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1、仲恺农业工程学院毕 业 设 计基于单片机的智能家居监测系统姓 名 谢泽墅院（系） 机电工程学院专业年级 机械设计制造及其自动化152班学 号 201520824431指导教师 关秋菊 靳斌（校外）职 称 副教授 工程师论文答辩时间 2019.5.22 仲恺农业工程学院教务处制Intelligent Home Monitoring System Based on Single Chip MicrocomputerXie ZeshuCollege of Mechanical and electrical engineeringZhongkai University of Agriculture a
2、nd EngineeringGuangzhou , ChinaSupervisor: Prof. Guan Qiuju Engineer. Jin Bin学生承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。除了文中已用特别标志加以标记的引述内容之外，本论文（设计）不含有任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果。对本文研究做出过重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式标明。若在毕业论文（设计）的各项检查、评比中被发现有抄袭、剽窃或其他的违规行为，本人愿按学校有关规定接受处理，并承担相应的法律责任。学生（签名）：年 月 日摘 要伴随着社会科技的高速发
3、展，家居智能化的理念越来越频繁地出现在媒体上；虽然该理念在我国出现大概只有十余年之久，但智能家居行业已逐渐实现市场化，实现质的飞跃。与此同时，大众对家居智能化的品质要求也越来越高，更加注重家居生活的舒适度、科技含量、安全性。本次课题设计针对家居生活监测进行研究，以STC系列单片机为核心控制器，结合诸多监测传感器，实现对住宅、工厂房和办公环境的实时监测。该设计主要针对一般家庭的家居监测进行考虑，其中包含了对空间的温度、湿度、烟雾浓度、火光的监测，并通过Internet网络传输各项数据至用户端。关键词： 单片机 智能家居 家居监测 远程通讯AbstractWith the rapid develo
4、pment of social science and technology, the concept of home intellectualization appears in the media more and more frequently. Although this concept has only appeared in China for more than ten years, the smart home industry has become market-oriented gradually and achieve a qualitative leap. At the
5、 same time, the quality requirement of smart home is becoming higher and higher, people pay more attention to its comfort, safety and technology content. This design aims at home monitoring, which taking STC Series Single Chip Microcomputer as the Core, and combining many monitoring sensors to achie
