摘要
本论文论述的是基于物联网的新型智能家居控制系统，系统以提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境为目的，以智能化、人性化、高性价比为原则，在现有技术上进行创新设计。系统涉及的技术关键包括：利用物联网进行远程控制，无线视频监控及无线数据传送，无线语音遥控，GSM
短信控制及报警。本系统以单片机（ARMCortex-M3、SST89E58RDA）为系统的中
央控制器，将物联网，W I FI模块，GSM模块，门禁系统，无线视频传输模块，手持
无线语音控制模块，无线数据传输模块，空气质量检测模块，各类传感器模块，
受控部件等有机结合，构成整个智能家居控制系统。
本文第1章介绍了智能家居的发展现状，本课题研究的目的、意义与主要任务。第2章阐述了系统总体方案设计。第3章详细介绍了各个硬件部分的电路设计。第4章对各个模块的软件流程进行说明。第5章对整机调试的结果进行分析，系统
功能进行说明。第6章对本课题进行设计总结与技术展望。
关键词：物联网;智能家居
目录
第一章绪论.................................. ...... - 1 -
1.1 课题背景............................... ...... - 1 -
1.2 课题研究的目的及意义................... ...... - 2 -
1.3 系统设计主要任务....................... ...... - 4 - 第二章系统方案设计.......................... ...... - 6 - 第三章系统硬件电路设计...................... ...... - 7 -
3.1 单片机控制模块......................... ...... - 7 -
3.2 门禁系统模块........................... ...... - 7 -
3.2.1 IC卡数据采集...................... ...... - 7 -
3.2.2 语音录放.......................... ...... - 8 -
3.3 温度采集及烟雾浓度检测模块............. ...... - 9 -
3.3.1 温度采集.......................... ...... - 9 -
3.3.2 烟雾浓度检测...................... ...... - 9 -
3.4 空气质量检测与净化模块................. ...... - 9 -
3.4.1 传感器TGS2600-B00................. ...... - 9 -
3.4.2臭氧发生器......................... ..... - 10 -
3.4.3开窗模块........................... ..... - 11 -
3.5 GSM控制及报警模块...................... ..... - 12 -
3.6 手持遥控语音识别模块................... ..... - 13 -
3.7 小车控制模块........................... ..... - 14 -
3.8 无线数据收发模块....................... ..... - 14 -
3.8.1 无线视频传送...................... ..... - 14 -
3.8.2 无线数据传输...................... ..... - 15 -
3.9 W I FI模块............................... ..... - 15 - 第四章系统软件设计........................... ..... - 16 -
4.1 中央控制器流程图....................... ..... - 16 -
4.2 门禁系统流程图......................... ..... - 17 -
4.3 受控单元流程图......................... ..... - 18 -
4.4 空气质量检测流程图..................... ..... - 19 -
4.5 语音控制流程图......................... ..... - 20 - 第五章系统整机调试及功能测试................ ..... - 21 -
5.1 受控部件............................... ..... - 21 -
5.1.1 家用电器控制...................... ..... - 21 -
5.1.2 小车控制.......................... ..... - 21 -
5.2 门禁系统............................... ..... - 21 -
5.3 温度采集、烟雾浓度检测及GSM报警........ ..... - 22 -
5.3.1 温度采集............................... - 22-
5.3.2 烟雾浓度检测........................... - 22-
5.4 空气质量检测与净化.......................... - 22-
5.5手持遥控语音识别............................. - 22-
5.6 W I FI功能.................................... - 23-第六章设计总结及技术展望......................... - 24-
