分类号 密级 UDC 编号
大连大学 学位论文
论文题目 智能家具控制装置
姓 名 学 科、专 业 计算机 指 导 教 师 周昌军 年 级 计科113 论文答辩日期
Master's Degree Dissertation
Title: Control device furniture
M.S. candidate:
Field of research:Computer Date of defence:
Degree awarded by: Dalian University
of intelligent
独创性说明
作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名： 日期：
摘 要
本文所设计智能家居控制系统主要由无线传输模块、GSM通信模块、温湿度模块、语音播报模块、煤气烟雾报警模块、人机交互中的键盘输入模块与显示模块等组成。将系统分为主单元模块和从单元模块，主单元模块的微控制器为ATmega16，从单元模块的主控制器为AT89S52，它们通过NRF24L01无线模块进行信息传输。
主单元模块负责设定、显示初始状态值等，并将从单元模块采集发送过来的数据与系统数据进行比较，一旦发现数据异常，将会通过GSM远程通信模块将家中异常信息发送给主人，如果在规定的时间里主人没有回应，将会直接给主人打电话，并且语音播报房间内的危险信息。从单元模块负责采集室内数据，包括房间内的温湿度值、煤气浓度值以及烟雾状态信息，实时监测，并将采集过来的值通过NRF24L01无线模块定时发送给主机。本设计是嵌入式系统的在智能家居建设中的典型开发及应用，为将来更高规格的家居智能化设计或深入的嵌入式系统开发提供经验。
关键词：智能家居；GSM远程监控；语音播报；嵌入式系统
I
Abstract
This smart home control system is mainly composed of wireless transmission
module ，GSM communication module，temperature and humidity module, speech module, gas, smoke alarm module and keyboard input module and display module in human-computer interaction, gas smoke alarm module, etc. And, the system is divided into the main unit module and sub module, the micro controller of unit module is ATmega16 and the main controller of sub module is AT89S52, they transmit information through wireless module NRF24L01.
The main unit module is responsible for displaying, setting the initial value, etc. and
then comparing the data which is send by unit module with the data of the system, once found abnormal data, the information of the room will be sent to the host through GSM module, if the host did not respond within the prescribed time, then it will call the host directly, and broadcast the risk information of the room. The unit module is responsible for data collection, including the values of the temperature and humidity, the gas density and smoke state information inside the room, and the values of the collected is regularly sent to the host through the wireless module NRF24L01.This graduation design is a typical of embedded system in smart home control system, providing the experience for higher specifications of the design of smart home or other aspects of embedded system design.
Key Words：Smart home ;GSM remote monitoring; Tone warning; Embedded System
II
目 录
摘 要 ................................................................. I Abstract ................................................................ II 目 录 ............................................................... III 1 绪论 ................................................................. 1
1.1 智能家居背景及其发展趋势 ....................................... 1 1.2 嵌入式系统、物联网和智能家居 ................................... 1 1.3 论文主要设计内容及任务 ......................................... 3 2 总体方案设计 ......................................................... 4
2.1 总体方案论证 ................................................... 4
2.1.1 微控制器的选择 ........................................... 4 2.1.2 人机交互之显示器件的选择 ................................. 7 2.1.3 模块间通信器件的选择 ..................................... 9 2.1.4 语音播报器件选择 ........................................ 10 2.1.5 远程通信模块的选择 ...................................... 12 2.2 检测器信号采集与分析 .......................................... 16
