基于嵌入式系統(tǒng)及GSM的家庭智能安防的實(shí)現(xiàn)

陳秀華+謝印忠

摘要： 由Freescale（飛思卡爾）的32位嵌入式單片機(jī)及GSM（Global System for Mobile Communications）模塊構(gòu)成的智能家庭安防系統(tǒng)以短信通信的形式，把危險(xiǎn)情況發(fā)送到指定的手機(jī)。通過紅外傳感器、溫濕度傳感器和MQ2可燃?xì)怏w傳感器等來感知監(jiān)測防區(qū)環(huán)境參數(shù)，當(dāng)核心控制器所捕獲并判斷為某個(gè)危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，立即將該信號(hào)通過GSM模塊發(fā)送到用戶設(shè)定好的手機(jī)上進(jìn)行報(bào)警；用戶收到報(bào)警信號(hào)后，可以將處理信息發(fā)送回處理器，處理器會(huì)按照要求進(jìn)行操作，從而消除或者降低危險(xiǎn)情況的危害程度。

關(guān)鍵詞： 智能安防； MK60DN512ZVLQ104； GSM； 傳感器

中圖分類號(hào)：TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）04-0115-04

1智能安防概述

[JP3]在當(dāng)下的信息化時(shí)代中，網(wǎng)絡(luò)互連便捷了人們的溝通，與此同時(shí)，也需要智能產(chǎn)品的超級(jí)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物/物互連、人/物互連，從而獲得更佳用戶體驗(yàn)[1]。若能進(jìn)一步研究將聚焦至智能安防系統(tǒng)分析可知，智能化將是該系統(tǒng)的第一要求，無人值守時(shí)能快速、安全、靈活判斷環(huán)境狀況并與當(dāng)事人密切聯(lián)系。其次，智能安防系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分就是該系統(tǒng)的高度信息化與自動(dòng)化[2]。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)中，利用防盜網(wǎng)，防盜窗等機(jī)械式被動(dòng)防護(hù)設(shè)備，在實(shí)際使用中，靈活性和實(shí)時(shí)性均呈明顯劣勢，當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)還會(huì)阻礙人們的逃生。另外在這類系統(tǒng)中，一般采用的都是聲光報(bào)警這2種方式，這些報(bào)警方式的隱蔽性差，而且在報(bào)警方面也未配備操作的可選擇性。綜述可知，智能安防系統(tǒng)不僅有效滿足了人們對(duì)智能化的現(xiàn)實(shí)需求，[JP4]同時(shí)也符合了時(shí)代技術(shù)發(fā)展的潮流模式，因而對(duì)其展開研究則具有至關(guān)重要的理論及應(yīng)用意義。[JP]

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能家居系統(tǒng)是將家居設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化控制，當(dāng)家中發(fā)生燃?xì)庑孤?、被盜、失火、水管破裂等情況時(shí)，能夠在第一時(shí)間向用戶報(bào)警，利于及時(shí)處理，減少用戶損失；另外，當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤┗蛘邼穸犬惓５惹闆r時(shí)，系統(tǒng)還將控制相應(yīng)的器件關(guān)閉閥門，降低危險(xiǎn)發(fā)生的幾率。

該系統(tǒng)集結(jié)選用了核心控制器、硬件電路、軟件程序以及GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家庭安防系統(tǒng)的正常監(jiān)控任務(wù)，密切配合和協(xié)調(diào)動(dòng)作，最終使系統(tǒng)能夠正常發(fā)揮特定功能；系統(tǒng)功能概覽如圖1所示。

其中，智能化系統(tǒng)核心采用Freescale的32位單片機(jī)MK60DN512ZVLQ104，利用其擴(kuò)展的輸入輸出設(shè)備、各種接口電路以及外圍芯片共同聯(lián)結(jié)構(gòu)成[3]；監(jiān)控部分的傳感器則主要配有紅外傳感器、可燃?xì)怏wMQ2傳感器和溫濕度傳感器。當(dāng)這些傳感器檢測到相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)后，單片機(jī)將對(duì)其進(jìn)行編碼處理，然后將編碼結(jié)果通過GSM模塊發(fā)送到指定的手機(jī)上。用戶收到該信息后即將處理方案回傳至單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過解碼、識(shí)別，此后依據(jù)指令要求控制執(zhí)行器件（如繼電器等）開啟關(guān)聯(lián)的安全規(guī)避操作流程，從而以最佳時(shí)速消除危險(xiǎn)隱患。還需強(qiáng)調(diào)指出，GSM作為時(shí)下技術(shù)成熟的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，不需要額外的占用無線電頻率和特殊布線，具有信息傳達(dá)及時(shí)，功能更加強(qiáng)大，以及高端智能化的優(yōu)點(diǎn)。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

