基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)設(shè)計與研究

楊磊，張鳳霞

（江西軟件職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江西南昌，330000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人口流動性逐漸增大，居住安全問題已成為社會熱點問題。居住安全來自各個方面，除人身與財產(chǎn)安全，室內(nèi)空氣質(zhì)量同樣也關(guān)乎生命安全。因此，防止外來人員非法入侵，防止有害氣體泄漏等是各家庭均較為關(guān)注的安全防范問題。目前多數(shù)安防系統(tǒng)是作為獨立單元出現(xiàn)，僅有空氣質(zhì)量監(jiān)測或單一報警功能，并未發(fā)展成全面化的智能家居產(chǎn)品。STC89C52 是一款低功耗、高性能的51 內(nèi)核的CMOS 8 位單片機(jī)，具有在線編程功能，無需像傳統(tǒng)單片機(jī)的VPP 編程高壓，使用簡單且價格低廉[1]。鑒于此，為了保障居住安全，設(shè)計出一種基于STC89C52 單片機(jī)的智能家庭安防報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅有傳統(tǒng)意義上的防止入侵功能，還可兼顧有害氣體檢測與火焰監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)問題時，傳感器感應(yīng)后及時將測量信息反饋給單片機(jī)，判定后即刻開啟報警，同時通過APP 將信息發(fā)送至用戶移動端，能夠為人們提供更為安全的保障。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)由防盜報警與遠(yuǎn)程控制兩部分組成，是一款功能多樣的安防系統(tǒng)。防盜報警由核心控制單元與傳感器構(gòu)成，KDS209 負(fù)責(zé)感知室外是否有異?；顒硬⒆R別室內(nèi)氣體，這些信息實時傳輸至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，當(dāng)數(shù)值超出閾值時，單片機(jī)傳遞指令利用無線傳輸技術(shù)快速報警。遠(yuǎn)程傳輸使用通訊模塊，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入報警程序時，單片機(jī)向該模塊發(fā)送指令，該模塊將預(yù)設(shè)好的信息發(fā)送至APP 進(jìn)行報警。用戶也可通過APP 向該模塊發(fā)送信息，控制室內(nèi)電器開閉。本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)硬件主要包括主控模塊、傳感器模塊、轉(zhuǎn)換模塊、GSM 模塊、報警模塊，實現(xiàn)了防火、防盜以及遠(yuǎn)程報警的功能。

2.1 主控模塊

單片機(jī)既是接收智能防護(hù)報警系統(tǒng)傳感器信息的核心部位，也是將所收集到的信息與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較評判是否發(fā)出報警信息的判斷模塊。系統(tǒng)主控選用STC89C52 單片機(jī)，其是一種低功耗、高性能的CMOS8 位單片機(jī)，使用簡單且價格低廉。為保證系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率與效果，單片機(jī)選擇時應(yīng)強(qiáng)化對數(shù)據(jù)運算速度的關(guān)注，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并在快速反應(yīng)后報警處理。在單芯片上，STC89C52 擁有良好的CPU 與在線編程功能，使其能夠為諸多嵌入式控制系統(tǒng)提供更為高效的解決方案[2]。圖2 為本系統(tǒng)中STC89C52單片機(jī)管腳電路圖。

2.2 傳感模塊

傳感器用于檢測收集室內(nèi)外的環(huán)境信息，并將信息發(fā)送至STC89C52，確保單片機(jī)將信息與預(yù)設(shè)值比較后給出是否報警的反饋，以便信息處理與系統(tǒng)功能的實現(xiàn)[3]。本系統(tǒng)選用傳感器KDS209，具有反應(yīng)迅速、靈敏度高、電路設(shè)置簡單等優(yōu)點。如圖3 所示，通過電壓比較器TLV2702ID 運轉(zhuǎn)，比較管腳運行電壓。當(dāng)管腳2 大于管腳3 時，管腳1 輸出低電平；當(dāng)管腳2 小于管腳3 時，管腳1 輸出高電平，從而實現(xiàn)傳感器內(nèi)部電壓的匹配。當(dāng)溫度增加時，傳感器電阻值減小，管腳2 輸出電壓值增大，管腳1 輸出低電平，系統(tǒng)某端口輸出高電壓，控制蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時發(fā)送到APP 報警信息。

