基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李悅

（昆山花橋國(guó)際商務(wù)城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇昆山，215300）

0 引言

從20 世紀(jì)末，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)智能家居的研究就逐漸地發(fā)展起來(lái)，多家公司致力于研究智能家居系統(tǒng)[1]，到如今，智能家居在生活中已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用。智能家居安防系統(tǒng)也經(jīng)過(guò)不斷地改善，技術(shù)也逐漸趨于成熟，在給人們帶去便利的同時(shí)，安全性能也進(jìn)一步的提高，極大地保障了用戶在日常生活中的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能家居安防系統(tǒng)需要在有突發(fā)情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行及時(shí)的識(shí)別和報(bào)警以期將損失降到最低。智能家居安防系統(tǒng)有信號(hào)檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊和警報(bào)模塊無(wú)線通信等組成[2]，功能主要包括預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，預(yù)防煤氣等可燃?xì)怏w的泄露，預(yù)防入室搶劫盜竊等。通過(guò)安裝在用戶家中的主要是由各種傳感器組成家庭數(shù)據(jù)采集終端[3]，采用有線和無(wú)線相結(jié)合的方法傳入控制中心進(jìn)行處理和判斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)是否處在正常范圍內(nèi)，是否有危險(xiǎn)事件的發(fā)生。當(dāng)指標(biāo)滿足報(bào)警條件時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線通信模塊盡快地通知用戶有危險(xiǎn)事件的發(fā)生，進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智能家居安防系統(tǒng)組成框圖

其中左側(cè)的煙霧傳感器，以及兩種檢測(cè)不同波的長(zhǎng)紅外光的紅外傳感器(分別檢測(cè)人體輻射出的紅外光和明火輻射出的紅外光，二者波長(zhǎng)有很大不同)共同組成安防系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)部分[4]。STC51 單片機(jī)是信號(hào)處理分析模塊，以預(yù)先設(shè)置了三種信號(hào)的正常范圍值，當(dāng)輸入信號(hào)一旦超過(guò)正常范圍，則代表危險(xiǎn)事件的發(fā)生，單片機(jī)通過(guò)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。SIM900 通信用于發(fā)送信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)硬件模塊

本文提及的智能家居安防系統(tǒng)，是基于發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的，以多種不同的傳感器為基礎(chǔ)搭起的硬件網(wǎng)絡(luò)，整體的系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，不易發(fā)生誤檢，使用的器件也較為常見(jiàn)，很多地方都可以買到，運(yùn)行可靠成本低廉，控制中心使用的是電路設(shè)計(jì)中常用的STC51 單片機(jī)，在通信模塊中使用的是SIM900A。

2.1.1 煙霧傳感器

煙霧傳感器檢測(cè)煙霧濃度的原理是利用氣敏電阻的電導(dǎo)率隨氣體濃度的變化而變化，從而導(dǎo)致電路種電流的變化，即通過(guò)電路種電流的變化來(lái)表示氣體濃度的變化。即使是低濃度的煤氣泄漏都會(huì)造成嚴(yán)重的危害，所以在智能家居安防系統(tǒng)中使用的煙霧傳感器需要具有較高的性能，對(duì)需要檢測(cè)和預(yù)防的氣體濃度的變化可以做出迅速且準(zhǔn)確的反應(yīng)，再此基礎(chǔ)上我們選擇成本較低的MQ-2 煙霧傳感器。該煙霧傳感器，可以用來(lái)檢測(cè)許多日常生活或工業(yè)生產(chǎn)中，在當(dāng)下的應(yīng)用非常廣泛。MQ-2 煙霧傳感器有兩種有由不同電子元器件實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，本文采用的煙霧傳感器的基于比較器的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的[5]。MQ-2 煙霧傳感器的4 號(hào)腳管所連接的電路中的氣敏電阻的阻值會(huì)隨著煙霧的濃度變化，從而產(chǎn)生變化的直流信號(hào)，后通過(guò)電路傳輸?shù)诫妷旱谋容^器的2 號(hào)管腳中，與預(yù)先設(shè)置好的電壓值進(jìn)行比用戶可以通過(guò)改變滑線變阻器的滑動(dòng)頭來(lái)改變這一電壓值。當(dāng)煙霧的濃度較高導(dǎo)致電路中的電流過(guò)大，大于提前設(shè)定的值，此時(shí)比較器的輸出是0V，電路是完整的，是一個(gè)通的電路，這個(gè)時(shí)候接通含LED 燈的電路，進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)電流小于提前設(shè)定好的數(shù)值時(shí)，比較器的輸出非0，LED 燈產(chǎn)生截?cái)啵什粫?huì)發(fā)光。MQ-2 煙霧傳感器的靈敏度的調(diào)節(jié)是通過(guò)設(shè)定比較器1 號(hào)管腳的電壓實(shí)現(xiàn)的，閾值電壓越低，則傳感器的靈敏度越高，閾值電壓越高，則煙霧傳感器的靈敏度越低，隨室內(nèi)氣體變化的變化越不明顯。