飛思卡爾公司的MK60DN512ZVLQ104（簡稱K60）是一款低電壓，高速32位ARM Cortex-M4內(nèi)核的單片機(jī)。該單片機(jī)執(zhí)行速度最高可達(dá)100 MHz，具有內(nèi)部DSP運(yùn)算處理單元； 512 KB的可電擦寫程序存儲(chǔ)器，128 KB的RAM，存儲(chǔ)空間大，符合系統(tǒng)的編程設(shè)定；同時(shí)還配有16 bit逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），帶轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志和中斷功能，可以靈活地滿足該系統(tǒng)的各種要求。

3.2GSM模塊

GSM全稱為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種移動(dòng)電話的標(biāo)準(zhǔn)，使用GSM可以提高智能安防系統(tǒng)中報(bào)警的穩(wěn)定性和有效性。

設(shè)計(jì)中選用全球鷹通訊SIM900/A 232 版本的GSM模塊，模塊可視圖片如圖2所示，供電電壓低，功耗也低（發(fā)射功率在EGSM900頻段下功率為2 W，DCS1800頻段下功率為1 W），頻段還可以自主設(shè)定為EGSM900和DCS1800兩個(gè)頻段[4]。模塊與K60單片機(jī)相結(jié)合，單片機(jī)只需通過串口發(fā)送一系列以字符串格式編碼的AT命令到GSM模塊，GSM模塊即可開展工作。如發(fā)送短信時(shí)，只需連續(xù)發(fā)送AT+CSCS=“GSM” AT+CMGF=1 AT+CMGS=“***”（***表示電話號(hào)碼）短信內(nèi)容 十六進(jìn)制下的1A。解析短信時(shí)，發(fā)送AT+CMGR=1，就可以將短信讀取出來。短信中，因?yàn)橹形氖褂昧薝nicode編碼，不能直接識(shí)別，而Unicode譯碼需要引入一個(gè)龐大的編碼庫的基層支持，因而在占用內(nèi)存空間方面將造成可觀消耗，單片機(jī)譯碼Unicode編碼序列也很復(fù)雜[5]。

MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在干凈空氣中導(dǎo)電率比較低的SnO2 ，當(dāng)MQ2的安裝背景環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器的阻值會(huì)隨著可燃?xì)怏w濃度的增大而逐步增加，通過LM393比較電路即可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，被K60所捕獲。在此，給出MQ2信號(hào)采集電路如圖3所示。在家庭環(huán)境中，室內(nèi)溫度和濕度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，溫度會(huì)急劇升高，自來水管也會(huì)有破裂引起室內(nèi)濕度增大，設(shè)計(jì)中選用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT21/AM2301采集溫濕度信息。DHT21數(shù)字溫濕度傳感器內(nèi)部含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，以專用數(shù)字模塊和溫濕度傳感技術(shù)，確保優(yōu)質(zhì)可靠性與長期穩(wěn)定性。[JP2]

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測到人體或一些動(dòng)物身體發(fā)出的紅外線而轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號(hào)的低功耗傳感器。熱釋電效應(yīng)的工作原理是當(dāng)溫度呈現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致晶體表面電荷發(fā)生變化。設(shè)計(jì)中選用D-SUN人體熱釋電紅外傳感器，模塊的工作電壓范圍在DC4.5～24 V，當(dāng)有人、即有效信號(hào)輸出時(shí)，為3 V高電平；無人、即無效信號(hào)輸出時(shí)，為0 V低電平。該型傳感器的有效探測范圍在110°，感應(yīng)距離在0.5～7 m，觸發(fā)時(shí)間為0.5～200 s。低功耗，靜態(tài)電流最大50 uA[6]。[JP]endprint

3.4系統(tǒng)顯示單元設(shè)計(jì)

如圖4所示，研究中顯示采用OLED顯示屏，為有機(jī)發(fā)光管屏，具體呈現(xiàn)出功耗低、體積小、對(duì)比度高、響應(yīng)迅速、視角廣闊等特點(diǎn)，與單片機(jī)接口則由4根串口數(shù)據(jù)線而形成連接。

3.5系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

各器件使用電源有12 V、5 V、3.3 V三種，系統(tǒng)由開關(guān)電源提供12 V，1 A直流電，核算系統(tǒng)的電流峰值約為0.8 A，一般情況下電流均在200 mA左右，另選用LM2940和LM1117-3.3兩款芯片來分別供電5 V、3.3 V電壓[7]，如圖5所示。

