2011 学科交叉实验研究试点项目
重复实验报告
项目名称：智能家居卫士
学校名称：重庆大学
指导老师：胡又文
团队成员：唐先成、吴晋成
电子邮箱：124920754@https://www.doczj.com/doc/0b18647462.html,
联系电话：136********
题目名称：智能家居卫士
重庆大学通信工程学院队员: 唐先成吴晋成
内容摘要：
在安全防盗方面，我们采用低成本高精度的红外红外热释电模块；利用可燃性气体传感器检测火灾情况；利用温湿度、光线强度传感器检测室内空气质量参数，然后通过AVR单片机的AD通道采集传感器的数据并送MCU进行处理和判断。同时在LCD204上面显示采集到的实时环境参数，根据判断结果进行各种报警处理。利用EVK1100板上20*4LCD显示屏显示必要的信息；利用GPRS模块，完成了远程报警短信提示功能的设计；利用语音模块实时播报报警提示声音。
关键字：Atmel AT32UC3A0512 家庭卫士
Abstract：
In this project, we select the cheap infrared tubes as the sensors to make a judgment about the people come in the house. Use every kind of sensors to detect the fire accident, tempreture value, wet value and so on. The values are to be send to the MCU AT32UC3A0512 . in order to controll the smart home system, and the 4*20 LCD as a window to show the requisite information. We use GPRS module to selecte in the way of establishing the network. The circuit design of the Peripheral devices has been completed. We use the sound mode to record the valid voice.
keywords：Atmel AT32UC3A0512 Home Guarder
1目录
1目录 (3)
2正文 (4)
2.1序 (4)
2.2前言 (4)
2.3系统整体设计 (4)
2.3.1硬件平台选用及资源配置 (4)
2.3.2软件设计 (5)
2.4各个模块设计 (6)
2.4.1远程通信模块GSM (6)
2.4.2人机交互设计 (6)
2.4.3传感器检测模块 (7)
2.5软件设计 (10)
2.5.1中断 (10)
2.5.2语音部分 (12)
2.6 重复实验系统搭建步骤 (12)
2.6.1 A VR Studio 5的软件安装 (12)
2.6.2 A VR Studio 5新建工程 (12)
2.6.3 WT588D的安装 (13)
2.6.4 WT588D新建工程 (13)
2.6.5 系统硬件搭建 (14)
2.7 系统演示步骤 (17)
2.7.1程序编译与下载 (17)
2.7. 2 系统功能演示 (19)
2.8作品主要性能指标的测试评价及重复实验的改进建议 (19)
2.8.1主要指标 (19)
2.8.2改进建议 (20)
3总结 (20)
4参考文献 (21)
5附件 (21)
附1：元器件明细表： (21)
附2：仪器设备清单 (21)
附3：程序清单 (21)
2正文
2.1序
21世纪是“信息世纪”，随着人们生活水平的不断进步，对于家居环境要求也日益增高。如何将信息产业的最新成果，应用于构建一个舒适和谐的家居环境，己日益引起人们的关注和重视。传统的家庭电子电器类产品具有单个控制的特点，无法进一步构成网络，和外界进行信息交互。“智能家居”概念的提出，改变了这种这种状况。智能家居系统可以将相对独立的电器产品“智能”地连接在一起，提供全方位信息交换功能，帮助家庭内部及外部实现信息畅通，从而优化生活环境，提高生活质量。
了解到了创新实验交叉平台的信息后，于是便和队友们讨论题目，确定方向。经过一个多月的讨论、查找资料、撰写计划，终于提交了本设计的项目计划书，然后就开始漫长的等待。当得知我们的项目经过答辩并顺利通过的时候，我们都开心的笑了，因为又可以再次合作，大显身手了。
2.2前言
