基于MCU的智能家居自动化和安全系统设计

韩博 李卓

（桂林理工大学，广西 桂林 541006）

随着我国改革开放政策取得巨大成功，社会经济的不断发展,带动了科学技术的不断前进,使得人们对自身的生存质量和品质提出了更高的要求。而家庭环境作为人们生活质量的最具有代表性的体现,智能家居系统也逐渐走进人们的视野。以前人们只追求温饱问题，而现在，人们对于自己的生活质量有了新的要求。比如：生活品质、环境的舒适、住房安全等等。让家居实现智能化，为人们提供更多的便利是当今社会发展的趋势。为人们创造了一个安全、舒适、智能、便利、全自动化的生活环境，人们可以有更多的时间和精力去做其他的事情。所以智能家居的发展，对人们生活的质量的提升有着非比寻常的意义[1]。

1 系统整体设计方案

本智能家居自动化和安全系统以STC12C5A60S2单片机为核心处理器，利用WiFi 通信技术将传感器和PC 端相结合组成的远程控制系统。在相应的节点上布置了温湿度传感器、火焰传感器、粉尘浓度传感器、PM2.5 传感器和人体红外传感器用于感测现场的信息[4]。本系统的硬件部分采用跟和IAR集成开发环境集成开发环境进行开发，利用C 语言进行编程。本系统的软件部分采用Microsoft Visual Studio Solution 集成开发平台进行软件开发。使用c 语言以及c#语言进行软件部分的编程。系统的总体功能结构如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

2 系统设计

2.1 STC12C5A60S2 单片机

STC12C5A60S2 单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，其具有高速、低功耗以及超强抗干扰的性能，属于新一代8051 单片机，它的令代码完全兼容传统8051，但运行速度是传统单片机8-12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路，2路PWM，8 路高速10 位A/D 转换(250K/S)。单片机最小系统如下图2 所示。

图2 单片机最小系统

2.2 光敏电阻传感器

光敏电阻传感器分为三针型和四针型两种，本系统选用四针型光敏电阻传感器进行设计。该产品使用比较方便，其具有抗干扰能力强，波形好，驱动能力强的优点，并自带可调节电位器，可对检验光线亮度进行调节，拥有DO 数字开关量的输出方式（0 和1）和AO 模拟量输出（电压）。具体的传感器的采集信息的原理是通过光敏电阻中的电阻器来根据光照强度的升高，使得电阻值下降。量程：0～1000Lux/10～10 000 Lux 可选，测量精度：＜7%。四针型光敏电阻传感器共有4 个引脚，分别是VCC、GND、AO 以及DO。VCC 代表电路的供电电压，GND 代表电线接地端，AO 负责模拟信号输出，DO 负责开关信号输出，可与单片机相连[2]。光敏电阻传感器的引脚图如图3 所示。

图3 光敏电阻电路图

2.3 人体红外传感器

本系统采用的是HC-SR501 型号的人体红外传感器，HC-SR501 是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式[3]，外罩菲涅耳透镜隔离外界干扰并增加检测距离，直流电压5V 至20V 之间可正常工作，能够输出0V 至3V的高低电平，感应范围在7 米以内，小于120 度锥角，可以调节封锁时间及检测距离。传感器具体的实现原理是通过热释电原件当做一个红外感应源，当感知到人体温度的变化时就会导致电荷失衡，并且会向外排放电荷，经过电路检测到以后就会发生报警。

HC-SR501 型号的人体红外传感器共有5 个可外接端口，包括电源正极，电源负极以及信号输出端口OUT，其余两个端口H 和L 可以设置触发方式，分别代表了可重复触发和不可重复触发，RT 是温度补偿电阻，CDS 是光敏电阻[4]。图4 为人体红外传感器电路连接图。

图4 HC-SR501 人体红外传感器电路连接图

2.4 WiFi 模块

本课题设计采用的wifi 模块具体型号为ESP8266，ESP8266模块体积在11×10 毫米左右，工作电压在3.3V，板载PCB天线，对于802.11 b/g/n 非常支持，工作的模式主要有AP，STA 以及混合三种工作模式，在控制的时候是用AT 来控制。内置TCP/IP 协议栈，支持多路TCP Client 连接，支持Socket AT 指令、UART/GPIO 数据通信接口以及Smart Link 智能联网功能，内置32 位MCU，可兼作应用处理器，适用于各种物联网应用设计[5]。图5WiFi 模块的电路连接图。

图5 WIFI 模块连接电路图

2.5 温湿度传感器

本设计的温湿度检测模块硬件采用的DHT11 温湿度传感器与STC12C5A60S2 单片机P3.7 口连接通信，适用于很多环境中。温湿度传感器的引脚连接图如图6 所示。

图6 温湿度检测模块连接电路图

2.6 烟雾传感器设计实现中对烟雾模块硬件采用的是MQ-2 烟雾传感器。在系统环境监测与控制中，经过比对选材，发现该型号MQ-2 烟雾传感器可对液化气、苯、氢气、烟雾等进行探测，高灵敏度、简单的驱动电路。通过单片机上标注的引脚口将MQ-2 烟雾传感器的AO 引脚于P1.0 口相连进行通信。

2.7 火焰传感器

本课题采用的检测火焰的传感器具体的原理是通过燃烧时火焰的不同辐射强度和波长为基础，通过传感器的红外接收管接收光源信号，并经过电压电路比较，就可以相应的输出A/D数据。该传感器可以检测的火焰或者波长为760 纳米-1100 纳米范围。火焰传感器具有灵敏度高、抗干扰性强的特征，在工作时不受日光、红外热辐射的影响传输距离长。经过比对选材，最终火焰传感器类型选择TELESKY 型。火焰传感器引脚图如图7所示。

图7 火焰传感器引脚图

3 软件设计

本系统PC 端设计主要包括底层传感器对模拟家居环境中的温湿度，光照强度，火焰烟雾，PM2.5，人体感应等进行实时采集及上传给上位机。当室内PM2.5、CO 超标，检测到有陌生人入侵，室内火焰指数超标时，系统会及时进行处理，LED 灯亮起，蜂鸣器开始报警，同时管理人员也可以通过上位机上的执行向系统终端下发命令，控制系统终端的蜂鸣器、LED 灯。同时管理员也可以通过上位机对LED 灯、蜂鸣器等自主操作。报警提示功能流程图如图8 所示。

图8 报警提示功能软件程序流程图

4 结论

物联网智能家居系统是具有极大潜力的高科技消费型产品，在中国具有广阔的市场空间。我们所提出的物联网智能家居系统具有如下功能：

4.1 门禁功能：采用输入密码的方式，上位机设置密码，根据按键矩阵的输入值判断密码是否正确。若密码正确，则LED 灯闪烁绿灯，表示开门状态，若密码失败则LED 灯闪烁红灯，表示需要重新输入密码。

4.2 环境监测功能：温湿度传感器、烟雾传感器感知周围环境，若监测到数据超过系统值，LED 灯闪烁红灯、蜂鸣器报警，上位机显示数据并设置阈值。

4.3 智能感知功能：声敏、光敏传感器、人体红外感应传感器来检测周围光线、是否有人，来决定是否开启灯光。光敏先判断是白天还是晚上，晚上在判断声敏有没有人，最后人体红外监测有没有人，如若有人则开灯。