基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報(bào)警設(shè)備設(shè)計(jì)

摘" 要：通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)有線連接、單一連接限制、缺乏遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題。這些問(wèn)題導(dǎo)致了在安裝、布局和擴(kuò)展方面的不便，限制了設(shè)備的適應(yīng)性和拓展性。為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報(bào)警設(shè)備。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線連接、多設(shè)備連接和遠(yuǎn)程控制，顯著提升了設(shè)備的靈活性、拓展性和用戶體驗(yàn)。不僅能夠克服傳統(tǒng)設(shè)備的種種限制，還為報(bào)警設(shè)備在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能創(chuàng)新應(yīng)用提供了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；報(bào)警設(shè)備；智能設(shè)備；ESP32S3

中圖分類號(hào)：TP277" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）12-0173-05

Design of Intelligent Alarm Devices Based on Internet of Things Technology

CAI Bin1， SU Zichen2， NI Gengsheng1， NIU Jiahe1

（1.School of Computer Science and Information Security amp; School of Software Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China; 2.School of Life amp; Environment Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）

Abstract： By investigating and analyzing traditional alarm devices， it is found that they suffer from issues such as wired connections， single connection limitations， and the absence of remote control. These problems lead to inconveniences in installation， layout， and expansion， restricting the adaptability and scalability of the devices. To address these challenges， a smart alarm device based on IoT technology is designed. This design implements wireless connectivity， multi-device connectivity， and remote control， significantly enhancing the flexibility， scalability， and user experience of the device. Not only does it overcome the limitations of traditional devices， but it also provides substantial technical support for the realization of intelligent innovation applications of alarm devices across multiple domains.

Keywords： IoT technology; alarm device; intelligent device; ESP32S3

0" 引" 言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)有線連接的報(bào)警設(shè)備逐漸凸顯一系列問(wèn)題，如安裝煩瑣、拓展性差以及受限的遠(yuǎn)程控制。為解決這些不便，本文研究設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報(bào)警設(shè)備。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線連接，支持多對(duì)多的連接，具有強(qiáng)大的拓展性。允許一個(gè)報(bào)警設(shè)備與多個(gè)監(jiān)視設(shè)備同時(shí)通信，輕松添加更多設(shè)備以覆蓋更廣闊區(qū)域。同時(shí)，該設(shè)備能夠集成不同種類的報(bào)警，提供更全面、多層次的安全防護(hù)，簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效降低成本。

為增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，引入了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制功能，使用戶能夠隨時(shí)隨地接收?qǐng)?bào)警通知，顯著提高了使用便捷性。加入鋰電池的電源管理模塊，為設(shè)備提供了更靈活、可靠、可持續(xù)的電源解決方案。此外，采用視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)特征相結(jié)合的多感官報(bào)警機(jī)制，進(jìn)一步提升了用戶響應(yīng)速度。這種設(shè)計(jì)為用戶創(chuàng)造了更加智能、安全的環(huán)境，在實(shí)用性上具有顯著的價(jià)值。

1" 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)分為硬件模塊和軟件模塊兩部分，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)旨在充分利用硬件和軟件的協(xié)同作用，以提供高效、快速、可靠的智能報(bào)警系統(tǒng)，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

對(duì)于硬件模塊設(shè)計(jì)選用樂(lè)鑫ESP32S3作為主控芯片，通過(guò)其Wi-Fi模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。多感官報(bào)警機(jī)制包括WS2812報(bào)警燈閃爍、無(wú)源交流蜂鳴器報(bào)警器蜂鳴和TFT LCD液晶屏[1]顯示報(bào)警位置。此外，還包括USB模塊[2]用于鋰電池充電與程序燒錄；而對(duì)于軟件模塊設(shè)計(jì)：考慮到設(shè)備需要快速的實(shí)時(shí)響應(yīng)，嵌入式軟件選擇靠近主控芯片底層的樂(lè)鑫ESP-IDF [3]開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[4]。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)先采用MQTT協(xié)議[5]，因?yàn)樗噍^于HTTP協(xié)議占用更小的資源且傳輸速度更快。

2" 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1" 主控模塊

采用ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模組，其搭載2.4 GHz Wi-Fi（802.11 b/g/n）和Bluetooth? 5（LE），內(nèi)置ESP32S3系列芯片，板載36個(gè)GPIO以及豐富的外設(shè)，同時(shí)配備了PCB天線，提供了強(qiáng)大的連接和通信能力。本設(shè)計(jì)所使用的模塊，其引腳以及與之連接的對(duì)應(yīng)模組引腳關(guān)系如表1所示。

2.2" USB模塊

采用貼片式16-Pin USB Type-C接口及相應(yīng)的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)USB模塊，電路如圖2所示，能夠滿足充電和信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.3" 電源管理模塊