2.2.1 煤气浓度传感器 .......................................... 16 2.2.2 烟雾传感器 .............................................. 16 2.2.3 温湿度传感器 ............................................ 17 2.3 系统的总体设计方案 ............................................ 18 3 系统的硬件电路设计 .................................................. 20
3.1 单片机最小系统设计 ............................................ 20
3.1.1 AT89S52单片机 ........................................... 20 3.1.2 AVR系列ATmega16单片机硬件电路设计 ...................... 21 3.2 ATK-SIM900A模块硬件电路设计 ................................... 22 3.3 语音模块 ...................................................... 23 3.4 LCD12864模块接口电路 .......................................... 23 3.5 环境温湿度检测模块电路图： .................................... 24 3.6 环境中煤气浓度和烟雾浓度的检测模块硬件单路： .................. 24 4 软件系统程序设计与实现 .............................................. 26
4.1 程序的编译软件和下载软件 ...................................... 26
4.1.1 ICCAVR .................................................. 26 4.1.2 下载软件Progisp ISP ..................................... 26
III
4.2 整体程序设计 .................................................. 27 5 系统的调试和结论 .................................................... 31
5.1 ICCAVR和Progisp ISP调试系统 .................................. 31 5.2 串口调试工具 .................................................. 31 5.3 字符编码切换工具 .............................................. 32 5.4 实物图 ........................................................ 34 6 总结 ................................................................ 35 参考文献 .............................................................. 36 致谢 .................................................................. 37 大连大学学位论文版权使用授权书 ........................................ 38
III
智能家居控制装置
1 绪论
1.1 智能家居背景及其发展趋势
随着全球经济的快速发展，以及电子科技的广泛应用，人们对生活质量的要求也越来越高，而智能化电子产品的不断更新推进智能家居综合控制系统的出现，使得人们的生活更加的便利，为人们的提供一个享受生活的广阔平台[2]。
智能家居集合了先进的网络通信技术、计算机技术、自动化控制技术、无线电技术，促使人们的日常生活实现现代化，以及居住环境的安全化、舒适化。智能家居已经融入到人们生活的各个方面，极大地满足了人们对生活质量的要求并且对人们的生活习惯产生了很大的影响。由于社会对智能化家居的巨大需求，智能家居正在快速的发展。智能家居控制系统主要功能包括远程通信、控制、安全监控、火灾煤气报警以及自动化设备等[13]。随着科学技术的飞速发展，各种传感器层出不穷，功能也越来越完善，而且现在的传感器生产已经非常的规范化、标准化，这是智能化家居控制系统检测部分强大的后盾。智能家居最早起源于美国，并且至今已经在美国快速前进了30个年头。目前，全球最大的占地3359公顷的智能化住宅群就在美国，大约有8000栋智能化小别墅组成。此外，在日本、欧美、韩国和新加坡等地，智能家居也快速地发展起来了。
智能家居使得家庭生活的智能化，这是当今计算机通讯技术与网络技术、自动化控制技术以及无线电技术的最最人性化的应用，给人们带来了极其方便的生活体验。现如今，通过远程电话控制或者因特网，不论你身在何时何地，你都可以实时监控家里的情况并且实时控制家里面的智能化设备，为人们的生活提供极大地便利，大大地节约了人们的宝贵时间。随着在21世纪全球的信息化、智能化和自动化以及物联网的飞速发展，智能家居必将成为未来最潮流、最时尚的家居装饰系统[19]。
1.2 嵌入式系统、物联网和智能家居
嵌入式系统是用来监视或者控制机器、工厂、装置等大规模设备的系统。嵌入式系统以计算机技术为基础、以应用为中心、软硬件可裁剪、可靠性、功能、成本、体积、功耗严格要求的计算机系统。嵌入式系统是一种专用的计算机控制系统，作为装置或设备的一部分。一般来讲，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板[20]。而事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、录像机、微波炉、汽车等，都使用嵌入式系统，而且有些嵌入式系统还包含了操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序（裸机）实现整个控制逻辑。
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图1.1 智能家居设想图
Smart Home, SH. 智慧家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。
