基于Arduino家居安防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：采用技術(shù)成熟且網(wǎng)絡(luò)覆蓋領(lǐng)域廣的GSM技術(shù)，結(jié)合Arduino單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一款可兼顧實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、室外遠(yuǎn)程報(bào)警功能的家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)居家盜竊、煤氣泄漏、煙霧濃度異常等進(jìn)行識(shí)別并報(bào)警。采用Arduino為系統(tǒng)核心，GSM無(wú)線通信模塊，結(jié)合傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體和有害氣體煙霧、煤氣等的監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞：Arduino;GSM;家居安防

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人們生活水平的提高，人們追求更高品質(zhì)的生活。在生活節(jié)奏比較快的今天，人們?cè)诩揖由细矚g智能化、人性化，都渴望擁有舒適安全智能的居住環(huán)境[1]。家居生活因?yàn)橹悄芗揖拥某霈F(xiàn)，變得更富有智慧。將環(huán)境參數(shù)檢測(cè)傳感器同開(kāi)源電子平臺(tái)相結(jié)合，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)，可滿足智能家居的環(huán)境檢測(cè)需求。Arduino作為一款開(kāi)源平臺(tái)，具有易學(xué)易用、低成本、開(kāi)放性高等多種優(yōu)勢(shì)。何建華[2]基于Arduino設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智能環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。張秋波[3]結(jié)合Arduino技術(shù)與WiFi無(wú)線模塊相連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制家居電器的開(kāi)關(guān)控制。吳思楠[4]以Arduino控制器為核心，通過(guò)光照、外圍溫濕度、可燃?xì)獾葌鞲衅鹘M合系統(tǒng)采集家居環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)手機(jī)端對(duì)家居的實(shí)時(shí)監(jiān)控。朱晨[5]基于低能耗、便操作的設(shè)計(jì)理念，搭建基于Arduino Mega 2560的智能家居控制系統(tǒng)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)智能安防系統(tǒng)、智能家電控制系統(tǒng)更趨于利用Arduino易擴(kuò)展、低成本、使用靈活的優(yōu)勢(shì)，并在實(shí)際的家居領(lǐng)域進(jìn)行探索。結(jié)合家居安防的舒適安全智能化要求，本設(shè)計(jì)采用技術(shù)成熟且網(wǎng)絡(luò)覆蓋領(lǐng)域廣的GSM技術(shù)，結(jié)合Arduino單片機(jī)技術(shù)探究Arduino技術(shù)在家居安防中的實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)智能家居進(jìn)一步發(fā)展。

1 總體設(shè)計(jì)方案

家居報(bào)警系統(tǒng)包含居家參數(shù)檢測(cè)功能、雙重報(bào)警功能、居家環(huán)境參數(shù)顯示功能、狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置功能等4個(gè)方面。以及Arduino和GSM為核心的家居安防報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能，系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1。

1.1 煙霧檢測(cè)模塊

煙霧檢測(cè)模塊采用MQ-2煙霧檢測(cè)和MQ-5煤氣檢測(cè)模塊組合而成。MQ-2是氣敏式煙霧傳感器，是常用家庭的氣體泄漏裝置，其作用是將采集到的煙霧信號(hào)發(fā)送到Arduino上讓其分析判斷。MQ-5是煤氣傳感器，其作用是將采集到的煤氣信號(hào)發(fā)送到Arduino上讓其分析判斷。MQ系列對(duì)可燃?xì)怏w與其電導(dǎo)率之間的關(guān)系，RS/Ro在MQ煙霧傳感器靈敏度圖中表示的是在氫氣濃度為10000ppm時(shí)的RO電阻與實(shí)時(shí)電阻RS的比值，可燃?xì)怏w濃度越濃，傳感器的實(shí)時(shí)阻值會(huì)發(fā)生變化，實(shí)時(shí)減小，通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路后，將阻值的變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)與煙霧濃度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)后，單片機(jī)進(jìn)行采集實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

