智能家用安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

鄭采薇+劉恒+張靜+劉城洪

摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，家中安全問題越來越受到重視。針對現(xiàn)代居家安全需要，對智能家用安全的監(jiān)測方法展開了研究，設(shè)計(jì)了一種智能家用安全監(jiān)測系統(tǒng)，利用多組溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器和天然氣傳感器實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，并對天然氣泄漏、火災(zāi)、外人入侵進(jìn)行提前預(yù)警，通過GSM網(wǎng)絡(luò)向家人發(fā)送報(bào)警信息，完成其監(jiān)測報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞 GSM；傳感器；火災(zāi)；STM32

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0035-02

生活中火災(zāi)、天然氣泄漏以及外人非法入侵對人身財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成很大威脅，設(shè)計(jì)一款可自動(dòng)檢測以上險(xiǎn)情并能提前預(yù)警的智能家用安全系統(tǒng)可有效降低威脅，避免意外情況的發(fā)生。目前國內(nèi)外對此類智能報(bào)警系統(tǒng)研究發(fā)展迅速，市場上有采用有線、藍(lán)牙、紅外和zigbee等方式作為家庭自組網(wǎng)，采用IP網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，但該類系統(tǒng)成本較高。

本文采用嵌入式網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，通過多組傳感器節(jié)點(diǎn)的感知，將數(shù)字信息傳給中心節(jié)點(diǎn)，經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)處理分析后，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，通過GSM網(wǎng)絡(luò)向預(yù)定的手機(jī)號發(fā)送報(bào)警信息，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、監(jiān)測精準(zhǔn)、可靠性高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能家用安全監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。主要包括STM32主控器、多路溫度傳感器DS18B20、多個(gè)煙霧傳感器MQ-2、無線通信模塊、紅外監(jiān)測模塊、天然氣監(jiān)測模塊、LCD顯示模塊、聲光報(bào)警和電源模塊。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)設(shè)置多組溫度傳感器和煙霧傳感器，意為通過多組信息的綜合分析，判斷是否為意外情況。紅外監(jiān)測模塊安裝在窗檐，當(dāng)感應(yīng)到非法入侵時(shí)，傳送報(bào)警信號給MCU。天然氣監(jiān)測模塊用于監(jiān)測家中天然氣管道的泄漏。當(dāng)STM32收到任何報(bào)警，將啟動(dòng)聲光報(bào)警并通過無線通信模塊給預(yù)留手機(jī)號發(fā)送報(bào)警短信，將意外損失降到最小。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）通信模塊。nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的單片無線收發(fā)芯片，工作頻率范圍為2.400 GHz～2.525 GHz，電壓工作范圍為1.9 V～3.6 V，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。

nRF24L01的數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。它支持Text和PDU兩種格式的短信，可通過AT命令或關(guān)斷信號實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。nRF24L01中IRQ引腳與MCU控制端連接，可控制nRF24L01工作與否。

圖2 無線通信模塊nRF24L01電路圖

2）火災(zāi)監(jiān)測模塊。該模塊選用1#，2#和3#煙霧傳感器MQ-2和1#，2#和3#溫度傳感器DS18B20共同監(jiān)測室內(nèi)火警情況。其中，MQ-2濃度檢測范圍為227.88 mg/m3～9260 mg/m3，傳感器輸出電壓值范圍為0～5 V，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號送給STM32，再經(jīng)信號傳輸通過LCD顯示。DS18B20集溫度采集和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字信號。DS18B20具有單總線、體積小、分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃，滿足室內(nèi)溫度監(jiān)測的要求。系統(tǒng)中3組溫度傳感器分別分布在3個(gè)房間，與相應(yīng)的煙霧傳感器配套。

3）入侵檢測模塊。入侵檢測模塊通過多組安裝在窗檐的紅外檢測模塊組成。其主要由紅外線傳感器RE200B和以CS9803GP為核心的信息處理模塊組成。該模塊的工作原理為通過其紅外探頭監(jiān)測、監(jiān)測環(huán)境中紅外線強(qiáng)度信息的變化，再經(jīng)過核心電路的處理分析，若確有外人入侵，則把報(bào)警信號發(fā)送給STM32。

