基于stm32單片機(jī)的公寓安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史振江

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

基于stm32單片機(jī)的公寓安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史振江

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊 050041）

針對(duì)公寓安全問(wèn)題，利用stm32單片機(jī)和GSM技術(shù)設(shè)計(jì)了公寓安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。通過(guò)電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外防盜檢測(cè)等多種傳感器對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)ID卡識(shí)別錯(cuò)誤信息報(bào)警、紅外防盜報(bào)警、大功率電器使用報(bào)警以及火災(zāi)報(bào)警等功能，進(jìn)而對(duì)學(xué)生公寓安全進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)與控制。

ID卡識(shí)別 紅外防盜 煙霧檢測(cè)

學(xué)生公寓的安全事故時(shí)有發(fā)生而且近年來(lái)呈上升趨勢(shì)，給學(xué)生個(gè)人以及學(xué)校都造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，學(xué)生公寓的安全成為社會(huì)尤其是學(xué)生家長(zhǎng)和教育界關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)學(xué)生公寓安全的監(jiān)測(cè)與控制進(jìn)行了大量的研究工作[1-3]。

基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）的短信息服務(wù)，是一種在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳送簡(jiǎn)短信息的無(wú)線應(yīng)用，是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)寄信息的過(guò)程，具有可靠性高、成本低、系統(tǒng)架構(gòu)靈活、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。

本文利用傳感器和GSM技術(shù)構(gòu)建公寓安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，利用多個(gè)傳感器對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了ID卡識(shí)別與錯(cuò)誤信息報(bào)警、紅外防盜報(bào)警、大功率電器使用報(bào)警以及火災(zāi)報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)框圖，如圖1所示

圖1 系統(tǒng)框圖

公寓安全控制系統(tǒng)由stm32單片機(jī)、ID卡識(shí)別模塊、火災(zāi)檢測(cè)模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測(cè)模塊以及遠(yuǎn)程報(bào)警模塊組成?？刂菩酒捎肧TM32F103C8T6單片機(jī)，該芯片使用高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（64K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM）；豐富的增強(qiáng)I/O端口，包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器；標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：包含2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、1個(gè)USB接口和1個(gè)CAN接口。

火災(zāi)檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集煙霧數(shù)據(jù)，并將信息傳送給單片機(jī)用以判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生則立即通過(guò)繼電器切斷電源。紅外防盜模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報(bào)警。大功率電器檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)是否有大功率電器使用，一旦發(fā)現(xiàn)立即通過(guò)繼電器切斷電源并發(fā)出聲音警告，間隔一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。ID卡識(shí)別模塊用于識(shí)別用戶的刷卡信息，并將用戶卡號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，如果卡號(hào)正確則開(kāi)門并且關(guān)閉紅外防盜功能以免誤報(bào)警，如果卡號(hào)錯(cuò)誤發(fā)出聲音警告。所有警告信息通過(guò)遠(yuǎn)程報(bào)警模塊以GSM短信形式發(fā)送到公寓負(fù)責(zé)人和房間負(fù)責(zé)人手機(jī)上，以便及時(shí)處理。

2 模塊電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 ID卡識(shí)別模塊

ID卡識(shí)別模塊（讀卡器）原理框圖如圖2所示，主要由功率放大電路、LC諧振電路、檢波電路、濾波整形電路和控制電路構(gòu)成。首先由控制電路產(chǎn)生125kHz的讀卡信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大、LC選頻網(wǎng)絡(luò)后送給線圈。當(dāng)有ID卡靠近線圈時(shí)，ID卡通過(guò)諧振獲得能量，給ID卡內(nèi)部的電

容充電，充電后以電容作為ID卡內(nèi)的電源給卡供電，ID卡在電容供電下將卡內(nèi)信息以調(diào)幅形式加載到載波信號(hào)上并反饋給線圈；當(dāng)無(wú)ID卡靠近線圈時(shí)，ID卡反饋回高電平。線圈收到反饋信號(hào)后經(jīng)過(guò)檢波電路把卡內(nèi)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，解調(diào)后的波形經(jīng)過(guò)整形濾波電路后送給控制電路處理?？刂齐娐方邮盏叫盘?hào)后先進(jìn)行時(shí)鐘同步處理，然后把接收到的信號(hào)保存。接收完畢后進(jìn)行信息校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)后轉(zhuǎn)換成要求的格式并通過(guò)串口通信發(fā)送給stm32單片機(jī)。串口通信格式采用9600bps波特率、無(wú)奇偶校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。

