家用智能安保系统设计

孟 杨，李文森，廖栏椿，郭仿军

(重庆文理学院电子电气工程学院，重庆 永川 402160)

随着经济和科技的发展，人们对生活质量的要求越来越高，家居安保技术应运而生.安保系统是多功能的系统［1］，随着人们的应用需求和住宅智能化的发展，家居安保系统将拥有更丰富的内容，系统也越来越复杂.在当前市场中，家居安保系统相比传统家居，所占的市场份额还是微乎其微.但随着信息和电子技术的飞速发展，家居安保技术在实现成本上大幅度降低，同时人们追求生活的智能化和舒适化，如果技术更加成熟，其市场需求会非常大.

1 系统的设计方案

1.1 系统的总体框图

本系统主要有5大模块:主控模块、传感器模块、声控模块、短信模块和显示模块.本系统在实现安保功能的基础上又通过声控模块和短信模块进行了对家居智能控制的扩充，实现家居控制的智能化，其总体设计框图如图1所示.

图1 总设计框图

1.2 系统布局及功能介绍

本系统的平面布局如图2所示.

图2 系统平面布局图

1)厨房里装有煤气监测传感器和电饭锅模拟电机.无论什么时候，只要发生煤气泄漏，系统就会发出声光(蜂鸣器和报警灯)报警，并通过GSM模块向用户发送报警短信.另外，用户在未到家之前就可以发送短信提前让电饭锅开始做饭，等到家时饭就做好了.

2)在大门口装有人体释电传感器，进行安防监控.用户离家时该模块便会开启，在此期间若有人闯入，系统便会发出声光报警，并且会通过GSM模块向用户发送报警短信.

3)在大门外装有光控装置，可根据光线强弱自动控制路灯的开关.

4)空调置于卧室，可以通过3种方式来控制空调开关.第一，可根据室温变化自动开启和关闭.系统预先设定最舒适温度范围，然后通过DS18B20温度传感器实时检测的温度数据控制卧室空调的开关.第二，用户可以在家通过语音控制空调开关，当用户说出“打开空调”时系统能智能识别该指令立即打开空调;同样说“关闭空调”，空调便立即关闭.第三，当用户不在家时可通过手机给系统发送短信控制空调开关.比如，用户在回家前可以发一条短信把空调打开，等到家时室内温度已达到最舒适范围.

5)窗帘置于阳台，台灯置于卧室，均可通过用户语音控制.当用户在家时可根据客厅光线的强弱通过语音口令控制窗帘或台灯开关，如当用户说“打开窗帘”时，窗帘便自动打开，说“关闭窗帘”时，窗帘又能自动关闭.台灯也是一样.

1.3 系统的工作模式

本系统工作方式可分为用户在家和离家两种模式［2］.在家模式的设计如图3所示.

图3 在家模式功能图

主要的功能有如下几点:

首先是温度的监测，当温度过高的时候空调就会自动打开降温;相反，温度过低时会自动打开暖气升温.这样就会使室内温度维持在最舒适范围.

其次是声控模块.声控模块用来控制台灯和窗帘开关.当语音模块识别到语音“打开窗帘”后，会执行打开窗帘动作;识别到“关闭窗帘”后，就执行相应的操作关闭窗帘.台灯也是一样.

最后是光敏模块.利用光敏传感器根据露天的光线强度来实现是否开启路灯:当光线弱到一定程度的时候路灯就会自动地开启;当光线强到一定程度的时候就会自动关闭路灯.

离家模式的设计如图4所示.

图4 离家模式功能图

当启动离家模式后，STC89C52单片机就会与各个传感器模块密切合作协调，实现安防、报警的功能;与GSM短信模块进行通信实现家居的监测与控制.

本系统要由DS18B20传感器、气体—烟雾传感器、红外释电传感器完成.如果家里有煤气泄漏、温度达到了50℃及以上(说明可能有火灾发生)，或者安装在大门附近的红外释电传感器检测到有人非正常进入家里，各传感器就会收集数据传到单片机进行处理、分析后经GSM模块以短信的形式把信息传达给用户，实现用户实时地监测家庭环境的目的.

当然，用户也可以由手机终端发短信控制家里的用电器.如发短信“cook”，单片机接收到后就控制电饭煲的开关，进行煮饭;还可以发短信控制空调的开启，灵活、方便地控制家电，达到无地域限制、实时地监测和控制家居的目的，让用户更放心.

2 硬件电路的设计

2.1 温度传感器(DS18B20)

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合.由于其耐磨耐碰，体积小，使用方便，测量精度为±0.5℃，本系统采用该传感器作为温度采集部分.硬件电路图如下:

图5 DS18B20硬件设计图

2.2 气体检测模块(MQ-2)

MQ-2气敏元件由微型陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件组成，可以对多种有毒有害气体进行检测，灵敏度高，并且可调.其电路图如图6所示.

图6 气体—烟雾传感器外围电路

2.3 红外检测模块

热释电红外人体传感器把探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出，可以检测外人的非法闯入.其硬件电路如图7所示.

图7 释电传感器外围电路设计

2.4 声控模块(LD3320)

LD3320是一颗基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片.提供真正的单芯片语音识别解决方案，可以用声音对家居进行智能控制［3-4］.设计电路如图8所示.

图8 LD3320硬件电路

2.5 短信通信模块(TC35I)

西门子GSM模块TC35I是一块功能强大的通信模块，具有TC35/TC35I短信模块，体积小、重量轻、低功耗，支持数据、语音、短消息和传真等，可以作为本系统的通信部分［5］.硬件电路如图9和图10所示.

