关键词：智能家居；单片机；无线通信；实时测量

Abstract: This paper introduces a home measurement and control system based on wireless communication, which consists of smoke sensor circuit, keystroke, buzzer, temperature and humidity sensor circuit, MCU control module, liquid crystal display circuit and NRF24L01 wireless module circuit. In view of the disadvantages of traditional wired measurement system, such as trouble, high cost and fixed layout can not be moved, wireless measurement can realize multi-point distributed measurement and transmission, and has its own communication protocol. Finally, an all-round distributed intelligent wireless measurement and control network is constructed.

Key words: Intelligent Home; single Chip Microcomputer; Wireless Communication; Real-time Measurement

1 引言

在当今现代的生活中，通过无线通信来采集环境参数已经越来越普遍了。并且随着工农业的生产对环境参数的要求越来越高，精准的测量环境参数变得十分重要。环境参数它不能像质量和长度那样简单地获取量值，只有通过其他相关性质间接地测量。现在环境参数测量是可以通过温湿度传感器、光敏电阻、MQ传感器来测量的，环境参数测量的过程简单来说就是通过传感器把环境参数值转换为电信号或者其他信号，经过相关处理，从而转换成环境参数显示出来。环境参数测量设备一般有各传感器和信号处理电路组成。某些情况下，需要监测的范围很大，布线不方便且不利于后期维护，这时我们就采用无线模块对环境参数进行采集。

本文设计了一种基于单片机的智能家居监控系统，以STC89C52单片机为主控制器，通过DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、HC-SR05人体感应模块、1528光敏电阻、NRF24L01无线通信模块以及蜂鸣器实现实时测量并报警的功能。

2 总体方案设计

从机：发射端由STC89C52RC单片机，nRF24L01无线模块，各个环境参数模块组成。如图1所示。

图1  从机设计框图

主机：发送端由STC89C52RC单片机，LCD12864显示模块，nRF24L01无线模块组成。如图2所示。

图2  主机设计框图

3 模块方案设计

3.1  主控芯片方案

采用STC89C52RC实现。单片机软件编程可简单地实现多数功能，自由度大，结构清晰，便于调试和维护，可读性和移植性强。并且具有体积小，硬件搭建简单等优点。本系统由一台主机，2台从机组成2级分布式环境参数测量进行多路环境参数数据采集。另外STC89C52RC的应用已经十分广泛，相关技术的使用都很熟练，开发难度很小。

3.2  无线通信模块方案

使用NRF24L01通信模块，该模块具有高速低耗体积小的优点。他可以传输数千公里(PA)，但价格更便宜，SPI总线通信方式，电路是简单、操作方便。

3.3  环境参数传感方案

使用环境参数传感器DHT11。由于DHT11是数字信号输出，易于MCU处理和控制，消除了传统测量方法的许多外围电路。传感器的物理和化学特性是非常稳定，它可用作工业环境参数传感器，这些传感器线性更好。在0～100℃，最大线性误差是小于1℃。DHT11的单总线数据传输提高了信号的稳定性和精度。使用DHT11数字环境参数传感器来测量环境参数具有电路搭建简单、体积小、编程容易等优点。所以使用数字集成芯片将成为电路的发展趋势。

3.4  显示模块方案

采用LCD12864液晶显示。LCD12864显示丰富，响应快，并且成本也不高，编程技术熟练。

4 系统硬件设计与实现

4.1  STC89C52RC主控模块设计

STC89C52RC是一个低压高性能8位单片机，片内含8k Flash闪存，512 bytes的RAM，兼容标准MCS-51指令系统，片内置8位通用CPU和2K字节EEPROM存储空间。

主要功能特性：

（1）8K可反复擦写Flash ROM；

（2）32个双向I/O口；

（3）512×8bit内部RAM；

（4）可直接使用串口下载；

（5）内带2K字节EEPROM存储空间。

单片机控制模块由STC89C52RC最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路和复位电路。晶振电路由18、19引脚接入2个22pF的电容和一个12MHz的晶振组成。

4.2  nRF24L01无线模块设计

4.2.1  nRF24L01概述

NRF24L01是一种新型单片射频收发机设备,在2.4GHz～2.5GHz频率ISM波段操作。内部集成了频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器，输出功率可以被软件简单配置。NRF24L01具有多种低功耗模式(断电模式和空闲模式),以便节能设计更方便。以下是nRF24L01的主要特点：

