AVR单片机居家安全卫士系统软硬件架构分析

　1.设计方案目标：
　　智能居家安全卫士系统是利用先进的计算机技术、综合布线技术、依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统有机地结合在一起，实现“以人为本”的全新家居生活体验。高性能ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列产品是基于设计出一款高处理性能和低功耗功能的内核而开发的产品。此系列继承ATMEL家族优良基础。基于ATMEL最新MCU及Xmega和UC3系列产品为控制芯片的居家安全卫士（MI—home），以“方便、舒适、享受、超前、舒心”为主题，我们设计了以下几个模块：“非接触式IC刷卡门禁模块”、“防盗防火报警模块”、“安全控电模块”、“空气质量检测模块”、“温湿度检测模块”、“GSM无线通信模块”、“时间控制模块”、“可扩展模块”。整个系统基本上能解决日常生活中的问题，解决家庭隐患，每个系统又有着细节处的功能。
　　各个模块的设计：
　　非接触式IC刷卡门禁模块
　　家庭的入户门采用非接触式IC卡，因为非接触式IC卡具有唯一的密码，用于密钥比较安全；非接触式IC卡又称射频卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分，是世界上最近几年发展起来的一项新技术。它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来，结束了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围（通常为5—10mm）靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。非接触式IC卡的组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。
　　非接触式IC卡可靠性高，与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。由于非接触通讯，读写器在10CM范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，既可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。
　　非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡。这提高了应用的并行性，，无形中提高系统工作速度。
　　非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡也验证读写器的合法性。非接触式卡在处理前要与读写器之间进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。
　　非接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用，能运用于不同系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。
　　家庭入户门锁采用电磁锁。电磁锁利用电生磁的原理，当电流通过矽钢片时，电磁锁会产生强大的吸力紧紧的吸住吸附铁板达到锁门的效果，只要小小的电流电磁锁就会产生莫大的磁力。电磁锁没有复杂的机械结构以及锁舌的构造，而且易于自动控制。控制电磁锁电源的门禁系统识别人员正确后即断电，电磁锁失去吸力即可开门。
　　防盗防火报警模块
　　防盗防火报警模块包括红外热释电传感器、烟雾传感器和门磁。
　　人体都有恒定的体温，一般在37度左右，会发出特定波长10μm左右的红外线，红外探测器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。它本身不发任何类型辐射，器件功耗很小，隐蔽性较好，价格低廉。
　　烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。
　　门磁是由无线发射模块和磁块两部份组成，在无线发射模块有两个箭头处有一个“钢簧管”的元器件，当磁体与钢簧管的距离保持在1.5厘米内时，钢簧管处于断开状态，一旦磁体与钢簧管分离的距离超过1.5厘米时，钢簧管就会闭合，造成短路，报警指示灯亮的同时向主机发射报警信号。
　　安全控电模块
　　该模块利用继电器，当业主离家打开防卫模式时，自动将给不必要的电器断电。以减少小功率电器用电及线路损耗，实现节能减排。
　　空气质量模块
　　利用空气质量传感器对有气味的气体做一检测及时反馈给业主，通知业主及时开窗通风。
　　温湿度检测模块
　　利用DHT数字温湿度传感器将实时温度湿度传到主机，反馈给业主。
　　GSM无线通信模块
