智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計

曹樹偉，鮑曉娟

（1.赤峰學院 物理與電子信息工程學院；2.赤峰學院 遠程教育學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

科學技術(shù)研究

智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計

曹樹偉1，鮑曉娟2

（1.赤峰學院 物理與電子信息工程學院；2.赤峰學院 遠程教育學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計出一套智能家居安防系統(tǒng)配置方案.以STM32F107VCT芯片作為中央控制模塊，外圍電路分別設(shè)計了火災檢測模塊，煤氣泄漏檢測模塊，漏水檢測模塊，防盜檢測模塊，遠程通信報警模塊，室內(nèi)報警模塊.通過各個單元模塊的傳感器監(jiān)測家居環(huán)境，如果檢測到有危險情況發(fā)生，由傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的報警電信號，送至中央處理單元，中央處理單元處理后同時產(chǎn)生本地報警和遠程通信報警.本家居安防系統(tǒng)可以實現(xiàn)家庭火災，煤氣泄漏，自來水泄漏，非法入侵檢測和報警功能.

智能家居；安防；STM32F107VCT；遠程通信

1 引言

隨著現(xiàn)代社會城市化進程不斷加快，人們大都搬進樓房居住，樓房在提供給住戶舒適溫馨的居住環(huán)境的同時，也存在著一些潛在的安全隱患，比如日常生活中最常見安全隱患的有火災、煤氣泄漏、自來水泄漏、盜竊等.為了實現(xiàn)對這些安全隱患實現(xiàn)全天候監(jiān)測，本文設(shè)計了一套智能家居安防系統(tǒng)，能可靠的進行日常安全防范工作，及時發(fā)現(xiàn)上述險情并通知戶主.以便將險情消滅在萌芽狀態(tài).使人們能夠安心工作，同時也保證了人們的生命財產(chǎn)不受損失.使人們家居環(huán)境更加安全化、智能化、便捷化.

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以STM32F107VCT芯片作為中央處理器，構(gòu)建家居安防系統(tǒng).其中設(shè)計了火災檢測報警模塊、煤氣泄漏檢測模塊、漏水檢測模塊、防盜檢測模塊、遠程通信報警模塊、室內(nèi)室外報警模塊、顯示觸摸屏控制模塊.根據(jù)樓房的具體結(jié)構(gòu)，合理安排布置相關(guān)模塊及其傳感器終端.從而能實現(xiàn)對應(yīng)安全項目的檢測和報警.

2 系統(tǒng)組成框圖及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成框圖

圖2.1 智能家居安防系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)以 STM32F107VCT芯片為中央處理單元（MCU），外圍電路設(shè)有顯示、觸摸屏模塊，攝像頭監(jiān)測、錄像模塊，火災檢測模塊，煤氣泄漏檢測模塊，自來水泄漏檢測模塊，防盜人體紅外檢測模塊，遠程通信報警模塊，室內(nèi)、室外語音報警模塊，電源模塊.其中中央處理單元（MCU）是系統(tǒng)的核心.負責接收和處理報警模塊的報警信息，用戶操作指令，驅(qū)動遠程報警通訊和室內(nèi)室外報警音響模塊；顯示、觸摸屏模塊是人機交互界面，顯示器顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，及相關(guān)險情報警.接收用戶向計算機輸入指令及進行初始設(shè)定；攝像頭監(jiān)測模塊用于用戶遠程對家庭環(huán)境進行監(jiān)視，和險情確認.其錄像功能用于盜竊、火災保險理賠等信息取證；火災檢測模塊，煤氣泄漏檢測模塊，自來水泄漏檢測模塊，防盜人體紅外檢測模塊這四個模塊為傳感檢測單元.其中每個模塊可以有多組傳感探頭，如火災檢測模塊的探頭可以布置到臥室、客廳、廚房、書房等易燃物較多的房間，用于檢測是否有火災煙霧、陰燃或明火出現(xiàn).而煤氣泄漏模塊可以重點集中在廚房沿入戶煤氣管道進行進行布置.自來水泄漏模塊用于檢測室內(nèi)是否發(fā)生漏水，重點布設(shè)于衛(wèi)生間和廚房及暖氣管道附近.防盜人體紅外檢測模塊主要用于防盜，防止盜賊非法入侵.主要布置于門窗位置及保險柜，掛畫，擺件等貴重物品擺放處附近.人體紅外感應(yīng)探頭可以有選擇的開啟或關(guān)閉，當用戶在家時，保險柜、掛畫、擺件附近的探頭可以關(guān)閉或縮短感應(yīng)距離，以防止用戶在家來回經(jīng)過時探頭頻繁錯誤報警.當用戶外夜晚休息或者離家外出時可以通過觸屏操作界面把所有探頭全部開啟，實現(xiàn)全方位監(jiān)測非法入侵；遠程通信報警模塊用于中央處理單元與用戶之間的遠程通信，險情發(fā)生時將報警信息以短信或電話的方式發(fā)送給用戶，同時將用戶遠程發(fā)送的指令傳給中央處理單元，使其驅(qū)動報警模塊動作.平時將視頻監(jiān)控信號遠程發(fā)送給用戶，以便用戶實時了解家庭內(nèi)部情況；室內(nèi)、室外語音報警模塊用于語音實時報警.當用戶在室內(nèi)時，發(fā)生火災、煤氣泄漏、自來水泄漏、非法入侵等，室內(nèi)語音報警對用戶起到報警作用.對于非法入侵，室內(nèi)報警也同時警告盜賊已被發(fā)現(xiàn)，起到警示作用.室外語音報警模塊主要用于用戶不在家的情形，當用戶手機收到報警信息，如火災、煤氣泄漏、自來水泄漏等需要緊急處理的災情時，用戶第一時間不能回來，此時可以選擇通過遠程通信控制室外語音報警模塊進行報警求助.以便小區(qū)安防人員第一時間趕到救災，將險情第一時間內(nèi)控制.

