基于STM32的家居安防系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳萬疆

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城，224000）

旨在更全面、更有效地滿足廣大居民的高品質(zhì)住宅需求，人們提出了智能家居的概念，它將家用電器、安防等相關(guān)設(shè)備靈活合理地集中裝配，利用用戶操作平臺的方式實現(xiàn)對各類家電設(shè)備的實時化、精準(zhǔn)化控制，由此滿足居民的安保需求。隨著安防系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用，人們即便外出也無需擔(dān)心家中的環(huán)境狀況，可直接通過此系統(tǒng)實時了解家用設(shè)備的運行情況，具有完善的檢測功能和報警功能，用戶能夠?qū)矣迷O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本文擬通過嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建成熟嚴(yán)謹(jǐn)且具有良好操作性的智能加劇系統(tǒng)，依托先進(jìn)強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文在綜合考慮功能要求、性能目標(biāo)等因素之后決定選用STM32芯，將其確立為本系統(tǒng)核心控制芯片，通過各類傳感器實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時化、精準(zhǔn)化、持續(xù)化監(jiān)測，采集到的數(shù)據(jù)會實時高效地傳輸至核心控制芯片并按照預(yù)先設(shè)定的流程做進(jìn)一步處理，由此得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果會清晰直觀地展現(xiàn)于顯示屏上，若采集到的數(shù)據(jù)存在異常，那么蜂鳴器就會運行，通過鳴叫的方式通知用戶，以此實現(xiàn)報警功能，GSM無線報警模塊能夠?qū)缶绦趴焖侔l(fā)送到用戶手機(jī)上?？刂菩酒诼?lián)網(wǎng)的情況下能夠?qū)⑵浣邮盏降男畔⒈憬莞咝У貍鬏數(shù)統(tǒng)eelink云平臺上，此時，用戶即可聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控其家居環(huán)境。關(guān)于系統(tǒng)整體需求分析如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體需求分析

為確保本次設(shè)計的系統(tǒng)良好地滿足用戶應(yīng)用需求，本文初步確定了系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)，具體可見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)體系

(1)環(huán)境監(jiān)測：通過包括紅外線傳感器在內(nèi)等一系列相關(guān)傳感器實現(xiàn)對家中環(huán)境情況的動態(tài)化、實時化、持續(xù)化監(jiān)測。若發(fā)現(xiàn)陌生人進(jìn)入，抑或是煙霧成分超出閾值等，傳感器就會將其采集到的數(shù)據(jù)信息傳送至ADC轉(zhuǎn)換處理，由此獲得能夠被系統(tǒng)辨識的數(shù)值信號，其中，“1”、“0”的主要功能是調(diào)節(jié)輸出電平狀態(tài)，即“高”、“低”，其相應(yīng)的操作分別是“是”和“否”，傳輸?shù)娇刂破鞑⑿纬上鄳?yīng)的動作指令。狀態(tài)顯示和報警：傳感器采集到的一系列數(shù)據(jù)能夠直接清晰直觀地展示在TFT-LCD液晶屏上。如果發(fā)現(xiàn)異常，其數(shù)字信號會驅(qū)動蜂鳴器運作，向用戶發(fā)出警報。無線報警：如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常，會利用GSM模塊向用戶手機(jī)傳輸短信，促其在獲悉具體情況后采取有效措施妥善處理內(nèi)部險情。

(2)無論是無線數(shù)據(jù)傳輸，還是人機(jī)交互，都能夠通過成熟強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器檢測到的各類數(shù)據(jù)信息快速精準(zhǔn)地傳輸至云平臺進(jìn)行存儲，同時根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新，用戶能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控住宅環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

■2.1 核心傳感器模塊

(1)HC-SR501

本文在綜合考慮各方面因素之后決定采用熱釋電紅外傳感器HC-SR501，它主要包括熱釋電探測元、濾光片等。其中，熱釋電探測元尤為重要，它輸出的電流信號比較微弱，唯有在進(jìn)行放大處理后方可被系統(tǒng)辨識和讀取。關(guān)于前置放大器電路可見圖3。

圖3 前置放大器電路

人體紅外模塊含有三個引腳VCC（接高電平）、GND（接地）、OUT（信號輸出）。其輸出的主要功能是描述有無人在進(jìn)行活動，因此，只存在兩種信號，分別是高、低電平。若元件監(jiān)測區(qū)域內(nèi)存在人體活動的情況，模塊會上輸出高電平信號，以此進(jìn)行報警。若未監(jiān)測到有人走動，輸出0V信號，此時不會觸動報警機(jī)制。

(2)DS18B20

關(guān)于DS18B20的測溫機(jī)制可見圖4，需要注意的是，此圖隱含計數(shù)門，在其呈打開狀時，DS18B20會自動計數(shù)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖，由此實現(xiàn)對溫度的實時精準(zhǔn)測定。

圖4 DS18B20的測溫原理

關(guān)于溫度傳感模塊，本設(shè)計在綜合考慮各方面因素之后決定選取外接電源的形式，此舉既能夠保證模塊穩(wěn)定持續(xù)地獲得VDD供電，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換精準(zhǔn)性，從而使得DS18B20保持良好的運行狀態(tài)。關(guān)于外接電源電路可見圖5。