智能家居是在互联网的影响之下的物联化体现。智能家居它是通过物联网技术将各种设备（如照明系统、音视频设备、窗帘控制、安防系统、空调控制、数字影院系统、三表抄送以及网络家电等）连接到一起，提供照明控制、家电控制、窗帘控制、防盗报警、电话远程控制、室内外遥控、暖通控制、环境监测、红外转发以及可编程定时控制等多种手段和功能。与普通家居相对比，智能家居不但具有传统的居住功能，而且信息家电、兼备建筑、设备自动化、网络通信，集系统、服务、管理、结构为一体的高效、便利的居住环境，并提供全方位的信息交互功能[3]。帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性，帮助人们有效安排时间，甚至为各种能源费用节约资金。
智慧家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市（Hartford）的城市地方建筑时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕[6]。
2
图1.2 智能家居内部系统图
1.3 论文主要设计内容及任务
课题所设计智能家居远程控制装置设备包括：煤气泄露报警模块、烟雾报警模块、语音提示模块、GSM远程手机通信控制模块、LCD12864显示模块、DHT11温湿度检测模块、NRF24L01无线模块等。
主要设计任务：
（1）家庭煤气浓度的监视：按照预先设定的程序，实时监控家里面的煤气浓度。一旦浓度异常，便会自动打开窗户语音通报并且将家庭煤气浓度状况通知家庭主人。
（2）家庭状况的实时显示更新：LCD12864为人机交互中显示部分，实时动态的显示当前室内温湿度、煤气、烟雾状态。
（3）语音播报功能：家中一旦出现异常（煤气泄漏、火灾等），会及时语音播报，提醒主人赶紧采取紧急处理措施，同时具有整点报时功能。
（4）GSM远程通信：每隔一段时间（可以设置）会向主人发送一条短信，报告主人现在家里环境状况，其中包括：煤气浓度状态、烟雾浓度状态、温湿度状态，主人会根据需要发送具体控制指令，包括打开窗户、控制供暖设备等。
（5）无线通信模块：承担近距离通信，将分模块与主模块联系在一起，主模块综合处理分模块通过无线模块发送的数据。
（6）无线红外：控制家中的电风扇或者设置系统参数。
3
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2 总体方案设计
在智能家居设计过程中，核心方案部分主要有核心控制器的选择、无线传输模块设计、环境变量检测设计方案、控制算法设计方案。本章的主要内容将分析这些模块常用的解决方案，并且加以比较，选择出适合本系统的设计方案。
2.1 总体方案论证
2.1.1 微控制器的选择
①选择一：采用ATMEL公司的AT89S52单片机微控制器作为中央处理单元。 ②选择二：采用Cortex-M3 CPU微处理器作为中央处理核心单元。
③选择三：采用AVR单片机Mega系类中的Mega16L作为中央处理核心单元。 比较论证：选择一 AT89S52虽然比MCS-51的功能多一点点，但还是不足以满足本系统的控制要求，如果采用这个处理器，则需要增加极其复杂的外围电路，资源的匮乏，给程序的编写也增加了极大地复杂性。选择二是ARM7架构，Cortex-M3丰富的资源，强大的数据处理能力，能够大大的满足本系统设计的需要，但是本系统用不到那么多的资源，将其运用到本系统有“大炮打蚊子”——大材小用的弊端，并且从成本上考虑，也是很不划算的。 AT89S52的内部资源以及性能指标[13]：
①高性能、低功耗、8位微控制器。 ②指令系统与8051完全兼容
③8KB在系统可编程（ISP）Flash闪存存储器 ④1000次的擦写周期
⑤全静态操作，范围：0—33MHz ⑥三级加密的程序存储器
⑦3个可编程的16位定时器/计数器 ⑧32个可编程的I/O端口线 ⑨8个中断源 ⑩一个看门狗定时器
⑪一个全双工UART串口通道 ⑫低功耗空闲模式和掉电模式 ⑬掉电后，通过中断可以唤醒CPU ⑭双数据指针 ⑮掉电标志符
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引脚说明：
P0口：P0口是一组8位的漏极开路的双向I/O口。当是输出口的时候，每位I/O
能够驱动8个TTL逻辑电平，将P0端口写“1”的情况下，P0口将作为高阻抗输入，当CPU访问外部程序或者数据存储器的时候，P0口也被用作低8位地址/数据复用。在这种模式的情况下， P0没有内部上拉电阻。 在flash编程时候，P0口也可以用来接收指令字节；在程序校验的时候，输出的是指令字节。程序校验时，需要将其外部上拉电阻[14]。
P1口：P1 口与P0口相比是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1口的输出缓冲器能够驱动4 个 TTL 逻辑电平。在flash编程和校验时，P1口能够接收低8位地址字节数据。除此之外，P1.0和P1.1还可以分别作定时器/计数器2的外部计数（P1.0/T2）输入引脚以及定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）引脚。
表2.1 P1口的复用功能
P1口引脚 P1^0 P1^1 P1^5 P1^6 P1^7 第二功能 T2：定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出 T2EX：定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制 MOSI：在系在系统编程统编程用 MISO：在系在系统编程统编程用 SCK：在系统编程用
P2口：这和P1口一样，也是一组具有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口，也能够驱动4个TTL逻辑电平，对P2口写“1”的时候，内部上拉电阻，此时可以作为输入使用，是一组伪双向I/O口，作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出的是高8位地址，这种情况下，P2口内部使用很强的内部上拉发送“1”。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。在使用 8位地址访问外部数据存储器时，P2端口输出的是P2锁存器的内容[18]。
P3口：P3 口与P1、P2口一样，也是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 输出缓冲器也是能够驱动4 个 TTL 逻辑电平。 P3口亦作为AT89S52第二功能（特殊功能）来使用，如下所示。 在flash编程和校验时，P3口也可以用来接收一些控制信号。
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表2.2 P3口的第二功能
P3口引脚 P3^0 P3^1 P3^2 P3^3 P3^4 P3^5 P3^7 P3^6 特殊功能 RXD：串行通信输入口 TXD：串行通信输出口 INTO：外部中断0 INT1：外部中断1 TO：定时器/计数器0 T1：定时器/计数器1 RD：外部数据存储器读信号选通 WR：外部数据存储器写信号选通 8位的AVR单片机是具有16KB的系统内可编程Flash的单片机，比AT89S52整整多了一倍。ATmega16单片机是基于增强型RISC结构的高性能、低功耗的8位CMOS微处理器。由于它先进的指令集以及单时钟周期的指令执行时间，ATmega16可以达到1MIPS/MHz的数据吞吐率，大大减缓系统在处理速度和功耗之间的矛盾。由于其优越的处理性能以及丰富的系统资源，在中端智能化产品中应用相当普遍，接下来看看其内部资源[17]：