2.1.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

對(duì)于明火的檢測(cè)，我們使用有紅外光敏電阻構(gòu)成的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)。火焰檢測(cè)器的核心是火焰接收管，火焰接收管主要是通過(guò)二極管在電路中的特性實(shí)現(xiàn)的，最核心的是PN結(jié)，正向流通的時(shí)候電阻的值特別小，和導(dǎo)線的電阻差不多，反向的時(shí)候，電阻又特別的大，就導(dǎo)致電路不通了，是一種對(duì)光照敏感的二極管的一種，當(dāng)光照處在一個(gè)中間范圍，不過(guò)大也不過(guò)小的時(shí)候，電阻的阻值也跟光照的大小近似的成正比例。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)探測(cè)的紅外線與光敏電阻所成角度為60°時(shí)，該傳感器對(duì)火焰光譜是最為靈敏的。當(dāng)有紅外光輸入時(shí)，光敏電阻把光照的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換電阻阻值的大小，然后再進(jìn)一步的變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，通過(guò)一個(gè)最簡(jiǎn)單的比較器輸出一個(gè)反映光照強(qiáng)度大小的數(shù)值，信號(hào)的波形的特征也可以被比較容易的觀察到。

2.1.3 紅外傳感器

紅外傳感器用于對(duì)入室盜竊事件的監(jiān)控，本文選用HCSR501 人體感應(yīng)紅外傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于該紅外傳感器本身的能耗較低，器件的溫度較低，故不會(huì)向外輻射能量，不會(huì)因?yàn)樽陨戆l(fā)熱對(duì)檢測(cè)造成干擾，與此同時(shí)，該紅外傳感器僅對(duì)人體發(fā)出的特定波長(zhǎng)的紅外線敏感，這就使得該紅外傳感器有較高的穩(wěn)定性。模塊有L 和H 兩種模式，其中L 為不可重復(fù)，H 為可重復(fù)。我們將其設(shè)置為H，當(dāng)傳感器感應(yīng)到輸出的是高電平后，在其保持穩(wěn)定狀態(tài)開始監(jiān)測(cè)后，在檢測(cè)范圍內(nèi)，一旦檢測(cè)到有人體活動(dòng)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外光時(shí)，紅外傳感器的輸出會(huì)變?yōu)楦唠娖剑钡綑z測(cè)區(qū)域的人離開后，傳感器檢測(cè)不到特定波長(zhǎng)的紅外光后，整個(gè)電路的輸出才會(huì)變?yōu)榈碗娖?。?dāng)感應(yīng)模塊監(jiān)測(cè)到人發(fā)出的紅外光后的檢測(cè)到人體活動(dòng)后就會(huì)自行迭代到下一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次檢測(cè)到紅外光的時(shí)刻為下一個(gè)延時(shí)時(shí)間的初始點(diǎn)。