6、ve real-time monitoring of residential, factory and office environment. It is mainly aimed at household monitoring in general, including the monitoring of temperature, humidity, smoke concentration and fire in space, and then, transferring data to client through Internet network.Keywords: Single Chi
7、p Microcomputer, Smart home, Home monitoring, Remote communication目 录1 前言11.1引言11.2国内外发展现状32 系统的总体设计方案52.1需求分析52.2系统方案设计53 系统硬件设计73.1STC核心控制电路的设计73.2温湿度监测的设计83.2.1温湿度传感器的选择83.2.2温湿度传感器的应用设计93.3 火灾监测的设计103.3.1火灾监测模块的选择113.3.2火灾监测模块的应用设计133.4 无线通讯的设计143.4.1无线通讯方式的选择143.4.1 Wi-Fi模块的选择163.4.2 Wi-Fi模块的应用
8、设计163.5 信号采集终端联网形式的选择173.5.1 UDP传输模式173.5.2 云服务器模式174 系统软件设计194.1系统主程序设计194.2温湿度监测的软件设计204.2.1 DHT11的串口通信204.2.2 驱动过程204.2.3 接收数据214.2.4 温湿度模块的软件设计214.3 火灾监测的软件设计224.4 Wi-Fi模块的软件设计224.5 上位机系统的软件设计234.5.1 云服务器搭建234.5.2 上位机软件系统的开发245 系统的安装与调试255.1 硬件安装255.2 串口调试265.2.1 监测模块的串口调试265.2.2 ESP8266 Wi-Fi模块
9、的调试275.2.3 网络调试285.3 组合调试296 总结与展望306.1 结论306.2 展望30参考文献31附录32致谢501 前言1.1引言1998年，房地产行业的兴起，极大地推动了我国智能领域的发展。中国大城市人口多、密度大的特征，使得城市住宅密度高，多以住宅小区为主要的建筑方式。由此，“智能小区”的模式也便得到了高速发展，普罗万象，乃至今日已是国内住宅小区建设必不可少的智能化系统。 “智能小区”，是在一个相对的范围内，利用相应的电器设备对区域实行统一管理，实行建筑的智能化，是一个多功能的系统。然而“智能小区”的智能化主要是为小区公共管理提供便捷，人们能直接接触到的智能化科技微乎其
10、微。此时，专门针对家庭智能化的智能系统便应运而生了“智能家居”。“智能家居”，是以家居住宅作为基础，结合利用网络通信技术、无线电技术、计算机技术和电力自动化技术，布施使用于家居生活中的各项电器设备，形成一个家庭网络，从而实现对家庭各项起居设施的综合化管理，为人们创造一个更加方便、安全、舒适和节能化的生活环境。相对于传统的家居，智能家居改变了原来的被动模式，将以往需要人为主动操控的结构转变为具有识别性、能动性的工具。这一改变，极大地改善了人们的生活方式，一方面为人们的家居生活安全提供了更大的保障；另一方面则是通过远程控制家居，帮助人们合理的安排时间，以及为各种能源费用节约了资金，改善了人们的生活
11、品质。随着近年来大众生活的改善，智能家居的成本逐渐地普民化，足以使普通家庭接受，而其所携带的智能化、便捷化功能，使得人们对其尤为青睐。如今，智能化在人们的生活中有着很大的覆盖，决定着大家生活品质的高低；固然，智能家居体现了人们生活品质的提升，是社会进步，社会现代化的明显标志，是未来发展的大方向。智能家居系统由于功能的不同，一般分成下面4种系统类型：（1）家庭安保监测系统：包含对家居生活环境参数的监测，如温度、湿度；煤气一类的危害气体泄漏警报、火灾监测警报，以及盗窃警报；家电失常的掌握；周边防范报警，及内外对应的视频监控系统等。（2）家庭家电的控制系统;其中包含有家居照明装置、各类家电的远程控制