第一章绪论
1.1 课题背景
21世纪是信息化的世纪，移动通信从模拟时代走向了高度数字化时代，它们的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高，由此可见，各种电信和互联网新技术极大地推动了人类文明的巨大进步。
物联网（TheInternetofthings）是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍
然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展
到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。电脑终端远程控制作为一较新的
课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，不需进行专门的布线，因此程
控距离可跨省市，这可以大大体现出利用远程控制的优越性。操作者可以通过各种
指令即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。远程控制部分课题目
前已有涉足者，但是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生
活尚有一定的差距，并不能完全体现出PC远程遥控方式的特点。和传统的互联网
相比，物联网有其鲜明的特征。首先，它是各种感知技术的广泛应用。其次，它是
一种建立在互联网上的泛在网络。
物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对
物体实施智能控制，在智能家居上体现尤为突出。
智能家居（SmartHome）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、
便利性、舒适性、艺术
性，并实现环保节能的居住环境。它将让用户有更方便的手段来管理
家庭设备，比如，通过家触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、可编程定时控制及计算机远程控制等多种功能和手段。使生活更加舒适、便利和安全。因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。
智能化家居发展将大大推动我国实现家庭信息化进程，智能家居能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式。基于上述社会的发展现状，我们有了更为完善的基于物联网的新型智能家居控制系统设计理念。
1.2 课题研究的目的及意义
目前智能家具系统，性价比较低，难以推广，仅在别墅与豪华酒店等高档场所中才有。本设计正是针对这一点进行了较大改进，以“人性化、智能化、高性价比”为原则，采取物联网、PC机、单片机的链接，利用不同的指令达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信
息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式
与智能化。
在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU(SST89E58RDA、COTERX-M3)进行数据处理，实现实时测控。而此时采用MCU来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、
灵活等优点，而且可以大幅度提高各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。本系统完成了单片机应用系统其开发过程的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。本系统的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。
本系统，鉴于人性化与智能化的理念，所设计中的手持设备可使得人们在任何时刻，任意地点对家中的任意电器进行远程控制，如在外提前将空调打开制冷、热水器烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭，打开洗衣机帮你提前洗好衣物，打开豆浆机为你磨好豆浆、开启微波炉帮你加热食品等等，大大节省了用户的时间。
当用户在住宅内时，可通过手持无线语音控制模块，控制室内家电的开关，此无线设备对于生活无法自理的人，尤其适用，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。
室内安装有定点有线摄像头，可以实时了解室内情况，同时用户还可在远程PC机端控制室内小车行驶，车上载有无线视频采集模块，通过互联网将视频反馈至远端PC机，可以全方位了解室内情况，弥补了室内定点有线摄像头的不足，达到实时监控室内情况的目的。
系统中还配置了门禁功能，可对来访者进行IC卡识别，若身份未能被识别，摄像头将自动采集来访者照片信息，并通过GSM模块将
照片以彩信形式发送至指定手机，若监测到火灾时，将启动门禁执行
单元，GSM模块将向用户手机发送火灾报警信息，以便用户进一步采取行动，达到安防的重要目的。
当系统中的传感器感应到空气质量异常时，如CO、CH4、H2、NH4等有害气体浓度超标时，空气质量检测与清新系统中的语音报警器将自动启动，同时臭氧发生器自动开启，换气扇同时工作，达到清新空气的目的。
对家中装有温度要求较为严格的物品储物柜或是婴儿房时，系统中配置多点温度采集器，多点烟雾检测器，可实时采集与检测室内的温度与烟雾浓度，当室内温度超过预设温度值时，将进行GSM短信温度异常报警，也方便用户根据实际的温度情况，以合理调整自身生活状况，同样，检测到烟雾浓度异常时，将进行GSM火灾报警。