2.1.4 無(wú)線通信模塊

當(dāng)危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)，為了能夠及時(shí)通知用戶，在無(wú)線通信模塊，我們選用SIM900A 模塊。SIM900A 是一個(gè)物理體積比較小的GSM模塊，采用ARM926EJ-S 架構(gòu)，擁有高性能，是比較完善并且成熟的通信系統(tǒng)[6]，可以進(jìn)行短消息、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳送等。模塊的硬件使用的是高效開關(guān)電源優(yōu)化，可以使用串口調(diào)試助手對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。

2.1.5 單片機(jī)控制模塊

STC51 單片機(jī)作為控制模塊，具有及時(shí)地計(jì)算和輸出能力。在本文中我們選用與51 單片機(jī)有相同內(nèi)核的STC89C52 單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居安防系統(tǒng)整體的控制。STC89C52 支持兩種模式。單片機(jī)根據(jù)煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⑷梭w紅外傳感器這三個(gè)傳感器檢測(cè)外部環(huán)境的變化，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)值時(shí)，判斷發(fā)生了危險(xiǎn)事件，啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并顯示異常數(shù)值。同時(shí)通過(guò)串口P3.0，P3.1 連接的遠(yuǎn)程通信模塊，通過(guò)發(fā)送短信或語(yǔ)音的形式來(lái)提醒用戶家中發(fā)現(xiàn)了危險(xiǎn)事件。本文使用的51 單片機(jī)的P1.1，P1.2管腳連接氣敏傳感器，用來(lái)檢測(cè)室內(nèi)煙霧情況，其中P1.2輸入的是電信號(hào)，可以準(zhǔn)確地測(cè)定煙霧的濃度。單片機(jī)的P1.4 管腳連接的是紅外光傳感器，監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境內(nèi)是否有火焰產(chǎn)生的特點(diǎn)的波長(zhǎng)的紅外光出現(xiàn)，如果室內(nèi)發(fā)生了火災(zāi)，則氣敏傳感器和紅外光傳感器都會(huì)檢測(cè)到異常的數(shù)據(jù)，這樣的話，我們就可以判斷室內(nèi)確實(shí)發(fā)生了火災(zāi)。P1.5 連接紅外傳感器，檢測(cè)是否由入室盜竊事件的發(fā)生。完整的控制電路及接口如圖2 所示。

圖2 控制及接口電路

■2.2 系統(tǒng)軟件

智能家居安防系統(tǒng)軟件架構(gòu)是基于硬件電路建立的，使用的是KeilμVision2 來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和編譯的。其中包括，環(huán)境檢測(cè)程序模塊、SIM900A 模塊的初始化程序模塊、通過(guò)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)發(fā)送消息通知用戶的信息發(fā)生程序模塊、按鍵的控制程序模塊等。

2.2.1 煙霧檢測(cè)模塊和火焰檢測(cè)模塊

煙霧傳感器因?yàn)楸容^器電路處理的檢測(cè)信號(hào)只有高和低兩種狀態(tài)；當(dāng)濃度低于閾值時(shí)，信號(hào)為高電平；濃度高于閾值時(shí)，信號(hào)為低電平。所以單片機(jī)需要將引腳配置為輸入模式，監(jiān)控該信號(hào)的高低電平。在用戶打開安防系統(tǒng)的時(shí)，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行通電啟動(dòng)，運(yùn)行抗干擾程序，來(lái)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入安全掃描狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)熿F傳感器輸出端是否為低電平輸出或是火焰?zhèn)鞲衅魇欠駷楦唠娖捷敵觯羰?，則代表發(fā)生了危險(xiǎn)事件，出現(xiàn)了異常，接著會(huì)調(diào)用報(bào)警模塊，給蜂鳴器通電進(jìn)行就近警報(bào)，該過(guò)程持續(xù)10s 后調(diào)用遠(yuǎn)程通信模塊，通過(guò)SM900A 給用戶發(fā)送短信，告知用戶危險(xiǎn)事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警，該過(guò)程的流程圖如圖3 所示。