家庭是社会的细胞，家庭的幸福也就预示着社会的和谐。一个良好的居住环境不但可以给我们一个健康的体魄，更能让我们以一个良好的心情参加到工作、学习当中。然而，生活在这个喧嚣的城市，整天忙于工作和学习的我们也会常常忽视我们休整的地方——家庭，导致室内各项生活指数都严重的超过了正常值；我们也会时常看到这样的报道：出门时忘记关掉正在使用的煤气，结果就引发了一场损失惨重的火灾；还有，由于家里没有防盗装置，致使猖狂的小偷经常对我们的人身、财产安全构成严重的威胁。
基于以上的背景，我们就提出了这样一个方案，它使得我们能够随时随地了解到家里的各种情况（如：家里温度高低，光线明亮与否）。当出现意外险情时（如家里燃气泄露、有小偷闯入等），此系统能及时的告知我们，已达到有备而无患的效果。
2.3系统整体设计
2.3.1硬件平台选用及资源配置
本方案拟采用基于Atmel A VR32单片机的EVK1100开发板作为硬件平台。本平台有几大优势以利于设计方案的完成。首先是GPIO的引出，这就方便我们的各个模块的扩展了。其次是多达两个的串口，可以很方便的让我们完成实验调试。再次是上面的扩展模块（光线传感器、温度传感器、LCD液晶）设置，可以加快设计完成的进度。
在控制信息采集方面，方案使用了传感器。相对来说，传感器的使用不是太难，购买也比较方便。主要用了：烟雾传感器（采集环境烟雾浓度数据）、湿度传感器（采集周围环境湿度数据）、温度传感器（采集周围环境温度数据）、光线传感器（采集室内光强数据）。
本设计系统框图如下图1所示：
图 1
2.3.2软件设计
主控芯片AVR32 AT32UC3A0512，为降低CPU 运行负载，提高系统实时性，采用以1.8S 为周期对占用时间长的程序运行，重点对标志进行判断，同时以中断的方式对标志作处理。下图2为本系统详细软件流程图
开始
系统初始化
1.8S 定时到？
是
AD 采集传感器值
报警标志置1？
语音和短信报警
LCD 显示
红外标志置1？是
报警
短信标 志置1？否
发送短信
按键标 志置1？语音播报，拨打或接电话
否
否
是
否
是
按键中断
相应标志置1
图2
2.4各个模块设计
2.4.1远程通信模块GSM
GSM：global system for mobile communications全球移动通信系统，GSM 是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。通过GSM我们能够从任何地方远程遥控家里，借助于GSM我们只需支付极低的费用，而不需要自己搭建一个通信系统，自己搭建通信系统需要极大的人力，物力且通信范围有限，GSM作为覆盖最为广泛的移动电话系统，可以很好的被我们所利用。
本设计核心模块采用simcom公司的sim300模块，具有相当高的性价比。广泛用于手机，PDA，无线数据传输等领域。sim300是采用60Pin板板连接器的双频GSM/GPRS模块解决方案。模块具有工业标准化接口，功耗低，可通过GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz 通信网络传输语音、短信、数据和传真。
本项目中家里的任何情况，在任何时刻，任何地点都能及时的通知到我们，让我们随时随地的了解家里的情况。同时远程手机可在异地通过发短信了解家里的情况，温度、湿度、光照等等，同时家里发生异常，例如有外人闯入也可以通过GSM向远程手机报告，如果家里有小孩，在外的父母也能通过GSM及时了解家里的情况，例如拨通电话，对小孩作必要的嘱咐。GSM模块的通信示意图如图3所示：
AVR 单片机串口
GSM
模块
串口
TX
RX
远程手
机用户
图3
2.4.2人机交互设计
（1）语音模块
采用WT588D语音芯片的应用框图如下：
WT588D语音芯片三线控制接口
32M SPI-Flash
BUSY信号输出USB下载音频信号输出
图4
三线串口控制模式由三条通信线组成，分别是片选CS，数据DATA，时钟CLK，时序根据标准SPI 通信方式。通过三线串口可以实现对WT588D语音模块命令控制、语音播放。三线串口模式下，所有按键均无效。三线串口控制模式下的时序图5如下：
图5
另外、由于直接使用WT588D驱动喇叭时的驱动能力不够，需要外接语音放大器，本系统使用运放TDA2882来放大语音信号，放大电路如下图6所示：
图6
（2）LCD显示模块
作为人机交互的重要模块，lcd显示采用avr开发板上面的lcd204，我们目前的项目显示内容主要是温度，湿度，光线强度，天然气浓度等，显示的内容比较少。同时，本次参赛的avr例程上面对lcd204有详细的介绍，使用起来比较方便。
2.4.3传感器检测模块
（1）红外热释电探测模块
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。随着激光、红外技术的迅速发展，热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。