1.2 人體檢測(cè)模塊

熱釋電紅外傳感器本身不發(fā)任何類(lèi)型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價(jià)格低廉。主要由多個(gè)元件組成，其中包括電晶體、硅窗口、引腳等。在頂端增加帶有濾光功能的鏡片，可以隔斷光線的干擾。人體輻射的紅外線波長(zhǎng)約為10μm，而防盜報(bào)警系統(tǒng)中的傳感器過(guò)濾片厚度為8-14μm。在波長(zhǎng)的檢測(cè)范圍內(nèi)，熱釋電紅外傳感器可以檢測(cè)到人體的輻射。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單機(jī)片控制電路

Arduino是一款以AVR單片機(jī)為核心的高集成、積木式的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Arduino能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制馬達(dá)、燈光和其他的裝置來(lái)反饋和影響環(huán)境。本設(shè)計(jì)中檢測(cè)家居溫濕度模塊，通過(guò)直接調(diào)用DHT11庫(kù)文件，只需要對(duì)Arduino的某一個(gè)引腳用來(lái)接受溫度數(shù)據(jù)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的直接讀取，非常簡(jiǎn)單方便。Arduino通過(guò)外部結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并通過(guò)GSM與手機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 LCD電路設(shè)計(jì)

LCD1602液晶屏是用于溫度、煙霧和人體等三個(gè)檢測(cè)傳感器的顯示。Arduino單片機(jī)的2到9的8個(gè)引腳和LCD的數(shù)據(jù)口B0到B7進(jìn)行連接，將檢測(cè)數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到LCD1602液晶屏顯示。Arduino單片機(jī)的10到12三個(gè)引腳與RS、RW以及EN使能引腳連接，按照數(shù)據(jù)傳送時(shí)序?qū)CD控制，實(shí)現(xiàn)顯示功能，同時(shí)VO引腳串接一個(gè)阻值為2K點(diǎn)陣上拉后，對(duì)液晶的顯示亮度進(jìn)行控制。

2.3 報(bào)警電路

如果傳感器檢測(cè)到某個(gè)參數(shù)有異常，實(shí)現(xiàn)的功能是檢測(cè)到有異常后在室內(nèi)通過(guò)聲音和燈光閃爍的形式報(bào)警提示有異常狀況發(fā)生。煙霧濃度異常、溫度異常亦或人體檢測(cè)異常時(shí)，輸出低電平使驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，有源蜂鳴器發(fā)出聲音，LED也會(huì)跟隨一起閃爍。

2.4 煙霧和煤氣檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

煙霧和煤氣檢測(cè)都是用的MQ系列傳感器，檢測(cè)原理和電路一樣。最為核心的為處于2腳和5腳之間相連接的一根電阻絲，在不同類(lèi)型氣體以及濃度值作用下，半導(dǎo)體材料構(gòu)成的電阻值會(huì)發(fā)生改變來(lái)輸出與濃度值對(duì)應(yīng)的電壓。

本設(shè)計(jì)采用一款在Arduino自帶AD模塊，直接讀取煙霧模擬電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)廚房煤氣數(shù)據(jù)讀取，采用A3模擬引腳一根單片機(jī)引腳線即可實(shí)現(xiàn)，對(duì)于節(jié)省引腳資源也意義重大。

D采樣值=V輸出電壓值5×（210-1）

2.5 人體檢測(cè)電路

選擇的熱釋電人體檢測(cè)電路，其內(nèi)部的感應(yīng)模塊感應(yīng)到有人后，輸出一個(gè)3.3到5V的電壓。當(dāng)沒(méi)有人移動(dòng)的時(shí)候，輸出為0V，讀取對(duì)應(yīng)引腳的狀態(tài)就可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)盜竊是否異常進(jìn)行判斷。

2.6 GSM無(wú)線電路

選擇的GSMSIM800C無(wú)線模塊，Arduinod單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)集后，在內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷有異常時(shí)，通過(guò)GSM的電話卡直接發(fā)送短信手到機(jī)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線報(bào)警功能。Arduino單片機(jī)的串口發(fā)送TXD引腳與SIM800C的RXD接收引腳連接，Arduino單片機(jī)的串口接收引腳RXD與SIM800C的TXD發(fā)送引腳連接，通過(guò)串口對(duì)SIM800進(jìn)行發(fā)送指令以及接受指令控制，SIM800通過(guò)內(nèi)部設(shè)置好的電話卡進(jìn)行短信發(fā)送和接受。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)中主要包括系統(tǒng)運(yùn)行的控制主程序以及調(diào)用的其他子程序，防火防盜上電后，主程序開(kāi)始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)引腳，顯示參數(shù)，報(bào)警界限值進(jìn)行初始化等功能，然后循環(huán)進(jìn)行執(zhí)行掃描按鍵程序，調(diào)用顯示程序，檢測(cè)參數(shù)數(shù)值是否異常程序，如圖2。

