前言

家庭是社會(huì)的細(xì)胞，家庭的幸福也就預(yù)示著社會(huì)的和諧。一個(gè)良好的居住環(huán)境不但可以給我們一個(gè)健康的體魄，更能讓我們以一個(gè)良好的心情參加到工作、學(xué)習(xí)當(dāng)中。然而，生活在這個(gè)喧囂的城市，整天忙于工作和學(xué)習(xí)的我們也會(huì)常常忽視我們休整的地方——家庭，導(dǎo)致室內(nèi)各項(xiàng)生活指數(shù)都嚴(yán)重的超過(guò)了正常值；我們也會(huì)時(shí)?？吹竭@樣的報(bào)道：出門(mén)時(shí)忘記關(guān)掉正在使用的煤氣，結(jié)果就引發(fā)了一場(chǎng)損失慘重的火災(zāi)；還有，由于家里沒(méi)有防盜裝置，致使猖狂的小偷經(jīng)常對(duì)我們的人身、財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

基于以上的背景，我們就提出了這樣一個(gè)方案，它使得我們能夠隨時(shí)隨地了解到家里的各種情況（如：家里溫度高低，光線明亮與否）。當(dāng)出現(xiàn)意外險(xiǎn)情時(shí)（如家里燃?xì)庑孤?、有小偷闖入等），此系統(tǒng)能及時(shí)的告知我們，已達(dá)到有備而無(wú)患的效果。

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1.1硬件平臺(tái)選用及資源配置

本方案擬采用基于Atmel AVR32單片機(jī)的EVK1100開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺(tái)。本平臺(tái)有幾大優(yōu)勢(shì)以利于設(shè)計(jì)方案的完成。首先是GPIO的引出，這就方便我們的各個(gè)模塊的擴(kuò)展。

其次是多達(dá)兩個(gè)的串口，可以很方便的讓我們完成實(shí)驗(yàn)調(diào)試。再次是上面的擴(kuò)展模塊（光線傳感器、溫度傳感器、LCD液晶）設(shè)置，可以加快設(shè)計(jì)完成的進(jìn)度。

在控制信息采集方面，方案使用了傳感器。相對(duì)來(lái)說(shuō)，傳感器的使用不是太難，購(gòu)買(mǎi)也比較方便。主要用了：煙霧傳感器（采集環(huán)境煙霧濃度數(shù)據(jù)）、濕度傳感器（采集周圍環(huán)境濕度數(shù)據(jù)）、溫度傳感器（采集周圍環(huán)境溫度數(shù)據(jù)）、光線傳感器（采集室內(nèi)光強(qiáng)數(shù)據(jù)）。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如下圖1所示：

圖 1

1.1.2軟件設(shè)計(jì)

主控芯片AVR32 AT32UC3A0512，為降低CPU運(yùn)行負(fù)載，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用以1.8S為周期對(duì)占用時(shí)間長(zhǎng)的程序運(yùn)行，重點(diǎn)對(duì)標(biāo)志進(jìn)行判斷，同時(shí)以中斷的方式對(duì)標(biāo)志作處理。下圖2為本系統(tǒng)詳細(xì)軟件流程圖

圖 2

1.2各個(gè)模塊設(shè)計(jì)

1.2.1遠(yuǎn)程通信模塊GSM

GSM：global system for mobile communications全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，GSM 是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。全球超過(guò)200個(gè)國(guó)家和地區(qū)超過(guò)10億人正在使用GSM電話。通過(guò)GSM我們能夠從任何地方遠(yuǎn)程遙控家里，借助于GSM我們只需支付極低的費(fèi)用，而不需要自己搭建一個(gè)通信系統(tǒng)，自己搭建通信系統(tǒng)需要極大的人力，物力且通信范圍有限，GSM作為覆蓋最為廣泛的移動(dòng)電話系統(tǒng)，可以很好的被我們所利用。

本設(shè)計(jì)核心模塊采用simcom公司的sim300模塊，具有相當(dāng)高的性價(jià)比。廣泛用于手機(jī)，PDA，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。sim300是采用60Pin板板連接器的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案。模塊具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化接口，功耗低，可通過(guò)GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz通信網(wǎng)絡(luò)傳輸語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)和傳真。