本系统的设计采用的是HC-SR501人体红外感应模块，其内部传感器芯片为LHI778。系统中本模块的工作原理如下图7示：
HC-SR501人体红外感应模块传感器
AVR IO 管脚中断
AVR 核心内部处理（提示、判断）
图 7
（2）MQ2气体浓度检测模块
本系统中采用的可燃易爆气体浓度检测装置是对液化气、甲烷、丁烷、烟雾等都有较好的灵敏度的MQ2传感器。
其灵敏度特性曲线如下图8所示：
图 8
本MQ2浓度检测模块的原理图如下图9所示：
图 9
系统中MQ2浓度探测模块的工作原理如下图10示：
MQ2传感器探头AVR 内部AD 通道
AVR 核心内部处理（显示、判断）
图 10
（3）湿度传感器
本设计采用的湿度传感器是：HR31电阻型湿度传感器。HR31湿敏电阻是采用有机高分子材料的湿度敏感元件，感湿范围宽，长期使用性能稳定。能够达到精度5%RH 增减的要求。
其阻抗特性如下图11所示：
图 11
本系统中湿度传感器的工作原理如下图12所示：
HR31传感器探头
AVR 内置AD
通道
AVR 处理器算法处理
室内湿度
图 12
（4）温度传感器
考虑到EVK1100板卡上面已经安装了温度传感器NCP18WF ，为了开发的进度和成本，就没有再买模块，直接使用就可以了。
在系统中的电路原理图如下图13所示：
图13
（5）光照强度传感器
与温度传感器类似，光线传感器也是使用的EVK1100上面自带的TEMT6000光线传感器。其电路原理图如下左图14所示，特性原理图如下右图15所示：
图14 图15
2.5软件设计
2.5.1中断
为了更好的提高系统效率，本系统充分的利用了A VR32单片机的中断功能。
（1）定时器中断
在定时中断服务函数里面利用AD采集各种传感器数据是一种常用的手段，本设计就是利用1.8s定时来采集各种室内数据。
定时器后台中断程序流程： 定时器前台主程序流程：
（2）串口中断
在设计中，A VR 单片机与GSM 模块的通信是利用串口进行的。由于用查询方式接收串口数据会大大的降低系统性能实时，故串口接收部分利用串口中断。
远程用户为了远程监视家里的情况，只需要向目标板GSM 发送短信，GSM 收到短信后会向核心板A VR32串口发送数据，当A VR32串口接受到数据后，在串口中断中把标志位flag 置1，同时把串口接受到得数据储存到缓存中，主程序在定时器控制下，每隔1.8s 检测flag ，当检测到flag 等于1的时候，读取缓存中的数据，根据读取到得不同数据，作不用的处理，然后单片机A VR32通过串口向GSM 发送相应的室内信息代码，然后GSM 通过短信向远程用户发送室内检测到的信息，例如温度、湿度等等，从而高效的查询家里的情况，达到远程控制的功能，流程如下图16。
串口中断flag 置1
每1.8S 查询flag
Flag=1
Flag=0
AVR 发送消息代码到串口
AVR 读取缓存中的数据 ，作不用的处理
图 16
1.8ms 中断tc_tick==1000 清中断标志 tc_tick++
结束
adc_start() 获取各路AD 采样值 正常？
报警 N Y Y Y N N 配置timer0(1.8ms 定时)
2.5.2语音部分
作为人机交互的重要平台，语音处理部分主要是将各种传感器采集到的参数，通过语音提示用户，语音部分的软件框图如下图17所示，并通过发出警告的方式，提醒用户改善居住环境。
图17
2.6 重复实验系统搭建步骤
2.6.1 A VR Studio 5的软件安装
双击“\可重复性操作方案\项目开发的工具\AVR Studio 5”中的A VR Studio 5安装A VR 编译环境。
2.6.2 A VR Studio 5新建工程
打开A VR Studio 5，选择“File”→“New”→“Project”，按照如下步骤生成工程。
该页设置工程文件的存储路径和工程名，设置完成之后点击“ok”
选择AT32UC3A0512后，点击“OK”后，即建立工程完成。
2.6.3 WT588D的安装
双击“\可重复性操作方案\项目开发的工具\WT588D软件”中的setup_C安装上位机编译环境。
2.6.4 WT588D新建工程
打开WT588D，选择“文件” “新建工程”
该页设置项目路径和文件名，之后工程建立完毕。
2.6.5 系统硬件搭建
系统各个模块如下图所示
1：液晶模块，2：仿真模块，3：喇叭，4：A VR开发板，5:湿度传感器模块，6：红外模块，7：语音模块，8：SIM模块，9：烟雾传感器模块，10，硬件电路板。
硬件系统连接如下图所示：