先進(jìn)行初始化操作，主要時(shí)單片機(jī)引腳、設(shè)備和相關(guān)參數(shù)的初始化，設(shè)置初始煙霧報(bào)警界限值，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入單片機(jī)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中，設(shè)置GSM短信電話號(hào)碼，對(duì)其分配變量名稱(chēng)后，按照順序存在對(duì)應(yīng)的寄存器中。初始化完成后，根據(jù)讀取的按鍵值對(duì)寄存器內(nèi)部初始化存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)修改。實(shí)時(shí)讀取檢測(cè)火災(zāi)的煙霧和溫度數(shù)值以及與熱釋電連接的引腳狀態(tài)，對(duì)家庭火災(zāi)和盜竊異常狀況進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到三個(gè)參數(shù)中的最少一個(gè)發(fā)生異常就進(jìn)行報(bào)警。

3.2 顯示子程序設(shè)計(jì)

LCD1602顯示的主要控制原理就是根據(jù)圖3的讀寫(xiě)時(shí)序，三個(gè)控制RS和RW以及EN的引腳按照時(shí)序圖控制后，8個(gè)數(shù)據(jù)引腳完成對(duì)顯示數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)時(shí)顯示三個(gè)檢測(cè)參數(shù)值以及設(shè)定值，如圖4。

3.3 無(wú)線報(bào)警設(shè)計(jì)

無(wú)線報(bào)警主要是以串口中斷的形式進(jìn)行控制的，當(dāng)煙霧傳感器、溫度傳感器以及人體傳感器檢測(cè)到有異常之后，Arduino單片機(jī)將發(fā)送標(biāo)志位置1，給GSM發(fā)送一個(gè)指令，調(diào)取在內(nèi)存中設(shè)置好的電話號(hào)碼和短信內(nèi)容后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)應(yīng)電話號(hào)碼的手機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線提醒功能，見(jiàn)圖5。

4 系統(tǒng)測(cè)試

接通電源給系統(tǒng)上電，GSM模塊得電后會(huì)有一個(gè)閃爍，LCD會(huì)顯示初始化過(guò)后的值。測(cè)試火災(zāi)檢測(cè)報(bào)警功能，采用打火機(jī)對(duì)溫度傳感器加熱，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)燃紙片等增加煙霧濃度，液晶顯示屏顯示的溫度和煙霧數(shù)值上升，如果超過(guò)界限則進(jìn)行報(bào)警。測(cè)試盜竊檢測(cè)報(bào)警，按下布防按鍵，人體接近的時(shí)候，LCD會(huì)顯示有人以及進(jìn)行報(bào)警。

對(duì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)檢測(cè)到的煙霧傳感器、溫度傳感器以及熱釋電傳感器的數(shù)值，對(duì)火災(zāi)和盜竊進(jìn)行判斷。通過(guò)聲音、LED燈以及GSM的工作情況，還有傳感器工作靈敏度，系統(tǒng)工作可靠性等。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)Arduino、傳感器模塊、GSM等系統(tǒng)部件的組裝調(diào)試，本系統(tǒng)可達(dá)到室內(nèi)煙霧報(bào)警、煤氣泄漏報(bào)警和防盜的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃利紅.基于Arduino的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（12）：161+163.

[2]何建華，吳燕峰.基于Arduino的智能環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].信息與電腦（理論版），2019，31（24）：64-65.

[3]張秋波.基于Android手機(jī)和WiFi的網(wǎng)絡(luò)定時(shí)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)，2015.

[4]吳思楠.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].揚(yáng)州大學(xué)，2016.

[5]朱晨.基于Arduino Mega 2560的智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[D].武漢郵電科學(xué)研究院，2018.

基金項(xiàng)目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（基于Android的嵌入式智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：KY2015LX480）;廣西高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201711838128）

作者簡(jiǎn)介：鄧忠惠（1980-），男，廣西橫縣人，本科，講師，嵌入式與智能控制。