①先进的RISC结构：简单指令结构
②大部分指令的执行时间为单时钟周期，共有131条指令 ③8位通用寄存器有32个
④两个8位定时/计数器，一个18位的定时/计数器 ⑤全静态工作
⑥工作于16MHz时钟下时，最大数据吞吐量达到16MIPS ⑦硬件乘法器只需要两个时钟周期 ⑧非易失性数据存储器和程序存储器
⑨片内数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash+512字节的EEPROM，电 ⑩可擦除寿命10000次
⑪具有独立锁定位的可选Boot代码区 ⑫片内SRAM具有1KB
⑬对锁定位进行编程可以实现程序的加密
⑭一个JTAG 接口( 与IEEE 1149.1标准兼容 )符合JTAG标准的边界扫描功能 通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程以及两个具有独
立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器 /计数器；具有独立振荡器的实时计数器RTC；四通道PWM；
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8路 10 位ADC；8 个单端通道；TQFP 封装的7 个差分通道；个具有可编程增益 （1x, 10x, 或200x）的差分通道；面向字节的两线接口；两个可编程的串行USART；可工作于主机/从机模式的 SPI串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器（WatchDog）；
表2.3 ATmega16引脚及功能
引脚标号 A/VCC AREF PA~PD TXD AREF RESET RXD XTAL1/2 OC1A 功能 模拟/数字电路电源 A/D转换模拟基准输入引脚 双向I/O口 USART输出引脚 A/D转换参考电压 复位引脚 USART输入引脚 外部晶振输入引脚 PWM波形输出端 注：USART是一个高度灵活的串口通讯接口，是UART增强版。USART是通用同步和异步串行接收器和转发器的英文缩写 2.1.2 人机交互之显示器件的选择
①选择一：采用LCD1602作为人机交互之显示部分。 ②选择二：采用LCD12864 CPU作为人机交互之显示部分。
比较论证：选择一 LCD1602属于工业字符型液晶，之所以称为1602，是因为它可以显示两行字符，每行16个字符共32个字符。LCD1602内部存储器已经存储了160个不同的字符图形，包括英文字母大小写、阿拉伯数字、标点符号和日文假名等，功能不可谓不全，但是，这个模块只能显示字符，不能显示汉字。
图2.1 LCD1602字符液晶实物图
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选择二 带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行或者是2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体的中文字库的液晶显示模块；其显示分辨率为128×64点, 128 个16*8 点ASCII 字符集，和内置8192个16*16点汉字。利用这个模块灵活的方便、简单的操作指令和接口方式，可构成中英文和图形混搭的人机交互丰富的图形界面。
可以显示8×4行的16×16点阵的汉字。出此之外还可完成图形显示。而且低电压低功耗的功能能够满足很多产品的设计。拿该模块构成的液晶显示方案与LCD1602显示模块相比，不论是在显示内容的丰富性上还是显示字节的数量上，亦或是该模块的性价比，都要比LCD1602强大很多很多[16]。
图2.2 LCD12864液晶实物图 表2.4 LCD12864引脚及功能
管脚号 1 2 3 4 管脚名称 VSS VCC V0 RS(CS) 电平 0V 3.0-5V - H/L 功能与作用 电源负极 电源正极 对比度亮度的调整 RS=1 ：DB7-DB0 输入数据 RS=0 ：DB7-DB0 输入指令 “1”：数据被读到DB7-DB0 “0”：DB7-DB0数据写到IR或DR 使能 数据线（三态） 8
5 6 R/W(SID) E(SCLK) H/L H/L 7 DB0 H/L
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 PSB NC /RESET VOUT A K H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L - VDD VSS 数据线（三态） 数据线（三态） 数据线（三态） 数据线（三态） 数据线（三态） 数据线（三态） 数据线（三态） “1”：八位或者四位并口的方式 “0”：串口方式 空引脚 复位，低电平有效 LCD驱动电压输出 背光 正 背光 负 串行数据传送共分三个字节24位完成：
第一字节：串口控制的格式： 1 1 1 1 1 A B 0 11111为起始数据
A：为数据传送方向的控制：1表示数据从显示到MCU，0表示数据从MCU到显示
B：为数据的类型选择，1表示数据，0表示指令 第二字节：八位数据的高四位 格式：DDDD0000 第三字节：八位数据的低四位 格式：0000DDDD 2.1.3 模块间通信器件的选择
② 择一：采用315M带编码的无线收发器件作为模块间通信。 ②选择二：采用NRF24l01作为模块间通信。
比较论证：选择一 315M带编码的无线收发器用起来特别简单，不同的模块有不同的接口，可以有一路、两路、四路、八路等等，根据系统的需要选择不同的模块，编程简单。
但是这个模块天线的位置对接受效果影响很大，而且天线尽可能的要伸直，还要远离屏蔽体、干扰大的地方[11]。
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图2.3 315M无线模块实物图
NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：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。输出功率频道选择和协议
图2.4 nRF24L01无线模块实物图
的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。这个模块传输速度特别快，而且采用的是跳频技术，抗干扰能力强，一次性传输数据量大，能够很好地满足本系统设计的需要。 2.1.4 语音播报器件选择
①选择一：采用ISD1820录音模块作为语音播放模块。 ②选择二：采用SYN6288作为系统语音播放模块。
比较论证：选择一 ISD1820录音模块使用方便的10秒语音录放、高质量、自然
的语音还原、可用作喊话器模块、带循环播放，点动播放，单遍播放功能、可用单片机控制、本模块可直接驱动8欧0.5W小喇叭REC键：录音按键，按住就能录音，松开
按
键
停
止