單片機(jī)將串口1接收到的ID卡號(hào)與預(yù)先存儲(chǔ)的所有正確卡號(hào)進(jìn)行逐一校對(duì)，如果是正確的用戶信息則通過(guò)繼電器控制電磁鎖開(kāi)門，如果是錯(cuò)誤的用戶信息則進(jìn)行報(bào)警提示。

2.2 火災(zāi)檢測(cè)模塊

火災(zāi)檢測(cè)模塊利用煙霧傳感器檢測(cè)火災(zāi)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)檢測(cè)到CO煙霧?；馂?zāi)檢測(cè)模塊與單片機(jī)接口電路如圖3所示。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度分析及報(bào)警控制等工作。STM32單片機(jī)內(nèi)部有2個(gè)12位的ADC，每個(gè)ADC有10個(gè)輸入通道。煙霧傳感器的模擬數(shù)據(jù)輸出連接到單片機(jī)的IN1通道，內(nèi)部利用ADC1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

圖2 ID卡識(shí)別模塊原理框圖

圖3 火災(zāi)檢測(cè)模塊與單片機(jī)接口電路

2.3 紅外防盜模塊

圖4 紅外防盜檢測(cè)電路原理圖

紅外防盜模塊利用紅外熱釋電傳感器檢測(cè)是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報(bào)警。紅外熱釋電傳感器是一種以非接觸的形式感應(yīng)紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的儀器，利用熱電效應(yīng)原理來(lái)完成對(duì)移動(dòng)物體紅外輻射的感應(yīng)，所謂的熱電效應(yīng)指的是受熱物體中的電子由高溫處向低溫處移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電流或者電荷堆積的一種現(xiàn)象。具有功耗小、成本低、隱蔽性好、靈敏度高等特點(diǎn)。

紅外防盜檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。當(dāng)熱釋電傳感器（接在插座J1上）檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)RSD輸出高電平，如果單片機(jī)PA7引腳也為高電平，經(jīng)過(guò)與非門后LIGHT為低電平，報(bào)警指示燈D1點(diǎn)亮；LIGHT經(jīng)過(guò)非門后BUZZER為高電平，而555定時(shí)器振蕩電路的輸出PULSE為脈沖信號(hào)，兩路信號(hào)

經(jīng)過(guò)與非門后控制三極管Q1在脈沖信號(hào)作用下間歇性導(dǎo)通，使蜂鳴器間歇性發(fā)出聲音報(bào)警。LIGHT引腳同時(shí)接到了單片機(jī)的PA6引腳，一旦LIGHT由高電平變成低電平就會(huì)觸發(fā)單片機(jī)，單片機(jī)可以及時(shí)獲取此次防盜報(bào)警信號(hào)并做相應(yīng)處理。如果有人刷卡進(jìn)入房間而且卡號(hào)正確，那么單片機(jī)的PA7引腳為低電平使后面的聲光報(bào)警電路不工作，防止了對(duì)正常住宿人員的誤報(bào)警。

圖5 大功率電器檢測(cè)模塊與單片機(jī)接口電路

2.4 大功率電器檢測(cè)模塊

大功率電器檢測(cè)模塊與單片機(jī)接口電路如圖5所示。電流互感器串聯(lián)在220V交流電路中，輸出的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理與峰值檢波電路得到與電流呈線性關(guān)系的電壓峰值信號(hào)。電壓互感器并聯(lián)在220V交流電路中，輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理與峰值檢波電路得到電壓峰值信號(hào)。兩路信號(hào)分別接到stm32單片機(jī)內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC2的IN8和IN9引腳，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到房間供電的視在功率。一旦發(fā)現(xiàn)功率增加值超過(guò)程序設(shè)定的閾值則判定為有大功率電器使用，單片機(jī)立即通過(guò)繼電器切斷電源以防止引起電氣火災(zāi)，同時(shí)發(fā)出聲音警告，間隔一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。