12、，如：空调、多媒体设施等，以及家庭的用水、用电、用气的数量情况自动抄写。（3）家居信息管理系统：包含家居状态自动办公系统，以及家居信息管控。（4）物业职能监管系统：包含停车场中车辆和车位的信息管理，绿植智能修剪、灌溉，电子监控设备的智能巡查、宠物智能喂养及其粪便的清理等。智能家居的功能类型众多，主要根据不同人的生活习惯来提供不同的智能服务，根据其生活所需的差异来进行不同的智能设施布置。随着社会现代化的发展，智能家居现正执行大面积的推广阶段，同时，伴随着人们对生活品质逐渐提升的需求，智能家居的实现形式亦会不断地更新、改进、提高，将会在未来为人们提高更多更全更佳的生活服务，为人们创造出更具多样化、
13、智能化、便捷化、安全化的生活方式，如：电子购物的更新迭代发展、家居生活环境不间断的自动调控以满足人们身体生存的安全舒适条件、电子远程教育、远程医疗等等3。智能家居系统中，家居安保监测系统和家居远程控制系统是最受消费者青睐两个系统，也是智能家居系统中最为重要的两个组成成分，其对整个家庭生活品质起到很大的决定作用，而对于那些一般的家庭，意义更是重大。家居安保监测系统，即是对家庭生活环境的数据及安全隐患的监测，通过利用高性能低价位的计算机网络、多分布的探测原件和视频监控，从而实现对家居生活的监控、监测。各类探测原件如温湿度探测器、光电感烟探测器等，对家居生活的环境进行实时监测并通过无线传输技术，将数
14、据传输于主人的其他移动设备；另外，为防范家中的安全隐患，可通过视频监控设备以此监控家中情况，同时，分布的其他探测器可用于监测火灾、煤气泄漏等突发情况，通过用户的自定义设置，突发情况的监测信号发送至家主持有的移动设备，或是转换成报警信号于警署机关，以此来防范突发事件，保障人们的家庭生活安全，效率极高。家居中监测到的数据在传输到用户方面，则是通过多种不同的发布命令形式进行信息交互，譬如基于电话网的控制形式、基于GSM的控制形式。本篇文章着重针对智能家居安保监测方面展开研究，研发一款以单片机为基础的智能家居安保监测装置。该项研究意义如下：（1）人们生活的环境的质量指数将通过网络传输得到实时监测，如温
15、度、湿度等等，确保生活环境更加适宜、健康。（2）家庭生活存在的安全隐患得到应急处理，如火灾之类的突发事件将会实现实时监测，并自动且高效率地发出报警信号，确保安全隐患得以防范。1.2国内外发展现状1984年，首栋“智能家居建筑”问世，由美国联合科技公司设计研发，结合了建筑设备整合化、信息化的概念。自此，智能家居的建造便在全世界逐渐地开展，以美国、加拿大、澳大利亚、日本为首的几个国家，利用自身经济发达、科技储备雄厚的优势，相继地推出了各个关于家居智能化的建设方案。1998年，“家电无线网络标准”、蓝牙技术、利用传统电话网络提供宽带数据接入服务等三种智能家居控制基础应用相继被提出。同年五月，新加坡举
16、办了关了电子家庭消费品的国际展览会，会上推出了新加坡模式的家庭智能化系统。通过在展馆内建起的模拟“未来之家”，向人们展示了一种全新的家居生活方式，清晨，当你醒来时，萦绕你耳边的是优雅舒缓的音乐；当你准备步入洗漱间时，灯光便自动亮起，与此同时，厨房内的面包机、咖啡机便自动工作运行；待你准备享受早餐时，即可通过使用身边的综合遥控机，控制家庭影院的设备，譬如电视、DVD播放器、上网设备等，为自己创造一个良好的娱乐环境。当你提上自己的公文包，关上门准备上班时，家居安保监测系统自动启动，监测家中的安全情况，当发生入室盗窃或是其他意外事件（火灾、煤气泄漏），系统将自发触动报警电路，发出报警信号。当你忙碌了
17、一天准备回到家中时，通过拨打家中的电话进行语音输入，控制家中电器的运作，如：控制热水器、电饭煲、空调的启动等。此外，该系统还具有其他智能化功能，包括：可视对讲、三表远程抄送、安防报警、集中监控、家用电器控制、有线电视接入、电话接入、家庭智能控制面板、住户信息留言、智能布线箱、宽带网接入等等4。2004 年，美国智能家居行业中家庭网络总额达到 57 亿美元，占据了庞大的市场，而在国际智能家居的市场中，其相关产品的销售额竟达 148 亿美元5。在这短暂的十几年间，美国智能家居的发展令人瞠目结舌，无论从技术，或是销售体量而言，其提升都是飞快的，足以体现当下大众对其需求之高，热度之大，可见在未来，智能
