(gòu)成了紅外接口電路。SIR 信號編碼采用寬度為3/16位寬的歸零脈沖調(diào)制，如圖 2。圖2、SIR 編譯碼時序圖當UART輸出（圖中TxD）高電平時，編碼輸出（圖中TxD IR）為低電平。當UART輸出低電平時，編碼輸出為寬度為3/16位寬的高電平脈沖。當UART的傳輸速率為115200bps時，編碼輸出的高電平脈沖寬度為1.6s。在SIR設(shè)備接收端，紅外收發(fā)器收到的信號為圖中的TxD IR，經(jīng)紅外譯碼還原成為RxD送到接收端UART。在FIR中定義了3個比較高的傳輸速率，即0.57

19、6、1.152和4Mbps，與SIR不同的是，F(xiàn)IR采用同步封包傳送方式，與UART不兼容。其中0.576和1.152Mbps速率與4Mbps采用的編碼方式不同。有些地方稱0.576、1.152Mbps速率為MIR（Medium InfraRed）紅外模式。0.576、1.152Mbps采用與SIR相似的歸零脈沖調(diào)制方式，所不同的是高電平的寬度不是SIR的3/16位寬，而是1/4位寬。這樣的變化是為了與4Mbps速率的脈沖寬度相一致。這兩種速率的脈沖調(diào)制波形如圖 3。圖3、SIR 與 MIR 編碼波形4Mbps速率的FIR紅外模式采用了完全不同的脈沖調(diào)制方式4PPM（4 Pulse Posit

20、ion Modulation，脈沖相位調(diào)制）。將二進制數(shù)據(jù)每2位組合為一個調(diào)制單位，共有4種組合，即00、01、10和11。同時將2個位寬時間等間隔分為4個等份，調(diào)制脈沖的位置根據(jù)二進制組合數(shù)據(jù)的不同依次出現(xiàn)在不同的等份位置。參見圖 2-3，當被調(diào)制的二進制數(shù)據(jù)字節(jié)為00011011時，調(diào)制后的脈沖波形如圖4。圖 4、4PPM 調(diào)制波形IrDA 1.4的VFIR采用了一種全新的游程長度受限碼（Run-Length Limited，RLL）編碼方案，叫做HHH（1,13），HHH的名稱來自最初發(fā)明該編碼的三位科學(xué)家的名字。HHH（1,13）編碼是硬件實現(xiàn)的，支持 IrDA1.4 規(guī)范的紅外接口芯

21、片都集成了HHH（1,13）編、解碼電路。HHH（1,13）的編碼規(guī)測是很復(fù)雜的，采用HHH（1,13）的原因主要是為了紅外線收發(fā)器的特點，同時在功耗和頻譜帶寬兩個方面的指標都比較優(yōu)越。HHH（1,13）的編碼特點如下：(1)編碼速率為2/3。即VFIR的傳輸速率為16Mbps，編碼速率為24M，編碼后的脈沖位寬為1/24MHz = 41.67ns，也就是紅外發(fā)光脈沖的寬度；(2)HHH（1,13）出現(xiàn)連續(xù)1（有紅外信號）的最大個數(shù)為1，也就是說編碼后的數(shù)據(jù)中沒有相連的1。同時出現(xiàn)連續(xù)0（無紅外信號）的最大個數(shù)為13。2.2.3 GSM短消息的發(fā)送過程及AT指令GSM短消息一般有三種模式：塊模

22、式、PDU模式和文本模式。由于目前市場上支持塊模式的手機供應(yīng)商不多，另外，經(jīng)PDU模式編碼后的短信息內(nèi)容豐富，包括文本和圖像，適用于在突發(fā)狀況時，家居系統(tǒng)發(fā)送圖文報警短信。點對點發(fā)送短消息的過程，短消息一旦被發(fā)送后，按照SMS協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給接受方，但在發(fā)送短消息時，在歸屬的SMC中（對應(yīng)短消息中心號碼）留一份存檔。由點對點發(fā)送方式可知，只要發(fā)送端/接收端在處在移動網(wǎng)中，包括本地網(wǎng)絡(luò)和全國漫游網(wǎng)，都可以收發(fā)短信。若有一方暫時未能與網(wǎng)絡(luò)相連，短消息即可存放在被呼終端SIM卡中，同時，在歸屬SMC中存檔的短信可以再48小時內(nèi)保留下來，若超出這一期間，短信有可能被下一個發(fā)出短消息覆蓋造成數(shù)據(jù)丟失。在這段期