圖3 KDS209 電路設(shè)計

2.3 轉(zhuǎn)換模塊

在系統(tǒng)運行過程中，因傳感器檢測到的數(shù)據(jù)信息在輸出時以模擬信號輸出，單片機(jī)中轉(zhuǎn)系統(tǒng)無法對其直接處理，所以需要轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在該過程中，系統(tǒng)使用傳感器類型多樣，不同傳感器運行電壓參考值也存在差異，所以不可選擇多通道對轉(zhuǎn)換器統(tǒng)一處理，也就需選擇對應(yīng)傳感器數(shù)量的單通道轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。此時，傳感器檢測收集到的模擬信號從一側(cè)端口輸入，處理后的數(shù)字信號從其他端口輸出，同時傳至單片機(jī)。

2.4 GSM 模塊

GMS 模塊選用GU900 模塊，該模塊接口豐富、功能完善，適用于智能家居、智能監(jiān)控等眾多領(lǐng)域，可滿足系統(tǒng)工作需求。圖4 為GU900 模塊的電路設(shè)計，管腳1 連接LED 燈D，用于指示GSM 模塊的工作狀態(tài)。管腳3、4 分別與單片機(jī)相連，用于傳輸報警數(shù)據(jù)。

圖4 GU900 模塊電路圖

2.5 報警模塊

選用蜂鳴器與LED 燈進(jìn)行報警，當(dāng)空間存在非法進(jìn)入、煙霧、有害氣體時，蜂鳴器與LED 燈根據(jù)GMS 模塊所接收到的信息參數(shù)，比較系統(tǒng)預(yù)設(shè)值后，向報警系統(tǒng)輸出信號，報警系統(tǒng)接收后立刻進(jìn)行聲光報警[4]。

3 軟件設(shè)計

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計。軟件設(shè)計采用流程化設(shè)計，由信息整合、分類處理、信息定位、特征檢測以及安全檢測等主程序組成，具體設(shè)計如圖5 所示。

圖5 軟件設(shè)計流程

3.1 信息整合

首先需要做好信息整合，該步驟的目的在于將室內(nèi)外信息按照一定標(biāo)準(zhǔn)顯示到系統(tǒng)中。整合前，應(yīng)對室內(nèi)外信息進(jìn)行歸一處理，并將其存儲于系統(tǒng)內(nèi)，可用公式表示為：

在公式中，δ表示信息整合參數(shù)，表示歸一因子，Bmin表示室外信息特征，Rmax表示室內(nèi)信息特征。基于此，對室內(nèi)外信息進(jìn)行定義，設(shè)置信息表（如表1 所示），以此提高響應(yīng)效率，為信息分類提供依據(jù)。

表1 室內(nèi)外信息表

3.2 分類處理

因收集到的信息類型較為多樣，所以在管理任務(wù)前對原始信息進(jìn)行分類處理，確定分類主題并構(gòu)建分類器。分類器運行原理為KNN 算法，以室內(nèi)氣體信息為例，經(jīng)收集、過濾以及處理之后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分類器中，設(shè)定輸入數(shù)據(jù)集為a，a1，a2均為函數(shù)序列，并設(shè)置期望輸出值b，在約束條件下求解最優(yōu)權(quán)重β，將待分類的數(shù)據(jù)信息代入到如下公式：

將計算結(jié)果與分類閾值進(jìn)行比較，從而確定室內(nèi)氣體信息收集信息的屬類。

3.3 信息定位

在分類處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息檢索，實現(xiàn)智能安防管理。因系統(tǒng)具有海量數(shù)據(jù)，其中也包括諸多數(shù)據(jù)交換，在定位中會消耗大量資源，所以利用GMS 模塊進(jìn)行信息定位。信息定位包括清理與規(guī)范，首先對信息進(jìn)行清理，可用公式表示為：

在公式中，P為定位流程，f表示信息維度，i表示規(guī)范特征，λ表示清理因子。通過計算，對異?；蛑貜?fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理。由于在數(shù)據(jù)挖掘過程中涉及的數(shù)據(jù)源較多，且格式存在差異，所以對分類后的信息進(jìn)行規(guī)范化處理，可用公式表示為：

在公式中，h表示處理參數(shù)，β表示規(guī)范因子，t表示信息類型，d表示不確定內(nèi)容，x表示變化參數(shù)。在規(guī)范后剔除列中值，減少空值、冗值等情況。

3.4 特征檢測

家庭安防信息管理提取了多尺度結(jié)構(gòu)信息，同時根據(jù)使用效果需求檢測顯示邊緣結(jié)構(gòu)特征。通過重構(gòu)方法重新構(gòu)建顯示傳達(dá)，從而提升界面表達(dá)能力。將遠(yuǎn)程傳輸引入到特征檢測中可得出：

在公式中，If表示界面特征，x1與x2分別表示適應(yīng)函數(shù)，通過上述處理有效提升了表達(dá)效果。在遠(yuǎn)程傳輸APP的基礎(chǔ)上，得到適應(yīng)函數(shù)，同時通過形狀檢測出界面特征。