18、家居依然具有很强的高升发展的势头。同是1995年，我们国家则是刚提出引入智能家居技术，发展建设科技型住宅的概念，并将该项概念列入了我国第九个五年规划的发展计划之中。虽然我国在该行业起步晚，但人们对智能生活的追求和渴望是相同的、不变的，如能一贯坚持“以人为本”的发展理念，从居民消费者的角度去考虑发展，智能家居必然将是长期屹立我国经济的风口行业，将占据着巨大的市场6。不难预见，智能家居的兴起，也必然带动着相关行业的兴起，譬如计算机行业、各类传统材料行业，将会不断地推动者社会的经济发展。我国智能家居行业，从2000年时概念的引入、到2001年投入研究、2002、2003两年间进行实验，到2004年的
19、推广，再到2005年的逐渐普及，大致经历了五个阶段。虽然我国智能家居建设的发展仍存在众多的问题，譬如系统复杂、标准不统一等技术性问题，价格昂贵、市场不成熟等间接性问题，且较其他行业而言是属于比较小的行业。但取决于其带来的智能化、便捷化、安全化的生活理念，倡导节能减排、绿色经济发展的原则，深入人心，市场空间大，智能家居行业正以强烈的势头增长。可以预见，根据大众对智能家居需求量的越来越大，智能家居的企业、市场也会越来越大；在智能化家居技术水平不断更新、提高的同时，大众在该方面的消费也将越来越大。随着社会信息化步伐持续加快、程度的不断提高，智能家居系统能为人们提供更加轻松、有序、高效、安全的现代生活
20、环境，而我们也将会对智能家居的功能提出更高层次的要求。2 系统的总体设计方案2.1需求分析本课题所研究的智能家居系统是基于单片机进行的研究，主要围绕家居安保监测系统进行讨论。家居监测系统主要用于监测家中的生活环境参数和火灾等突发事件的发生，改变人们以往生活的被动模式，将被动静止的结构转变成为具有能动性、智慧化的工具。其操作的简便性以及信息传输的速率也决定了智能家居能否远胜于传统家居。针对家居安全及生活环境参数的监测，本次课题设计实现的主要功能为：（1）家中明火监测；（2）家中烟雾过量监测；（3）火灾信号报警器响铃；（4）室内温湿度数据的监测；（5）家中环境数据及报警信号的远程传输（6）用户可远
21、程查看家中监测的数据及接收报警信号的。根据家居监测系统实现的功能，本次设计的实现需要满足以下几种特性：（1）实时性。家中的生活环境参数、是否有火灾发生的突发情况，能够立即响应报警信号。若用户不在家中，也能实时地通知到用户，确保传输数据的时间误差小。 （2）准确性。家中反馈到用户的生活环境数据和报警信号，务必确保监测的数据正确的要求，避免影响用户的正常体验。（3）便捷性。用户能够随时随地地监测或接收到家中的数据信息和突发情况的报警信号。2.2系统方案设计本系统基于单片机进行设计，设计内容主要包括硬件、软件和调试过程。系统的硬件设计是整个系统设计的基础，系统硬件主要由下列四部分构成：（1）核心控制
22、单元，通过整合多个传感器模块，采集各个传感器模块反馈的数据，再对各项数据信息进行单独的分析、判断、处理等。（2）传感器数据采集系统，各个传感器模块通过发挥自身特性、功能特点，对家庭住宅不同区域进行各种实时监测，如环境参数和突发险情的监测等，并将监测数据反馈至单片机控制系统。（3）远程通讯模块，主要负责家中监测到的各项数据的传输。（4）数据显示系统，用户通过该系统实现远程监测家中情况、接收报警信号的目的，从而尽早做出响应处理。综上所述，智能家居监测系统总体的结构框图如图2-1所示：核心控制模块温湿度监测模块 烟雾过量监测模块上位机系统通讯模块火光监测模块时钟模块（12M晶振）响铃报警（蜂鸣器）
23、图2-1 系统总体结构框图系统功能的实现，离不开系统软件的设计。程序设计过程主要通过keil C进行程序编写。数据采集方面，即各个传感器进行数据监测，包含了模块自身的驱动程序，以及各个监测模块的数据采集程序；数据处理方面，即对采集到的数据进行分析处理，实现数据的传输或者反馈到相应的响铃报警装置，程序主要基于串口中断、串口通信、定时器设定、以及相应的I/O口设定；数据传输方面，将取决于选择的远程通讯方案，不同的远程通讯方式具备不同形式的驱动程序以及传输方式，故在程序编写中需先熟知传输模块的驱动方式。以上属于单片机系统的软件设计部分，通过对各个子程序有顺序的调取建立主程序，从而实现对整个系统的调控
