一種新型智能網(wǎng)聯(lián)家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏佳豪，周 帥，鄒思奇，劉 雨，朱桂霖，謝印慶

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的產(chǎn)品向著智能化方向發(fā)展，由人工操控的安防裝置已無(wú)法滿足人們對(duì)安全性能的需求。人們逐漸意識(shí)到家庭內(nèi)部安裝安防檢測(cè)裝置等智能安防系統(tǒng)的重要性。家庭智能云安防系統(tǒng)適合各年齡段的人，該系統(tǒng)可通過(guò)傳感器對(duì)家中信息進(jìn)行檢測(cè)，并借助遠(yuǎn)程通信實(shí)時(shí)傳送至云端，為人們及時(shí)了解家中情況提供便利。

1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)通過(guò)參考物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為3層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，將這3層進(jìn)行分類(lèi)：將人體檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、指紋識(shí)別功能歸為感知層；將對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能歸為網(wǎng)絡(luò)層；通過(guò)ZigBee技術(shù)將感知層與網(wǎng)絡(luò)層聯(lián)系起來(lái)實(shí)施到應(yīng)用層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用STM32單片機(jī)收集并處理各模塊傳送的數(shù)據(jù)，并在顯示模塊上顯示。此外，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與ZigBee管理系統(tǒng)連接，在云端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 感應(yīng)模塊

通過(guò)感應(yīng)模塊可以將家中環(huán)境信息通過(guò)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)交互傳送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家中情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在發(fā)生盜竊、火災(zāi)等危險(xiǎn)情況時(shí)及時(shí)匯報(bào)給主人。本設(shè)計(jì)的感應(yīng)模塊由人體紅外探測(cè)模塊、環(huán)境檢測(cè)模塊、指紋識(shí)別模塊組成。

2.1.1 人體紅外探測(cè)模塊

該人體感應(yīng)模塊對(duì)活體檢測(cè)的靈敏程度較高，工作在低壓狀態(tài)，在自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該模塊感應(yīng)到有人接近時(shí)，輸出高電平，否則輸出低電平。

2.1.2 環(huán)境檢測(cè)模塊

環(huán)境檢測(cè)模塊的光敏傳感器可以將電信號(hào)或非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，若為電信號(hào)則直接轉(zhuǎn)換，若為非電信號(hào)，則需要經(jīng)過(guò)其他器件后轉(zhuǎn)換。DHT11數(shù)字溫度傳感器測(cè)量溫度和濕度后，通常使用單總線通信方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，配合顯示模塊顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，多用于溫濕度調(diào)節(jié)器、汽車(chē)、氣象站等。MQ-2煙霧傳感器根據(jù)電導(dǎo)率和可燃?xì)怏w濃度的關(guān)系來(lái)檢測(cè)空氣中是否有燃?xì)庑孤?，多用于住宅樓等處。火焰?zhèn)鞲衅鱕L-38通過(guò)波長(zhǎng)范圍來(lái)檢測(cè)火焰和與火焰波長(zhǎng)相差不大的光源，內(nèi)置數(shù)字量輸出接口和模擬量輸出接口，根據(jù)單片機(jī)的高電平和低電平狀態(tài)來(lái)檢測(cè)有無(wú)火焰。

2.1.3 指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別模塊內(nèi)置圖像對(duì)比、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、指紋搜索等功能，通過(guò)串口通信與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過(guò)多次指紋錄入和識(shí)別訓(xùn)練，系統(tǒng)將會(huì)更快地識(shí)別身份，進(jìn)而提高住戶的安全性。

2.2 顯示模塊

該設(shè)計(jì)使用OLED模塊顯示信息，較其他顯示模塊而言，該模塊輕便且功能較全，工作在3.3 V電壓下，共有16個(gè)管腳，具有SPI和IC等接口方式，通過(guò)讀寫(xiě)指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 防盜模塊

該模塊由門(mén)磁傳感器、繼電器、蜂鳴器構(gòu)成。信號(hào)導(dǎo)通后門(mén)磁傳感器工作，多與主機(jī)連接使用，適用于鐵門(mén)和窗戶等。繼電器的作用相當(dāng)于自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)。蜂鳴器通過(guò)輸入高低電平來(lái)控制其發(fā)出聲音。當(dāng)家中無(wú)人時(shí)，如果有人破門(mén)而入，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6芯片具有集成度高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且自帶ADC和多個(gè)I/O口，以及多個(gè)通信接口，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 功能部分設(shè)計(jì)

通過(guò)ZigBee管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程觀察室內(nèi)溫濕度、煙霧濃度、燃?xì)馐欠裥孤┘凹抑惺欠癯霈F(xiàn)陌生人等。系統(tǒng)通過(guò)特定的溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境中的溫濕度，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)并且顯示在OLED顯示屏。本設(shè)計(jì)中還含有煙霧傳感器，當(dāng)有燃?xì)庑孤┗蛘呋馂?zāi)發(fā)生時(shí)，傳感器檢測(cè)到煙霧濃度或者溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家庭智能云安防系統(tǒng)軟件主要分為3部分。

（1）第一部分為指紋識(shí)別，通過(guò)指紋圖像比對(duì)，快速識(shí)別主人身份，然后進(jìn)入主系統(tǒng)；

（2）第二部分為傳感器，對(duì)活體和環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析；

（3）第三部分為ZigBee管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)家庭智能云安防系統(tǒng)的各模塊功能進(jìn)行檢測(cè)：使用煙霧傳感器對(duì)空氣中可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行檢測(cè)；使用溫濕度傳感器對(duì)家中的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)。

本設(shè)計(jì)所用的ZigBee管理系統(tǒng)的功能包括：查看終端設(shè)備的溫濕度、可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)，通過(guò)溫濕度趨勢(shì)圖與室內(nèi)正常溫度及氣體信息進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并提醒危險(xiǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的智能安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅功能齊全，還能與其他安防產(chǎn)品聯(lián)動(dòng)使用。本系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，模塊數(shù)據(jù)處理有效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以遠(yuǎn)程通過(guò)云端觀察、控制，可靠性高，滿足了人們對(duì)智能安防的需求。