2.2 系統(tǒng)工作原理

正常工作時，中央處理單元監(jiān)測各個傳感傳感模塊是否有報警信號產(chǎn)生，如果發(fā)生報警信號，中央處理單元首先判斷是哪種報警信號，同時驅(qū)動室內(nèi)報警模塊發(fā)出語音報警.室內(nèi)語音報警初始語音可設(shè)定為：“有火災險情，請及時處理！”“煤氣發(fā)生泄漏，盡快疏散人員！”“自來水泄漏，請及時處理”“有盜賊闖入，已報警110”等，重復播報模式.這種室內(nèi)語音報警對用戶在家的情況報警有效，用戶在收到報警后可及時作出反應(yīng).在室內(nèi)語音報警的同時，中央處理單元（MCU）同時驅(qū)動遠程通信報警模塊進行遠程通信報警，發(fā)報警信息或報警電話到用戶手機上.可以設(shè)定每隔5秒操作一次信息.直到用戶回復“確認收到”或掛掉電話為止.這種遠程通信報警針對用戶不在家的情況有效.當用戶在收到遠程報警信息后，可以先打開遠程監(jiān)控界面，通過安裝在家里的攝像頭進行視頻監(jiān)控確認險情（對火災、自來水泄漏、盜賊闖入有效.煤氣泄漏視頻監(jiān)控無效）.確認無誤，可以通過遠程控制室外報警求助模塊進行室外報警求助.室外報警求助初始語音可以設(shè)定為：“房號+發(fā)生火災（或/煤氣泄漏/自來水泄漏/有盜賊闖入），請通知物業(yè)管理員”，重復播報模式.或者選擇撥打電話報火警等其他處理方式.

3 單元電路原理圖及實現(xiàn)原理

3.1 中央控制單元模塊

中央控制單元模塊由STM32F107VCT芯片來實現(xiàn)（如圖3.1）.主控芯片STM32F107VCT是意法半導體推出全新STM32互連型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能較強產(chǎn)品，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標準接口，且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用.另外它擁有32位ARM Cortex-M3內(nèi)核；72MHz運行頻率，1.25DMIPS/MHz；硬件除法和單周期乘法；快速可嵌套中斷，6～12個時鐘周期；具有MPU保護設(shè)定訪問規(guī)則；256KB Flash，64KB的 SRAM；16-bit定時器(IC/OC/PWM)，11(28/28/31)，全速 USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊.此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動化、家庭音響和安全防盜等多種產(chǎn)品需求.