圖5 外接電源方式電氣圖

(3)MQ-2

MQ-2傳感器可以將包括酒精等在內(nèi)的多種化學(xué)物質(zhì)的一系列特性（比如濃度等）變化準(zhǔn)確快速地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，一般由接收器、換能器構(gòu)成。在此設(shè)計中，煙霧檢測傳感器的功能是實時精準(zhǔn)地監(jiān)測住宅內(nèi)可燃?xì)怏w是否存在安全隱患，無需識別氣體的類別，也不要測定煙霧濃度，確保各相關(guān)數(shù)值未超過閾值即可。鑒于此，本設(shè)計決定采用布爾型的輸出信號，關(guān)于 MQ-2電路原理可見圖6。

圖6 MQ-2電路原理圖

■2.2 其他外設(shè)模塊

(1)GSM

如果溫度等重要檢測對象的數(shù)值超出預(yù)設(shè)的閾值，抑或是在監(jiān)測到特定區(qū)域內(nèi)有人員活動，那么單片機(jī)會馬上啟動并運行SIM900A為用戶發(fā)送短信。兩者之間通過UART串口保持穩(wěn)定可靠的通信關(guān)系。數(shù)據(jù)傳輸過程中會運用到AT指令集。能夠通過AT指令直接控制SIM900A模塊，以此完成一系列具體操作，比如定義校驗位等。

(2)TFT-LCD

本設(shè)計選取的STM32F103RCT6芯片，提供了2.4/2.8寸LCD接口，用戶能夠直接觸屏操作，TFT_LCD液晶顯示屏能夠和單片機(jī)連接。該顯示屏既能夠準(zhǔn)確清晰的顯示文本信息，也可以實時高效地顯示圖像，而這即導(dǎo)致會產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)流量，所以應(yīng)選用并口接口的方式。液晶屏封裝后為17×2排針引腳。

(3)BEEP

傳感器將其采集到的異常數(shù)據(jù)傳輸至芯片作進(jìn)一步處理的過程中，單片機(jī)能夠根據(jù)對已接收數(shù)據(jù)信息的處理和分析結(jié)果，為蜂鳴器傳輸相應(yīng)的電平信號，三極管接地，隨著電流的流經(jīng)，蜂鳴器啟動并進(jìn)行鳴叫，若I/O口輸入為低電平，那么三極管無法導(dǎo)通，此時，蜂鳴器終止運行，不會鳴叫。

(4)W5500

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計方面，最關(guān)鍵的是實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定連接。本文采用的下位機(jī)環(huán)境檢測系統(tǒng)需在網(wǎng)線、W5500的支持下接入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)線一端以W5500為紐帶和單片機(jī)連接，另一端則利用路由器接入網(wǎng)絡(luò)。

■2.3 J-LINK仿真器

該設(shè)備是由SEGGER企業(yè)研發(fā)出來的，它最突出的特征是即插即用，下載速度非常快，它適用于M3-Cortex內(nèi)核單片機(jī)的仿真，也能夠良好地兼容KEIL編譯軟件，既不會出現(xiàn)遺失信息的情況，也能夠和各種相關(guān)硬件設(shè)備之間進(jìn)行穩(wěn)定便捷的連接，軟件操作比較流暢，特別適合STM32單片機(jī)。J-LINK通過電腦USB進(jìn)行供電，電壓比較低，一般在1.2V~3.3V之間，某些情況下是5V，供電電流必須低于300mA，整機(jī)電流亦必須保持在50mA范圍以內(nèi)。工作環(huán)境溫度大約為5°C~60°C等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 環(huán)境監(jiān)測與無線報警模塊

環(huán)境檢測內(nèi)容主要有三項：一是通過HC-SR501人體紅外檢測傳感器實時精準(zhǔn)地監(jiān)測住宅區(qū)域內(nèi)是否存在陌生人進(jìn)入的情況；二是通過DS18B20溫度傳感器對住宅內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行動態(tài)化、精準(zhǔn)化、持續(xù)化監(jiān)測；三是通過MQ-2煙霧檢測傳感器對家居環(huán)境中的空氣進(jìn)行實時精準(zhǔn)地檢測，著重檢測其內(nèi)部是否存在濃度超標(biāo)的可燃?xì)怏w，抑或是由于火災(zāi)的發(fā)生而形成的煙霧。若上述傳感器在運行過程中采集到異常數(shù)據(jù)，會馬上傳輸高電平信號，啟動蜂鳴器并觸動報警機(jī)制，以發(fā)出鳴叫的形式提醒用戶，不僅如此，還會為用戶發(fā)送報警短信，促進(jìn)用戶及時全面地了解家居環(huán)境的具體情況，快速采取有效措施進(jìn)行妥善處理。其程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