　　全球移动通讯系统Global System of Mobile communication即GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的。由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率。由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9dB，故GSM系统的同频 复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小（模拟系统为7/21）；加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使GSM系统的容量 效率（每兆赫每小区的信道数）比TACS系统高3～5倍。GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，还有报刊网络直接以及网络中各设备实体之间。GSM系统通过鉴权、加密和TMSI号码的使用，达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由SIM卡和网络AUC的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。
　　该系统利用GSM实现业主远程控制，将家里的情况实时反映给业主，业主也可以远程控制家中电器的状态。
　　时间控制模块
　　通过控制继电器来实现时间自动化控制；业主可设置时间打开某些电器，并设置打开的时间，也可以让在某段时间内例如每天重复。
　　可扩展模块
　　运用无线通信技术，业主可以控制任意用电器。例如，在归家之前打开空调、热水器、电饭锅等。
　　2. 最终设计应用：
　　情景一：昆明市王的王奶奶不小心将自己家的钥匙给弄丢了，老奶奶非常担心家里的安全问题，因此就不经常出门了；
　　情景二：南昌市的刘爷爷经常使用钥匙开过门后忘记将钥匙拔出，当他发现时，钥匙早已被人拿走了；
　　针对以上传统钥匙所存在的弊端，我们选择了刷卡门禁系统，用射频卡代替传统钥匙具有以下优点，如果密钥丢了，我们可以通过主控制器注销已丢的射频卡上的信息，如果想增加密钥，只需将新的射频卡放在读卡器上，通过设置让主系统自学习密码，然后将密码存储到存储模块，此后，此新卡就能用于本系统的密钥。射频卡又分三种，一种是ID卡，一种是接触式IC卡，还有非接触式IC卡，我们之所以选择非接触式IC卡是因为它有着很高的保密性能， IC卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上磁IC卡条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦除式可编程只读存储器集成电路芯片（EEPROM）来存储数据信息的。因此，与磁卡相比较，IC卡具有以下优点：①存储容量大。磁卡的存储容量大约在200个数字字符；IC卡的存储容量根据型号不同，小的几百个字符，大的上百万个字符。②安全保密性好。IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码。③CPU卡具有数据处理能力。在与读卡器进行数据交换时，可对数据进行加密、解密，以确保交换数据的准确可靠；而磁卡则无此功能。④使用寿命长。另外，使用射频卡作为密钥，节约了钢铁资源。
　　防盗防火报警模块的设计，门磁可以安装入户门或是保险柜上，红外热释电传感器和烟雾传感器置于客厅和卧室中，业主在离开家的时候按下设防按钮，10秒钟后整个家庭范围内进入防卫模式，防卫模式中一旦门磁、红外传感器和烟雾传感器检测到异常情况，主系统作出判断，通过GSM无线通信模块主动联系业主和物业值班人员。
　　一般业主在离开家庭的时候，常常忘记关掉一些正工作的用电器或是处于待机的用电器，这其中存在着用电引起火灾的隐患，另外交流线路也要消耗一部分电能，利用我们的控电模块，在业主设防时实现控电，通过继电器将除厨房（冰箱）除外的分路用电线路断开，日积月累，节约了电能，实现节能减排。
　　空气质量模块和温湿度检测模块主要是用来评估家庭环境质量，避免由于空气质量差而对人的健康构成的威胁，检测室内温湿度，作为人体舒适度指数，与空气质量检测结果构成环境质量报告，及时反馈给业主，让业主实施一定的措施改善环境质量。
　　GSM无线通信模块不只是用来反映防卫模式，业主还可以通过它来控制家里的一些电器设备。
　　对于一些上班族来说，一般都有不吃早饭的习惯，不利于身体健康，这是我们的时间控制模块就大显身手，晚上预先设置主控制器，什么时间让输出几路接通，到早上可能业主还没起床，但是时间一到早饭就已经做好了，不会花费业主早上时间做早饭的。
　　可扩展模块分为时间控制和短信远程控制，控制终端全是用的无线通信，方便一些经常挪动的电器设备的控制。
　　当今时代，科技的迅速发展给人们带来方便与快捷的同时也增加了很多安全隐患，该系统本着为普通百姓造福的目的，最大限度减少家居安全隐患。该系统简单实用，可靠性高，没有高昂的成本，可被大多数家庭所接受，普及的前景很可观
　　3. 系统框图：
　　
　　1 控制核心：由ATMEL AVR单片机作为控制核心，包括设置和显示功能。
　　2 非接触式IC卡刷卡门：使用电磁锁，利用非接触式IC卡为钥匙，若非本锁的IC卡，GSM模块会向业主及社区安保处发送警报。
　　3 防火防盗报警模块：由烟雾传感器、红外热释电传感器以及门磁构成。
　　4 控电模块：家中无人时自动给不必要的电器断电，实现节能。
　　5 空气质量检测模块：利用传感器检测空气质量，反馈给主控制器，业主可查询到实时的空气质量状况。
　　6 温湿度检测模块：通过传感器测量家中温度及湿度，并可提供开窗通风，制热，制冷等建议
　　7 GSM无线通信模块：业主通过该模块可实时查询家中情况，得到警报信息，或者控制家中电器。实现家庭的远程控制。
　　8 时间模控制块：可实现家中电器的定时开启或关闭
　　9 可扩展模块：对家中电器实现远程控制等，可扩展出方便快捷的常用功能。