23、限內(nèi)，若接收端能接通到網(wǎng)絡(luò)中，短消息被接收端收到，同時，接收端會發(fā)出提醒回執(zhí)消息給接收端，表示接收有效，返回成功發(fā)送的狀態(tài)信息。這樣就完成了短消息的完整的發(fā)送過程。如圖所示：圖 5、短消息的發(fā)送過程1.短消息中心（SMC）SMC用來存儲與轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)往接收端MT的短消息，并管理用戶和計算網(wǎng)絡(luò)流量費用。通過專用接口，SMC可與MSC(移動交換中心)直接。2.SMS-GMSC和SMS-IWMSCSMS-GMSC(Gateway-MSC)是可作為MSC的智能網(wǎng)關(guān)，SMC的短消息想要進入MSC，得先通過SMC網(wǎng)關(guān)入口交換機，適用于MT類型的短消息。SMS-IWMSC是具有網(wǎng)絡(luò)交互功能的MSC，將PLMN發(fā)出

24、的短消息接收后，通過網(wǎng)絡(luò)交互，將短消息轉(zhuǎn)送到相應(yīng)的SMC的出口交換機，適用于MO類型的短消息。3.移動交換中心MSC(Mobile-Switching-Center)在PLMN中的充當著移動交換樞紐。在移動交換子系統(tǒng)中，MSC通過和HLR、VLR寄存器相連，完成數(shù)據(jù)交換功能。HLR(Home-Location-Register)本地定位寄存器是用于存放移動用戶歸屬管理的數(shù)據(jù)庫，在本地移動網(wǎng)絡(luò)中可以擁有多個本地寄存器，同時，用戶在移動網(wǎng)絡(luò)中只要在其中任一個本地寄存器里進行登記。一般把移動用戶的個人靜態(tài)數(shù)據(jù)包括用戶類別和識別號等和當前漫游的地理位置存放在本地寄存器中，其中當前漫游的位置信息中主要包

25、含有當前MT所在的漫游所在的轄區(qū)標識和在上次接續(xù)期間暫存的該MT被呼時分配的漫游號。VLR(Visit-Location-Register)漫游定位寄存器中，一般存儲的是在當?shù)芈螀^(qū)內(nèi)所有MT的用戶數(shù)據(jù)。本地定位寄存器和基站子系統(tǒng)發(fā)出MT 的用戶數(shù)據(jù)，其中包括移動用戶識別，MT所處位置識別（Cell-ID）和其他登記等信息。用戶開機申請定位登記時，當MT進入到漫游業(yè)務(wù)區(qū)域后，移動定位寄存器可把MT的用戶識別號和本寄存器的識別號送回本地定位寄存器，若確定為合法用戶，移動定位寄存器把本地寄存器中獲取到的用戶靜態(tài)數(shù)據(jù)自行保存。當此MT被用戶請求時，移動寄存器分配給MT漫游號，在送回本地寄存器暫存。本

26、次路由接續(xù)是由主呼MT所在的MSC將被呼MT歸屬HLR中暫存的漫游號作為依據(jù)。即使是處于本地移動網(wǎng)的非漫游用戶，同樣需要分配一個漫游號，因此GSM具有自動漫游功能。AT是Attention的縮寫，一般應(yīng)用于終端設(shè)備與PC機之間的連接與通信。它的前身是賀氏Hayes設(shè)計的Modem命令集，通過這些指令集，可以用來配置Modem，與遠程系統(tǒng)通信，發(fā)起或應(yīng)答一個呼叫等。根據(jù)AT命令格式要求只能一條命令一句AT指令；甚至當用戶手機向PC端發(fā)出的URC 指示或者響應(yīng)的指令也只能一行一句，而一行中有多條指示屬于非法程序。自modem指令集創(chuàng)造以來，隨著移動電話業(yè)務(wù)技術(shù)的發(fā)展，伴隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的拓展，