上图1表示仿真模块与A VR开发板的连接，图2开发板与硬件电路板的连接
感器仿真位置，图4线路连接的详细指示。
上图中表示红外模块的连接示意图
上图中1调试喇叭和喇叭电源线放置位置，图2表示SIM模块放置位置
上图表示语音模块调试连接方法
模块连接完成之后如上图所示
线路连接如上图所示，箭头1表示湿度AD输入，箭头2表示MQ2AD输入，箭头3表示开发板串口发送与SIM的串口接收连接
整个硬件连接完成。
2.7 系统演示步骤
2.7.1程序编译与下载
用A VR Studio5打开工程文件“F:\可重复性操作方案\项目模块源程序
\Project\project.avrgccproj”后，如下图所示
点击上图箭头所指后，稍等几分钟即完成工程文件的编译。
然后点击上图箭头所指，打开如下图框图，点击apply，选择所要下载hex文件路径后，点击Program后，完成源程序的下载。
2.7.2 系统功能演示
图中7为光线传感器，当7接收到光照太强或者太弱时，会有语音提示和短信通知；
8为温度传感器，当8接收到温度太高或者太低时，会有语音提示和短信通知；
5为湿度传感器，当5检测到湿度太高或者太低时，会有语音提示和短信通知；
6为烟雾传感器，当6检测到煤气或者烟雾等时，会有语音提示和短信通知；
4为红外传感器，当4监测到有人经过时，会有语音提示和短信通知；
当按下1键，可以向估计电话号码拨出电话；
当有电话打进时，按下2键可以接听电话；
当按下3键，可以通过语音获取当前室内状况。
2.8作品主要性能指标的测试评价及重复实验的改进建议
2.8.1主要指标
温度测量精度≦0.5摄氏度；
湿度测量精度≦5%；
红外检测漏警概率≦1%，虚警概率≦1%；
光照测量精度≦10流明
烟雾检测漏警概率≦0.5%，虚警概率≦0.5%。
2.8.2改进建议
可以增设数字按键0——9，向任何用户拨打电话
构建完整的人机交互界面，自动记录家居环境曲线；
出现煤气泄漏等情况，通过无线智能控制关闭煤气阀，启动家庭呼救报警；
远程用户通过指令调节并控制家居环境；
增设来电显示，任何来电都能显示；
添加摄像头，并接入GPRS网络，外地用户可以通过图片监视室内情况；
加入UCS11操作系统，编写飞信客户端，通过飞信发送信息，以达到费用最低。
3总结
本次项目设计时间相对紧迫，离最初的要求有一定的距离，但是总体效果还算令人满意，实现了远程用户实时监视家里环境，在家里环境发生异常的情况下，如有外人闯入，温度、湿度、可燃气体浓度发生异常时，及时的做出报警，同时通过GSM发送短信向远程用户发出警告，其语音模块能够准备的根据当时环境测得的情况，做出语音提示。
本次设计加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，是心里老想着这样的方法可以行得通的，但实际上，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间也挺多的。但是到后面，我们又会换换方案，解决问题。感触最深的就是：无论多么简单的事情，一定要亲自去做了才能做评价。想象中的简单不等于实现的简单。在本次设计当中，我们的模块调试用了相当长的时间。本来以为很简单，但是在实际调试过程中却总是会遇到这样那样的问题。最后连调的时候，本来以为模块调试通过了，连调就容易了，但是当所有模块连接在一起的时候就会因为相互的冲突而不能同时工作。所以又花了很长时间来调试系统，经过几天不分昼夜的努力，我们终于完成了我们的系统。
在调试系统的过程中，遇到的问题真的很麻烦，比如在调试GSM SIM300模块的过程中，需要通过avr单片机控制短信的接收和发送，但是，短信的接收过程中对于数据的采集，判断，分析都是异常艰难的，需要从众多的信息中提取出短信中的有效信息，就需要不断地判断，不断地选择。所以，在这个过程中会有很多莫名其妙的死机，但是，我们还是坚持了下来，通过串口，分别调试gsm和avr部分。不断优化我们的程序，最后达到了我们想要的结果。另外，在语音模块的控制上面，我们选择使用三线spi控制过程中，仍然遇到了不少的问题，比如，由于wt588d模块上面的输出，有busy信号，这对于实时查询语音的播报情况十分重要，所以在调试这个语音模块的过程中，始终想把这个忙信号用起来，但是，通过反复地调试，发现busy信号并不是随语音的实时播报而一直显示为高电平，反而只是在开始播报时会产生一个上升沿而已，所以，我们最后修改方案，不使用这跟信号线了。
总之，通过本次设计，我们又学到了不少知识。尤其是对AVR单片机又有了更深入的了解。我们对A VR32单片机的高级性能算是有了一个全新的认识。它的内部Flash多达512KB，完全保证了程序的存储。方便的基于优先级的中断管理，能让我们快速的实现程序