基于ESP32的智能家居安防系統(tǒng)

基于ESP32的智能家居安防系統(tǒng)

臧殿紅

（泰安技師學(xué)院，山東 泰安 271000）

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)智能家居安全性的要求也越來(lái)越高，希望有一種安防系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種險(xiǎn)情并通知戶主，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，設(shè)計(jì)一種智能家居安防系統(tǒng)。利用多種傳感器檢測(cè)家居環(huán)境，比如：溫濕度、門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、煙霧體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)以及火焰狀態(tài)等，檢測(cè)結(jié)果在OLED顯示屏顯示并上傳至MQTT服務(wù)器，用戶可通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程查看，當(dāng)家居環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并向用戶手機(jī)發(fā)出危險(xiǎn)提示信息，實(shí)現(xiàn)防盜、防火、防有毒氣體的功能。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，靈敏度高，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ESP32；智能家居；安防系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；MQTT服務(wù)器；MicroPython

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)住宅的安全性和智能性的要求也越來(lái)越高，希望有一種安防系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種險(xiǎn)情并通知戶主，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高。文獻(xiàn)[2]

設(shè)計(jì)的安防系統(tǒng)以AT89C52為主控芯片，采用GSM無(wú)線通信模塊、ESP8266 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，但硬件電路復(fù)雜，成本高，開(kāi)發(fā)難度大。本文設(shè)計(jì)的智能家居安防系統(tǒng)，采用自帶WiFi模塊的ESP32為主控芯片，硬件電路簡(jiǎn)單，軟件開(kāi)發(fā)難度小，能方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，能夠在有人打開(kāi)房門(mén)、CO或煙霧體積分?jǐn)?shù)超過(guò)設(shè)定值或檢測(cè)到火焰時(shí)及時(shí)觸發(fā)報(bào)警電路并發(fā)送信息到用戶手機(jī)，用戶也可遠(yuǎn)程查看家庭安全情況，進(jìn)行安防系統(tǒng)的布防和撤防操作，實(shí)現(xiàn)防盜、防火、防有毒氣體等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以ESP32為主控芯片，配以門(mén)磁傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、溫濕度值、CO和煙霧的體積分?jǐn)?shù)等，具體功能如下：

（1）環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)、門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、氣體傳感器的檢測(cè)值等數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上顯示，并利用WiFi將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至MQTT服務(wù)器，用戶可在手機(jī)上查看家居環(huán)境參數(shù)；

（2）當(dāng)門(mén)被打開(kāi)或被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路產(chǎn)生聲光報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)向用戶手機(jī)發(fā)送信息，提示用戶家居環(huán)境存在異常；

（3）系統(tǒng)有布防和撤防兩種工作模式，當(dāng)系統(tǒng)處于撤防模式時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，模式的切換可通過(guò)按鍵操作，也可通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程操作。

根據(jù)以上功能要求，本文設(shè)計(jì)了基于ESP32的智能家庭安防系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片ESP32

主控模塊采用樂(lè)鑫科技有限公司出品的ESP32-WROOM模組。ESP32是一款功能強(qiáng)大的微控制器芯片，具有較高的集成度，將天線、功率放大器、電源管理器和濾波器等集于一體[3]，使用時(shí)只需較少的外圍設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的處理功能。模組內(nèi)置WiFi模塊，免除了外接WiFi或ZigBee模塊的麻煩[4]，使用時(shí)，ESP32直接與家中的WiFi連接，實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，從而在手機(jī)上可以查看數(shù)據(jù)或進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.2 門(mén)磁傳感器MC

門(mén)磁傳感器即門(mén)磁開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，一般由兩個(gè)磁鐵和一個(gè)開(kāi)關(guān)組成，當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，兩個(gè)磁鐵靠近，開(kāi)關(guān)接通；當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，兩個(gè)磁鐵遠(yuǎn)離，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，GPIO12為高電平；當(dāng)門(mén)關(guān)閉時(shí)，GPIO12為低電平。ESP32通過(guò)檢測(cè)GPIO12的電平變化判斷門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