圖7 環(huán)境監(jiān)測與無線報警系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

(1)HC-SR501模塊

該模塊將PC5引腳定義為數(shù)據(jù)通信引腳，對其進(jìn)行初始化處理。將工作模式調(diào)整為帶上拉輸入，在無輸入的情況下，PC5口的輸出維持原狀，不會出現(xiàn)任何變化。將引腳速度定義為50MHz，且復(fù)位為低電平。在傳感器啟動并保持穩(wěn)定良好的運行狀態(tài)時，利用infrared_read（）函數(shù)精準(zhǔn)快速地讀取PC5的狀態(tài)輸入，若監(jiān)測到陌生人進(jìn)入，則馬上輸出“1”高電平，此信號在進(jìn)行一系列處理后傳輸至報警模塊，以此馬上發(fā)出警報。

(2)DS18B20模塊

該模塊在通電后保持休眠模式，此時，唯有單片機(jī)下達(dá)指令方可切換此模式。單片機(jī)接收到溫度數(shù)據(jù)后，應(yīng)向DS18B20模塊傳輸“01000100”數(shù)據(jù)，以此令該模塊由當(dāng)前的休眠模式迅速切換至工作模式，在單片機(jī)接收信息的過程中，DQ線的電平被拉低，待15μs后，對此線的電平狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確快速地判定。在采樣的時間窗口內(nèi)，若總線為高電平，主機(jī)會向DS18B20寫入1，若為低電平，主機(jī)寫入0。此時即實現(xiàn)了對bit位的成功傳輸。

(3)MQ-2模塊

該模塊將PC4定義為數(shù)據(jù)傳輸引腳，令其和傳感器的DO口相連接。PC4引腳在進(jìn)行初始化處理后，引腳復(fù)位，利用smoke_read()函數(shù)對其當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行實時精準(zhǔn)的判定。利用調(diào)節(jié)器完成對濃度閾值的合理定義，如果家居環(huán)境內(nèi)的可燃?xì)怏w等含量低于預(yù)設(shè)閾值，那么DO口呈高電平；反之，則保持低電平狀態(tài)，同時，會利用PC4將其檢測到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)教幚砥髯鬟M(jìn)一步處理和分析。

(4)BEEP模塊蜂鳴器模塊

將PA8引腳定義為數(shù)據(jù)通訊口，通過GPIOA的時鐘對此引腳進(jìn)行初始化處理，若檢測到異常數(shù)據(jù)，需啟動報警機(jī)制時，可利用beep_set()函數(shù)調(diào)整PA8口狀態(tài)，由此實現(xiàn)對蜂鳴器運行狀態(tài)的有效調(diào)控。

(5)GSM模塊

此模塊和蜂鳴器協(xié)同運行，可將它們進(jìn)行整合，使得蜂鳴報警與短信報警的功能同步實現(xiàn)。利用if函數(shù)對傳感器的當(dāng)前運行狀態(tài)進(jìn)行實時精準(zhǔn)地監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)異常，則馬上運行此模塊。

■3.2 TFT_LCD顯示模塊

關(guān)于顯示模塊的程序設(shè)計流程可見圖8。在程序啟動后，系統(tǒng)會自動檢測內(nèi)部模塊運行狀態(tài)，如果均保持穩(wěn)定良好的運行狀態(tài)，顯示屏?xí)逦庇^地顯示當(dāng)前溫度值，若溫度值在預(yù)設(shè)的閾值范圍以內(nèi)，進(jìn)度條顯示為綠色，若超出預(yù)設(shè)值，則變?yōu)榧t色，同時會觸動報警機(jī)制。若系統(tǒng)監(jiān)測到有的模塊未保持穩(wěn)定良好的運行狀態(tài)，那么會運行上述判斷程序，直至每一個模塊穩(wěn)定可靠地運行。

圖8 顯示模塊程序設(shè)計流程圖

■3.3 W5500以太網(wǎng)控制模塊

該模塊利用W5500將檢測到的數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議快速精準(zhǔn)地傳輸至yeelink服務(wù)器。用戶能夠直接利用云平臺接收并查詢其傳輸過來的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行調(diào)試時，能夠通過計算機(jī)了解服務(wù)器的回傳情況。通過網(wǎng)線連接路由器與W5500模塊，選擇路由器的主要原因是它能夠根據(jù)接收到的信息智能分配IP地址，操作便捷。

4 結(jié)束語

此次設(shè)計的智能家居安防系統(tǒng)優(yōu)勢比較突出，不僅投入少、功耗低，并且性能可靠，可實現(xiàn)對住宅環(huán)境內(nèi)的人員出入、煙霧濃度等精準(zhǔn)實施的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可立即啟動報警機(jī)制，為用戶發(fā)送短信，促其盡快采取有效手段妥善處理各種問題。不僅如此，用戶還能夠?qū)揖釉O(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。軟件設(shè)計方面，采用了當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的KEIL5編譯環(huán)境，以流程圖的方式客觀準(zhǔn)確地展示程序框架，同時對主要程序進(jìn)行了逐一介紹。硬件設(shè)計方面，主要對外設(shè)參數(shù)、電路原理等進(jìn)行了細(xì)致全面地論述。