圖6 遠(yuǎn)程報(bào)警模塊與單片機(jī)接口電路

2.5 遠(yuǎn)程報(bào)警模塊

利用stm32單片機(jī)控制西門子的 TC35型GSM模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的遠(yuǎn)程傳輸。GSM遠(yuǎn)程報(bào)警模塊與單片機(jī)的接口電路如圖 6 所示，單片機(jī)通過(guò)串口2與GSM模塊進(jìn)行通信，通信格式為波特率9600bps、沒(méi)有校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

單片機(jī)通過(guò)串口收發(fā)與GSM短信息功能有關(guān)的AT指令來(lái)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信。AT指令集通俗地說(shuō)就是一種操作控制GSM模塊的軟件協(xié)議的集合，每條命令均以字母“AT”開(kāi)頭而得名。AT指令控制短消息發(fā)送有2種常用模式，即TEXT模式、PDU 模式。PDU模式可以采用unicode編碼發(fā)送英文、漢字，但合成PDU碼比較復(fù)雜；TEXT模式只能發(fā)送英文，但無(wú)須編碼。本系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是基于數(shù)字的命令字，因此采用TEXT模式。其發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程包括啟動(dòng)GSM及初始化；設(shè)置短信模式：AT+CMFG=1 回車；發(fā)送接收的手機(jī)號(hào)碼：AT+CMGS=“xxxxxxxxxxx”回車（目的地址）；發(fā)送報(bào)警信息數(shù)據(jù)。

圖7 主程序流程圖

3 系統(tǒng)流程圖

主程序流程圖如圖7所示，串口中斷處理子程序流程圖如圖8所示。程序首先完成串口、中斷、I/O口、A/D模塊和GSM模塊的初始化；根據(jù)防盜模式的狀態(tài)值進(jìn)行防盜報(bào)警模塊的開(kāi)啟或者關(guān)閉，如果串口中斷接收到的卡號(hào)正確就關(guān)閉防盜報(bào)警模塊，否則開(kāi)啟防盜報(bào)警模塊；然后依次檢測(cè)是否有火災(zāi)發(fā)生或者大功率電器使用。每個(gè)模塊檢測(cè)到報(bào)警事件時(shí)會(huì)設(shè)置不同的報(bào)警標(biāo)識(shí)碼，單片機(jī)根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)碼通過(guò)GSM模塊向用戶手機(jī)發(fā)送相應(yīng)類型的報(bào)警信息。

4 結(jié)語(yǔ)

圖8 串口中斷處理子程序流程圖

本文利用stm32單片機(jī)和GSM技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)公寓安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，可以為公寓安全提供全面防護(hù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ID卡識(shí)別與錯(cuò)誤信息報(bào)警、紅外防盜報(bào)警、大功率電器使用報(bào)警以及火災(zāi)報(bào)警等功能。對(duì)各個(gè)模塊電路的硬件方案與原理進(jìn)行了分析，并給出了系統(tǒng)軟件流程圖。

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Design and Implementation of Apartment Safety Control System Based on stm32 MCU

SHI Zhen-jiang
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

stm32 MCU and GSM technology are used to design a monitor and control system to resolve the problem of apartment safety. With this system, the safety information of the apartment rooms is perceived and real-time monitored by multiple sensors, including current sensor, voltage sensor, smoke sensor and infrared security sensor. The system also has the function of ID card identification error alarm function, infrared security alarm function, high power appliance alarm and fire alarm function. It can help to comprehensively monitor and control the safety of the student apartment.

ID card identification infrared security smoke detection

A

1673-1816(2017)03-0058-05

2016-06-18

史振江（1979-），男，漢，河北唐山人，碩士，副教授，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制技術(shù)。

河北省教育廳青年基金項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS的公寓安全智能管理系統(tǒng)的技術(shù)研究。項(xiàng)目編號(hào)：QN2017358