27、對于移動電話短消息的收發(fā)需求，制定了SMS(短消息服務(wù))塊模式的協(xié)議，用于控制在用戶手機之間的短信收發(fā)。隨著移動通信業(yè)務(wù)需求的不斷擴大，各大移動電廠商如諾基亞、愛立信、摩托羅拉和惠普在接下來的幾年里共同協(xié)定制定了一套完整的AT命令集。綜合之前賀氏的Modem命令集，增加了用于控制SMS的指令和制定了新的GSM07.05/07.07 標準。AT指令發(fā)送過程的最終目的，是通過終端適配器和終端設(shè)備發(fā)送指令，移動中轉(zhuǎn)站接收到編碼信號后，再把信號發(fā)送至GSM網(wǎng)絡(luò)。AT命令的格式為“AT/at+”。 在無線通信模塊中，所用到的命令集主要有三種：“AT/at+xx”、“AT/at+Cxx”、“AT/atSx

28、xx”。由GSM模塊的GSM07.07標準定義可知，設(shè)定了GSM模塊的AT_Command接口用于連接移動手機端和終端設(shè)備控制端。在GSM07.05標準中定義了在接收到GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息后，用戶可根據(jù)現(xiàn)場狀況發(fā)送短信消息，GSM模塊數(shù)據(jù)接收端收到命令短消息。在所有指令集中，與短信息發(fā)送接收過程中可能會用到的AT指令有：AT+CMGC Send an SMS command（發(fā)送一條短消息命令）；AT+CMGD Delete SMS message（刪除SIM卡內(nèi)存的短消息）；AT+CMGF Select SMS message format（選擇短消息信息格式命令）；AT+CMSS（從SIM卡

29、中發(fā)信息）；AT+CMGL（列出SIM卡中短消息格式）；AT+CMGS Send SMS message（發(fā)送短消息）；AT+CMGR Reads Message（讀短消息）；AT+CNMI New SMS message indication（顯示新收到的短消息）3 硬件設(shè)計系統(tǒng)包括IAP15F2K61S2單片機最小系統(tǒng)、HLK-RM04無線模塊的帶記憶功能的無線紅外控制終端、GSM進行手機傳輸模塊、WIFI模塊、溫度，濕度模塊、PM2.5，煙霧報警模塊、語音播報模塊、攝像頭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊、光電檢測控制窗簾、藍牙匹配控制（水、電、氣）總開關(guān)等，實現(xiàn)了對家用環(huán)境遠、近程的智能檢測與控制、紅外記憶

30、、紅外遙控、溫濕度顯示等功能。3.1 系統(tǒng)控制模塊我們采用STC15系列IAP15F2K61S2 芯片。在應(yīng)用可編程、無需編程器、仿真器。IAP15F2K61S2是一種集成度高，功能強的單片機芯片，增強型8051CPU。單時鐘/機器周期，速度比普通8051快8-12倍，較本系統(tǒng)而言串口夠用，并且該芯片各種接口擴展齊全，較8051單片機IAP15F2K61S2增添了許多功能，其應(yīng)用的可靠性和速度都有很大程度的提高。MCU模塊主要采用STC15系列IAP15F2K61S2作為主控芯片，該模塊實現(xiàn)對紅外遙控器編碼的存儲、發(fā)射以及向用戶控制終端反饋信息。其模塊電路原理圖如圖6所示：圖6、MCU模塊電路

31、圖3.2 無線模塊（HLK-RM04）該模塊是一種低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng)）模塊，是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標準的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3 個接口之間的轉(zhuǎn)換。通過HLK-RM04 模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。為用戶的串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供完整快速的解決方案。功能結(jié)構(gòu)見下圖，電路原理圖如圖7所示：無線通信模塊功能結(jié)構(gòu)圖7、無線模塊電路圖3.3 GSM模塊（SIM300）選用SIM300三頻段GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi)

32、的EGSM900MHZ、DCS1800MHZ、PCS1900MHZ三種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多大10個，且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四種GPRS編碼方案。SIM300結(jié)構(gòu)小巧，它具有兩種RF天線接口，并且功耗低，SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并擴張TCP/IP AT指令，利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得特別簡單、方便。整個系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)和短信消息的方式來實現(xiàn)無線傳輸短消息，并且控制器將把短消息分析翻譯成為可以識別的命令編碼。這樣可以通過手機操控的方式來實現(xiàn)家居監(jiān)控，用GPRS接入的好處是可以滿足部分internet普及率不是很高的現(xiàn)狀，同時用手機

