基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭智慧安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鵬 于潤嘉 羅全珍

摘 要：為了解決傳統(tǒng)智能家居安防系統(tǒng)布線復(fù)雜、功能單一、維修困難等問題，設(shè)計(jì)了一種具有室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測、安防報(bào)警等功能的家庭智慧安防系統(tǒng)。系統(tǒng)使用STM32芯片作為主控芯片，利用多種功能傳感器檢測家居環(huán)境，并將檢測到的數(shù)據(jù)送至STM32芯片處理后在液晶顯示屏顯示。當(dāng)系統(tǒng)檢測到傳感器輸出信號異常時(shí)會產(chǎn)生蜂鳴報(bào)警，同時(shí)GPRS模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。為了使用戶能夠在遠(yuǎn)程外網(wǎng)通過PC機(jī)或智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)控住宅狀況，單片機(jī)將收集到的信息通過網(wǎng)關(guān)傳送至YeeLink云平臺以便用戶訪問。室內(nèi)環(huán)境測試分析結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有低成本、高性能、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);STM32;傳感器;安防;云平臺;GPRS

中圖分類號：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)的成功應(yīng)用，使人們的生活更加便捷、高效。個(gè)人家庭住宅的安全成為人們關(guān)注的新興話題，大家不僅滿足于住得舒服，更希望住得安全。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到家庭智慧安防系統(tǒng)當(dāng)中是發(fā)展的必然趨勢。針對目前智能家居安防系統(tǒng)布線復(fù)雜、功能單一、維修困難等問題[1-2]，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭智慧安防系統(tǒng)，通過將嵌入式、傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，為智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。實(shí)踐表明，低成本、低功耗、高性能的特點(diǎn)使得該系統(tǒng)在智能家居安防市場有較大發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主體分為智能家居安防子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)兩部分。智能安防子系統(tǒng)利用多種功能傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測家居溫濕度、空氣質(zhì)量、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，通過STM32單片機(jī)采集、處理傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)送至LCD液晶顯示屏進(jìn)行顯示。當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，STM32單片機(jī)控制GPRS通信模塊將內(nèi)置報(bào)警信息發(fā)送給用戶實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。同時(shí)用戶也可以通過GPRS模塊發(fā)送控制信息，實(shí)現(xiàn)家中智能設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)[3]。為了使用戶能夠在遠(yuǎn)程外網(wǎng)通過PC機(jī)或智能終端實(shí)時(shí)監(jiān)控住宅狀況，STM32單片機(jī)將收集到的信息通過以太網(wǎng)控制模塊W5500搭建的網(wǎng)關(guān)傳送至YeeLink云平臺，以便用戶能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問[4]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

主控芯片核心參數(shù)的選擇決定了系統(tǒng)整體性能的優(yōu)劣。意法半導(dǎo)體公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)是一款易于編程操作且高性價(jià)比的單片機(jī)。由于本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、外設(shè)多，需具備網(wǎng)絡(luò)通信功能等特點(diǎn)，綜合各方面因素考慮，選擇LQFP封裝形式的STM32F103ZET6 芯片作為核心處理器，其工作電壓范圍為2.0～3.6 V，工作溫度范圍為-40～85 ℃。它片內(nèi)集成了豐富的資源，包括512 KB FLASH，64 KB SRAM，3個(gè)12位μs級ADC，測量范圍0～3.6 V，多達(dá)80個(gè)I/O，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級定時(shí)器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等，大大簡化了外圍電路設(shè)計(jì)，有效降低了硬件設(shè)計(jì)成本[5-6]。

2 安防子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境溫濕度檢測模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用包括一個(gè)電阻式測濕元件和一個(gè)NTC測溫元件的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11進(jìn)行環(huán)境溫濕度檢測。設(shè)計(jì)中DHT11通過DATA引腳將溫濕度數(shù)字量信息傳送到STM32單片機(jī)的PA1引腳，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理[7]。DHT11數(shù)據(jù)包長度為5 B，其中濕度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)各占2 B，校驗(yàn)和占1 B。為了避免DHT11傳感器上電后不穩(wěn)定狀態(tài)帶來的測量誤差，STM32單片機(jī)需等待1 s，再向DHT11發(fā)送指令。DHT11通過單總線與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，即僅需一個(gè)I/O口，便可完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出雙向傳輸。DHT11與STM32單片機(jī)之間的連接示意如圖2所示。

2.2 安防報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

安防報(bào)警模塊由振動傳感器、光電傳感器、PM2.5濃度檢測傳感器和煙霧檢測傳感器組成[8]。SW-420振動感應(yīng)器、E18-D80NK光電傳感器的信號是數(shù)字信號，信號輸出端口直接連接到STM32單片機(jī)。YW-51GJ的PM2.5氣敏粉塵傳感器，通過脈沖高度來判斷細(xì)顆粒物濃度。MQ-7氣體傳感器能有效監(jiān)測液化氣、烷類氣體及煙霧等有害氣體，是一款多種氣體檢測傳感器。

