基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高貝貝，崔金龍，郭寶軍，白鋅，康憲芝

（滄州交通學(xué)院，河北黃驊，061199）

0 引言

隨著人們的安全隱患意識的不斷提高，人們開始在家庭或單位等生活場景加裝各種傳感器（如煙霧傳感器、溫度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器）預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，PC 端視頻監(jiān)控設(shè)備及智能門禁系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。微處理器的優(yōu)良特性和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，各種安防報(bào)警設(shè)備也得到普及。這些安防手段和措施起到一定的效果，但還是無法滿足人們的要求。本文在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)基礎(chǔ)上嵌入視覺檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能家庭安防系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、云平臺、用戶端之間的雙向通信，保障異常信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與實(shí)時性，進(jìn)而構(gòu)建“監(jiān)測端+云傳輸+智能端”三維一體的安防模式。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能安防系統(tǒng)由前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)（從機(jī)設(shè)備）、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)云平臺三部分構(gòu)成。前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要由溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、非法入侵監(jiān)測模塊、視覺異常事件監(jiān)測模塊構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將前端節(jié)點(diǎn)采集的信號上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域監(jiān)測多傳感器融合的實(shí)時火災(zāi)險(xiǎn)情精準(zhǔn)識別功能。物聯(lián)網(wǎng)云平臺可以實(shí)時接收網(wǎng)關(guān)傳來的數(shù)據(jù)，同時可通過PC 端或手機(jī)端向用戶展示先關(guān)信息。總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控最小系統(tǒng)板電路

主控最小系統(tǒng)板由STM32F103C8T6 芯片、復(fù)位電路、DC5V 轉(zhuǎn)DC3.3V 電路、無源32.768 kHz 電路、有源8MHz電路、啟動模式控制電路、程序下載SWD 接口電路及部分接口構(gòu)成。主控最小系統(tǒng)板電路原理圖設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 最小系統(tǒng)板電路原理圖

2.2 LoRa SX1278 無線模塊連接電路

硬件系統(tǒng)有一套硬件設(shè)備作為前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)發(fā)送網(wǎng)關(guān)詢問指令接和接收從機(jī)設(shè)備回傳的傳感器數(shù)據(jù)，另幾套作為從機(jī)設(shè)備負(fù)責(zé)回傳傳感器采集的數(shù)據(jù)，即構(gòu)成一主多從的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而設(shè)備間的無線通信工作則采用LoRa 無線模塊完成，LoRa 無線模塊內(nèi)置SX1278 芯片，使用SPI 通信協(xié)議來驅(qū)動LoRa SX1278 無線模塊。LoRa 無線模塊的MISO、MOSI、SCK、NSS、RESET 引腳分別連接到STM32 的PB14、PB15、PB13、PA8、PB12 引腳上，系統(tǒng)為LoRa 無線模塊提供DC 3.3V 供電。LoRa SX1278 無線模塊電路連接圖如圖3 所示。

圖3 LoRa SX1278 無線模塊電路連接原理圖

2.3 WiFi 模塊連接電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)使用的是ESP8266 WiFi 模塊第二功能即“Wi-Fi 連接功能”，通過UART 串口與STM32F103C8T6的串行通信接口2 相連。ESP8266 WiFi 的TXD0 引腳連接到STM32 的PA3-RXD 引腳，ESP8266 WiFi 的RXD0 引腳連接到STM32 的PA2-TXD 引腳。ESP8266 WiFi 的GPIO0與接GND 端的按鍵相連，當(dāng)按鍵key2 按下時即ESP8266 WiFi 的GPIO0 引腳接通低電平，可用以燒錄AT 固件使用。WiFi 模塊電路電路連接圖如圖4 所示。

圖4 WiFi 模塊電路連接原理圖

2.4 非法入侵事件硬件電路設(shè)計(jì)

（1）接收器靈-R1 驅(qū)動電路

非法入侵事件監(jiān)測接收器靈-R1 驅(qū)動電路如圖5 所示。K/O 引腳為接對碼按鍵，單擊進(jìn)行對碼模式，“靈-T3A”按任意鍵可對碼。D0～D3 引腳為4 路開關(guān)量輸出，分別連接到STM32 的PB5～PB8 引腳。