此外，用户除在PC机端对家电进行操作外，用户还可在手持设备中设置W I FI接入点，运行终端软件，同样可以实现在任何时刻，任意地点对家中的任意电器进行远程控制的目的，让用户尽享无线网络带来的便捷生活。
以上所述，即是我们基于物联网的新型智能家居控制系统所必须有的功能，其家庭中央处理平台兼容性极强，真正意义上地实现了宽带互联网、GSM网、W I FI的三网融合。智能化家居发展将大大推动我国实现家庭信息化进程，智能家居能够为人们提供更加轻松，有序，高效的现代生活方式！
1.3 系统设计主要任务
本文利用物联网与单片机COTERX-M3、G S M与单片机SST89E58RDA
和各类家居传感器设计制作一款智能家居控制系统。系统的设计包
括：系统硬件的设计与调试和控制软件的编写与调试。1.硬件部分
智能家居控制系统其硬件部分主要由八大部分构成：
(1)控制单元。单片机COTERX-M3与SST89E58RDA是系统中控制部分关键的元件，它与控制单元组成控制部分功能。
(2)传感器数据采集系统。利用传感器采集信息，为用户提供准确的数据。
(3)受控部件。通过控制设备，控制器件，完成系统设计的功能。(4)GSM
（SIM300）模块。通过GSM完成报警功能。
(5)手持无线语音设备。通过设备在室内操作家电开关。
(6)W I FI网络。利用手持设备通过W I FI网络控制家电开关。(7)无线数据传
输模块。准确稳定地传输数据。
(8)门禁模块。对来访者进行身份识别，并对异常情况报警，达到安防目的。
2.软件部分
软件设计部分主要由四大部分构成：
(1)数据采集与数据分析部分。即对数据进行实时的集与处理。(2)PC机远程
控制部分。对家庭中的PC机传送控制指令。
(3)（SIM300）模块部分。读取信息，执行命令。
(4)分析控制部分。根据采集的信息进行分时操作有利于提高系统效率。
第二章系统方案设计
基于上述社会目前所拥有的成熟技术，我们以单片机为中心控制单元，通过各个传感器采集室内各信息，将数据通过互联网实时反馈到客户终端及手机终端。同时，用户可经过客户终端及手机终端远程操作家居，可到达实时监控与操作的目的。
系统总设计框图如图 2.1所示：
图2.1基于物联网的新型智能家居控制系统总框图
本系统以物联网、PC机终端、控制单元（COTERX-M3、SST89E58R D A）、传
感器数据采集器件、受控部件（小车、家电）、GSM
（SIM300）模块、手持无线语音设备、W I FI网络、无线数据传输模
块、门禁模块构成一个完整的基于物联网的新型智能家居控制系统。
第三章系统硬件电路设计
系统硬件电路包括单片机中央控制器、门禁系统、小车无线视频采集模块、W I FI模块、GSM控制与报警模块、手持无线语音终端、温度与烟雾传感模块、空气质量监测与清新模块等，整体的电路设计简约，可靠性强。
3.1 单片机控制模块
考虑到成本低廉，系统简单，我们采用的单片机是ARMCortex-M3和SST89E58RDA。
Cortex-M3的内核主要是应用于低成本、小管脚数和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。且其具有通用的架构，简易的开发流程，丰富的模拟外设和通信接口，丰富的设计资源及低廉的价格等特点。
SST89E58RDA具有大量内存存储数据，具有低电压供电，体积小，反应快等
特点，可灵活应用于各种控制领域，提供许多高性价比的应用场合。
3.2 门禁系统模块
3.2.1 IC卡数据采集IC卡
工作原理
本系统利用韦根协议对IC进行识别的原理，当用户通过认证后，门禁控制系统会发出一个低电平，通过555时基电路组成的单稳态触
发电路触发后，翻转置位进入暂稳态，在暂稳态时间内，3号脚输出
高电平，驱动继电器控制门锁开门。经过一段延迟后，电路自动返回稳定态，555时基电路复位，3号脚输出底电平。继电器控制门锁关门。其电路图如3.1所示
图3.1执行机构电路
3.2.2语音录放
ISD4004—8MP芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Mi crowire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。
3.3 温度采集及烟雾浓度检测模块
3.3.1 温度采集
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。
3.3.2 烟雾浓度检测
当烟雾传感器感应到家里有一定浓度烟雾时，通过A/D转换，电压会升高，启动蜂鸣器报警，同时单片机控制高低电平使整个家里的电源断开，防止意外发生或减小意外发生的概率。
3.4 空气质量检测与净化模块
3.4.1 传感器TGS2600-B00
空气传感器是半导体气敏传感器中的一种，它构造简单，由传感器基板，气敏元件和传感器盖帽组成。气敏元件由一个以金属铝做衬底的金属氧化物敏感芯片和一个完整的加热器组成。利用加热器加热，以侦测气体附着于金属氧化物表面而产生的电阻值的变化。在检测气体时，传感器的传导率依赖于空气中气体浓度的变化。在目标气体不存在的状态下，大量附着的空气中的O2会捕捉电子，而呈现出高阻状态;相反的，当目标气体存在时会与氧产生一种燃烧反映，自由电子的量增加，而电阻值则降低，从而传导率的变化转化成对应于
气体浓度变化的输出信号，这样就能实现空气质量监测的功能。传感器测量电路如图3.2所示。
图3.2 传感器基本测量电路
3.4.2臭氧发生器
臭氧发生器电路如图3.3所示：
图 3.3臭氧发生器原理图
4
2 交流电经降压及桥式整流滤波后，通过三端稳压器稳压输出+12V