電源管理模塊分為電池充電模塊和3.3 V穩(wěn)壓供電模塊兩個(gè)部分。電池充電模塊包括SLM6300芯片和外圍器件，電路如圖3所示，焊點(diǎn)TP1和TP2用于連接鋰電池。SLM6300芯片實(shí)現(xiàn)了多種充電功能，包括低壓涓流充電、可設(shè)置電流值的恒流充電以及恒壓充電等。該芯片具有最大耐壓28 V的特性，有效防止靜電和浪涌電壓的潛在損害。

為了確保報(bào)警設(shè)備能夠在鋰電池的電壓范圍從空電到充滿電都獲得穩(wěn)定的3.3 V電源，需要3.3 V穩(wěn)壓模塊，其包括TPS63020芯片和外圍器件，電路如圖4所示。TPS63020是一種Buck-Boost升降壓拓?fù)滢D(zhuǎn)換器[6]，內(nèi)部集成了4個(gè)峰值電流可達(dá)4 A的開(kāi)關(guān)管，持續(xù)輸出電流可達(dá)2 A以上。該芯片具有高效率和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，能夠很好地滿足報(bào)警器的穩(wěn)壓供電需求。

2.4" 報(bào)警燈模塊

采用全彩可編程燈珠WS2812，通過(guò)串行級(jí)聯(lián)的方式組成四位WS2812，電路如圖5所示。這些燈珠被巧妙地布置在PCB邊緣，以便于觀察。

2.5" 報(bào)警器模塊

采用主控通過(guò)NPN三極管連接無(wú)源蜂鳴器[7]以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，電路如圖6所示。其中，D1用于吸收蜂鳴器在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，而R2則用于防止蜂鳴器誤發(fā)聲。

2.6" 位置顯示模塊

采用四線SPI通信的1.69寸240×280分辨率TFT LCD液晶屏模組，通過(guò)FPC軟排線以及0.5 mm間距FPC連接器JP1與主控連接，用于顯示各類信息，電路如圖7所示。

2.7" PCB設(shè)計(jì)

基于上述模塊，通過(guò)合理的布線和組件安排，確保系統(tǒng)各部分協(xié)同工作的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，如圖8所示。

3" 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1" 主程序設(shè)計(jì)

設(shè)備啟動(dòng)后，首先進(jìn)行電池電量檢查。在確認(rèn)電量充足的情況下，系統(tǒng)將按照以下步驟有序運(yùn)行：?jiǎn)?dòng)Web服務(wù)器、開(kāi)啟Wi-Fi AP-STA，并監(jiān)聽(tīng)MQTT事件。主程序詳細(xì)流程如圖9所示。

3.2" Web服務(wù)器

設(shè)備啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行Web服務(wù)器，用戶只需連接設(shè)備AP并在瀏覽器輸入http：//192.168.4.1即可訪問(wèn)，對(duì)設(shè)備查詢狀態(tài)和設(shè)置。在設(shè)備信息與設(shè)置頁(yè)面，可查看設(shè)備的基本信息，或執(zhí)行恢復(fù)出廠設(shè)置或重新連接Wi-Fi等操作。在連接Wi-Fi頁(yè)面，輸入連接憑據(jù)（Wi-Fi名稱和密碼）后，設(shè)備將嘗試連接到該Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并將連接憑據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)中，確保連接的持久性。這樣，用戶通過(guò)Web界面能方便直觀地對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和管理。

3.3" Wi-Fi AP-STA共存模式

Wi-Fi AP-STA共存模式使ESP32S3設(shè)備具備兩大功能。第一，充當(dāng)AP接入點(diǎn)，建立獨(dú)立的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，允許其他設(shè)備連接。第二，作為STA基站連接到另一接入點(diǎn)，連接到用戶指定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，為報(bào)警設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

3.4" MQTT通信協(xié)議

采用ESP-IDF MQTT框架配置MQTT Broker的地址和端口等參數(shù)，建立與遠(yuǎn)程MQTT Broker的連接，實(shí)現(xiàn)與其的通信。

3.4.1" 主題設(shè)計(jì)

主題設(shè)計(jì)[8]如表2所示，其中SD表示報(bào)警設(shè)備的序列號(hào)。為了方便解析主題消息并確保主題消息至少收到一次，消息格式為JSON，質(zhì)量等級(jí)為1，且消息保留標(biāo)志位為真。一旦接收到訂閱的消息，通過(guò)判斷其主題，進(jìn)行對(duì)應(yīng)JSON反序列化，從而獲取相關(guān)參數(shù)。通過(guò)這些主題，能夠方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)。

3.4.2" MQTT事件監(jiān)聽(tīng)

連接到MQTT Broker后，通過(guò)事件監(jiān)聽(tīng)機(jī)制，設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控MQTT連接狀態(tài)、訂閱和發(fā)布操作等事件[9]。一旦事件發(fā)生，設(shè)備會(huì)調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)，迅速響應(yīng)和處理MQTT通信中的各種情況。事件及其對(duì)應(yīng)的回調(diào)功能如圖10所示。