本單元負責整個系統(tǒng)的控制管理工作.所有的傳感器采集的信號均傳輸?shù)酱斯?jié)點并由此運算單元來處理.并根據(jù)程序?qū)⒖刂菩盘栞敵龅綀?zhí)行單元.完成相應(yīng)的功能的操作.

圖3.2 液晶顯示屏

圖3.3 無線攝像頭

圖3.4 煤氣泄漏檢測模塊

圖3.5 自來水泄漏傳感器

圖3.6 紅外人體感應(yīng)模塊

圖3.7 無線遠程通信模塊

圖3.8 音箱

3.2 顯示、觸摸屏模塊

本模塊主要功能是用戶對安防系統(tǒng)進行指令操作的輸入輸出信息顯示設(shè)備，液晶屏是用戶以及報警信息顯示的室內(nèi)輸出設(shè)備.如（圖3.2）.用戶可以通過觸摸屏操作界面進行指令操作.用戶通過此模塊設(shè)定每個模塊的監(jiān)控時間，報警模式等.可以采用COOLMAY7寸真彩觸摸屏PLC一體機作為輸出端，開關(guān)量最多24入20出，模擬量最多12入8出，可以選裝485、232口，網(wǎng)口和音頻.

3.3 攝像頭監(jiān)測、錄像模塊

本模塊可以安裝在每個獨立房間，同時可在入戶門外，窗外進行安裝.如（圖3.3）.室內(nèi)攝像頭主要是火災，自來水泄漏，盜竊等情況監(jiān)視、記錄功能.當用戶不在室內(nèi)收到報警信息時，可以第一時間通過遠程監(jiān)視功能來打開對應(yīng)報警的中央屋頂攝像頭，觀察相應(yīng)報警房間的具體情況，確認報警是否屬實.如果情況屬實，可以撥打報警電話求助，或者電話撥通小區(qū)安保人員進行求助.戶外門窗安裝的攝像頭主要應(yīng)對于防止盜竊，本模塊可以作為隨時遠程監(jiān)視終端，使用戶在戶外有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下，隨時都能監(jiān)控自己的室內(nèi)情況.攝像頭監(jiān)測錄像還可以作為盜竊證據(jù).

本模塊可以采用軍視牌攝像頭，該攝像頭與控制節(jié)點采用無線接入方式連接，在實際操作中安裝方便快捷，其無阻礙物情況下最遠無線距離為100米，隔墻傳輸距離為30米.圖像編碼格式H.264標準壓縮，實時監(jiān)控1280*96p分辨率，錄像方式有手動/報警/動態(tài)監(jiān)測/定時方式.對于普通用戶家庭應(yīng)用足夠.

3.4 火災檢測模塊

火災檢測模塊主要安裝在具有易燃物的廳室，如臥室、客廳、廚房、儲物間等.分別采用溫度傳感器，光傳感器，和煙霧傳感器三種傳感器聯(lián)合檢測是否發(fā)生火災.具備兩種報警信號或多于兩種的情況下，觸發(fā)報警操作.即觸發(fā)室內(nèi)聲音報警模塊發(fā)出聲音報警，同時驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍發(fā)出光報警信號，光報警這種方式對于室內(nèi)聽力不好的老年人有效.同時驅(qū)動遠程報警信號，向戶主手機發(fā)出報警信息或報警電話.每隔5秒發(fā)送一次，直至用戶確認或掛斷電話為止.這種報警方式主要針對戶主人不在室內(nèi)的情況有效.當用戶在室外收到火災信息時可以通過遠程監(jiān)視系統(tǒng)打開家里的視頻監(jiān)控進行確認.如果情況屬實，可以第一時間報火警，或者通過手機控制戶外報警模塊發(fā)出火災報警.求助小區(qū)安保人員第一時間趕到處理火災現(xiàn)場.

3.5 煤氣泄漏檢測模塊

本模塊主要安裝于廚房，可以同時安裝三到四個這樣的模塊.如（圖3.4）.分布于煤氣管道及煤氣灶周圍.煤氣灶周圍的在安裝過程中要注意位置及距離調(diào)整，以免在正常使用煤氣灶時報警器發(fā)生報警現(xiàn)象.對于封閉式廚房，應(yīng)在廚房門口處安裝一至兩個這樣的氣體檢測模塊.對于開放式廚房，應(yīng)根據(jù)開窗時氣流的流向，在氣流流通量較大的地方安裝一至兩個這樣的氣體檢測模塊.