24、。数据查看方面，即查看智能家居系统所监测的数据以及接收报警信号的功能，结合到了上位机系统的开发设计，需进行单独的程序编写，实现接收和查看数据。3 系统硬件设计3.1STC核心控制电路的设计根据智能家居监测系统的总体设计需求，单片机的芯片预选用的型号为STC89C51和AT89C51。STC89C51系列单片机的指令系统虽和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作却比AT89C51系列有许多优点：（1）STC89C51可以直接通过用USB转串口下载，并且下载源充足；而AT89C51本身不带ISP下载，必须运用下载器才行。（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，只需在调试ST
25、C时注意加长延时，大约是AT的1030倍。（3）STC单片机在电压为3伏到4伏仍能进行工作，对工作环境要求低，而 AT在次环境下则无法工作。（4）STC单片机的EAVPP 端口默认为悬空高电平，无需添加VCC。综上所述，基于STC89C51单片机的使用相对简便，并且市面上STC单片机使用量大，货源充足，故选择STC89C51芯片作为主控模块核心。STC89C51芯片的单片机，技术开发源自美国Atmel公司，但技术所有权由深圳宏晶科技掌握。此芯片优势众多，譬如功耗低、抗干扰性强、加密性强、价格较低。STC89C51是一种高性能、低功耗的CMOS 8位微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存储
26、器技术制造，具有4K在系统可编程Flash存储器，同一般在工业上使用的80C51芯片的产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，适用于常规编程器。STC89C51芯片如图所示：图3-1 STC89C51芯片图STC89C51芯片在低功耗方面的设计：空闲模式、掉电模式。此番设计决定其在智能家居系统节电方面发挥一定的作用。芯片始终频率为0-35MHz，相当于普通的8051的0-420MHz，实际工作频率可达48MHz。通用I/O 口（4组），每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。该单片机的引脚图如图3-2所示：图3-2 STC89C516单
27、片机引脚图3.2温湿度监测的设计对家居生活环境的温湿度的监测，需要利用到相应的温湿度传感器，该模块在本系统中主要作用是，通过在家中布置好相应的传感器模块，模块自动监测周围环境的温度、湿度，并将数据传输至控制芯片，系统再对所收集到的数据进行整合、传输，实现用户对家居生活环境的温湿度的监测的目的3.2.1温湿度传感器的选择本项研究中选用的温湿度传感器型号为DHT11。DHT11应用专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。该型号传感器优点众多，功耗低确保其能在智能家居监测系统工作中发挥一定的作用，同时，超快响应、抗干扰能力强、性价比高等诸多优势，使其现被广
28、泛应用。DHT11温湿度传感器模块如图3-3所示：图3-3 DHT11温湿度传感器模块实物图（1）引脚介绍：表3.1 DHT11模块的引脚介绍Pin1Pin2Pin3Pin4(VCC)电源引脚供电电压为：35.5V（DATA）串行数据单总线（NC）空脚，请悬浮（GND）接地段接负极（2）模块特点： 温度测量范围：0度-50度，温度测量误差：2度。湿度测量范围：20%-95%，湿度测量误差：5%。输出形式：数字输出（3）电气特性：如表3.2所示。表3.2 DHT11的电气特性参数条件MinTypmax单位供电供电电流采样周期DC测量平均待机秒30.50.2100155.52.51150VmAmA