4）天然氣監(jiān)測模塊。本系統(tǒng)針對膠管泄漏采用內(nèi)聽音的管線泄漏監(jiān)測方法。本監(jiān)測方法原理是利用在管壁破裂時(shí)，管內(nèi)流體自破裂處噴涌，此時(shí)管內(nèi)外會(huì)形成氣壓差并產(chǎn)生頻率低于20Hz的聲波信號。該信號主要以橫波沿管內(nèi)外管壁傳輸。管道兩端加速度傳感器對其進(jìn)行震動(dòng)測試，通過兩信號到達(dá)時(shí)間差，可計(jì)算出泄漏位置。

圖3 管道泄漏定位示意圖

對泄漏點(diǎn)定位原理圖如圖所示，L為已知兩傳感器間隔距離，X為泄漏點(diǎn)與首端傳感器的距離。設(shè)泄漏聲波傳播速度為a，t為首端傳感器和末端傳感器接收到聲波信號的時(shí)間差，則X的表達(dá)式：

（1）

一旦天然氣檢測模塊檢測到管道有泄漏，則將高電平報(bào)警信號和計(jì)算得的X值以二進(jìn)制編碼的方式傳送給給STM32。

5）LCD顯示模塊。系統(tǒng)選用LCM12864點(diǎn)陣液晶顯示器來顯示溫度、煙霧濃度和天然氣管道泄漏位置等信息。LCM12864顯示分辨率為128*64，可顯示4行*8列中文字符或4行*16列英文字符。系統(tǒng)給LCM12864供5 V電壓，采用并口方式與STM32連接。

6）聲光報(bào)警模塊。聲光報(bào)警由1個(gè)LED燈、1個(gè)BUZZER蜂鳴器和另外一些基礎(chǔ)器件組成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線通信模塊

該設(shè)計(jì)發(fā)送短信選用支持中文和英文短信的收發(fā)的PUD模式。AT指令可用于終端設(shè)備和PC之間的連接和通信，使用命令“AT+CMGF=0”來選擇PDU模式。

3.2 火災(zāi)監(jiān)測模塊

煙霧傳感器和溫度傳感器都把實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)傳送給STM32，STM32根據(jù)兩種傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)綜合分析判斷。有以下三種情況。

1）三組溫度傳感器和煙霧傳感器監(jiān)測參數(shù)均平穩(wěn)小幅度上升，此情況判斷為天氣原因所致，不采取警報(bào)行動(dòng)。

2）某一組溫度和煙霧傳感器監(jiān)測參數(shù)上升陡峭，與另外兩組參數(shù)懸殊，可判斷為意外情況，將及時(shí)采取聲光報(bào)警和短信報(bào)警。

3）同一組煙霧傳感器和溫度傳感器不同步上升，如煙霧濃度上升而溫度不上升，則可能為室內(nèi)抽煙所致；若溫度上升而煙霧濃度不上升，則可能是室內(nèi)取暖所致；遇到此類情況，系統(tǒng)仍然開啟聲光報(bào)警和發(fā)送報(bào)警短信，若此情況確為人為所致endprint

表1 溫度真實(shí)值與測量值對比

標(biāo)稱值（℃） 測量值

（℃） 誤差值

（℃） 相對誤差

（%） 平均誤差

（%）

10 10.2 0.2 2.00 1.15

15 14.9 -0.2 1.33

20 20.2 0.2 1.00

25 25.1 0.1 0.40

30 30.3 0.3 1.00

而非意外情況，可人為按RESET按鍵解除警報(bào)。

4 測試和分析

針對系統(tǒng)中的溫度傳感器和煙霧傳感器，分別進(jìn)行了測試。DS18B20測量結(jié)果如表1所示。

對MQ-2進(jìn)行對甲烷氣體的濃度測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧濃度真實(shí)值和測量值對比