录
音
[10]
；
RLAYE键：触发模式放音，按一下就播放当前整段的语音； PLAYL键：点动模式放音，按住才放音，松开就停止放音；
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RPL跳线：循环播放模式控制，可循环播放；
FT跳线：直通控制，可使咪头语音直通到喇叭放音；
但是，因此模块输出功率较小，因此声音也较小，播报的内容比较单一，时间也非常短，不能满足系统的设计需要。
选择二 SYN6288中文语音合成芯片，是北京宇音天下科技有限公司推出的
一款性价比很高、发声很自然的一款中高端语音合成芯片，SYN6288采用的是异步串口通讯方式，接受的是待合成的文本数据，实现了文本到语音的转化。
产品的应用范围：
①车载信息终端的语音播报，车载导航或者是车载调度 ②手机或者是固定电话
③收银的收费机或者是排队叫号机 ④公交的考勤机或者公交报站机 ⑤自动售货机或者信息机、POS机 ⑥智能的仪器仪表、预警、变压器 ⑦短信息语音播报 ⑧电子地图等等
图2.5 SYN6288横向引脚视图
功能特点：
①支持GB2312、BIG5、UNICODE和GBK内码格式的文本；
②清晰、准确、自然的中文语音合成效果；根据需要随意合成中文文本，并且支持合成英文字母；
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③拥有智能的文本分析处理的算法，可正确识别号码、时间日期、数值还有常用的度量衡符号；
④拥有强大的的中文姓氏处理和多音字处理能力；
⑤由于支持多种文本控制标记，提升文本处理的正确率功能大大增强；每次合成的文本量最多都可达 200 字节；
⑥支持多种控制命令，包括：暂停合成、停止、合成、改变波特率、继续合成等； ⑦支持休眠功能，在休眠状态下可大大降低功耗并且支持多种查询芯片工作状态的方式；
⑧采用的是串行数据通讯接口，可以支持三种通讯波特率：9600bps、19200bps、38400bps；
⑨模块采用16 级音量调整；播放背景音乐的背景音量和播放文本的前景音量可分开控制；
⑩可以通过发送控制标记符调节词语语速，并且支持6级词语语速的调整； ⑪芯片内固化了多首提示音效、和弦音乐和针对大部分行业领域的非常常见的语音提示音；
⑫内部集成19首和弦铃音提示音、15首背景音乐还有23首和弦提示音； ⑬内置10-bit推挽式、可独立供电的功放，可以进行数模DAC输出； ⑭最终产品提供SSOP贴片封装形式，体积短小精悍，外观精巧； ⑮芯片各项指标都可以满足在室外严酷环境下应用； 芯片功能描述：
文本合成的功能：芯片支持任意的中文文本的合成，并且还可以采用GB2312、BIG5、Unicode和GBK四种编码格式，这个芯片还支持英文字母的合成，遇到英文单词的时候，还会按照字母的方式发音，每次合成的文本量都可以达到200Byte。
文本的智能分析：这个芯片具有文本智能分析的处理能力，对平常所见的电话号码、度量符号、数值、时间日期等格式的文本，能够自动识别并处理。
中文姓氏处理和多音字的处理能力：由于存在多音字，芯片会自动识别，例如：当前工作的重中之重，是要在重重困难中，保证重庆市的重点工程顺利进行，坚决拒绝重复建设。芯片会对文本进行自动分析，判别文本中的多音字，并且合成正确的读音。
文本在播音的时候可以选择背景音乐：芯片内集成了很多首背景音乐，开发时可以根据需要选择合适的背景音。 2.1.5 远程通信模块的选择
①选择一：采用ATK-SIM900A模块作为远程通信模块。
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②选择二：采用其他方式。
比较论证：选择二 其他方式，要么距离短，要么信号不稳定，不能满足本系统地设计需要。
选择一 ATK-SIM900A模块，是将基带处理芯片、GSM射频芯片、功放器件、存储器等集成在一块线路板上，具有独立的GSM射频处理、操作系统、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信、GPRS数据语音、通话传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能，简单地讲，GSM模块加上显示屏、电池和按键，就是一部手机。
ATK-SIM900A模块是ALIENTEK开发的一款工业级的高性能的GSM/GPRS开发板，功能特别完善，接口特别丰富，尤其适用于需要语音、短信、GPRS数据服务的各式各样的场合，接口资源图如图3.4所示：
图2.6 ATK-SIM900A模块接口资源图
从图中就可以看出来，此模块不但外形美观，而且接口特别丰富，功能相当齐全，模块带有安装的小孔，非常的精巧，在各种产品的设计中普遍应用。
板载资源如下所示：
GSM模块：SIM900A
①一个麦克风接口、一个耳机接口 ②一个RTC后备电池、一个锂电池接口 ③一个RS232选择接口、一个RS232串口 ④一个电源输入接口，一个电源指示灯
⑤一个翻盖式SIM卡槽，一个SMA天线接口并配套小辣椒天线 ⑥一个开机、关机按钮
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⑦一个网络状态指示灯
⑧SIM900A模块的所有IO口全部用排针印出来，方便调试、使用。
图2.7 ATK-SIM900A模块背面图
功能模块
GSM模块：ATK-SIM900A所选择的GSM模块为SIM900A，这个模块是SIMCOM公司生产的一款紧凑型产品，完全采用的是SMT封装，外观比较好看，性能十分稳定，性价比比较高，SIM900A采用的是工业标准接口，工作的频率是900MHz或者1800MHz，TCP/IP协议已经内嵌其中，可以实现语音通话、收发短信、数据和传真信息的传输。
RTC后备电池：此模块已经板载了RTC后备电池，采用的也是SIMCOM公司推荐的电池，这块电池尺寸特别小，但是容量特别大，并且可以反复充放电，能够保证RTC的长时间掉电运行。
麦克风/耳机接口：此模块板载了一个3.5mm的麦克风接口还有一个3.5mm的耳机接口，用于实现打电话的功能。
RS232选择接口：该接口用于选择RS232串口连接到SIM900A的串行接口或者调试端口。其中的STXD和SRXD是SIM900A的通信端口，默认发送AT指令以及数据等，都是通过这两个引脚。DRXD和DTXD是模块的调试串口，为软件升级时备用，一般不会用到。除此之外，STXD和SRXD还支持LVTTL电平（3.3V或者5V）的单片机系统，也就是说可以将单片机的RXD和TXD与本模块直接相连。
RS232串口：该接口是RS232串口，用于连接工业控制机或者PC机等设备的串行口，实现对SIM900A的控制，此模块选择的是SP3232作为转换电平芯片，实现
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SIM900A的串口通信。RS232串口通过P3口，是直接连接到了SIM的通信口，还是连接到调试口呢，根据实际来做选择。
锂电池接口：该接口用于连接外部锂电池，当外部电源切断的时候，锂电池可以用来给模块供电，当外部电源连接上的时候，该接口还可以给锂电池充电，在没有使用锂电池的时候，这个接口也可以用来给外部供电，或者外部给本模块供电，但要注意供电范围哦。