29、uA次3.2.2温湿度传感器的应用设计DHT11模块与单片机连接的电路设计如图3-4所示： 图3-4 DHT11与单片机的电路连接图温湿度传感器的安置选址应选择正常的生活环境，不可安置于潮湿处或干燥闷热处，以确保所获得的监测数据准确性性、科学性。3.3 火灾监测的设计火灾监测过程中，主要运用的硬件为烟雾传感器、火光检测传感器、蜂鸣器，通过将以上三者结合，更加灵敏地监测家中是否有火灾突发事件的发生，确保监测数据更加准确。家居中火灾突发情况的监测方面，主要运用了烟雾传感器和火光检测传感器模块。烟雾传感器用于监测烟雾浓度是否过量，火光检测传感器用于检测周围是否有火光产生，当两者同时检测到输入信号时，
30、单片机输出报警信号，蜂鸣器实现响铃报警，同时单片机利用远程传输模块传输报警信号至上位机，即实现对家居火灾情况的实时监测。火灾监测的各个模块同单片机的输入关系如图3-5所示：烟雾监测传感器蜂鸣器单片机火光检测传感器图3-5 火灾监测模块与单片机的输入关系图3.3.1火灾监测模块的选择（1）烟雾传感器的选择本项研究选用的烟雾传感器型号为MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器内部所使用的气敏材料为二氧化锡，为表面离子式N型半导体，可对各种类型的气体进行监测。该型号传感器优点众多，诸如监测灵敏性强、稳定、成本低、驱动简单等，促使其现被广泛地应用于不同的气体探测应用之上。MQ-2烟雾传感器模块如图所示：
31、 图3-6 MQ-2烟雾传感器模块1）引口介绍：表3.3 烟雾传感器的引脚介绍Pin1Pin2Pin3Pin4(VCC)电源引脚供电电压为：35.5V（GND）接地段接负极（DO口）TTL输出（AO口）模拟信号输出2）模块特点： TTL输出有效电平为低电平。其检测可燃气体与烟雾的范围是10010000ppm（2）火光检测传感器的选择 选用的火光传感器，用于检测各种火焰、火源，灵敏度高，可对监测到的火灾信号做出快速响应。该模块如图3-7所示： 图3-7 火光监测传感器1）引口介绍：表3.4 DHT11模块的引脚介绍Pin1Pin2Pin3Pin4(VCC)电源引脚供电电压为：35.5V（GND）
32、接地段接负极（DO口）TTL输出（AO口）模拟信号输出2）模块特点：可检测火焰或者波长在760nm1100nm范围内的光源；火焰越大，检测距离越远。使用的比较器为LM393，信号干净。（3）蜂鸣器模块的选择火灾监测设计中，考虑到当人们在家中时，需要在更短的时间内知道有火灾发生，故选用蜂鸣器用于响铃报警，能更加直观地监测到火灾险情的发生。本项研究中选用5V直流型蜂鸣器，如图3-8所示；电路中接地端接入的NPN型三极管起开关作用，具体电路原理如图3-9所示： 图3-8蜂鸣器模块实物图 图3-9 蜂鸣器电路原理图1）引口介绍：表3.5 蜂鸣器模块的引脚介绍Pin1Pin2Pin3(VCC)电源引脚供
33、电电压为：35.5V（GND）接地段接负极（I/O口）外接单片机2）模块特性：模块的驱动采用S8550三极管；当I/O口的输入为低电平时，模块响应。3.3.2火灾监测模块的应用设计烟雾传感器应用于检测火灾信号时的电路设计如图3-10所示（火光传感器同理）： 图3-10 火灾检测模块检测火灾信号的检测电路图（1）烟雾传感器的工作原理：烟雾的出现会引起二氧化锡表面导电率变化，烟雾浓度越大，导电率越大，电阻值越低，输出的模拟电压信号便越大。若采用TTL数字量输出模式，MQ-2的3引脚输出直流信号，随烟雾浓度大小而变化，并被加到比较器U1A的2脚，Rp构成比较器的门槛电压，当输出电压高于门槛电压时，比
34、较器输出低电平（0V），单片机对低电平输入信号进行相应操作输出报警信号；当浓度降低传感器输出电压低于门槛电压时，比较器翻转，并输出高电平。（2）火光检测传感器的工作原理：物质燃烧会产生光辐射，火光中包含的特殊波长外光谱信号可触发传感器原件，随后传感器输出电平信号或是模拟电压信号给单片机。（3）应用注意事项传感器模块在安置时的选择有着严格的要求。烟雾传感器的安置选址应不能选择过于靠近厨房等烟雾较大的地方，避免导致错误报警信号的产生；而火光传感器的选址，则应保持与窗户和厨房灶台有一定的距离，以免对日光和炉火产生误识别火焰传感器虽是用于感知火焰，但其材料性质并不防火，因此安置时确保不能直接靠近炉火处