（1）片内自动生成报头和CRC校验码；

（2）GFSK调制，硬件集成OSI链路层；

（3）SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；

（4）125个频道与其他nRF24系列射频器件相兼容；

（5）具有自动应答和自动再发射功能；

（6）数据传输率为lMb/s或2Mb/s；

（7）供电电压为1.9V～3.6V。

4.2.2  引脚功能及描述

nRF24L01的电路图引脚如图3所示。

图3  nRF24L01电路图引脚

4.3  显示电路模块设计

液晶显示器图形的显示原理：液晶是由M×N个显示单元组成，设LCD屏有64行，每行中有128列，每8列对应1个字节的8位，即每行有16个字节，共128个点组成，屏上有1024个显示单元和RAM区中的1024字节对应，每一个字节内容与显示屏上相应位置的亮暗对应。

液晶电路的硬件原理图如图4所示。

图4  液晶电路硬件原理图

4.4  温湿度DHT11传感器设计

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

4.4.1  DHT11传感器模块电路设计

DHT11传感器连接STC89C51系列单片机相对比较简单。单片机的P2.0口用来发收串行数据，即数据口。连接传感器的Pin2（单总线，串行数据）。由于测量范围电路小于20米，建议加一个5K的上拉电阻，因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K电阻。而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端。传感器的第三脚悬浮放置。DHT11传感器原件的电路原理图如图5所示。

                                                      图5 DHT11电路原理图

4.5  MQ-2传感器介绍

MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，而且它抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。

MQ-2型气敏元件具有以下特点：

(1)采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R (即器件在纯洁空气中的阻抗)阻值，从而保证了长期工作的稳定性。

(2)单电源供电，其功耗仅0.7W左右。

(3)对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。

MQ-2型气敏元件有两种型号。MQ-2A型适用于天然气、城市煤气、石油液化气、丙丁烷及氢气等；MQ-2型适用于烟雾等减光型有害气体。

器件的灵敏度：S=Ro/Rx为10～30。常见为QM系列的S值仅8左右。Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。

MQ-2接法如图6所示。

图6  MQ接法

5 系统软件设计

5.1  显示模块软件设计

流程图如图7所示。

图7  显示部分软件流程图

5.2  无线发射模块软件设计

首先进行初始化,然后通过SPI总线配置使nRF24L01进入发射模式。然后把发射端准备发射的数据的目标地址和数据写入无线通信模块的缓冲区，进行一定延时后发射数据。其流程图如图8所示。

图8  无线发射软件流程图

5.3  无线接收模块软件设计

接收数据时，首先将无线通信模块配置为接收模式。然后等待数据，当接收方检测到有效地址和CRC时，就将数据包储存在接收堆栈中，同时状态寄存器中的中断标志位RX-DR置高，产生中断使IRQ引脚变为低电平，以便通知单片机去取数据。其流程图如图9所示。

图9  无线接收软件流程图

6 系统测试

三个板子，每个都有个复位按键,主控板下边有6个按键，123456,5是设置按键按下是设置温度上限在按是设置湿度上限继续按下可以设置其他的，6是加，4是减, 2是设置时间的，这个时候4是减，6是加，3是布防按键,布防按键按下，当检测板有浓度超出设定值时，蜂鸣器报警，对应LED点亮，当有某项超标的时候，12864.上这个项会闪烁，时间也会停留在报警时间，直到数据正常才会回复检测状态，1是布防热释电模块的，遮住热释电，12864有小人图标闪烁，有20s时间，是布防时间的,小人停止闪烁进入布防状态,检测有人，东西两侧分别有led亮。

如图10就是无线测温系统的主机，接通电源立即对LCD12864初始化，并等待发射端传来数据进行接收并在LCD12864上实时显示出来。

图10  实物图

7 结束语

本次设计采用了STC89C52RC来采集和处理数据，通过传感器收集非电信号。系统中采用直接数字输入型环境参数传感器DHT11实现了数字环境参数计无线监测系统。DHT11具有精度高，抗干扰能力，电路简单，可在单总线上挂载多个传感器的优点。相反,传统的温检测系统采用热门电路来测量环境环境参数，虽然成本很低，但精度差，可靠性不好，且不是全数字输出，需要AD转换电路，增加了电路的复杂性。采用NRF24L01无线通信模块来实现环境参数的监控，省去传统的布线麻烦，保持了电路的简洁，方便整个系统的安装和维护。

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