电源输入接口：支持5~24V的宽电压输入的范围，这样使此模块可以非常方便的与很多设备直接无缝连接啊。本模块采用的是MPS公司的高效同步降压IC，可以使模块的电源转换效率大大提高以及提升宽电压的输入范围。除此之外，本模块还采用了电源防反接保护（二极管），还有TVS电源保护双重保护措施，使得本模块的可靠性大大的提高。
网络状态指示灯：这个指示灯是一个贴片式的红色LED灯，用于指示网络状态，这个的工作状态指示情况如下表所示：
表2.5 指示灯工作
指示灯的状态 64ms亮 800ms灭 64ms亮 3000ms灭 64ms亮 300ms灭 熄灭 工作情况 没有注册到网络状态 注册到网络状态 GPRS通信状态 关机状态 所以说，根据这个指示灯的状态，我们就可以快速的判断出SIM900A的工作情开关机按键：这个按键链接到SIM900A的PWRKEY引脚，可以控制模块的开关
况。
机动作：按下一秒，然后松开，就可以将模块开机。与此相似，在模块开启的状态下，按下此按钮保持至少一秒，便可以关闭模块。
引出的IO口（P1、P2、P4、P5）：本模块将所有的SIM900AIO口都引出来了，对调试特别有用。
P1口中包括PWM、IIC和PIO1~10等，IO口。
P2口中包括ADC还有LCD显示设备等IO接口，不过，需要注意的是SIM900A默认的软件不支持LCD设备，需要向SIMCOM公司定制才行。
P4口中包括STATUS和PIO11或PIO12等IO接口。 P5口中包括串行口还有PKEY等IO接口。
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2.2 检测器信号采集与分析
2.2.1煤气浓度传感器
将此模块放置在厨房或者煤气管道容易发生泄露的地方，监视煤气管道、煤气灶等有没有发生煤气泄漏，如果煤气浓度传感器检测到家庭里管道发生煤气泄漏，它会产生两个信号，一个是模拟量信号，一个是数字量信号，此时根据标准或者实际能够满足的条件进行检测，分单元模块将检测到的数据，通过NRF24L01发送给主单元，主单元会通过GSM短信模块发送给家人或者是小区物业管理部门。这里采用的是TP-2高温型一氧化碳传感器报警，即一氧化碳浓度达到设定值时会返回一个高电平信号，或者具体的一个电压信号，达到设定值启动报警系统。
此模块具有广泛的探测范围，非常高的灵敏度、快速的相应恢复、优良的稳定性。寿命长、简单的驱动电路，能够很好地满足本系统设计的需要。
A B 图2.8 A、煤气浓度传感器探头
B、传感器模块
2.2.2 烟雾传感器
系统设计中采用的是NIS-09型火灾烟雾传感器。烟雾传感器在各种场合普遍使用，由于它的经济、小巧、实用，使得它成为在安全防范、消防管理中的常用器材。火灾烟雾传感器也是将模拟信号转换成数字信号的传感器，它是把烟雾信号转换成电压信号，电路设计可以将其固定在天花板或者是墙壁上，外形小巧美观，如果发生火灾，产生大量的烟雾，此模块会将烟雾浓度信息传给分单元模块，主单元模块巡检到火灾信息，会及时语音播报并将信息通过GSM短信模块发送给主人。
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A B
图2.9 A、烟雾浓度传感器探头
B、传感器模块
2.2.3温湿度传感器
系统设计中采用的是DHT11温湿度传感器，由于快节奏化的生活方式，人们可能会忽略家里面的某个角落，例如衣柜、床底等，如果发生特殊的情况，例如脸盆将水撒了一地，主人没有及时处理，特殊的角落空气流通极其缓慢，那些水分可能会导致床底腐朽、衣服异味等，此时在那些不常去的角落放上温湿度传感器，模块会将那些角落的温度湿度实时动态的显示在显示器上，主人也会实时的了解家里面每一个角落有没有异常、需不需要处理。此模块短小精悍，性能稳定，质优价廉，功能强大[5]。
图2.10 温湿度传感器检测探头
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2.3 系统的总体设计方案
智能家居控制系统属于嵌入式应用系统，确定嵌入式控制系统设计的总体方案，是系统设计的前提，也是是系统设计中最重要、最关键的部分，总体方案设计的好不好，直接关系到整个控制系统的性能以及功能细则。总体方案的设计是根据系统要完成的任务以及工艺的要求的等来确定的。
总体方案的设计方法：根据智能家居控制装置的具体要求，首先确定此装置的类型，然后选择出合适的传感器，即被测环境量的检测元器件。然后选择执行元件，执行元件是嵌入式控制系统地重要组成部件之一，也是嵌入式控制系统中较为关键的部分。执行机构的选择第一要根据被控对象的实际情况来决定，第二要和系统的控制算法要匹配。选择输入/输出通道以及外设的时候，要考虑一下几个方面的问题：输入/输出通道是并行还是串行的操作；被控对象数量的多少，各通道数据的选择位数以及字长；对打印、显示是否有具体的要求。
总而言之，系统设计和分析是嵌入式系统设计的重要开始，这一步必须做好，否则对以后的设计产生很多不必要的麻烦。
烟雾监测模块煤气监测模块键盘输入模块红外输入模块AT89S52数据无线模块数据ATmega16温湿度监测模块显示模块语音播报模块GSM短信模块数据主人手机 图2.4 智能家居系统框图
系统工作流程：
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⑪从单元模块通过烟雾检测模块、煤气检测模块、温湿度检测模块实时采集环境
数据，一旦主单元发送提取数据命令，从单元模块会将采集回来并经过处理存储在缓冲器里的数据通过无线模块发送给主单元。
⑫主单元接收到从单元发送过来的数据后，先是马上通过LCD12864显示出来，然后开始与主人设定的数据进行对比，如果一切正常，主单元开始继续巡检。一旦发生异常，先是通过语音模块大声连续播报紧急情况，告诉室内人员赶紧撤离，然后给主人发短信报警并请示需要的动作指令，如果短时间内主人没有回复，会直接给主人打电话，如果电话打不通，此时主单元实施最最紧急的应急措施：拨打119报警，然后切断家庭里面的主电源。
⑬主人如果想实时了解室内情况，可以通过发送短信的方式，让智能家居控制系统中的主单元将检测到的数据发送给主人，主人根据室内实时的环境信息，可以发送控制指令告诉智能家居控制系统实施相应的动作，例如：开窗、打开风扇、切断电源等等。
⑭如果智能家居控制系统接收到骚扰电话，会自动屏蔽、挂断，如果接收到骚扰的短信，在未读的状态下直接删除。
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3 系统的硬件电路设计
3.1 单片机最小系统设计
3.1.1 AT89S52单片机
AT89S52单片机的最小系统电路：
单片机的最小系统也可以称为单片机的最小应用系统，是指采用最少的元器件与此单片机组合在一起能够使其正常工作的系统，对于AT89S52单片机来讲，它的最小系统包括：复位电路、时钟电路、单片机本身等。
①复位电路：
复位电路是单片机上电时或者要求复位时动作的电路，它的主要功能在于将程序运行指针PC重新归位（0000H），使得单片机重新开始运行，除了刚上电使单片机初始化之外，当程序跑飞或者运行出错的情况发生时，可以按下复位按钮，使得单片机重新运行。
图3.1 51单片机复位电路
单片机复位时，其内部某些特殊寄存器值会发生初始化
表3.3 系统复位后部分寄存器值