35、，以免烧坏传感器。同时，使用模块时也有一定的要求。启用烟雾传感器时，应先输入加热电压，预热20s左右，之后测量的数据才会稳定；同时，加热电压切忌过高，如果过高，会导致内部的信号线熔断，使器件报废。 3.4 无线通讯的设计3.4.1无线通讯方式的选择单片机与用户之间的远程通信，有多种方案可选择，目前市场上采用的通讯方式大多是基于电话网、GSM、Internet网来实现的，各个通讯方案的具体说明如下：（1）基于固定电话网的远程通讯。现代电话网络是由用户终端、用户信道、交换机、路由器和其他附属的设备组成的，可靠性极高。用户拨打家中固定电话，通过按照电话语音提示操作，从而达到控制家中电器和了解监测数据
36、的效果。由于其操作性简单、技术难度不高、稳定实用的特点，曾被大幅使用在控制设计当中。其具体的控制图如图3-11所示：家用环境检测电器 用户 固定电话网关智能家居检测系统防盗防火检测器 图3-11 基于固定电话网的家居监测系统框图（2）基于GSM的远程通讯。GSM，是当前在我国普及程度最高的数字移动通信系统，其发展历史久远且技术成熟，系统可靠性高、最为稳定。GSM依托时分多址技术进行通信，应用范围广泛。GSN全球移动通信系统在全球普及范围广，用户只需拥有一张SIM卡，无需拨号建立连接，只要将所要发送的信息及目的地址通过信令信道传输发送至短消息服务中心，再由短消息服务中心发送至目的地址人，速率快，
37、仅需几秒，即可与世界各地的数字蜂窝网用户进行信息交流。由于近几年来网络通讯的快速发展，GSM现被用于信息交流已越来越少，但其SMS信息业务仍被广泛用于远程控制、监测、以及远程监测信息的传输，基于GSM的家居远程控制系统框图如图3-12所示：家用环境检测电器用户 GPRS/GSM/CDMA网关智能家居检测系统防盗防火检测器图3-12 基于固定电话网的家居监测系统框图（3）基于Internet网络的远程通讯。Internet网络，又称以太网，应用非常广泛，其源自信息高速公路，以各PC或移动设备为终端，实现数据的传输，从而达到信息共享的目的。由于以太网现在全世界覆盖范围广，以及相关网络协议的无限性的
38、特点，实时监控得以在全球范围内进行。在智能家居应用方面，通过将家中的家居电器连接起来并接入以太网，人们便可以在全世界的任何地方，通过使用随身携带的移动通讯设备对家中电器的运行情况进行监控，并获得相应的监测数据，同时也能达到控制家中电器运行状态的效果。现Internet网络已近乎遍布各地，技术愈发成熟、操作简单、传输速率快、使用成本低的优点，使其近乎成为家家户户不可少的通讯设施，固然，基于以太网的控制方式必然将是未来智能家居实现远程控制及远程通讯的主流方式。其控制框图如图3-13所示：防盗防火检测器智能家居检测系统Internet用户家用环境检测电器 网关图3-13 基于固定电话网的家居监测系统
39、框图本课题选择基于Internet网的通讯方式实现对家居环境的监测。即通过Internet网络实现对传感器监测到的数据进行传输，传输至用户的其他联网设备，实现此项功能，则需要Wi-Fi模块作为硬件支持。Wi-Fi模块在本课题研究中的主要作用是，将单片机控制核心采集的数据转化成Wi-Fi信号，并通过无线局域网传输给其他联网的上位机，最终由上位机相匹配的软件或其他应用形式对数据进行处理。Wi-Fi模块与单片机之间的输入关系如图3-14所示：云服务器数据Wi-Fi模块数据单片机 图3-14 Wi-Fi模块与单片机的输入关系图3.4.2 Wi-Fi模块的选择本项研究中使用的WI-FI模块选用乐鑫公司的
40、ESP8266模块，该模块优点众多，如功耗低、使用简单、集成度高等，获得了诸多肯定，并未广泛应用地应用于物联网应用领域。该模块如图3-15所示：图3-15 ESP8266 Wi-Fi模块图ESP8266是一款串口转Wi-Fi的透传模块，共有三种工作模式，分别为：AP模式、station模式、AP + station模式。在本项研究中选用station模式，即将ESP8266当成一个客户端，并将其与无线网络进行连接，实现网络通讯。3.4.3 Wi-Fi模块的应用设计ESP8266的Wi-Fi模块同单片机连接时，串口输入端（RXD）和串口输出端（TXD）分别与STC89C51芯片的串口输出端和输入
