基于AVR技術(shù)的智能家居管理系統(tǒng)，包含原理圖、電路結(jié)構(gòu)

1.1 引言

10多年前，比爾·蓋茨花費了1億美元打造了一個夢幻般的智能家居系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中包括了智能控制、安防系統(tǒng)以及數(shù)字視聽娛樂等功能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化、智能化的浪潮正在席卷世界的每一個角落，數(shù)字化家園進入豪宅，它正全方位地改變著全社會。人們對家的需求已不僅僅局限于生活的舒適和安全，把網(wǎng)絡(luò)通訊、信息處理與空氣環(huán)境和家庭電器控制融入到一起簡單操作與享受，乃是人們現(xiàn)在的渴望與追求。

1.2 項目背景/選題動機

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和智能家居的推廣，人們都越來越需求一套高智能化、安全化、網(wǎng)絡(luò)化控制的智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了紅外遙控技術(shù)和GSM遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，不僅實現(xiàn)了實時控制，還實現(xiàn)了遠程控制，不僅實現(xiàn)了基本家用電器的控制，還實現(xiàn)了更為舒適的生活環(huán)境的布置和安全防范的監(jiān)控。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）家庭智能終端

家庭智能終端集成了智能家居的所有子系統(tǒng)，功能強大，是家里的總控制器。對外與別墅門口機連接，實現(xiàn)可視對講、門禁開鎖；與戶外監(jiān)視器連接，實現(xiàn)周界的視頻監(jiān)控；通過互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)絡(luò)可與外界信息交互，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠程控制，電話自動報警等。對內(nèi)通過有線網(wǎng)絡(luò)，控制燈光照明、家用電器、電動窗簾、家庭場景設(shè)置；通過布線與各種探測器，監(jiān)視器連接，實現(xiàn)家庭防盜、燃氣泄漏報警，網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控。

2）全宅背景音樂

每個房間都可以獨立聽音樂、切換音源、調(diào)節(jié)音量大小而互不干擾，音視頻數(shù)字交換機內(nèi)置MP3和FM調(diào)頻立體聲收音機功能，實現(xiàn)不同區(qū)域單獨控制音源，控制喇叭（分別在客廳，主臥等）

3）智能照明控制

實現(xiàn)對全宅燈光的智能管理、輕松控制，可以用遙控等多種智能控制方式實現(xiàn)對全宅燈光狀態(tài)的控制，調(diào)光及多種一鍵式燈光場景效果的實現(xiàn)；具有集中控制、燈光情景控制、組合控制、遠程控制等功能；可以根據(jù)自己喜好，隨意進行個性化的燈光設(shè)置，創(chuàng)造不同場景氛圍。

4）智能家電控制

實現(xiàn)對家中電器的智能控制，使用一個遙控器即可對電視、空調(diào)、熱水器等家電控制，也可利用固定電話或手機實施遠程控制。

5）電話遠程控制
將家中電話線與電話遠程控制器串連，即可接收來自遠程電話的語音控制信息，按照預(yù)先約定的按鍵操作，用戶可在任何地方，通過使用固定電話或移動電話對家中的空調(diào)、電燈、熱水器等家用電器實行遠程控制，同時，它不影響電話的正常使用。

6）智能電動窗簾
用戶可以本地手動、也可以使用遙控器，家庭智能終端、電話遠程、網(wǎng)絡(luò)控制窗簾的開啟、關(guān)閉。

7）防盜報警門禁

對家庭人身、財產(chǎn)等安全進行實時監(jiān)控，發(fā)生入室盜竊、火災(zāi)、煤氣泄漏以及緊急求助，自動拔打用戶設(shè)定的電話（最多8路號碼），通過語音及時報告險情

8）電腦遠程控制

通過電腦終端在任何地方都可以實現(xiàn)對家庭PC機發(fā)送相應(yīng)的信號，進行有效地控制，從而達到對家電等的控制。

2.2 性能要求

本系統(tǒng)采用紅外遙控技術(shù)和GSM遠程監(jiān)控技術(shù)，用一個通用紅外遙控器控制所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如燈光控制、空調(diào)、各種電器電源、音樂、窗簾、門鎖等，各個電器可通過輕觸式開關(guān)直接控制，同時，燈光亮度不僅可以通過光強傳感器智能控制，還可以通過遙控器調(diào)節(jié)；GSM遠程監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)通過TC/IP編程用遠程電腦終端直接控制各個電器的開啟狀態(tài)，也可以實現(xiàn)防盜報警和各種安全報警。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