3.5" 多感官報(bào)警機(jī)制

采用基于FreeRTOS的多任務(wù)與消息隊(duì)列設(shè)計(jì)[10]如圖11所示，實(shí)現(xiàn)多感官報(bào)警機(jī)制的協(xié)同執(zhí)行。消息隊(duì)列傳遞各功能所需的參數(shù)，包括報(bào)警燈的閃爍模式、燈光顏色，報(bào)警器鳴響次數(shù)和報(bào)警位置字符串等。這種設(shè)計(jì)確保三者協(xié)調(diào)一致，最大限度地提升報(bào)警效果。

3.5.1" 報(bào)警燈閃爍

采用RMT驅(qū)動(dòng)，RMT是ESP32系列特有的通用外設(shè)，可生成驅(qū)動(dòng)WS2812時(shí)序信號(hào)。通過(guò)設(shè)定燈珠索引以及紅綠藍(lán)亮度值，使得四位WS2812能夠顯示出特定的顏色和閃爍效果，提供可靠的視覺(jué)指示。

3.5.2" 報(bào)警器蜂鳴

采用ESP-IDF的MCPWM模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器，設(shè)置PWM頻率為4 000 Hz，初始占空比為0且調(diào)整方式為指定數(shù)值。這使得蜂鳴器能夠在需要時(shí)以高頻率啟動(dòng)，并通過(guò)設(shè)置占空比實(shí)現(xiàn)精細(xì)的控制。

3.5.3" 報(bào)警位置顯示

采用SPI外設(shè)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)向LCD屏幕發(fā)送命令和數(shù)據(jù)來(lái)精準(zhǔn)控制顯示內(nèi)容。報(bào)警位置的呈現(xiàn)采用了與屏幕閃爍相配合的方式，以直觀顯示發(fā)生報(bào)警的具體位置，為采取迅速的行動(dòng)提供便利。同時(shí)，LCD屏幕還具備引導(dǎo)初始化設(shè)置和顯示設(shè)備狀態(tài)的功能。

4" 測(cè)試分析

完成硬件模塊的PCBA制作后，燒入軟件模塊并進(jìn)行一系列測(cè)試。通過(guò)瀏覽器成功連接到其Web服務(wù)器，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的正常配置和管理，結(jié)果如圖12所示。

在配置過(guò)程中，LCD屏幕將會(huì)進(jìn)行引導(dǎo)，如提示進(jìn)行初始化設(shè)置、展示設(shè)備正在加載以及設(shè)備已進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)等，效果如圖13所示。

另外，通過(guò)利用MQTT客戶端工具發(fā)布一條報(bào)警信號(hào)主題消息，多感官報(bào)警機(jī)制得到了正常響應(yīng)，結(jié)果如圖14所示，屏幕紅白界面交替閃爍，其中“position1”表示解析得到的報(bào)警發(fā)生位置。

5" 結(jié)" 論

本設(shè)計(jì)以樂(lè)鑫ESP32S3作為主控芯片，成功設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報(bào)警設(shè)備，這一基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報(bào)警設(shè)備設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)報(bào)警設(shè)備領(lǐng)域引入了智能的解決方案。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，仍存在改進(jìn)和優(yōu)化的空間。未來(lái)的研究可以考慮引入更多新技術(shù)，以進(jìn)一步提升報(bào)警系統(tǒng)的性能和適用性，滿足不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊金玲.顯示技術(shù)的TFT-LCD與OLED剖析 [J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（9）：6-7.

[2] AHMAD I，F(xiàn)ERNANDES B G. Concept of Universal USB Charger [C]//2020 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.Detroit：IEEE，2020：1-5.

[3] 樂(lè)鑫科技.ESP32-C3物聯(lián)網(wǎng)工程開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2022.

[4] 李永華.ESP32物聯(lián)網(wǎng)智能硬件開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn) 視頻講解版 [M].北京：人民郵電出版社，2022.

[5] 賈凡，熊剛，朱鳳華，等.基于MQTT的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) [J].智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2019，1（3）：249-259.

[6] TRIFA V，BREZEANU G H，CEUCA E. Worst-Case Input Voltage in Buck， Boost and Buck-Boost converters [C]//2019 International Semiconductor Conference （CAS）.Sinaia：IEEE，2019：281-284.

[7] 項(xiàng)永金，戴銀燕.貼片壓電式蜂鳴器結(jié)構(gòu)可靠性研究與設(shè)計(jì) [J].電子產(chǎn)品世界，2019，26（10）：66-69.

[8] 葛天雄.基于MQTT的通用物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)框架 [D].杭州：浙江大學(xué)，2021.

[9] 朱明輝，趙信廣，尤星懿.基于FreeRTOS和MQTT的海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)框架 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（1）：41-44.

[10] Richard Barry. FreeRTOS實(shí)時(shí)內(nèi)核應(yīng)用指南 [M].黃華，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2023.

作者簡(jiǎn)介：蔡彬（2003—），男，漢族，廣東珠海人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)視覺(jué)。