电压，为IC2，IC3提供工作电源。VT2是一支光敏三极管，无光亮呈截止状态，灯亮VT2导通。IC2采用时基电路555，它与R3，C4等组成单稳态定时电路。平时VT2处于复位状态；当VT2受光照，使555呈置位状态，为IC2的4脚提供了工作电压。IC3也采用了555，它与R4，R5，R6等组成一个可控多谐振荡器，平时IC3处于强制复位状态，不会起振；当IC2置位后，IC3的4脚为高电位（接近V D D ），则强制复位状态解除而起振，它的多谐振荡频率为：
1.44/(R 2R)C
VT1采用三极管BU208，经VT1驱动，T 升压后，可在其次级L2两端得到约为10千欧左右的高拼电压，经D6整流后，作为电晕放电器的高压源，放电针L 与放电金属网板之间的距离约为7mm ，在几千伏的高压作用下，会发生电晕放点现象，将空气电离，产生负离子和臭氧，从而达到清新空气的效果。
3.4.3开窗模块
实验中我们所用的是42直流步进电机来实现窗户的开启和关闭。我们用了一块驱动芯片，型号为L298N 。
L298N 引脚图如图3.4所示：
图3.4L298N 引脚图
Rotor
f c
6
因为我们所用到的是四相六线的直流步进电机，故需要四输入四
输出。具体的操作是把输入的四个脚及使能端引到单片机，把输出的四个脚和电机的相应颜色的线相连。根据本电机的时序来编写程序，来精确达到电机正转反转的效果，从而实现了窗户的控制。
模数转换：当空气质量发生变化时，传感器产生的是模拟电压的变化，我们用模数转化芯片TLC549CD把模拟量转化为数字量，单片机再对其数据进行处理。
3.5 GSM控制及报警模块
本系统采用TEXT模式发送中文短信的发送，实现自动拨号，采用ATH指令自动挂机。
利用AT指令可完成控制GSM模块进行SMS通讯的所有流程，欧洲通信委员会ETST发布的GSM07．05标准AT指令集是目前全球所有GSM模块均支持的收发SMS的命令集，常见的AT指令见表3.1。
表3.1与SMS有关的AT指令
每个AT指令以“AT+”开头，以回车结尾。在AT指令中还包括
以下控制符：结束符(用
3.6 手持遥控语音识别模块
LD3320提供的语音识别技术，是基于"关键词语列表"的识别技术:ASR技术。语音识别原理图如图3.5所示。
语音识别芯片完成的工作就是：把通过MIC输入的声音进行频谱分析->提取语音特征->和关键词语列表中的关键词语进行对比匹配
->找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。
图3.5语音识别原理图
语音识别芯片能在两种情况下给出识别结果：
第一种，外部送入预定时间的语音数据后（比如5秒钟的语音数据），芯片对这些语音数据运算分析后，给出识别结果外部送入语音数据流；第二种语音识别芯片通过端点检测VAD（voiceactivity
detection）检测出用户停止说话，把用户开始说话到停止说话之间
的语音数据进行运算分析后，给出识别结果。
需要说明的是，除了以上两种情况外，语音识别算法无法"主动"地判断出是否识别出了一个结果。这是因为，在计算的过程中的任何时刻，语音识别器都会对已送入识别芯片的声音数据进行分析，并根据匹配程度为识别列表中的关键词语进行打分，最匹配的打分最高。但是，由于识别算法不知道用户后面是否还继续说语音，所以无法"主动"地判断已经识别出一个结果。
3.7 小车控制模块
小车选用的是双全桥步进电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver)L298。L298N是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。
3.8 无线数据收发模块
3.8.1 无线视频传送
我们采用的是台电W8000无线摄像头，其采用先进无线无驱摄像头方案，具备VideoClass无驱功能，即插即用，操作简便；在图像画质方面采用最新图像处理技术，图像更逼真；采用专业高像素光学镀膜镜头，专业影像处理技术，视野明亮更广阔，在稳定性与兼容
性方面通过Vista高级徽标认证，稳定性更高；支持W i n dowsXPSp2
和win7操作系统免驱使用。
3.8.2 无线数据传输
NRF905一共有四种工作模式, 其中有两种活动RX/TX模式和两种节电模式。
活动模式：ShockBurst RXShockBurst TX
节电模式：掉电和SPI编程、STANDBY和SPI编程
NRF905工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP的设置来设定。工作模式
设定如表3.2所示：
表3.2NRF905工作模式设定
3.9 W I FI模块
W I Z610wi基于IEEE802.11b/g，全面支持AccessPoint，Client，Gateway，SerialtoWLAN工作模式；W I Z610wi外形紧凑小巧，并提供简单的排针接口，便于其集成到其它系统中。对于具备UART接口的系统，使用W I Z610wi便可以轻松地实现串口到无线局域网之间的变换。此外，W I Z610wi还提供MII(MediaIndependent
Interface)接口，使原来具有以太网接口的系统能轻松地添加无线局
域网。
第四章系统软件设计
软件是系统至关重要的一部分，本系统软件包括：中央控制器部分，门禁系统部分，受控单元部分，空气质量检测部分，语音控制部分。本章介绍具体流程。
4.1 中央控制器流程图
中央控制器流程如图4.1所示：
远程客户机
主机
图4.1中央控制器流程图
用户在远程客户机端或手持设备端发送信令，由中央控制器读取
并判断信息，通过NRF905发送控制信令并接受反馈信息。
4.2 门禁系统流程图
门禁系统流程如图4.2所示：
图4.2门禁系统流程图
用户可通过设置门禁的三种工作模式：（1）IC卡识别模式，（2）密码识别模式，（3）IC卡识别模式+密码识别模式。