2.3 CO和煙霧傳感器

CO傳感器MQ-7和煙霧傳感器MQ-2都是基于SnO2半導(dǎo)體氣敏材料設(shè)計(jì)的氣體傳感器。當(dāng)傳感器接觸到被測(cè)氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)增加而增大[5]，將傳感器與電阻串聯(lián)后外加電壓，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)升高時(shí)，電阻兩端的電壓升高，通過(guò)測(cè)量輸出電壓的變化，就可以得到被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。常用的氣體傳感器模塊有4個(gè)引腳，VCC和GND分別接電源和地；AO是模擬電壓輸出引腳，被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)越高，輸出電壓越高；DO是數(shù)字量輸出引腳，當(dāng)被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)大于設(shè)定值時(shí)，DO引腳輸出低電平。

2.4 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅饕话悴捎眉t外接收管，它對(duì)火焰產(chǎn)生的紅外線非常敏感，火焰亮度越大，發(fā)出的紅外線越多，火焰?zhèn)鞲衅鞴苣_間的阻抗越小；當(dāng)火焰亮度變小時(shí)，發(fā)出的紅外線變少，火焰?zhèn)鞲衅鞴苣_間的阻抗變大。常用的火焰?zhèn)鞲衅髂K有4個(gè)引腳，VCC和GND引腳分別連接電源和地，AO是電壓輸出引腳，DO是數(shù)字量輸出引腳，傳感器周圍火焰越大，AO端輸出的模擬電壓越小，當(dāng)火焰強(qiáng)度大于設(shè)定值時(shí)，DO引腳輸出低電平，調(diào)節(jié)電位器可改變火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)字輸出端DO的靈敏度[6]。

2.5 溫濕度傳感器DHT11

DHT11是一款數(shù)字式溫濕度傳感器，其內(nèi)部具有自動(dòng)校準(zhǔn)模塊，可對(duì)所采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，具有響應(yīng)快、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、抗干擾性能高等優(yōu)點(diǎn)[7]。DHT11采用單總線雙向串行通信協(xié)議，每次采集均先由主控芯片發(fā)起開(kāi)始信號(hào)，DHT11發(fā)送響應(yīng)并傳輸40位數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)值[8]。溫濕度小數(shù)數(shù)據(jù)一般默認(rèn)為0。

2.6 液晶顯示器OLED

液晶顯示器用來(lái)顯示溫度、濕度、門(mén)的狀態(tài)以及各種傳感器的檢測(cè)結(jié)果，本系統(tǒng)采用由SSD1306驅(qū)動(dòng)的OLED液晶顯示屏，它支持點(diǎn)陣圖像顯示、字符顯示、圖形顯示等多種顯示模式，可通過(guò)I2C、SPI以及并口進(jìn)行通信控制[9]。本系統(tǒng)中的OLED（SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片）屏采用I2C與ESP32通信，擁有128×64的分辨率，顯示效果清晰，可顯示4行16列的字體信息。

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)的電路原理如圖2所示。系統(tǒng)將氣體傳感器的模擬輸出電壓和ESP32的ADC模擬信號(hào)輸入通道相連，用來(lái)檢測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)。采用按鍵的下降沿觸發(fā)ESP32的中斷和在中斷函數(shù)中控制模式變量的值翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)布防和撤防模式切換。模式切換也可由用戶通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分包括ESP32控制器端軟件設(shè)計(jì)、服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)和用戶端軟件設(shè)計(jì)。

3.1 控制器端軟件設(shè)計(jì)

ESP32控制器端的軟件采用MicroPython開(kāi)發(fā)，MicroPython是運(yùn)行在微控制器上的縮減版Python解釋器，執(zhí)行Python代碼，讓微控制器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能[10]。

控制器端軟件主要包括MQTT模塊和主程序模塊。MQTT是一個(gè)基于客戶端服務(wù)器架構(gòu)、面向發(fā)布/訂閱模型的物聯(lián)網(wǎng)消息傳輸協(xié)議，目的是發(fā)布信息與訂閱主題的模塊文件[11]，主要功能是創(chuàng)建MQTT客戶端對(duì)象（MQTTClient）、連接MQTT服務(wù)器，以及發(fā)布監(jiān)測(cè)到的信息：information/temperature、information/smoke、information/fire等，此外MQTT還要發(fā)布形如danger/temperature的溫度、火焰等各類報(bào)警信息，另外還要訂閱來(lái)自手機(jī)端通過(guò)Web服務(wù)器發(fā)布到MQTT服務(wù)器的布防與撤防信息：control/openAlarm、control/clearAlarm。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，再讀取MQTT接收到的來(lái)自手機(jī)端的控制信息并進(jìn)行處理，然后讀取各傳感器的輸出值并在OLED顯示屏上顯示，并通過(guò)MQTT服務(wù)器發(fā)布采集到的數(shù)據(jù)，最后判斷傳感器采集到的數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定值。如果采集的數(shù)據(jù)超出則觸發(fā)聲光報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并向MQTT服務(wù)器發(fā)布報(bào)警信息，提示用戶家居環(huán)境存在異常，延時(shí)1 s后進(jìn)行循環(huán)操作。