3.5 安全檢測

安全檢測的作用是對新引入系統(tǒng)的各類安防信息進(jìn)行分析，通過預(yù)先識別清除潛在風(fēng)險信息。在該項目中，基于KNN 算法對信息安全狀態(tài)IS進(jìn)行評估，具體可通過如下公式加以實現(xiàn)：

在公式中，I1、I2分別表示路徑延遲與延遲變化兩個變量。系統(tǒng)會自動設(shè)置安全閾值，并將計算結(jié)果與閾值進(jìn)行對比，如果結(jié)果高于閾值，那么表明不存在危險因素，反之則存在危險因素，并根據(jù)相應(yīng)信息對其處理。根據(jù)上述過程，完成軟件設(shè)計，從而使安防信息更為準(zhǔn)確。

4 仿真與實物測試

4.1 防止入侵

當(dāng)傳感器檢測到輻射信號時，傳感器OUT 端口電平出現(xiàn)負(fù)跳變，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，LED 燈閃爍3s。單片機(jī)檢測到中斷后的報警信息，LED 燈亮起，單片機(jī)發(fā)送指令控制報警模塊發(fā)送報警信息。系統(tǒng)發(fā)送信息：“已進(jìn)入警戒范圍！”到APP，LED 燈熄滅，信息發(fā)送后蜂鳴器開始發(fā)出報警聲。此時按下報警停止鍵，蜂鳴器報警關(guān)閉。當(dāng)再次按下布防（撤防）鍵，LED 等閃爍4s，系統(tǒng)開始撤防。

4.2 有害氣體檢測

如果選擇高低電平，輸出信號可接I/O 口，電位器在此用于調(diào)控輸出電平跳變閾值。如果選擇模擬量輸出，直接轉(zhuǎn)換輸入端即可。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，正常沒有特殊氣體的環(huán)境，設(shè)定傳感器輸出電壓為參考電壓值，此時端口電壓在1V 左右，當(dāng)傳感器檢測到特殊氣體時，電壓每升高0.1V 濃度便增加200ppm，根據(jù)該參數(shù)就可在單片機(jī)中將測得的模擬電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)濃度。特殊氣體傳感器發(fā)熱屬于正?，F(xiàn)象，其內(nèi)部的電熱絲在工作時會發(fā)出熱量。由圖6 可知，氣體檢測誤差較小，濃度會隨時間推移而上下波動，并最終減小到一定數(shù)值范圍。

圖6 傳感器測算數(shù)據(jù)

4.3 火焰監(jiān)控

收集20 組不同數(shù)據(jù)取均值，經(jīng)火焰閃爍分析，可知5mμ波長能夠較好識別紅外線，所以先將5mμ主探測通道收集并處理后的數(shù)據(jù)均值記為x，數(shù)據(jù)特征為Q1。再取2段與5mμ相似的波長，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得出均值x1、x2，數(shù)據(jù)特征表示為Q2、Q3。隨后進(jìn)行火焰閃爍分析，設(shè)定臨界值p，將收集到的數(shù)據(jù)y依次與p進(jìn)行比較，如果y＞p，給出高電平信號，反之給出低電平信號?；鹧孀R別閾值為q1、q2、q3。當(dāng)傳感器發(fā)出報警信號的條件分別是Q1＞q1,Q2＞q2，Q3＞q3，只有滿足全部條件時方可判斷報警信號，這樣能夠有效降低誤報率。表2 為具體測試結(jié)果，10 組沒有火焰的情況下，未出現(xiàn)報警9 次；10 組有火焰的情況下，提示報警10 次，可知本系統(tǒng)的實用性較為良好。

表2 火焰識別比較

5 結(jié)語

綜上所述，基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計初的自動檢測是否有人入侵、自動檢測是否存在有害氣體泄漏、自動檢測是否存在火源、出現(xiàn)問題時報警后自動通過APP 向用戶發(fā)送信息的功能，能夠在意外發(fā)生后第一時間通知用戶，從而將損失降至最低。本系統(tǒng)利用STC89C52 單片機(jī)作為主控器，傳感器采用KDS209，報警器采用蜂鳴器與LED 燈組合，無需過多外圍電路，對復(fù)雜環(huán)境有著良好的應(yīng)用效果。系統(tǒng)自身具有遠(yuǎn)程通信功能，配合設(shè)計的低耗電路，可實現(xiàn)居住環(huán)境24h 不間斷防護(hù)。通過仿真與實物驗證，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、監(jiān)控及時有效、操作便捷性價比較高，基本實現(xiàn)了對居住空間的實時檢測，為智能家居提供了有力支撐。