本項(xiàng)目中家里的任何情況，在任何時(shí)刻，任何地點(diǎn)都能及時(shí)的通知到我們，讓我們隨時(shí)隨地的了解家里的情況。同時(shí)遠(yuǎn)程手機(jī)可在異地通過(guò)發(fā)短信了解家里的情況，溫度、濕度、光照等等，同時(shí)家里發(fā)生異常，例如有外人闖入也可以通過(guò)GSM向遠(yuǎn)程手機(jī)報(bào)告，如果家里有小孩，在外的父母也能通過(guò)GSM及時(shí)了解家里的情況，例如撥通電話，對(duì)小孩作必要的囑咐。GSM模塊的通信示意圖如圖3所示：

圖 3

1.2.2人機(jī)交互設(shè)計(jì)

（1）語(yǔ)音模塊

采用WT588D語(yǔ)音芯片的應(yīng)用框圖如下：

圖 4

三線串口控制模式由三條通信線組成，分別是片選 CS，數(shù)據(jù) DATA，時(shí)鐘 CLK，時(shí)序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) SPI 通信方式。通過(guò)三線串口可以實(shí)現(xiàn)對(duì) WT588D語(yǔ)音模塊命令控制、語(yǔ)音播放。三線串口模式下，所有按鍵均無(wú)效。三線串口控制模式下的時(shí)序圖5如下：

圖 5

另外、由于直接使用WT588D驅(qū)動(dòng)喇叭時(shí)的驅(qū)動(dòng)能力不夠，需要外接語(yǔ)音放大器，本系統(tǒng)使用運(yùn)放TDA2882來(lái)放大語(yǔ)音信號(hào)，放大電路如下圖6所示：

圖 6

（2）LCD顯示模塊

作為人機(jī)交互的重要模塊，lcd顯示采用avr開(kāi)發(fā)板上面的lcd204，我們目前的項(xiàng)目顯示內(nèi)容主要是溫度，濕度，光線強(qiáng)度，天然氣濃度等，顯示的內(nèi)容比較少。同時(shí)，本次參賽的avr例程上面對(duì)lcd204有詳細(xì)的介紹，使用起來(lái)比較方便。

1.2.3傳感器檢測(cè)模塊

（1）紅外熱釋電探測(cè)模塊

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，其內(nèi)部傳感器芯片為L(zhǎng)HI778。

系統(tǒng)中本模塊的工作原理如下圖7示：

圖 7

（2）MQ2氣體濃度檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)中采用的可燃易爆氣體濃度檢測(cè)裝置是對(duì)液化氣、甲烷、丁烷、煙霧等都有較好的靈敏度的MQ2傳感器。

其靈敏度特性曲線如下圖8所示：

圖 8

本MQ2濃度檢測(cè)模塊的原理圖如下圖9所示：

圖 9

系統(tǒng)中MQ2濃度探測(cè)模塊的工作原理如下圖10示：

圖 10

（3）濕度傳感器

本設(shè)計(jì)采用的濕度傳感器是：HR31電阻型濕度傳感器。HR31濕敏電阻是采用有機(jī)高分子材料的濕度敏感元件，感濕范圍寬，長(zhǎng)期使用性能穩(wěn)定。能夠達(dá)到精度5%RH增減的要求。

其阻抗特性如下圖11所示：

圖 11

本系統(tǒng)中濕度傳感器的工作原理如下圖12所示：

圖 12

（4）溫度傳感器

考慮到EVK1100板卡上面已經(jīng)安裝了溫度傳感器NCP18WF，為了開(kāi)發(fā)的進(jìn)度和成本，就沒(méi)有再買(mǎi)模塊，直接使用就可以了。

在系統(tǒng)中的電路原理圖如下圖13所示：

圖 13

（5）光照強(qiáng)度傳感器

與溫度傳感器類似，光線傳感器也是使用的EVK1100上面自帶的TEMT6000光線傳感器。其電路原理圖如下左圖14所示，特性原理圖如下右圖15所示：

圖 14圖 15

1.3軟件設(shè)計(jì)

1.3.1中斷

為了更好的提高系統(tǒng)效率，本系統(tǒng)充分的利用了AVR32單片機(jī)的中斷功能。

（1）定時(shí)器中斷

在定時(shí)中斷服務(wù)函數(shù)里面利用AD采集各種傳感器數(shù)據(jù)是一種常用的手段，本設(shè)計(jì)就是利用1.8s定時(shí)來(lái)采集各種室內(nèi)數(shù)據(jù)

定時(shí)器后臺(tái)中斷程序流程：定時(shí)器前臺(tái)主程序流程：

（2）串口中斷

在設(shè)計(jì)中，AVR單片機(jī)與GSM模塊的通信是利用串口進(jìn)行的。由于用查詢方式接收串口數(shù)據(jù)會(huì)大大的降低系統(tǒng)性能實(shí)時(shí)，故串口接收部分利用串口中斷。