3.2 MQTT服務(wù)器搭建

本系統(tǒng)使用的MQTT服務(wù)器部署在騰訊云的

Ubuntu 20.04上，通過(guò)EMQX的鏡像創(chuàng)建一個(gè)MQTT服務(wù)器，用于客戶端認(rèn)證，內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)中為ESP32控制器端添加用戶mqttesp，為Web服務(wù)器添加用戶名mqttwww，用于控制端MQTTClient和網(wǎng)站服務(wù)器登錄MQTT服務(wù)器。

3.3 Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的Web服務(wù)器主要有兩個(gè)功能，一是和MQTT服務(wù)器交互，用于各類信息的發(fā)布和訂閱；二是和手機(jī)客戶端交互，把訂閱的信息推送到手機(jī)客戶端，也可以把手機(jī)客戶端的控制信息通過(guò)MQTT發(fā)布出去。

Web服務(wù)器軟件部署在騰訊云的Ubuntu 20.04上，采用Flask編寫(xiě)，使用Flask-Socket I/O與手機(jī)客戶端交互，把來(lái)自MQTT服務(wù)器的訂閱信息發(fā)送給手機(jī)客戶端，同時(shí)把來(lái)自手機(jī)客戶端的布防消息和撤防消息發(fā)布到MQTT。網(wǎng)站頁(yè)面采用HTML5編寫(xiě)，并使用Bootstrap4框架適配不同的手機(jī)移動(dòng)設(shè)備。

3.4 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

為便于實(shí)現(xiàn)上述功能，手機(jī)端和Web服務(wù)器的交互采用WebView控件，通過(guò)WebView控件加載Web服務(wù)器頁(yè)面。

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行PCB電路板的制作，再將程序下載到ESP32中運(yùn)行，OLED顯示屏能正常顯示各傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)在火焰?zhèn)鞲衅髦苓叴蜷_(kāi)打火機(jī)，聲光報(bào)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，說(shuō)明系統(tǒng)能正常運(yùn)行。用戶通過(guò)手機(jī)或電腦登錄網(wǎng)址，能順利查看相應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按設(shè)定的周期正常刷新。測(cè)試時(shí)火焰?zhèn)鞲衅髦苓呌谢鹧?，用戶能接收到家居環(huán)境異常提示信息，通過(guò)查看各傳感器的輸出值可發(fā)現(xiàn)家居環(huán)境的異常情況，及時(shí)采取相應(yīng)措施，用戶也可通過(guò)手機(jī)端遠(yuǎn)程進(jìn)行布防和撤防操作。調(diào)試結(jié)果證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確、可靠。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能家居安防系統(tǒng)采用ESP32作為主控芯片，采用多種傳感器監(jiān)測(cè)家居環(huán)境的溫濕度、煙霧體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)以及門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、火焰狀態(tài)等，這些信息不僅可以在OLED顯示屏上顯示，還能通過(guò)服務(wù)器方便用戶在手機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢，當(dāng)家居環(huán)境有異常時(shí)，系統(tǒng)不僅產(chǎn)生聲光報(bào)警，還能及時(shí)給用戶發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)防盜、防火、防有毒氣體的功能，具有一定的實(shí)用性。今后可在此基礎(chǔ)上，加入家居新風(fēng)系統(tǒng)、自動(dòng)滅火裝置等模塊，實(shí)現(xiàn)更加智能化的家居安防控制，為人們創(chuàng)造更加安全、健康、舒適的家居環(huán)境。

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作者簡(jiǎn)介：臧殿紅（1976—），女，碩士，高級(jí)講師，研究方向?yàn)殡姽る娮印?/p>

收稿日期：2024-01-29 修回日期：2024-03-11