本模塊所采用的主要芯片有：LM393、ZYMQ-2氣體傳感器.工作電壓為直流5v.其特點有：（1）具有信號輸出指示.（2）雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）.（3）TTL輸出有效信號為低電平.當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機.（4）模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高.（5）對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度（適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等監(jiān)測裝置）.（6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性.（7）快速的響應(yīng)恢復特性.

3.6 自來水泄漏檢測模塊

自來水泄漏檢測模塊主要安裝在入戶自來水管分布的通道周圍.如（圖3.5）.重點是衛(wèi)生間、廚房等有水龍頭的地方.本模塊可以采用活動插頭連接到中央控制單元.當用戶不使用本模塊時可以拔掉插頭.當用戶長時間外出需要本模塊正常工作，此時可以將本模塊接入到系統(tǒng)中.將探頭放在檢測地面上，調(diào)整好監(jiān)測的水位高度，當有漏水流過探頭兩金屬電極之間時，電路接通，產(chǎn)生報警信號.

本模塊可以采用歷高牌隔離式水位探測器，本探測器根據(jù)探測電極浸水后阻抗發(fā)生變化，通過專用集成芯片對水浸輸入信號進行信號放大、整形、比較，輸出干接點或高低電平變化信號，指示變送器所在位置是否有水.該探測器結(jié)構(gòu)采用一體化全密封塑料外殼設(shè)計，保證了產(chǎn)品的高可靠性.同時還具有一體化全密封設(shè)計；電源，輸入，輸出全隔離；高可靠性；抗干擾性強等特點.可選擇高低電平或繼電器多種輸出報警信號方式.本模塊工作電壓為DC12V.

3.7 防盜人體紅外檢測模塊

本模塊主要應(yīng)用于門窗入口處防盜報警.當用戶不在家或者晚上休息時進行開啟工作.同時本模塊也可以安裝于室內(nèi)貴重物品處，如名畫或貴重擺件附近，可以起到防盜作用.模塊如（圖3.6）.實際應(yīng)用中本模塊設(shè)為重復觸發(fā)方式.即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點).

3.8 遠程通信報警模塊

遠程通信報警模塊主要負責向用戶進行遠程通信報警，當對應(yīng)報警模塊監(jiān)測到有報警信號發(fā)生時，由中央處理單元驅(qū)動本模塊通過遠程通信方式向用戶發(fā)出報警信息.主要針對用戶不在室內(nèi)的情形.本模塊可以采用短信開發(fā)板SIM800A來實現(xiàn).如（圖3.7）.它可以發(fā)射GSM/GPRS無線數(shù)據(jù).實現(xiàn)向用戶短信通知或者打電話的功能.

3.9 室內(nèi)報警模塊

室內(nèi)報警模塊，可以配備多種模式報警電路，如揚聲器如（圖3.8），蜂鳴器，震動提醒器或者不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)光報警電路等.

本模塊的功能主要是分為以下幾種情況：（1）室內(nèi)有人的情況下，發(fā)生的危險狀況報警以聲音的形式進行告警與提醒.比如火警，煤氣泄漏，自來水泄漏等.此時可選用揚聲器及發(fā)光電路共同提醒.揚聲器發(fā)出預置聲音如：“有火災險情，請及時處理！”“煤氣發(fā)生泄漏，盡快疏散人員！”“自來水泄漏，請及時處理”“有盜賊闖入，已報警110”等.發(fā)光二極管閃爍報警電路主要對于聽力障礙的老年人有效.對于聾啞人可以配備振動提醒器來發(fā)出告警.（2）室內(nèi)無人時，主要針對盜竊報警.揚聲器的語音警報功能可以起到警告盜賊已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的作用.

3.10 室外報警求助模塊

室外報警電路主要用揚聲器來實現(xiàn).其功能主要是起到求助社區(qū)保安人員的作用.尤其是當用戶離家距離較遠，不能第一時間趕回，而室內(nèi)又發(fā)生火災，自來水泄漏，煤氣泄漏等危險情況時，室外報警作用效果較大.可以求助于外部救援，將危險損害降低到最小，或者將之消滅在萌芽狀態(tài).

