第2章 系统方案设计与各模块的选择
2.1系统总体方案设计
2.1.1智能家居系统概述
本课题的设计通过对GSM通信模块和微控制器之间的通信协议的充分学习和研究，通过实践，设计出一套比较完整和实用可靠的远程控制和智能控制模块，并且进行实际的制作。
本次的设计是基于STM32单片机与GSM无线通信模块SIM900A所制作的一套家庭环境监测和控制系统，它涉及微控制器和GSM模块的短信息功能，温湿度的检测，烟雾浓度的检测，雨量大小检测，报警模组，无线通信以及LCD液晶显示屏等硬件电路的设计。 2.1.2系统方案
本设计的系统包括：GSM无线通信模块，传感器模块（温湿度数据的采集、烟雾浓度采集、雨量大小采集），报警电路以及系统软件。系统结构框图如图2-1所示。本系统上电后，首先进行整个系统的初始化，收集一组环境数据，把室内的温度和湿度，烟雾浓度，雨量等环境参数显示在LCD12864液晶屏上。并与预先设定的上限值进行比较，判断是否达到设置的预警值，进行报警电路的驱动以及是否将报警信息发送到远程移动终端，实现远程短信息报警。
电源模块图2-1 系统结构框图
LCD显示模组传感器模组STM32单片机通讯协议GSM无线通讯模块报警电路
2.2各功能模块的选择
2.2.1单片机的选择
方案一： STM32F103C8T6单片机，工作电压为3.3V，且含有32位的高速处理芯片。其运算和运行速度都非常快，编程环境是Keil uVision4，编程界面较为简单并且该控制器的强大之处在于其代码的移植非常方便，能够很好的进行编程。Cortex-M3系列的单片机的内部资源和接口非常强大，拥有多路串口、A/D接口、SPI接口及外部中断，能够很好的应用到系统中，并且该单片机的价格便宜，工作也稳定[1]。
方案二： AT89C51单片机，该单片机的外部IO资源和内部寄存器的资源相对较少，是目前市场上功能较为落后的一款控制芯片，但是该芯片是上市比较早的一款高性能的8位微处理器芯片，并且该芯片的市场价位相对较低，比较适合用于对系统稳定性和精度要求不是很苛刻的场合，而且该芯片的编程方法比较简单，非常适合刚开始接触微控制器的初学者[2]。
AT89C51的运算速度相对于STM32单片机来说有一定的差距，而且其外部IO资源和寄存器较少，与STM32单片机相比较显得有些不足。经过对本系统的功能分析，因为本系统在整个工作过程中需要不断地对数据通过SPI接口发送和接收，对系统的运算速度有很高的要求，并且还用到了很多内部定时器及中断资源。并且个人对STM32运用的比较多，因此选用STM32F103C8T6单片机作为系统的控制器。STM32F103C8T6芯片如图2-2所示。
图2-2 STM32F103C8T6芯片
2.2.2温湿度传感器的选择
方案一：数字式温度传感器的选择在目前很多工农业场合很多采用DS18B20作为系统的测温元器件，由于该测温元件的输出信号为数字信号，能很好的与微控制器进行命令和数据的传输，并且该测温元件的外围电路要求简单，稳定性也相对不错，能够很大程度上简化硬件电路的设计，但其检测范围仅限于温度测量，
检测功能单一，需要搭配湿度检测器件才能满足本设计要求，因此，该器件不适用于本系统的设计。
方案二：DHT11传感器是一款能够输出温度和湿度的数字式温湿度一体传感器，并且该传感器的输出信号已经经过校准后输出给控制器。为了确保该传感器的可靠性和稳定性，传感器内部采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术[3]。该传感器采用单总线的数据传输方式，并且其体积小，功耗低，传输距离能达到20米以上，能够很好的与单片机进行连接并嵌入到系统中。
DS18B20与DHT11相比，在功能和检测精度上都低于DHT11温湿度传感器，因此本设计选用方案二作为环境数据的检测器件。DHT11温湿度传感器实物图如图2-3所示。
图2-3 DHT11温湿度传感器
2.2.3烟雾传感器的选择