寄存器 PC ACC PSW 复位后值 0000H 00H 00H 20
寄存器 TCON TL0 TH0 复位后值 00H 00H 00H
SP DPTR P0~P3 IP IE TMOD 07H 0000H FFH XX000000B 0X000000B 00H TL1 TH1 SCON SBUF PCON 00H 00H 00H 不定 0XXX0000B RST引脚就是复位信号的输入端，不同于AVR单片机，它是高电平复位，而且它的电平复位有效时间不得低于两个机器周期即24个时钟周期，这样算来，如果使用12MHz的晶振，它的复位信号的有效时间应该不能低于2uS。 ②时钟电路：
AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或者外部方式产生，内部方式是在XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件，内部振荡器就会产生自激震荡。
图3.2 51单片机晶振时钟电路
3.1.2 AVR系列ATmega16单片机硬件电路设计
能让单片机工作的有最基本元器件构成的系统称为单片机最小系统。 复位电路：启动后能让单片机进入初始状态执行程序。
震荡电路：单片机是一种时序电路，必须加脉冲信号才能工作。Mega16内部有
单片机的最小系统包括：
RC震荡电路但是相比外部的晶体震荡电路还是不够准确，另外它也可以使用外部晶振工作，两者之间的切换通过熔丝位来选择在其内部有一个时钟产生电路只要接上两个电容和一个晶振即可正常工作。
ATmega16最小系统的硬件电路图如下：
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图3.3 ATmega16最小系统电路
3.2 ATK-SIM900A模块硬件电路设计
使用前的准备：
一张中国移动SIM卡，一个外部直流电源（推荐使用12V/1A电源），一根RS232串行口还有一副耳机。
不同的笔记本电脑，可能会被识别不同的COM端口号，使用的时候一定要正确选择，然后，保证P3口的连接方式一定是STXD连接RRXD，SRXD和RTXD连接，如图3.7所示
图3.4 ATK-SIM900A模块跳帽接线图
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最后，我们可以插上电源，给短信模块供电，按下K1按钮，此时，蓝色电源的
指示灯就会亮，然后长按PWRKEY按钮，模块便会开机，如果想要实现模块上电便自动开机的话，只需要将P5口的PKEY用杜邦线接到P6口的VBAT上即可。
3.3 语音模块
图3.5 SYN6288与单片机通讯接线图
表3.7 SYN6288引脚及功能说明
电路说明：只需要将此模块的串口还有地线与主控制单元连接在一起即可，它的波特率是9600bps，编码方式是GBK格式，最多一次性能合成200个字符的语音。
3.4 LCD12864模块接口电路
图3.6 LCD12864串行方式接线图
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电路说明：LCD12864一共有两种工作方式，一种是并行（8位或4位），另一种是串行工作
方式，由于本系统主单元晶振频率比较高，当前采用的是串行工作方式，这时候的接线图就如图所示，PSB接地，RS片选高电平有效，R/W数据输入引脚，E时钟引脚。此时只需要将RS、R/W、E、PSB与主控制单元控制器ATmega16的引脚连接在一起即可。
3.5 环境温湿度检测模块电路图：
图3.7 LCD12864串行方式接线图
电路说明：DHT11属于单总线协议的器件，模块只往外引出三个引脚，电源正极、数据引脚、
电源负极，将数据DQ引9S52单片机的P1^0引脚相连，数据就通过此引脚传输给分单元模块的单片机，完成采集工作。
3.6环境中煤气浓度和烟雾浓度的检测模块硬件单路：
图3.6 LCD12864串行方式接线图
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电路说明：煤气浓度、烟雾浓度传感器都是开关量传感器，拿煤气浓度传感器来讲，当检测到煤气时，DQ引脚拉高，没检测到煤气，DQ低电平。单片机实时检测这两个引脚的状态，将检测到的状态发送给朱单元模块。
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4 软件系统程序设计与实现
4.1 程序的编译软件和下载软件
4.1.1 ICCAVR
ICCAVR是一款完全符合ANSI标准的C开发单片机的工具，使用非常方便，功能相当合适，最重要的一点是技术支持好，主要由以下几个特点：
①拥有编译器和工程管理的集成开发环境
②源文件在工程项目中，文档的编辑编译和工程的结构都在项目工程中实现的，
编译错误的时候会在状态窗里显示出来，当点击错误时，光标会自动地跳转到错误的地方
③这个编译器还可以直接生成HEX二进制文档，是用来烧写程序的文档，符合④纯粹的32位程序编译器，可以在大部分的Windows系统下运行。 下面就是ICCAVR友好的编译环境界面： AVR Studio的调试文件格式。
图4.1 ICCAVR编译软件主界面
4.1.2下载软件Progisp ISP
特性：支持所有AVR芯片程序的下载，还支持AT89S51、AT89S52；支持自定义串口下载编程器；支持USBASP下载器；支持高压下载器；支持自定义编程熔丝位等等；
下图为Progisp的主操作界面：
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图4.2 Progisp ISP 主界面
4.2 整体程序设计
系统的工作过程：按下电源按钮，为了给各模块足够的时间使它们进入正常状态，系统延时5S启动，然后初始化LCD12864液晶模块、无线发送模块、
图4.3 程序流程图
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分析：GSM模块，这些初始化完成之后，分单元模块开始通过检测模块采集室内温湿度、煤气浓度、烟雾浓度等，两秒采集一次，每采集一次便通过NRF24l01无线模块发送给主模块，主模块将第五次采集到的值发送给主人手机，将每一次采集到的值实时显示在LCD12864上，正常情况下就这么一直循环下去。特殊情况下，例如发生灾情，主单元模块会发送短信给主人并语音播报灾情，然后给主人打电话；再例如主人发送控制指令，主单元会根据指令内容执行相应的动作（发送室内信息、打开门窗等操作）。
部分程序核心代码：
delay(1000);//延时启动，等待各个模块工作在正常状态 init_devices(); LCD_init();
SYN6288(sendSYN0,0);//正常启动过后，语音模块播报“系统正常启动” delay(1000);
发生灾情模式下：
图4.4 发生灾情的程序流程图
分析：发生灾情时，主单元根据分模块发送过来的数据，通过对比分析，得出灾
部分核心代码如下所示：
情信息，开始语音播报，然后给主人发送短信，之后给主人以电话提醒。
void
{
Rec_dat();
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Panduan(void)