遠(yuǎn)程用戶為了遠(yuǎn)程監(jiān)視家里的情況，只需要向目標(biāo)板GSM發(fā)送短信，GSM收到短信后會(huì)向核心板AVR32串口發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)AVR32串口接受到數(shù)據(jù)后，在串口中斷中把標(biāo)志位flag置1，同時(shí)把串口接受到得數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到緩存中，主程序在定時(shí)器控制下，每隔1.8s檢測(cè)flag，當(dāng)檢測(cè)到flag等于1的時(shí)候，讀取緩存中的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀取到得不同數(shù)據(jù)，作不用的處理，然后單片機(jī)AVR32通過(guò)串口向GSM發(fā)送相應(yīng)的室內(nèi)信息代碼，然后GSM通過(guò)短信向遠(yuǎn)程用戶發(fā)送室內(nèi)檢測(cè)到的信息，例如溫度、濕度等等，從而高效的查詢家里的情況，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的功能，流程如下圖16。

圖 16

1.3.2語(yǔ)音部分

作為人機(jī)交互的重要平臺(tái)，語(yǔ)音處理部分主要是將各種傳感器采集到的參數(shù)，通過(guò)語(yǔ)音提示用戶，語(yǔ)音部分的軟件框圖如下圖17所示，并通過(guò)發(fā)出警告的方式，提醒用戶改善居住環(huán)境。

圖 17

2 總結(jié)

本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)間相對(duì)緊迫，離最初的要求有一定的距離，但是總體效果還算令人滿意，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程用戶實(shí)時(shí)監(jiān)視家里環(huán)境，在家里環(huán)境發(fā)生異常的情況下，如有外人闖入，溫度、濕度、可燃?xì)怏w濃度發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)的做出報(bào)警，同時(shí)通過(guò)GSM發(fā)送短信向遠(yuǎn)程用戶發(fā)出警告，其語(yǔ)音模塊能夠準(zhǔn)備的根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境測(cè)得的情況，做出語(yǔ)音提示。

本次設(shè)計(jì)加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，是心里老想著這樣的方法可以行得通的，但實(shí)際上，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間也挺多的。但是到后面，我們又會(huì)換換方案，解決問(wèn)題。感觸最深的就是：無(wú)論多么簡(jiǎn)單的事情，一定要親自去做了才能做評(píng)價(jià)。想象中的簡(jiǎn)單不等于實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們的模塊調(diào)試用了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。本來(lái)以為很簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中卻總是會(huì)遇到這樣那樣的問(wèn)題。最后連調(diào)的時(shí)候，本來(lái)以為模塊調(diào)試通過(guò)了，連調(diào)就容易了，但是當(dāng)所有模塊連接在一起的時(shí)候就會(huì)因?yàn)橄嗷サ臎_突而不能同時(shí)工作。所以又話了很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)調(diào)試系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)幾天不分晝夜的努力，我們終于完成了我們的系統(tǒng)。

在調(diào)試系統(tǒng)的過(guò)程中，遇到的問(wèn)題真的很麻煩，比如在調(diào)試GSM SIM300模塊的過(guò)程中，需要通過(guò)avr單片機(jī)控制短信的接收和發(fā)送，但是，短信的接收過(guò)程中對(duì)于數(shù)據(jù)的采集，判斷，分析都是異常艱難的，需要從眾多的信息中提取出短信中的有效信息，就需要不斷地判斷，不斷地選擇。所以，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有很多莫名其妙的死機(jī)，但是，我們還是堅(jiān)持了下來(lái)，通過(guò)串口，分別調(diào)試gsm和avr部分。不斷優(yōu)化我們的程序，最后達(dá)到了我們想要的結(jié)果。另外，在語(yǔ)音模塊的控制上面，我們選擇使用三線spi控制過(guò)程中，仍然遇到了不少的問(wèn)題，比如，由于wt588d模塊上面的輸出，有busy信號(hào)，這對(duì)于實(shí)時(shí)查詢語(yǔ)音的播報(bào)情況十分重要，所以在調(diào)試這個(gè)語(yǔ)音模塊的過(guò)程中，始終想把這個(gè)忙信號(hào)用起來(lái)，但是，通過(guò)反復(fù)地調(diào)試，發(fā)現(xiàn)busy信號(hào)并不是隨語(yǔ)音的實(shí)時(shí)播報(bào)而一直顯示為高電平，反而只是在開(kāi)始播報(bào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿而已，所以，我們最后修改方案，不使用這跟信號(hào)線了。