防止室内由于可燃气体的泄露而造成的重大事故，导致人员伤害和财产损失，因而设计了烟雾浓度检测装置。烟雾传感器属于气敏传感器，所使用的敏感材料二氧化锡(SnO2)，在正常的空间环境里，空气中导电率比较低。当出现可燃气体或烟雾时，随着空气中可燃气体的浓度增高，烟雾传感器的电导率便会呈现线性增大[4]。使用简单的电路就可以把电导率的转换为与可燃气体的浓度呈线性关系的模拟量信号进行输出。
烟雾传感器主要针对液化气，氢灵，丙烷的敏度较高，对于检测天然气等易燃蒸气的效果也非常好。该传感器可以检测的可燃气体很多，因此非常适合用于各种应用场合的低成本传感器。烟雾传感器如图2-4所示。
图2-4 烟雾传感器
2.2.4震动传感器模块的选择
震动传感器是用于检测楼房或者周围环境有没有强烈的震感，以避免地震或危险震动所带来的灾害和损失。SW-420为常闭式振动传感器，用于检测各种振动触发动作，被广泛应用于家庭防盗报警，地震震感报警器，汽车防盗器等。本设计中利用此震动传感器检测室内震感，预防地震灾害。震动传感器如图2-5所示。
2.2.4雨滴传感器模块的选择
雨滴传感器是用于检测室外环境下雨天气及雨量大小，提醒终端操作者，及时关闭窗户，防止雨水过大进入房间，造成地板、家具或窗帘的损害，减小不必要的物品和财产损失，本课题选用模拟量输出信号的雨滴传感器，该传感器检测范围宽泛，能够根据雨水量的大小，对系统预警值进行精确的报警，避免报警的误触发。雨滴传感器如图2-6所示。
图2-5 震动传感器 图2-6 雨滴传感器
2.2.5 GSM无线通讯模块的选择
SIMCom公司生产的无线异步收发芯片SIM900A基于GSM标准协议，根据其基本性能和主要结构，设计一个使用SIM900A的GSM模块进行短消息发送远程故障的报告系统。如果室内的某项监控数据出现异常变化，经过单片机处理后，由SIM900A的GSM模块直接发送报警短信息到特定用户的移动终端上，显示环境异常的信息或环境的实时数据[5]。该系统利用GSM移动通信网络的短消息业务快速性、稳定性和相对低廉的费用，可以很好的嵌入到一个大型的家居环境监控系统和无人值守的系统中，这些系统能够满足客户所需要的高可靠性，及时性和易用性，以及性能稳定，具有很高的性价比[6]。所选用的SIM900A模块如图2-7所示。
2.2.6液晶显示模块的选择
方案一：人机交互界面在每个系统中都有很重要的作用，LCD12864液晶显示就是一种常见的人机界面显示方式，LCD12864的显示功能比较强大，不仅仅能显示中文和英文，而且一些较为复杂的图形符号都可以通过编程的方式在液晶屏上显示出来，LCD12864液晶屏与单片机的连接方式有串行连接和并行连接，可以根据不同场合和显示数据量的大小进行选择。并行连接的数据显示和传输速度快，适合对显示速度要求高的场合，但是IO资源占用的较多；串行连接的数据显示和传输速度相对较慢，但是其IO资源占用较少，对显示速度要求不高的场合可以选用串行方式连接[7]。并且LCD12864液晶屏的显示程序比较简单，与外部控制器的电路设计连接非常方便，能够很好的嵌入到系统中。
方案二：选用数码管对数据显示。数码管一般都是七段数码管，分为共阴极数码管和共阳极数码管，其编程方式采用循环扫描将不同的数据和变量在数码管上显示出来，数码管的市场价格相对便宜，而且编程简单，但是该模块只能显示简单的英文字母和阿拉伯数字，其显示效果相对较差，并且外围电路的搭建较为复杂，需要配合74HC595等类型的锁存器使用，较为复杂[8]。但是数码管的显示对单片机的初学者能起到很好的编程思路学习，但是本系统设计要求较高，不适应用数码管进行显示。
经过对系统分析，最终选择方案一作为本系统的人机交互显示方式的模块。LCD12864液晶显示器图2-8所示。
图2-7 SIM900A模块 图2-8 LCD12864液晶显示器
2.2.7报警模块的选择
在系统中，声光报警的作用是进行听觉和视觉的双重感官提醒，因此在设计