41、端连接，复位端（RST）则直接与STC89C51芯片的复位端连接。具体的接口电路设计如图3-16所示：图3-16 ESP8266Wi-Fi模块电路连接图 Wi-Fi模块的TXD、RXD串口分别与单片机的串口RXD、TXD进行连接。串口通讯时，单片机先将采集到的数据放置于内部特殊寄存器SBUF，当Wi-Fi模块与单片机串口连接时，即能对存储于SBUF中的数据进行传输7。Wi-Fi模块在与无线网络连接时有两种连接方式。一种是在软件编程时，在程序中设置好无线热点或无线路由器的网络名称、密匙、网关和掩码，程序载入运行之后即实现与无线网络的连接；另一种即是先用手机连接上某个无线路由器或无线热点，再由手机
42、通过配用的APP软件将无线路由器或热点的密匙发送至ESP8266的Wi-Fi模块，也可使其实现与无线网络的连接。3.5 信号采集终端联网形式的选择3.5.1 UDP传输模式UDP是一种无连接的传输层协议。ESP8266基于UDP的传输有两种方式，分别为UDP自由传输和UDP限定透传。UDP自由传输中不能使用透传模式，但可以发送数据于任意的UDP主机，通过改变设定的UDP主机端口号即可。UDP限定透传可以使用透传模式，但是只能限定一个远程UDP主机，事先设置好UDP主机的端口号，且不能更改，因此通讯时无法给其他的UDP主机发送，即一对一的传输方式。UDP传输模式的基本框图如图3-17所示。通过将
43、ESP8266Wi-Fi模块与上位机连接上同一个相同的无线路由器或无线热点，则两者之间便形成了一个小型的局域互联网，然后再进行相应的参数设置，搭建好数据通讯的环境，从而实现Wi-Fi模块与上位机之间直接进行数据传输的目的。Wi-FiWi-Fi上位机ESP8266Wi-Fi模块无线路由器 图3-17 无线局域网传输模式示意图3.5.2 云服务器模式云服务器是一种处理能力强、简单高效、安全可靠的计算服务。当联网设备（上位机或手机）无法与开发板连接上同一个无线网络的时候，UDP传输模式变失去了其价值，则需要通过云服务器模式来实现上位机与开发板之前的数据通讯，即异地远程的数据传输。现采集终端可选择的云
44、服务器种类众多，可通过租赁或购买的方式获得使用前。云服务器模式在数据传输的过程中，现将ESP8266的Wi-Fi模块与无线路由器或无线热点连接上，在软件编程中运用可通过串口数据传输相关的函数，设置好网络参数及ESP8266的工作模式，选择好适当的参数之后将程序载入数据采集终端STC89C51芯片。随后使用上位机登录相关的云服务器，注册并登录自己的账号，在账号中添加自己需要的设备信息并建立一个可接受上传数据的设备，如此便能查看到已上传数据的图表；或是自己于上位机或手机中开发一个用于接受上传数据的系统，通过软件编程设定好IP、数据传输协议以及接受数据的子程序的其他参数，并连接上互联网，从而直接地接
45、收到已上传的数据。云服务器传输模式的基本框图如图3-18所示：ESP8266Wi-Fi模块无线路由器Wi-Fi云服务器远端数据传输 图3-18 云服务器传输模式示意图本项目研究中采用云服务器传输模式，选用的云服务器为“华为云”。由于本课题研究针对的是智能家居监测系统的开发，固然实现异地监控家中情况是必不可少的，采用云服务器模式，将能随时随地地监测到家中生活环境的情况以及是否有火灾等突发事件的发生。4 系统软件设计4.1系统主程序设计对系统的各个硬件模块部分有充分的认识之后，需要建立程序框架的流程图，对整个系统划分软件模块，逐个模块实现功能，最后将各个子模块的软件设计连接起来，构建总的程序。主程序中，首先需对各个模块进行初始化，随后将各个模块监测到的数据或报警信号传输到单片机，由单片机分析做出相应的输出，传输数据至上位机或实现响铃报警。系统软件设计的主流程图如图4-1所示：开始初始化