本系統(tǒng)由AVR32單片機、數(shù)據(jù)采集模塊、無線遙控模塊、液晶顯示器、時鐘芯片、溫度傳感器、紅外接收、光敏測光、串口通訊、電機驅(qū)動、繼電器、可控硅調(diào)壓、鳴響提示模塊、PWM軟件實現(xiàn)等模塊組成，實現(xiàn)通過上位機和遙控器對家電、燈光、窗簾、音樂、電話、安全防范子系統(tǒng)以及門禁子系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)可分為5個子系統(tǒng)模塊組成：

a.由溫濕度傳感器、光敏電阻、時鐘芯片和液晶顯示器組成的實時顯示子系統(tǒng)模塊

b. 由串口通訊、遙控器、鍵盤、照明等家電設(shè)備和背景音樂組成的控制子系統(tǒng)模塊

c. 智能窗簾子系統(tǒng)模塊

d. 門禁子系統(tǒng)模塊

e. 安全防范子系統(tǒng)模塊

f. GSM遠程控制子系統(tǒng)模塊

（一）、實時顯示子系統(tǒng)模塊

1）模塊概要

實時顯示子系統(tǒng)模塊通過時鐘芯片和傳感器檢測光線強度、溫濕度等情況，在液晶顯示屏中實時地顯示出來，該子系統(tǒng)對傳感器的監(jiān)測速度以及效率、性能的要求不高，我們把各傳感器以及ATMEGA 16單片機作為主機（EVK1100開發(fā)板）的一個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)作為一個獨立的模塊可以單獨工作但又從屬于主機。整體的硬件框圖如下圖3.1—1所示：

2）單元模塊介紹

2.1 時鐘芯片

現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。本系統(tǒng)采用的DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力，其主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。

圖3.1—2 DS1302引腳圖

2.1.1 引腳功能及結(jié)構(gòu)

圖3.1—3示出DS1302的引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。

2.1.2 DS1302的控制字節(jié)

DS1302 的控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。

2.1.3 數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)

在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。

2.2 光敏電阻

目前，在光電檢測技術(shù)中常用的一些光電監(jiān)測器件有光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等，選擇光照傳感器可根據(jù)參考表3.1來進行比較選擇。

表3.1 各種光電器件特性比較

本系統(tǒng)采用的光敏電阻和其他光電監(jiān)測器件相比具有以下特點：

a）光譜響應(yīng)范圍寬，根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從可見光、近紅外擴展到遠紅外，尤其對紅外和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。

b）靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1。

c）工作電流大，可達數(shù)毫安。

d）所測光強范圍寬度，既可檢測強光也可檢測弱光。

其缺點是在強光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差，頻率響應(yīng)（器件檢測變化很快的光信號的能力）低。

2.2.1光敏電阻的工作原理

光敏電阻的工作原理是：在其兩級加上一定的電壓后，當(dāng)光照射在光電導(dǎo)體時，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外加電場作用下沿一定方向運動。在電路中產(chǎn)生電流，達到光電轉(zhuǎn)換的目的。光敏電阻的工作原理如圖3.1.4所示：

光敏電阻隨光照強度的增加起到點性能變好，既光敏電阻的電導(dǎo)率增加，流過其內(nèi)的光電流增加，其本身的電阻值減小，隨光照強度的增加起導(dǎo)電性能變差，既光敏電阻的電導(dǎo)率減小，流過其內(nèi)的光電流增加，其本身的電阻值增加。

根據(jù)熱平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體電導(dǎo)率公式，在光照射作用下產(chǎn)生的光電流：

式中，qN是光電子形成的內(nèi)部電流，V是光敏電阻兩端的電壓，L是光電導(dǎo)體色長度，Tn，Tp是光輻射下沒單位時間產(chǎn)生的N個電子一空穴的各自壽命，μn，μp，分別是電子和空穴的遷移率。由此可見，光敏電阻的光電流與入射的光子數(shù)、量子效率和光電導(dǎo)體的長度L以及加在其兩端的電壓大小等因素有關(guān)，其電流大小與L的平方成反比。

所以，在設(shè)計光敏電阻時，常設(shè)法將L減小，使光電流增大。