[LL]4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.1程序流程

當(dāng)系統(tǒng)上電后，內(nèi)部器件進(jìn)入初始化，同時(shí)設(shè)置指定此后的工作模式。模式1中只有氣體傳感器和溫濕度傳感器工作，并將采集到的信息發(fā)送到OLED顯示屏上；當(dāng)檢測到燃?xì)庑孤┗蛘邷囟瘸霈F(xiàn)異常時(shí)，向目標(biāo)家居用戶發(fā)送短信警示。模式2中，核心控制器將采集所有傳感器的狀態(tài)，并判斷是否異常。如果紅外傳感器報(bào)警，則通過GSM發(fā)送一條入侵報(bào)警信息、濕度異常則發(fā)送濕度報(bào)警信息、溫度異常則發(fā)送溫度異常報(bào)警短信給用戶，等待用戶回復(fù)處理；如果探測到煙霧或者燃?xì)庑孤?，則發(fā)送一條燃?xì)庑孤﹫?bào)警信息給用戶，同時(shí)繼電器自行吸合使得燃?xì)夤艿赖碾姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉閥門，避免危險(xiǎn)態(tài)勢進(jìn)一步升級(jí)；下雨時(shí)若未關(guān)窗，濕度傳感器將精確檢測、并及時(shí)報(bào)警，同時(shí)繼電器發(fā)生吸合，驅(qū)動(dòng)有關(guān)電器動(dòng)作直至窗戶關(guān)閉。信息處理同時(shí)，還將在OLED上生成顯示并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。用戶收到報(bào)警信息后，可以及時(shí)處理。研究中，通過利用圖形語言將系統(tǒng)的工作流程描述清楚，參照流程圖編寫程序，可以大大加快開發(fā)進(jìn)度，減少代碼功能冗余，提高功能質(zhì)量和系統(tǒng)的健全健壯性能。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4.2GSM模塊編程

使用AT指令來控制GSM模塊發(fā)送短信，發(fā)送指令是：

AT+CSCS="GSM"rn；AT+CMGF=1rn；AT+CMGS="10010"rn；0X1A；需要注意的是在每2條AT指令間需要有足夠的延時(shí)以便于該模塊能夠做出及時(shí)響應(yīng)，程序代碼可表述如下：

uart_putstr（UART3，"AT+CSCS="GSM"rn"）；

DELAY_MS（500）； //延時(shí)0.5秒

uart_putstr（UART3，"AT+CMGF=1rn"）；

DELAY_MS（500）；//延時(shí)0.5秒

if（1 == gpio_get（PTE11））； //撥碼開關(guān)1置位到OFF位置

[JP3]uart_putstr（UART3，"AT+CMGS="10010"rn"）；[JP]

else

uart_putstr（UART3，"AT+CMGS="18764929645"rn"）；

DELAY_MS（500）；

uart_putstr（UART3，UI8_Message）；//短信內(nèi)容

DELAY_MS（500）；

uart_putchar（UART3，0X1A）；//發(fā)送指令

DELAY_MS（500）；

4.3DHT21溫濕度傳感器功能模塊編程

DHT21溫度傳感器使用串行傳輸溫度濕度數(shù)據(jù)，傳感器上電后處于待機(jī)狀態(tài)，等待主機(jī)發(fā)出一個(gè)開始信號(hào)，響應(yīng)后，連續(xù)發(fā)送40 bit的溫濕度和8 bit的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。功能執(zhí)行代碼可見如下：

for（i = 0；i < 8；i++）

{

UI16_Flag = 19853；

//一直加到65535（254us左右）

while（（！READ_DHT21） && UI16_Flag++）；

DELAY_US（30）；

UI8_temp = 0；

if（READ_DHT21）

UI8_temp = 1；

UI16_Flag = 19853；

// 一直加到65535（254us左右）

while（（READ_DHT21） && UI16_Flag++）

//超時(shí)則跳出for循環(huán)

if（UI16_Flag == 1）

break； //判斷數(shù)據(jù)位是0還是1

// 如果高電平高過預(yù)定0高電平值則數(shù)據(jù)位為 1

UI8_Comdata <<= 1；

UI8_Comdata |= UI8_temp；//存入新數(shù)據(jù)

}

5結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際要求，運(yùn)用嵌入式單片機(jī)及GMS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成智能家庭安防系統(tǒng)，系統(tǒng)不但可以設(shè)計(jì)生成家庭安全防護(hù)設(shè)備之間的互聯(lián)互通，還可以將整個(gè)安全防護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控信息加以記錄并通過終端提供動(dòng)態(tài)效果顯示。更為重要的則是，系統(tǒng)將通過GSM通信網(wǎng)絡(luò)與主人互動(dòng)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭安全防護(hù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。這種智能系統(tǒng)未來家庭安防中將會(huì)得到更多的運(yùn)用，因而具有廣泛普適性的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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