33、對家庭進行監(jiān)控彌補了通常智能家居控制器的操作距離短，地域限制等問題，并且以短消息的方式對系統(tǒng)進行控制，提高了效率降低了成本，同時本系統(tǒng)可以擴展應(yīng)用于多種無人職守地區(qū)的監(jiān)控安防等場所。圖8、GSM模塊電路圖3.4 紅外發(fā)射模塊本設(shè)計采用NE555構(gòu)成占空比可調(diào)的震蕩電路給紅外脈沖提供38K載波，滑動變阻器調(diào)節(jié)占空比。單片機輸出的信號與38K載波調(diào)制后，經(jīng)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。紅外發(fā)射模塊電路原理如圖9所示：圖9、紅外發(fā)射模塊電路圖3.5 DHT11溫度濕度檢測模塊該模塊采用了溫度和濕度同時檢測，DHT11是一款已含有數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，直接輸出數(shù)字量，用戶只需通過串口讀取數(shù)據(jù)即可。DT

34、H11具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性，傳感器包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測量元件，DHT11都要在室內(nèi)校準，校準系數(shù)以程序的形式存儲在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)，單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，DHT11傳感器所測數(shù)據(jù)誤差較小，且具有超快響應(yīng)、超小體積、極低的功耗、干干擾能力強等優(yōu)點。綜合上述闡釋的優(yōu)點，因此該系統(tǒng)采用了DHT11溫濕度復(fù)合傳感器模塊，其電路原理圖如圖10所示：圖10、溫度濕度檢測模塊電路圖3.6 MQ-5煤氣檢測模塊該模塊為模擬量輸出，通過輸出與比較器相連，判斷高低，煤氣、天然氣檢測報警系統(tǒng)由報警控制器和探測器組成，控制器可

35、放置于室內(nèi)，主要對各檢測點進行監(jiān)控，探測器安裝于煤氣、天然氣易泄露的地點，如廚房等。其核心部件為內(nèi)置的氣體傳感器，傳感器檢測空氣中氣體的濃度，探測器將傳感器檢測到的氣體濃度轉(zhuǎn)換成電信號，通過線纜傳輸?shù)娇刂破?，氣體濃度越高，電信號越強，當氣體濃度達到或超過報警控制器設(shè)置的報警點時，報警器發(fā)出報警信號，并迅速做出相應(yīng)保護措施，如關(guān)掉煤氣、天然氣的總閥門等，自動排除隱患。采用MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫,其模塊電路原理圖如圖11所示：圖11、煤氣檢測模塊電路圖3.7 煙霧報警檢測模塊煙霧報警器的最基本組成部分包括：煙霧傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，單片機控制電路及報警

36、 ，單片機緊緊聯(lián)系著傳感器和報警電路設(shè)備，給煙霧報警器設(shè)定一個值，當外界環(huán)境達到預(yù)先設(shè)定一個值，當外界環(huán)境達到預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，煙霧傳感器把被測的物理作為輸入?yún)?shù)，轉(zhuǎn)換為電路輸出。該模塊能對數(shù)據(jù)進行分析，是否大于或等于某個預(yù)設(shè)值，如果大于則啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)，本系統(tǒng)采用高性能的單片機，工作穩(wěn)定，測量密度高，通用性強，耗能低，保證報警器的精確性及可靠性而且體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本，是廚房衛(wèi)士等易發(fā)生火災(zāi)的地方必不可少的選擇。該模塊由煙霧傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，單片機控制電路和報警電路等組成，其模塊電路原理圖如圖12所示：圖12、煙霧報警檢測模

