AVR單片機居家安全衛(wèi)士系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)分析

　1.設(shè)計方案目標：
　　智能居家安全衛(wèi)士系統(tǒng)是利用先進的計算機技術(shù)、綜合布線技術(shù)、依照人體工程學原理，融合個性需求，將與家居生活有關(guān)的各個子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。高性能ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)品是基于設(shè)計出一款高處理性能和低功耗功能的內(nèi)核而開發(fā)的產(chǎn)品。此系列繼承ATMEL家族優(yōu)良基礎(chǔ)?；贏TMEL最新MCU及Xmega和UC3系列產(chǎn)品為控制芯片的居家安全衛(wèi)士（MI—home），以“方便、舒適、享受、超前、舒心”為主題，我們設(shè)計了以下幾個模塊：“非接觸式IC刷卡門禁模塊”、“防盜防火報警模塊”、“安全控電模塊”、“空氣質(zhì)量檢測模塊”、“溫濕度檢測模塊”、“GSM無線通信模塊”、“時間控制模塊”、“可擴展模塊”。整個系統(tǒng)基本上能解決日常生活中的問題，解決家庭隱患，每個系統(tǒng)又有著細節(jié)處的功能。
　　各個模塊的設(shè)計：
　　非接觸式IC刷卡門禁模塊
　　家庭的入戶門采用非接觸式IC卡，因為非接觸式IC卡具有唯一的密碼，用于密鑰比較安全；非接觸式IC卡又稱射頻卡，由IC芯片、感應天線組成，封裝在一個標準的PVC卡片內(nèi)，芯片及天線無任何外露部分，是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)。它成功的將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，結(jié)束了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破?？ㄆ谝欢ň嚯x范圍（通常為5—10mm）靠近讀寫器表面，通過無線電波的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。非接觸式IC卡的組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的L/C產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲等，并返回給讀寫器。由非接觸式IC卡所形成的讀寫系統(tǒng)，無論是硬件結(jié)構(gòu)，還是操作過程都得到了很大的簡化，同時借助于先進的管理軟件，可脫機的操作方式，都使數(shù)據(jù)讀寫過程更為簡單。
　　非接觸式IC卡可靠性高，與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障。由于非接觸通訊，讀寫器在10CM范圍內(nèi)就可以對卡片操作，所以不必插撥卡，非常方便用戶使用。非接觸式卡使用時沒有方向性，卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面，既可完成操作，這大大提高了每次使用的速度。
　　非接觸式卡中有快速防沖突機制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此，讀寫器可以“同時”處理多張非接觸式IC卡。這提高了應用的并行性，，無形中提高系統(tǒng)工作速度。
　　非接觸式卡的序列號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化，不可再更改。非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證IC卡的合法性，同時IC卡也驗證讀寫器的合法性。非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外，卡中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。
　　非接觸式卡的存儲器結(jié)構(gòu)特點使它一卡多用，能運用于不同系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應用設(shè)定不同的密碼和訪問條件。