图9 短信模块中的SIM部分电路

图10 通信模块TC35I主控芯片及外接电路

3 系统软件设计

系统软件设计的总体流程图如图11所示.将各个子系统高效连接起来以后，总系统可完成的功能可分为在家和离家两种模式.

图11 系统软件设计总体流程图

在家模式可以分为白天和夜晚两种模式.白天温度检测部分可完成智能调节温度的功能，给用户造就一个舒适的温度环境，而用户可根据光线强弱以及需要随时声控窗帘的开启与关闭.夜晚降临后，光线检测部分会为用户自动开启路灯，用户回家后可随时声控屋内的台灯开启，睡觉时可直接声控关闭台灯.

处于离家模式时，温度检测部分可监测屋内异常高温，红外人体检测模块可对非法闯入进行监测并报警，并及时通过短信告知用户，确保用户的财产安全.另外，用户可以通过短信对家电进行远程操控.最后，对于出现烟雾或者天然气等有害气体泄漏的情况，无论是在离家模式还是在家模式，都会马上报警，并通过GSM通信系统告知用户，确保用户生命以及财产的安全.

4 系统测试结果

4.1 MQ-2气体检查部分的测试结果

MQ-2在外加5 V电源进行加热后，无论是处于离家模式还是在家模式.在空气中如若没有烟雾或可燃气体时，其输出电压为5 V高电平.当用香烟的烟雾或者打火机对其进行灌入丁烷时，其输出电平急剧下降，很快降为0 V低电平，同时蜂鸣器发出警报，GSM模块立即发短信告诉用户.如将其灵敏度进行调节，其报警的速度就会随着灵敏度的大小而改变.

4.2 红外传感部分的测试结果

上电后，红外人体传感器开始工作.当处于在家模式的时候，单片机不对红外人体传感器采集的信号进行处理，所以无论人在红外人体传感器前怎么晃动，都不会有什么影响.当处于离家模式的时候，传感器感应到有人非法闯入信号后将该信息传递给单片机，单片机对该信号立即处理，警报响起.红外人体传感器检测的范围比较大，理论上有5～6 m.

4.3 温度传感部分的测试结果

上电后DS18B20开始工作，在默认情况是在家模式，当高于或者低于预设的温度时，主控板马上就获取信息，空调立刻开启，在预设最舒适温度范围内空调是处于关闭状态.而当切换成离家模式时，空调关闭，即使温度过高或者过低也不开启，但会在异常高温的情况下，进行报警并短信通知用户.

4.4 光线检测部分的测试结果

光线检测部分能在光照充足的情况下关闭照明灯，而当用手遮蔽或者移至光线较暗的地方时自动打开照明灯，并且能在一定程度内使得照明灯的亮度随光线的强度减弱而变强.

4.5 声控部分的测试结果

本系统采用的是直接触发模式，因此只要用户下达语音控制命令，就能很快被该部分识别，主控板随即获取指令并执行相应的操作.当完成命令后，会通过喇叭发出相应指令完成的情况.值得注意的是，下命令时语音要相对清晰，语速正常，太模糊或者太快可能无法识别，下达完一条指令后，最好稍微停顿几秒再下达下一个口令，因为口令识别需要一定的缓冲时间.

4.6 GSM通信部分的测试结果

该模块装入一张SIM卡上电后便可开始工作，在主控板发来报警信号后立刻发送短信通知用户，并且根据险情的种类、险情发生的次数，发送相应的内容通知用户.当接收到用户远程的命令短信后可以立即发送指令给主控板，执行相应的操作.

4.7 显示部分的测试结果

该部分可以把收到主控板接收到的温度数据显示出来，显示温度的精度达到0.01℃，并实时更新.另外，可根据用户需要将显示亮度调为用户的理想状态.

4.8 总体部分的测试结果

从测试结果来看，各子系统能相互协调配合工作，不论离家模式还是在家模式各个预期功能都能实现，且相互间的干扰较小，系统也很稳定.在保证安保功能的基础上还完成了对普通家居的智能化改造.

4.9 系统不足

在调试本系统时，发现声控模块偶尔会在用户没下达指令时执行错误动作，或者发出噪声.经分析，可能是外界的干扰信号干扰造成的，解决方法是将识别指令设置长一些，或者对其进行屏蔽干扰的措施，以提高其工作的正确率.

5 结论

本系统利用单片机、传感器、短信通信模块以及声控模块对普通家庭进行改造，实现了智能安保功能，并对其扩展加入家居智能控制的功能，使其更加智能化、人性化.但本作品还有些瑕疵:在试验时，发现声控模块有时会误识别声音指令或者执行错误动作，这些都是由于外界信号干扰产生，不可能完全避免.但相信在科技飞速发展的今天，不久以后应该可以逐渐克服这些问题，使得该系统更加完善.

图12 作品实物图

［1］王凯明.智能家居系统的研究［D］.西安：西安科技大学，2005：2-12.

［2］廖高华，谢矗.智能家居系统网络的构架与实现［J］.现代建筑电气，2011(7)：21-24.

［3］金鑫，田犇，阙大顺.基于LD3320的语音控制系统设计实现［J］.电脑与信息技术，2011(1)：22-25.

［4］洪家平.LD3320的嵌入式语音识别系统的应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012(2)：47-53.

［5］施自华，伍臣周，余晃晶.基于GSM的智能家居系统设计与实现［J］.三明学院学报，2010(4)：341-344.