標(biāo)稱值

（%） 測量值

（%） 誤差值

（%） 相對誤差（%） 平均誤差（%）

0.00 0.00 0.00 0.000 0.935

10.00 10.02 0.02 0.200

15.00 14.98 -0.02 0.133

20.00 20.05 0.05 0.250

25.00 25.00 0.00 0.000

30.00 29.86 -0.14 0.467

35.00 34.55 -0.45 1.286

40.00 39.26 -0.74 1.850

50.00 48.20 -1.80 3.600

60.00 59.18 -0.82 1.367

70.00 70.78 0.78 1.114

80.00 81.22 1.22 1.525

90.00 91.14 1.14 1.267

100.00 99.97 -0.03 0.030

測試表明，DS18B20對溫度的測量精度達(dá)到0.1℃，平均相對誤差為1.15%。MQ-2在對甲烷測驗(yàn)的試驗(yàn)中，測量精度達(dá)到0.01%，平均相對誤差為0.935%。兩傳感器的量精度均較高。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，及時(shí)通過GSM網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測的異常情況進(jìn)行報(bào)警提示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)可有效監(jiān)測溫濕度和煙霧濃度等信息，系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單。如何進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，提升系統(tǒng)性能，完善系統(tǒng)功能將是下一步研究工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫英.短信收發(fā)中的PDU編碼分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2007（01）.

[2]楊成菊.家居紅外防盜報(bào)警器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].中國科技投資，2013（26）.

[3]楊理踐，李佳奇，高松巍，張祿.基于內(nèi)聽音的天然氣管線泄漏監(jiān)測方法[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）.

[4]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報(bào)警系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2014（01）.

[5]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（3）.

[6]Anton V.Uzunov and Eduardo B. Fernandez.An extensible pattern-based library and taxonomy of security threats for distributed systems[J].Computer Standard & Interfaces，2014（4）：734-747.

[7]Cesare Guariniello and Daniel Delaurentis.Communications，Information，and Cyber Security in Systems-of-Systems： Assessing the Impact of Attacks through Interdependency Analysis[J].Procedia Computer Science，2014，3：720-727.

作者簡介

鄭采薇（1993-），女，四川自貢人，西南科技大學(xué)，學(xué)士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和圖像處理。endprint

表1 溫度真實(shí)值與測量值對比

標(biāo)稱值（℃） 測量值

（℃） 誤差值

（℃） 相對誤差

（%） 平均誤差

（%）

10 10.2 0.2 2.00 1.15

15 14.9 -0.2 1.33

20 20.2 0.2 1.00

25 25.1 0.1 0.40

30 30.3 0.3 1.00

而非意外情況，可人為按RESET按鍵解除警報(bào)。

4 測試和分析

針對系統(tǒng)中的溫度傳感器和煙霧傳感器，分別進(jìn)行了測試。DS18B20測量結(jié)果如表1所示。

對MQ-2進(jìn)行對甲烷氣體的濃度測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧濃度真實(shí)值和測量值對比

標(biāo)稱值

（%） 測量值

（%） 誤差值

（%） 相對誤差（%） 平均誤差（%）

0.00 0.00 0.00 0.000 0.935

10.00 10.02 0.02 0.200

15.00 14.98 -0.02 0.133

20.00 20.05 0.05 0.250

25.00 25.00 0.00 0.000

30.00 29.86 -0.14 0.467

35.00 34.55 -0.45 1.286

40.00 39.26 -0.74 1.850

50.00 48.20 -1.80 3.600

60.00 59.18 -0.82 1.367

70.00 70.78 0.78 1.114

80.00 81.22 1.22 1.525

90.00 91.14 1.14 1.267

100.00 99.97 -0.03 0.030

測試表明，DS18B20對溫度的測量精度達(dá)到0.1℃，平均相對誤差為1.15%。MQ-2在對甲烷測驗(yàn)的試驗(yàn)中，測量精度達(dá)到0.01%，平均相對誤差為0.935%。兩傳感器的量精度均較高。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，及時(shí)通過GSM網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測的異常情況進(jìn)行報(bào)警提示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)可有效監(jiān)測溫濕度和煙霧濃度等信息，系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單。如何進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，提升系統(tǒng)性能，完善系統(tǒng)功能將是下一步研究工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫英.短信收發(fā)中的PDU編碼分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2007（01）.