圖5 接收器靈-R1 連接電路原理圖

（2）發(fā)射器靈-T3A 驅(qū)動電路

非法入侵事件監(jiān)測發(fā)送器靈-T3A 驅(qū)動電路如圖6 所示。M2 是靈-T3A 模塊可提供4 路點(diǎn)動觸發(fā)信號；M3 是常閉干簧管磁控開關(guān)元件，閉合動作時為靈-T3A 模塊的K2 引腳提供點(diǎn)動觸發(fā)信號；M1 是3.3V 紐扣電池為整個小系統(tǒng)提供電源；M4 是撥動開關(guān)控制系統(tǒng)供電的開/關(guān)。

圖6 發(fā)送器靈-T3A 連接電路原理圖

2.5 OpenMV 模塊連接電路

OpenMV 嵌入式視覺模塊安裝到二自由度平臺上，圖7 為OpenMV 模塊、二自由度平臺與系統(tǒng)板的連接電路圖。DJ1-VCC、DJ2-VCC、MV-VCC 為設(shè)備供電引腳；DJ1-IN 為垂直控制舵機(jī)PWM 信號輸入引腳，該引腳連接到STM32的PA7 引腳；DJ2-IN 為水平控制舵機(jī)PWM 信號輸入引腳，該引腳連接到STM32 的PA6 引腳；OpenMV 模塊通過串口通信接口MV_XT 和MV_RX 與STM32 的UART 的復(fù)用引腳PA10 與PA9 相連。

圖7 OpenMV 模塊連接電路原理圖

2.6 煙霧及可燃?xì)怏w監(jiān)測電路

MQ-2 氣體傳感器對丙烷、煙霧的靈敏度高可用于監(jiān)測環(huán)境煙霧情況，MQ-5 氣體傳感器對丁烷、丙烷、甲烷靈敏度高可檢測多種可燃性氣體。兩種傳感器雖然檢測的對象不同，但其測試電路連接一樣，圖8 為煙霧及可燃?xì)怏w監(jiān)測電路連接圖。

圖8 煙霧及可燃?xì)怏w監(jiān)測連接電路原理圖

2.7 DHT11 傳感器連接電路

DHT11 模塊有四個引腳，VDD 為電源引腳可接入3.0～5.5V 直流源，SDA 引腳與外部MCU 相連用于串行數(shù)據(jù)傳輸，NC 通常懸空處理，GND 引腳為供地端。DHT11模塊外圍電路中通常將SDA 引腳上拉一個4.7 k 的電阻。DHT11 模塊連接電路圖如圖9 所示。

圖9 DHT11 模塊連接電路原理圖

2.8 OLED 屏幕驅(qū)動電路

0.96 寸OLED 屏模塊有四個引腳，VDD 為電源引腳可接入3.0～5.5V 直流源，GND 引腳為供地端，SDA 引腳與外部STM32 的PB10 相連在I2C 通信中為數(shù)據(jù)管腳，SCL 引腳與外部STM32 的PB11 相連在I2C 通信中為時鐘管腳。0.96 寸OLED 屏模塊外圍電路中通常將SDA 引腳與SCL 引腳上拉一個4.7k 的電阻。0.96 寸OLED 屏模塊連接電路圖如圖10 所示。

圖10 0.96 寸OLED 屏模塊連接電路連接

3 硬件實(shí)物調(diào)試

從機(jī)設(shè)備與主機(jī)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)完全相同，不同之處是燒入的程序不同。從機(jī)設(shè)備OLED 屏幕上方顯示的是“Slave1”或“Slave2”，屏幕下方顯示的是從設(shè)備實(shí)時采集的傳感器數(shù)據(jù)，主設(shè)備每隔3 秒聽過LoRa 模塊向從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，如溫度值、煙霧濃度值、非法入侵次數(shù)、事件異常次數(shù)。為了減小硬件電路板體積，本設(shè)計(jì)將溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器放到PCB 板背面了。硬件系統(tǒng)以兩個從設(shè)備一個網(wǎng)關(guān)設(shè)備為例，圖11 為兩個從設(shè)備和一個網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)物圖，網(wǎng)關(guān)通過WiFi模塊將三個設(shè)備采集的數(shù)據(jù)上傳到云端。

圖11 從機(jī)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

4 結(jié)論

本文主要針對智能家居安防系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與搭建，包括WiFi 模塊電路、LoRa 無線模塊電路、煙霧及可燃?xì)怏w監(jiān)測電路、OpenMV 嵌入式視覺模塊電路、非法入侵事件監(jiān)測電路、主控系統(tǒng)板電路。經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)調(diào)試，嵌入視覺檢測技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時的監(jiān)測家居環(huán)境，良好的交互性能提高用戶使用滿意度。