　　家庭入戶門鎖采用電磁鎖。電磁鎖利用電生磁的原理，當電流通過矽鋼片時，電磁鎖會產(chǎn)生強大的吸力緊緊的吸住吸附鐵板達到鎖門的效果，只要小小的電流電磁鎖就會產(chǎn)生莫大的磁力。電磁鎖沒有復雜的機械結(jié)構(gòu)以及鎖舌的構(gòu)造，而且易于自動控制?？刂齐姶沛i電源的門禁系統(tǒng)識別人員正確后即斷電，電磁鎖失去吸力即可開門。
　　防盜防火報警模塊
　　防盜防火報警模塊包括紅外熱釋電傳感器、煙霧傳感器和門磁。
　　人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線，紅外探測器就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。它本身不發(fā)任何類型輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價格低廉。
　　煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范的，報警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠方的接收主機，將報警信息傳遞出去。
　　門磁是由無線發(fā)射模塊和磁塊兩部份組成，在無線發(fā)射模塊有兩個箭頭處有一個“鋼簧管”的元器件，當磁體與鋼簧管的距離保持在1.5厘米內(nèi)時，鋼簧管處于斷開狀態(tài)，一旦磁體與鋼簧管分離的距離超過1.5厘米時，鋼簧管就會閉合，造成短路，報警指示燈亮的同時向主機發(fā)射報警信號。
　　安全控電模塊
　　該模塊利用繼電器，當業(yè)主離家打開防衛(wèi)模式時，自動將給不必要的電器斷電。以減少小功率電器用電及線路損耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。
　　空氣質(zhì)量模塊
　　利用空氣質(zhì)量傳感器對有氣味的氣體做一檢測及時反饋給業(yè)主，通知業(yè)主及時開窗通風。
　　溫濕度檢測模塊
　　利用DHT數(shù)字溫濕度傳感器將實時溫度濕度傳到主機，反饋給業(yè)主。
　　GSM無線通信模塊
　　全球移動通訊系統(tǒng)Global System of Mobile communication即GSM，是當前應用最為廣泛的移動電話標準。GSM 較之它以前的標準最大的不同是他的信令和語音信道都是數(shù)字式的。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術(shù)，使系統(tǒng)具有高頻譜效率。由于每個信道傳輸帶寬增加，使同頻復用栽干比要求降低至9dB，故GSM系統(tǒng)的同頻 復用模式可以縮小到4/12或3/9甚至更小（模擬系統(tǒng)為7/21）；加上半速率話音編碼的引入和自動話務分配以減少越區(qū)切換的次數(shù)，使GSM系統(tǒng)的容量 效率（每兆赫每小區(qū)的信道數(shù)）比TACS系統(tǒng)高3～5倍。GSM標準所提供的開放性接口，不僅限于空中接口，還有報刊網(wǎng)絡直接以及網(wǎng)絡中各設(shè)備實體之間。GSM系統(tǒng)通過鑒權(quán)、加密和TMSI號碼的使用，達到安全的目的。鑒權(quán)用來驗證用戶的入網(wǎng)權(quán)利。加密用于空中接口，由SIM卡和網(wǎng)絡AUC的密鑰決定。TMSI是一個由業(yè)務網(wǎng)絡給用戶指定的臨時識別號，以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置。
　　該系統(tǒng)利用GSM實現(xiàn)業(yè)主遠程控制，將家里的情況實時反映給業(yè)主，業(yè)主也可以遠程控制家中電器的狀態(tài)。
　　時間控制模塊
　　通過控制繼電器來實現(xiàn)時間自動化控制；業(yè)主可設(shè)置時間打開某些電器，并設(shè)置打開的時間，也可以讓在某段時間內(nèi)例如每天重復。
　　可擴展模塊
　　運用無線通信技術(shù)，業(yè)主可以控制任意用電器。例如，在歸家之前打開空調(diào)、熱水器、電飯鍋等。
　　2. 最終設(shè)計應用：
　　情景一：昆明市王的王奶奶不小心將自己家的鑰匙給弄丟了，老奶奶非常擔心家里的安全問題，因此就不經(jīng)常出門了；
　　情景二：南昌市的劉爺爺經(jīng)常使用鑰匙開過門后忘記將鑰匙拔出，當他發(fā)現(xiàn)時，鑰匙早已被人拿走了；