室外安裝時要注意選擇適宜的安裝位置，做好防曬、防雨雪、防風、防漏電等措施.使揚聲器能更長時間，更好的工作.

3.11 電源模塊

電源模塊負責整個系統(tǒng)的電源供給，其功能是實現(xiàn)將家用220V低壓交流電源變換成直流電源3.3V和5V.其中3.3V電壓供中央處理單元使用，而5V電壓供部分外圍傳感電路使用.其電路圖（如圖3.9）.對于部分電路需要直接應(yīng)用220V交流電源供電，如監(jiān)視模塊的攝像頭電路.

圖3.9 電源電路

4 程序流程圖

5 總結(jié)

本文從系統(tǒng)應(yīng)用層面對智能家居安防系統(tǒng)進行了整體設(shè)計，給出了本安防系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及個單元電路的實現(xiàn).并對每部分模塊電路具體工作方案作出詳細的說明.本系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點是及時發(fā)現(xiàn)安防隱患，并及時處理已發(fā)生的安防險情.針對設(shè)計檢測的隱患就包括家庭出現(xiàn)概率較大的火災、煤氣泄漏、自來水泄漏、盜竊等.分別針對每種安防隱患安裝了對應(yīng)的傳感器，全時段監(jiān)測隱患是否發(fā)生，發(fā)生隱患時生成相應(yīng)的報警電信號，傳輸?shù)街醒肟刂茊卧M行處理.對于隱患的處理，首先是全時段監(jiān)控隱患是否發(fā)生，其次是發(fā)現(xiàn)險情后多方面報警通知用戶.報警過程考慮到了用戶在室內(nèi)和遠離室內(nèi)的兩種情況.硬件電路相應(yīng)的也設(shè)計了室內(nèi)報警，室外報警，遠程通信報警.室內(nèi)報警在傳統(tǒng)的聲音報警基礎(chǔ)上還加入了閃光報警電路及攜帶振動器報警，主要是考慮到了使用者為聽力障礙的老年用戶情況.再次是對隱患的處理過程，本系統(tǒng)也考慮到用戶在家和不在家的兩種情況.對于不在家時，本系統(tǒng)加入了室外報警模塊，可以第一時間求助現(xiàn)場小區(qū)安保人員來處理.對于火災，盜竊等尤為有效.

本系統(tǒng)的優(yōu)點是設(shè)計監(jiān)測內(nèi)容比較全面，多方位的實現(xiàn)了安防監(jiān)控和報警功能.各種實現(xiàn)電路價格較為低廉，便于普及和推廣.不足是本文系統(tǒng)硬件構(gòu)建方面有待進一步完善，對于系統(tǒng)模塊電路所列舉的器件只做了功能闡述，未與同類產(chǎn)品進行詳細價格對比.在實際使用時還需要考慮其性價比，產(chǎn)品維護升級等方面因素.這樣才能使系統(tǒng)總造價達到最優(yōu).

〔1〕劉波文.ARM Cortex-M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.6.

〔2〕智能家居系統(tǒng)分類——尼科智能家居系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù)(學術(shù)交流),2006(06).

〔3〕李春麗.智能家居產(chǎn)品體系及核心技術(shù)[J].建設(shè)科技,2009 (09).

〔4〕陳鵬.完整意義的智能家居系統(tǒng)——LonWorks智能家居系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù)(學術(shù)交流),2006.

〔5〕張鼎盛.看看專業(yè)服務(wù)商眼中的智能家居系統(tǒng)[J].建材與裝修情報,2007(04).

〔6〕瑞典PPD智能家居系統(tǒng)——E-PowerSecurity[J].IB智能建筑與城市信息,2004(10).

〔7〕鄧增紹.智能家居DIY方案[J].數(shù)字社區(qū) &智能家居, 2008(09).

〔8〕陳鵬.Nico智能家居系統(tǒng)特點淺析[J].數(shù)字社區(qū)&智能家居,2008(12).

〔9〕楊浩杰.智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].東華大學,2011.

TN402

A

1673-260X（2017）06-0023-04

2017-04-06

本文系內(nèi)蒙古電大科研基金項目（IMRTVU-YSR1601）課題研究成果之一