37、塊電路圖3.8 語音播報模塊本設(shè)計采用QYMTF1FS語音模塊，QYMTF1FS語音模塊是一個提供串口的語音模塊，集成了MP3、WVA的硬解碼，軟件支持工業(yè)級別的串口通信協(xié)議，以SPIFLASH、TF卡或者U盤作為存儲介質(zhì)，可以靈活的選用其中一種設(shè)備作為語音的存儲介質(zhì)，通過串口指令完成播放指定的語音。其模塊電路原理圖如圖13所示：圖13、語音播報模塊電路圖3.9 手機藍牙匹配控制（水，電，氣）開關(guān)模塊藍牙技術(shù)使現(xiàn)代一些易攜帶的移動通信設(shè)備和電腦設(shè)備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無線上因特網(wǎng)，其實際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品和汽車等家電，組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。紅外無

38、線技術(shù)是設(shè)備或者系統(tǒng)通過紅外輻射傳遞數(shù)據(jù)的一種無線技術(shù)。調(diào)頻無線技術(shù)也最早使用的無線電技術(shù)。只要利用這三種技術(shù)中的一種我們就可以實現(xiàn)無線控制開關(guān)了。本方案我們是利用藍牙技術(shù)，即手機藍牙與家庭中固定藍牙配對以控制家中的水、電、氣總開關(guān)的開、斷從而到達節(jié)能環(huán)保的作用。該模塊采用藍牙匹配技術(shù)，可以無線控制水、電、氣等家庭中總開關(guān)。其模塊電路原理圖如圖14所示：圖14、手機藍牙匹配控制（水，電，氣）開關(guān)模塊電路圖3.10 串口通信模塊本設(shè)計采用MAX232芯片構(gòu)成串口，其電路采用MAX232與RS232組成，實現(xiàn)串口通信。其模塊電路原理圖如圖15所示：圖15、串口通信電路圖4 軟件設(shè)計4.1 主控端紅

39、外記憶及發(fā)射模塊程序該程序用于選擇學(xué)習(xí)模式、溫度采集模式及發(fā)射模式，并執(zhí)行相關(guān)操作，程序流程圖如下圖所示：圖16、紅外脈沖記憶、發(fā)射程序流程4.2 紅外脈沖解碼子程序 單片機接收紅外編碼進行解碼、判斷并執(zhí)行對應(yīng)操作，其程序流程圖如圖所示：圖17、紅外脈沖解碼程序流程4.3 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)程序該程序用于在接到用戶遠程控制指令后，監(jiān)控并改善室內(nèi)環(huán)境（如溫濕度、PM2.5等），程序流程圖如下圖所示：圖18、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控程序流程5 系統(tǒng)測試5.1 主要技術(shù)指標 (1) 紅外遙控編碼方式NEC，載波38K，發(fā)射距離8米，發(fā)射及接收角度為30；(2) PM2.5測量傳感器電流消耗：最大值20mA，11m

40、A典型值，靈敏度：0.5V/0.1mg/m3；(3) 煤氣傳感器檢測氣體：天然氣、甲烷、煤制氣、LPG，檢測濃度：300-10000ppm； (4) 濕度測量范圍：20%-95%（0度-50度范圍）濕度測量誤差：+-5%；(5) 溫度測量范圍：0度-50度 溫度測量誤差：+-2度。5.2 系統(tǒng)模塊測試 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計功能，分模塊進行以下測試：(1) 自動控制模式測試當開啟系統(tǒng)時，系統(tǒng)能將測量值實時反饋給用戶，并能根據(jù)設(shè)定的閥值來自動開啟或關(guān)閉電器設(shè)備，使其能自動調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，從而達到人體的適宜值，達到一個動態(tài)平衡；圖19、系統(tǒng)圖(2) 手動控制模式測試先由終端學(xué)習(xí)紅外，再經(jīng)測試通過手機APP直接

41、控制家用電器設(shè)備，可以省去各種遙控器；圖20、紅外學(xué)習(xí)(3) MQ-5煤氣檢測模塊與PM2.5模塊測試當環(huán)境煤氣、天然氣濃度，PM2.5值高于設(shè)定的閥值時，相應(yīng)模塊即刻報警，再經(jīng)由終端將數(shù)據(jù)反饋給手機，方便用戶遠程檢測住宅室內(nèi)的煤氣、天然氣濃度。檢測可燃氣體前圖21、檢測可燃氣體后(4) 室內(nèi)溫、濕度檢測首先打開WiFi模塊，手機屏幕上顯示出室內(nèi)測試前的數(shù)據(jù)，增加溫度和濕度后，手機屏幕上的數(shù)據(jù)更新。溫、濕度數(shù)據(jù)更新前圖22、溫、濕度數(shù)據(jù)更新后（5）用戶遠程監(jiān)控功能測試直接點擊手機AAP中的獲取家境情況，自動發(fā)送短信到住宅里面的終端，再經(jīng)由終端向手機發(fā)送所獲取的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的作用。圖23、