}
if(flag) {
SYN6288(sendSYN5,0); }
delay(1000); if(s_message) {
Send_mes(AT_dat7); delay(1000);
Tel(AT_dat6);
}
主人发送控制指令时：
图4.5 接受指令的程序流程图
说明：当分模块接到主人发送的指令时，会分析指令的内容，执行相应的动作。
为了保证信息存储的空间，处理完指令后，系统会删除该条短信内容。 部分核心代码如下所示：
void
{
switch(jieshou[0])
{
Jieshou_Mess(void)
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case case case
default:break; send_cmd(CMGD);
0:send_dat(zhuangtai);break;
1:bujin_off();break; 2:fengshan_off;break;
}
}
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5 系统的调试和结论
程序在编写以及试运行的时候，尤其是复杂的程序，不可避免的会出现一些错误
或者是在实验某些程序查看效果等。所以，程序的调试在整个程序编写的过程中是十分重要的。接下来的内容就是介绍本系统的系统程序在调试的过程中用到的调试软件。
5.1 ICCAVR和Progisp ISP调试系统
编译软件ICCAVR在程序的调试过程中功不可没，每当程序发生错误或者是编辑
不正确的时候，都是通过ICCAVR将问题很好的解决掉了。可以说，软件设计中，调试部分运用最多的软件就是ICCAVR，包括语音、LCD液晶等等，都是在ICCAVR的帮助下一步一步完成的。详细内容在请查看第四章。
Progisp ISP是一款非常优秀的AVR程序下载软件，在下载程序的同时，还可以编程AVR单片机中的熔丝位，使得单片机在正常的合适的状态下运行。详细内容请查看第四章。
5.2 串口调试工具
此串口调试工具功能非常完善，满足了本系统对GSM调试的要求。在调试GSM
模块前，需要一根USB转串口线，还需要与之对应的驱动程序。一切准备妥当后，首先选择串口号，我的是COM1，具体的串口号根据实际情况设定，然后打开串口，就可以对GSM模块进行调试啦。
调试过程
发送AT指令，接受对话框会收到AT OK，表示通讯正常。 发送ATE0指令，不要回显，接收到 OK
其他的参数就按照第三章GSM模块的使用说明来设置。
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图5.1 串口调试软件
5.3 字符编码切换工具
本系统在给主人发送中英文短信的时候，用到的编码方式是Unicode，需要将汉
字、英文、符号、数字等转换为Unicode格式的文本，如果查表得话，需要耗费大量的时间以及精力，这时候用到的编码查询工具就大大节约了时间，提高了工作效率。
（1）使用方法：将需要转换的格式输入到文本框中，随时输入随时转换，就可以秒现转换后的代码，将代码复制到程序中，就可以给主人发送中英文短信了。
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图5.2 中英文字符编码软件
（2）下面这个小工具不但可以将中英文转换成Unicode格式的文本，还可以将Unicode格式的文本转换为中英文，这样就可以将收到的短信解码出来了。本系统在接收到主人发送的控制指令时，会根据指令内容进行必要的操作，所以，在指令解码的时候，这个小软件的作用就显现出来了。
使用方法：将Unicode格式的文本输入到第二个文本框（即Unicode码）内，然后点击Unicode转汉字，第一个文本框（即双字节汉字）就会显示与之对应的汉字。 使用结束后点击“退出”，便可以关闭软件。
图5.3 汉字与Unicode码转换软件
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5.4 实物图
图5.4 系统全貌以及刚启动时的液晶显示
图5.5 系统正常工作后的界面
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6总结
当今人们生活在一个信息时代，各种智能化电子产品层出不穷，作为一个自动化专业的学生，应用嵌入式系统控制技术进行相关智能电子产品设计是对理论知识的拓展和深层认识。单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。作为智能家居不可缺少的控制单元在本文设计中也起到了不可或缺的作用。智能家居使得家庭生活的智能化，这是当今计算机通讯技术与网络技术、自动化控制技术以及无线电技术的最最人性化的应用，给人们带来了极其方便的生活体验。通过远程电话控制或者因特网，不论你身在何时何地，你都可以实时监控家里的情况并且实时控制家里面的智能化设备，为人们的生活提供极大地便利，大大地节约了人们的宝贵时间。
本文实现的智能家居控制系统分为主单元模块和从单元模块，主单元模块的微控制器为ATmega16，从单元模块的主控制器为AT89S52，它们通过NRF24L01无线模块进行信息传输。主单元模块负责设定、显示初始状态值等，并将从单元模块采集发送过来的数据与系统数据进行比较，一旦发现数据异常，将会通过GSM远程通信模块将家中异常信息发送给主人，如果在规定的时间里主人没有回应，将会直接给主人打电话，并且语音播报房间内的危险信息。从单元模块负责采集室内数据，包括房间内的温湿度值、煤气浓度值以及烟雾状态信息，实时监测，并将采集过来的值通过NRF24L01无线模块定时发送给主机。本设计是嵌入式系统的在智能家居建设中的典型开发及应用，为将来更高规格的家居智能化设计或深入的嵌入式系统开发提供经验。
今后有待扩展和完善的内容包括：射频卡信息采集，红外防盗功能设计，同时在具体硬件设计上系统的可靠性和良好的操作性需要进一步完善。
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参考文献
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致谢
历时近一个月的时间，我终于将我的毕业设计以及毕业论文完成了，在论文编写的过程中真可谓困难重重，在同学和老师的鼓励下均一一化解了。尤其感谢我的指导导师——胡玲艳老师，在校期间，无论在生活上还是学习上，她对我的无私帮助和指导教诲，使我受益匪浅。在论文编写的过程中，不厌其烦的帮助我进行论文的修正以及改进。
在设计的过程中，需要查阅很多文献，由于身在异地工作，非常感谢谢长磊同学帮助我搜索很多文献并及时发给我。感谢周订订、张向东同学，是你们让我在比赛中学到了很多比竞赛更贵重的友情、合作精神，在论文的编写过程中，非常感谢你们给我的帮助。
感谢陈波老师、杜秀丽老师、刘艳老师、刘恒东老师等，是你们用理论知识丰富了我的大脑，并在论文的编写过程中给我提供了很多的建议，还在论文的撰写和排版装订的过程中提供热情的帮助。
由于我水平有限，所写的论文难免有疏漏之处，还望各位老师和同学批评指正。
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