SW-420振動傳感器是一種振動傳感元件，其內(nèi)部門電路均是接通狀態(tài)，內(nèi)部活動滾軸的位移或振動會改變內(nèi)部電路的電流和阻值，引起門電路開斷狀態(tài)改變，因此一定程度的移動或振動會觸發(fā)電路。傳感器通過I/O口直接與單片機(jī)連通，當(dāng)振動產(chǎn)生時(shí)輸出端輸出高電平，單片機(jī)接收到高電平觸發(fā)相應(yīng)的程序。

E18-D80NK光電傳感器是集成發(fā)射和接收的光電傳感器。接收頭解調(diào)反射光并用于確定傳感器前面是否存在障礙物。該端口直接輸出高電平和低電平，并且可以在沒有任何驅(qū)動電路的情況下與單片機(jī)通信。

YW-51GJ PM2.5傳感器內(nèi)部由紅外線發(fā)光二極管和光電晶體管組成。當(dāng)細(xì)顆粒物經(jīng)過傳感器內(nèi)部的檢測孔時(shí)，依據(jù)光的散射原理，它會對光線形成散射，感光元件將通過光軸的光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。由于輸出信號十分微弱，需設(shè)計(jì)多級運(yùn)算放大電路，對信號進(jìn)行多級放大并送至STM32單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換后顯示與發(fā)送。設(shè)計(jì)的PM2.5濃度檢測電路如圖3所示。

MQ-7氣體傳感器采用電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料，通過高低溫循環(huán)檢測方式進(jìn)行檢測。傳感器的電導(dǎo)率隨環(huán)境一氧化碳?xì)怏w濃度的增加而增大，電導(dǎo)率的變化被轉(zhuǎn)換為與一氧化碳濃度相對應(yīng)的信號輸出。該信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊變換為數(shù)字信號供單片機(jī)處理。

2.3 GPRS無線通信模塊設(shè)計(jì)

GPRS采用分組交換的方式承載和傳輸語音、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于具有覆蓋面積大、網(wǎng)絡(luò)成熟、成本低等特點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于智能家居監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)的采集與傳輸[9]。

本設(shè)計(jì)采用高性能、高可靠性、接口及外圍電路設(shè)計(jì)簡單的ETPro-101An模塊作為GPRS無線通信模塊。為了實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與單片機(jī)之間的通信，通過MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換[10]。

2.4 以太網(wǎng)控制模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計(jì)采用支持多種通信協(xié)議、高傳輸速率、自帶SPI接口及官方應(yīng)用庫的以太網(wǎng)接口模塊W5500實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。

W5500模塊通過以太網(wǎng)將傳感器測得的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺;用戶能夠在遠(yuǎn)程外網(wǎng)通過PC機(jī)或智能終端實(shí)時(shí)登錄網(wǎng)絡(luò)平臺，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控住宅狀況[11]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于模塊化的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序、各功能子程序及HMI程序。主程序流程如圖4所示，HMI程序流程如圖5所示。

各功能子程序主要包括初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、液晶顯示子程序、GRPS無線通信子程序等。系統(tǒng)加電后，初始化子程序首先對單片機(jī)的I/O口、通用串口、中斷寄存器等進(jìn)行初始化設(shè)置，緊接著對各傳感器、液晶顯示屏及遠(yuǎn)程通信模塊等外圍設(shè)備初始化，使其處于待工作狀態(tài)。

傳感器采集的模擬量通過STM32片內(nèi)12位多通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換;傳感器采集的數(shù)字量依據(jù)采用的通信協(xié)議，按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式完成與STM32芯片之間的數(shù)據(jù)交互。

數(shù)據(jù)讀取和閾值判斷在主程序的while循環(huán)體中進(jìn)行，這樣單片機(jī)可以按照一定周期不斷更新數(shù)據(jù)并不斷監(jiān)測是否滿足報(bào)警條件。

4 系統(tǒng)測試與實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)各部分功能是否正常，對系統(tǒng)進(jìn)行了整體測試。若光照強(qiáng)度不高于30 Lux，則低于程序預(yù)設(shè)閾值，TFT-LCD顯示屏顯示當(dāng)前測量數(shù)值并提示用戶開啟燈光，如圖6所示;HMI程序跳轉(zhuǎn)至頂燈控制界面，用戶可以直接通過操作屏幕控制室內(nèi)測試環(huán)境中的燈光，如圖7所示。

當(dāng)感知到障礙物且振動傳感器數(shù)值變化范圍大于程序閾值時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入入侵報(bào)警程序[12]。通過串口編號可判斷出發(fā)生室內(nèi)入侵的位置。報(bào)警信息和入侵狀況通過LCD屏幕以可視化方式告知用戶，如圖8所示，用戶需在HMI屏幕確認(rèn)，如圖9所示。若30 s未進(jìn)行操作，單片機(jī)向通信模塊發(fā)送指令，將相應(yīng)的入侵報(bào)警信息以短信方式發(fā)送到安保組織。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)將STM32單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、以太網(wǎng)技術(shù)搭配實(shí)現(xiàn)了一種家庭智慧安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有溫濕度檢測、入侵檢測、顆粒物濃度檢測、有害氣體檢測等功能，可通過移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行短信報(bào)警，通過以太網(wǎng)與云端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。選擇室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能、穩(wěn)定性好的智能家居安防系統(tǒng)的構(gòu)建。

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