[2]楊成菊.家居紅外防盜報(bào)警器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].中國科技投資，2013（26）.

[3]楊理踐，李佳奇，高松巍，張祿.基于內(nèi)聽音的天然氣管線泄漏監(jiān)測方法[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）.

[4]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報(bào)警系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2014（01）.

[5]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（3）.

[6]Anton V.Uzunov and Eduardo B. Fernandez.An extensible pattern-based library and taxonomy of security threats for distributed systems[J].Computer Standard & Interfaces，2014（4）：734-747.

[7]Cesare Guariniello and Daniel Delaurentis.Communications，Information，and Cyber Security in Systems-of-Systems： Assessing the Impact of Attacks through Interdependency Analysis[J].Procedia Computer Science，2014，3：720-727.

作者簡介

鄭采薇（1993-），女，四川自貢人，西南科技大學(xué)，學(xué)士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和圖像處理。endprint

表1 溫度真實(shí)值與測量值對比

標(biāo)稱值（℃） 測量值

（℃） 誤差值

（℃） 相對誤差

（%） 平均誤差

（%）

10 10.2 0.2 2.00 1.15

15 14.9 -0.2 1.33

20 20.2 0.2 1.00

25 25.1 0.1 0.40

30 30.3 0.3 1.00

而非意外情況，可人為按RESET按鍵解除警報(bào)。

4 測試和分析

針對系統(tǒng)中的溫度傳感器和煙霧傳感器，分別進(jìn)行了測試。DS18B20測量結(jié)果如表1所示。

對MQ-2進(jìn)行對甲烷氣體的濃度測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧濃度真實(shí)值和測量值對比

標(biāo)稱值

（%） 測量值

（%） 誤差值

（%） 相對誤差（%） 平均誤差（%）

0.00 0.00 0.00 0.000 0.935

10.00 10.02 0.02 0.200

15.00 14.98 -0.02 0.133

20.00 20.05 0.05 0.250

25.00 25.00 0.00 0.000

30.00 29.86 -0.14 0.467

35.00 34.55 -0.45 1.286

40.00 39.26 -0.74 1.850

50.00 48.20 -1.80 3.600

60.00 59.18 -0.82 1.367

70.00 70.78 0.78 1.114

80.00 81.22 1.22 1.525

90.00 91.14 1.14 1.267

100.00 99.97 -0.03 0.030

測試表明，DS18B20對溫度的測量精度達(dá)到0.1℃，平均相對誤差為1.15%。MQ-2在對甲烷測驗(yàn)的試驗(yàn)中，測量精度達(dá)到0.01%，平均相對誤差為0.935%。兩傳感器的量精度均較高。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，及時(shí)通過GSM網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測的異常情況進(jìn)行報(bào)警提示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)可有效監(jiān)測溫濕度和煙霧濃度等信息，系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單。如何進(jìn)一步提高監(jiān)測精度，提升系統(tǒng)性能，完善系統(tǒng)功能將是下一步研究工作的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫英.短信收發(fā)中的PDU編碼分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2007（01）.

[2]楊成菊.家居紅外防盜報(bào)警器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].中國科技投資，2013（26）.

[3]楊理踐，李佳奇，高松巍，張祿.基于內(nèi)聽音的天然氣管線泄漏監(jiān)測方法[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）.

[4]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報(bào)警系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2014（01）.

[5]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（3）.

[6]Anton V.Uzunov and Eduardo B. Fernandez.An extensible pattern-based library and taxonomy of security threats for distributed systems[J].Computer Standard & Interfaces，2014（4）：734-747.

[7]Cesare Guariniello and Daniel Delaurentis.Communications，Information，and Cyber Security in Systems-of-Systems： Assessing the Impact of Attacks through Interdependency Analysis[J].Procedia Computer Science，2014，3：720-727.

作者簡介

鄭采薇（1993-），女，四川自貢人，西南科技大學(xué)，學(xué)士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和圖像處理。endprint