42、短信發(fā)送5.3 系統(tǒng)實物展示 圖24、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)圖25、帶學(xué)習(xí)功能的遠程控制系統(tǒng)6 結(jié)論系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計方案實現(xiàn)了設(shè)計要求，主要的技術(shù)指標也能達到，最終實現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新。6.1 作品的適用范圍 家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)以住宅為平臺，利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、無線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起；與普通家居相比，家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔粨Q功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強

43、家居生活的安全性，健康性甚至為各種能源費用節(jié)約資金。6.2 與同類產(chǎn)品的對比6.2.1 與同類產(chǎn)品的功能做比較與同類產(chǎn)品的功能做比較，家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)有以下4大特性：(1)智能化：由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又悄艿墓ぞ撸ㄟ^主控機、智能手機以及平板電腦實現(xiàn)紅外電器設(shè)備的遠程控制，用戶用隨身攜帶的智能手機就可實現(xiàn)對家庭環(huán)境的監(jiān)控及外部電設(shè)備的控制；(2)信息化：提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持訊息交流暢通；(3)人性化：強調(diào)人的主觀能動性，重視人與居住環(huán)境的協(xié)調(diào)，使用戶能隨心所欲地控制室內(nèi)居住環(huán)境；(4)節(jié)能化：取消了家用電器的睡眠模式，一鍵徹底斷電，從而節(jié)省了電能。6

44、.2.2 成本比較家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件成本在500元左右。“家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)”硬件成本如下表：其它智能家居的成本很高，低至6000元高達上萬元；我們的家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)低成本，高效益，可以為居民提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話短信遠程控制、室內(nèi)外遙控、煙霧報警、語音播報家庭情況以及可編程定時控制等多種功能和手段，使人們的生活更加舒適、便利和安全，受到廣大居民的喜愛，市場應(yīng)用前景可觀。6.3 應(yīng)用前景預(yù)測家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)將家庭中的信息與相關(guān)的通信設(shè)備，電器和家庭安防裝置通過家庭總線技術(shù)(HBS）連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中或者異地的監(jiān)控，控制和家庭事務(wù)

45、性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)。家中的溫度，濕度，PM2.5值，煤氣、天然氣濃度，光線強弱等進行自動檢測，并能做出相應(yīng)的調(diào)整，使室內(nèi)環(huán)境得到一個有利狀態(tài)。在技術(shù)不斷革新的現(xiàn)狀下，一套可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，智能照明，以及智能測控的智能物聯(lián)家居系統(tǒng)，使住宅更加智能化，人性化，高效化，節(jié)能化。隨著社會經(jīng)濟水平的提高和發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也在相應(yīng)的變化，對日常生活環(huán)境和健康狀況越來越關(guān)注。但是由于社會的發(fā)展帶來了各方面的污染，家庭的生活環(huán)境也隨著空氣質(zhì)量的變化而不斷的惡化。為了提高人們的生活環(huán)境質(zhì)量，及時掌握空氣質(zhì)量的變化和更加健康的生活，我們開發(fā)了家庭環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)。我國有居民14億之

46、多，對智能家居系統(tǒng)有需求的居民同樣占有重大的比例。目前，市場上并沒有一套完整可靠的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的解決方案，僅有散件和部分功能模塊出售。由此觀之，其應(yīng)用前景十分廣闊，具有可觀的經(jīng)濟效益和市場推廣應(yīng)用前景。參考文獻1 楊素行，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版），清華大學(xué)電子學(xué)教研室，2006年5月；2 胡乾斌，李光斌，李玲，甘錫英. 單片微型計算機原理與應(yīng)用. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社，2001. 30-603 劉萬輝，楊曄；基于Android系統(tǒng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，2013年5期；4 李琴，陳立定，任志剛；基于Android智能手機遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計J電視技術(shù)；2012年0

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