　　針對以上傳統(tǒng)鑰匙所存在的弊端，我們選擇了刷卡門禁系統(tǒng)，用射頻卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑰匙具有以下優(yōu)點，如果密鑰丟了，我們可以通過主控制器注銷已丟的射頻卡上的信息，如果想增加密鑰，只需將新的射頻卡放在讀卡器上，通過設(shè)置讓主系統(tǒng)自學習密碼，然后將密碼存儲到存儲模塊，此后，此新卡就能用于本系統(tǒng)的密鑰。射頻卡又分三種，一種是ID卡，一種是接觸式IC卡，還有非接觸式IC卡，我們之所以選擇非接觸式IC卡是因為它有著很高的保密性能， IC卡的外形與磁卡相似，它與磁卡的區(qū)別在于數(shù)據(jù)存儲的媒體不同。磁卡是通過卡上磁IC卡條的磁場變化來存儲信息的，而IC卡是通過嵌入卡中的電擦除式可編程只讀存儲器集成電路芯片（EEPROM）來存儲數(shù)據(jù)信息的。因此，與磁卡相比較，IC卡具有以下優(yōu)點：①存儲容量大。磁卡的存儲容量大約在200個數(shù)字字符；IC卡的存儲容量根據(jù)型號不同，小的幾百個字符，大的上百萬個字符。②安全保密性好。IC卡上的信息能夠隨意讀取、修改、擦除，但都需要密碼。③CPU卡具有數(shù)據(jù)處理能力。在與讀卡器進行數(shù)據(jù)交換時，可對數(shù)據(jù)進行加密、解密，以確保交換數(shù)據(jù)的準確可靠；而磁卡則無此功能。④使用壽命長。另外，使用射頻卡作為密鑰，節(jié)約了鋼鐵資源。
　　防盜防火報警模塊的設(shè)計，門磁可以安裝入戶門或是保險柜上，紅外熱釋電傳感器和煙霧傳感器置于客廳和臥室中，業(yè)主在離開家的時候按下設(shè)防按鈕，10秒鐘后整個家庭范圍內(nèi)進入防衛(wèi)模式，防衛(wèi)模式中一旦門磁、紅外傳感器和煙霧傳感器檢測到異常情況，主系統(tǒng)作出判斷，通過GSM無線通信模塊主動聯(lián)系業(yè)主和物業(yè)值班人員。
　　一般業(yè)主在離開家庭的時候，常常忘記關(guān)掉一些正工作的用電器或是處于待機的用電器，這其中存在著用電引起火災的隱患，另外交流線路也要消耗一部分電能，利用我們的控電模塊，在業(yè)主設(shè)防時實現(xiàn)控電，通過繼電器將除廚房（冰箱）除外的分路用電線路斷開，日積月累，節(jié)約了電能，實現(xiàn)節(jié)能減排。
　　空氣質(zhì)量模塊和溫濕度檢測模塊主要是用來評估家庭環(huán)境質(zhì)量，避免由于空氣質(zhì)量差而對人的健康構(gòu)成的威脅，檢測室內(nèi)溫濕度，作為人體舒適度指數(shù)，與空氣質(zhì)量檢測結(jié)果構(gòu)成環(huán)境質(zhì)量報告，及時反饋給業(yè)主，讓業(yè)主實施一定的措施改善環(huán)境質(zhì)量。
　　GSM無線通信模塊不只是用來反映防衛(wèi)模式，業(yè)主還可以通過它來控制家里的一些電器設(shè)備。
　　對于一些上班族來說，一般都有不吃早飯的習慣，不利于身體健康，這是我們的時間控制模塊就大顯身手，晚上預先設(shè)置主控制器，什么時間讓輸出幾路接通，到早上可能業(yè)主還沒起床，但是時間一到早飯就已經(jīng)做好了，不會花費業(yè)主早上時間做早飯的。
　　可擴展模塊分為時間控制和短信遠程控制，控制終端全是用的無線通信，方便一些經(jīng)常挪動的電器設(shè)備的控制。
　　當今時代，科技的迅速發(fā)展給人們帶來方便與快捷的同時也增加了很多安全隱患，該系統(tǒng)本著為普通百姓造福的目的，最大限度減少家居安全隱患。該系統(tǒng)簡單實用，可靠性高，沒有高昂的成本，可被大多數(shù)家庭所接受，普及的前景很可觀
　　3. 系統(tǒng)框圖：
　　
　　1 控制核心：由ATMEL AVR單片機作為控制核心，包括設(shè)置和顯示功能。
　　2 非接觸式IC卡刷卡門：使用電磁鎖，利用非接觸式IC卡為鑰匙，若非本鎖的IC卡，GSM模塊會向業(yè)主及社區(qū)安保處發(fā)送警報。
　　3 防火防盜報警模塊：由煙霧傳感器、紅外熱釋電傳感器以及門磁構(gòu)成。
　　4 控電模塊：家中無人時自動給不必要的電器斷電，實現(xiàn)節(jié)能。
　　5 空氣質(zhì)量檢測模塊：利用傳感器檢測空氣質(zhì)量，反饋給主控制器，業(yè)主可查詢到實時的空氣質(zhì)量狀況。
　　6 溫濕度檢測模塊：通過傳感器測量家中溫度及濕度，并可提供開窗通風，制熱，制冷等建議
　　7 GSM無線通信模塊：業(yè)主通過該模塊可實時查詢家中情況，得到警報信息，或者控制家中電器。實現(xiàn)家庭的遠程控制。
　　8 時間?？刂茐K：可實現(xiàn)家中電器的定時開啟或關(guān)閉
　　9 可擴展模塊：對家中電器實現(xiàn)遠程控制等，可擴展出方便快捷的常用功能。