總之，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我們又學(xué)到了不少知識(shí)。尤其是對(duì)AVR單片機(jī)又有了更深入的了解。通過(guò)本次大賽，我們對(duì)AVR32單片機(jī)的高級(jí)性能算是有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。它的內(nèi)部Flash多達(dá)512KB，完全保證了程序的存儲(chǔ)。方便的基于優(yōu)先級(jí)的中斷管理，能讓我們快速的實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)。還有，不能不說(shuō)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境AVR Studio 5.0真的很方便，尤其是里面的模塊化編程asf部分，在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程中起到了很大的作用。

3 參考文獻(xiàn)

《信號(hào)與系統(tǒng)》，ALAN V.OPPENHEIM著，西安：西安交通大學(xué)出版社，1997年；

《數(shù)字圖像處理學(xué)》，元秋奇著，北京：電子工業(yè)出版社，2000年；

《模擬電子線路基礎(chǔ)》，吳運(yùn)昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004年；

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年；

《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法》，張曉麗等著，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002年；

《ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程》，馬忠梅等著，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004年；

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，李建忠著，西安：西安電子科技大學(xué)，2002年；

附1：程序清單

/////////////////////////////////////////////////////////

//*************語(yǔ)音模塊頭文件***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

#ifndef _SOUND_H_

#define _SOUND_H_

#include "asf.h"

//IO口控制

#define GPIO_sound_control_Pin1 AVR32_PIN_PX23 //jidan0818 語(yǔ)音模塊IO：PX17

#define GPIO_sound_control_Pin2 AVR32_PIN_PX25 //jidan0818 語(yǔ)音模塊IO：PX17

#define GPIO_sound_control_Pin3 AVR32_PIN_PX27 //jidan0818 語(yǔ)音模塊IO：PX17

#define sound_cs GPIO_sound_control_Pin1 //PTAD_PTAD1

#define sound_clk GPIO_sound_control_Pin2 //PTAD_PTAD2

#define sound_data GPIO_sound_control_Pin3 //PTAD_PTAD0

//函數(shù)聲明

void init_sound_io(void);

void delay100us(unsigned char cnt);

void delay1s(unsigned char cnt);

void send_sound(unsigned char addr);

void sound_plus(void);

void sound_minus(void);

void sound_cycle(unsigned char addr);

void sound_stop(void);

void sound_test(void);

//各種報(bào)警語(yǔ)音聲明

void sound_wet_waring_high(void); //濕度過(guò)高報(bào)警

void sound_wet_waring_low(void); //濕度過(guò)低報(bào)警

void sound_temp_waring_high(void); //濕度過(guò)高報(bào)警

void sound_temp_waring_low(void); //濕度過(guò)低報(bào)警

void sound_sunshine_waring_high(void); //濕度過(guò)高報(bào)警

void sound_sunshine_waring_low(void); //濕度過(guò)低報(bào)警

void sound_gas_waring_high(void); //濕度過(guò)高報(bào)警

void sound_gas_waring_low(void); //濕度過(guò)低報(bào)警

void sound_people_waring(void); //濕度過(guò)高報(bào)警

void sound_temp(short int t ) ;

void sound_time(unsigned char hh,unsigned char mm,unsigned char ss);

void sound_sunshine(short int t );

void sound_wet(short int t );

void sound_gas(short int t ) ;

void sound_welcom(void);

#endif

/////////////////////////////////////////////////////////

//****************延時(shí)服務(wù)函數(shù)***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

//系統(tǒng)延時(shí)初始化函數(shù)

void delay_init(unsigned long fcpu_hz)

{

#ifndef FREERTOS_USED

s_fcpu_hz = fcpu_hz;

#endif

}

//系統(tǒng)ms延時(shí)函數(shù)

void delay_ms(unsigned long delay)

{

#if (defined FREERTOS_USED)

vTaskDelay( (portTickType)TASK_DELAY_MS(delay) );

#elif (defined NUTOS_USED)

NutSleep(delay);

#else

cpu_delay_ms(delay, s_fcpu_hz);

#endif

}

//系統(tǒng)us延時(shí)函數(shù)

void delay_us(unsigned long delay)

{

#if (defined FREERTOS_USED)

vTaskDelay( (portTickType)TASK_DELAY_MS(delay) );

#elif (defined NUTOS_USED)

NutSleep(delay);

#else

cpu_delay_us(delay, s_fcpu_hz);

#endif

}

/////////////////////////////////////////////////////////

//**********部分重要的服務(wù)函數(shù)***************************//

/////////////////////////////////////////////////////////

//播放存放語(yǔ)音的底層函數(shù)

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