圖3 智能安防系統(tǒng)程序流程圖

2.2.2 通信模塊程序

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)程序完成初始化后，若出現(xiàn)煙霧傳感器輸出端是否為低電平輸出、火焰?zhèn)鞲衅魇欠駷楦唠娖捷敵?，或是紅外傳感器檢測(cè)到有人非法進(jìn)入室內(nèi)，即傳感器檢測(cè)到了異常的信息，下一步會(huì)調(diào)用報(bào)警程序模塊，將提取編輯好的信息發(fā)送給用戶，通知異常狀況的發(fā)生。在程序中對(duì)對(duì)象的手機(jī)號(hào)碼采用unnion 的編碼方式，存放在系統(tǒng)的SIM 卡中。在用戶打開安防系統(tǒng)的時(shí)，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行通電啟動(dòng)，運(yùn)行抗干擾程序，來(lái)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在大約15s 的時(shí)間內(nèi)完成將模塊注冊(cè)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，若模塊指示燈閃爍一次則表示已成功的將程序接入網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)進(jìn)入掃描狀態(tài)。當(dāng)危險(xiǎn)事件發(fā)生，系統(tǒng)向用戶發(fā)送警報(bào)信息后的30s 后，若沒(méi)有受到用戶的新的指令[7]，則繼續(xù)發(fā)送短信，直到用戶輸入新的指令。該過(guò)程的流程圖如圖3(b)所示。

2.2.3 人體檢測(cè)模塊

在用戶打開紅外檢測(cè)模塊后，所需的系統(tǒng)初始化的時(shí)間為1min，在此之后調(diào)用延時(shí)抗干擾模塊程序，在系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入安全掃描狀態(tài)。由于HC-SR501 設(shè)置的是L 模式，即可重復(fù)使用模式，使用當(dāng)STC89C52 的P1.5 串口有高電平輸入時(shí)，立即給含有警報(bào)燈和蜂鳴器的電路通電，進(jìn)行報(bào)警，該過(guò)程持續(xù)10s 后調(diào)用遠(yuǎn)程通信模塊，通過(guò)SM900A 給用戶發(fā)送短信，告知用戶危險(xiǎn)事件的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警，該過(guò)程的流程圖如圖3(c)所示。

3 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)的工作模式有兩種，分別為監(jiān)控開啟模式和監(jiān)控關(guān)閉模式，當(dāng)用戶在家或不小心誤觸時(shí)，可以及時(shí)的關(guān)閉，避免噪聲的干擾。當(dāng)用戶家中無(wú)人并且開啟系統(tǒng)時(shí)候，智能家居安防系統(tǒng)不斷的檢測(cè)室內(nèi)的環(huán)境，的變化。當(dāng)有入室盜竊事件發(fā)生，紅外檢測(cè)系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)的預(yù)警，遠(yuǎn)程短信通知用戶并同過(guò)蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏時(shí)，系統(tǒng)同樣也會(huì)以同樣的方式告知用戶家中發(fā)生了危險(xiǎn)事件并等待回復(fù)控制指令。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能家居安防系統(tǒng)在人們的生活中發(fā)揮著重要作用，能夠提供火災(zāi)預(yù)警，入室盜竊預(yù)警，煤氣泄漏預(yù)警等作用，并且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程預(yù)警的功能，有效的保障了用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文設(shè)計(jì)的智能家居安防系統(tǒng)，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如高性能，低成本，低功耗，高效率同時(shí)兼具有線預(yù)警和無(wú)線遠(yuǎn)程預(yù)警的方式等。在使生活更加便捷的同時(shí)，消耗更少的能源，更加環(huán)保，有利于在社會(huì)生活的各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用。