家庭安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

摘" 要：以STM32F10作為主控制板，設(shè)計(jì)并制作了一個適用于家庭的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)配備多種環(huán)境檢測器，滿足防火、防盜、防爆等多種家庭安全保障需求，實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境數(shù)據(jù)可視化，并具備超出設(shè)定閾值報(bào)警等功能。為進(jìn)一步增強(qiáng)家中無人時(shí)家庭環(huán)境的安全性，監(jiān)測系統(tǒng)利用OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云存儲，實(shí)現(xiàn)不受時(shí)空限制地查看家庭情況，提高設(shè)備智能化、協(xié)作化水平。具有檢測精度高、使用簡便、安全性高等特點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)家庭安全保障，增強(qiáng)應(yīng)急能力，推動科技普及等具有重大意義。

關(guān)鍵詞：STM32；環(huán)境檢測；智能安全；異常警報(bào)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）03-0194-05

Design and Research on Environmental Monitoring System for Home Safety

HUI Xiaoying， HAO Chuanzhu

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： This paper designs and produces an environmental monitoring system suitable for homes， utilizing the STM32F10 as the main control board. The environmental monitoring system is equipped with various environmental detectors to meet multiple safety requirements for homes， including fire prevention， theft prevention， and explosion prevention. It realizes visualizing home environmental data and has functions such as alarm for conditions that exceed set thresholds. To further enhance the safety of the home environment when unoccupied， the monitoring system utilizes the OneNet IoT platform to realize data cloud storage， and it can view the home conditions without time and space limitations， improving the intelligent and collaborative level of equipment. The system is characterized by high detection accuracy， ease of use， and high safety， which is of great significance for achieving home safety， enhancing emergency response capabilities， and promoting the popularization of science and technology.

Keywords： STM32; environmental monitoring; intelligent safety; abnormal alarm

0" 引" 言

隨著科技的進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代家庭不僅追求舒適的居住環(huán)境，家庭環(huán)境安全對健康和生活質(zhì)量的影響也受到人們的廣泛關(guān)注[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022年全國消防救援隊(duì)伍共接報(bào)處置各類警情209.2萬起，其中火災(zāi)警情占據(jù)了相當(dāng)大的比例。2021年，全國因燃?xì)馐鹿蕦?dǎo)致的傷亡人數(shù)達(dá)到了2 000人，且入室盜竊行兇等案件的發(fā)生率在近年來也呈上升趨勢。雖然安裝攝像頭、空氣凈化器等設(shè)備對提升家庭環(huán)境安全性具有一定幫助，但這些解決方案仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，設(shè)備成本高、技術(shù)依賴性強(qiáng)、數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)、存在監(jiān)測盲區(qū)等。

隨著用戶對家庭和工作環(huán)境安全需求不斷上升，傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)亟須被更加智能、高效的一體化安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所取代。這類系統(tǒng)應(yīng)具備靈活的模塊化設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)處理空氣質(zhì)量監(jiān)測、入侵檢測、火災(zāi)報(bào)警等多種功能，通過統(tǒng)一的界面進(jìn)行管理與控制。這不僅能提高用戶的使用便捷性和體驗(yàn)感，還能有效降低維護(hù)成本。

根據(jù)目前嵌入式技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的實(shí)際需求，本項(xiàng)目旨在針對以家庭為環(huán)境監(jiān)測對象這一特定場景，實(shí)現(xiàn)一套完整的、具備一定可擴(kuò)展性的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將各類前端數(shù)據(jù)采集模塊與嵌入式核心處理平臺分開，采用分布式監(jiān)測系統(tǒng)[2]，使在保持嵌入式處理平臺基本不做改變的情況下，通過改變前端數(shù)據(jù)采集模塊使整個系統(tǒng)可以相對輕易地移植到其他環(huán)境中[3]。

1" 國內(nèi)外的研究和發(fā)展動態(tài)

從國外研究現(xiàn)狀來看，家庭安全監(jiān)測等概念在20世紀(jì)末提出，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著無線通信、智能家居和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展[4]，這些概念得到了顯著的推動與演變，智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于家庭安防系統(tǒng)中，使得家庭安全系統(tǒng)變得更加高效和智能化。但整合度不高、管理強(qiáng)度不足等問題仍然存在[5]，全球范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化努力和跨國合作正在不斷加強(qiáng)，環(huán)境監(jiān)測工作的自動化、智能化仍是必然發(fā)展趨勢。

相較于國外而言，我國安全環(huán)境監(jiān)測相關(guān)研究的開展較國外稍顯滯后[6]，但隨著政府對智能安防技術(shù)的政策支持，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，家庭安全環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究已經(jīng)在很多研究所和高校廣泛展開。其研究的熱點(diǎn)包括：智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)、健康監(jiān)測技術(shù)、噪聲監(jiān)測與管理、家庭安全監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)的人工智能分析等，但是總體來說屬于起步階段，還有很多問題亟待解決。

安全環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品種類繁多，涵蓋多種應(yīng)用場合，但多數(shù)產(chǎn)品為針對特定需求設(shè)計(jì)，缺乏可廣泛應(yīng)用的整體一體化安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。盡管國外在數(shù)據(jù)檢測和安防等領(lǐng)域取得了顯著成果，但針對產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)的研究仍相對稀缺，相關(guān)的綜合解決方案也鮮有推出。這導(dǎo)致市場上存在大量單一功能的設(shè)備，而缺乏能夠?qū)⒍囗?xiàng)監(jiān)測功能集成在一起的系統(tǒng)。

2" 主要研究內(nèi)容

STM32F10是一款基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的32位微控制器，主頻可達(dá)72 MHz，確保數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和高效性。STM32廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)、自動化等領(lǐng)域。它通常包含核心處理器、模擬功能、時(shí)鐘系統(tǒng)、調(diào)試接口等組件，支持多種工作模式，可實(shí)現(xiàn)低功耗、高效率的運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示。安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，共有門禁安防子系統(tǒng)、環(huán)境檢測子系統(tǒng)和入侵報(bào)警子系統(tǒng)[7]三大部分：

1）門禁安防子系統(tǒng)由指紋鎖和密碼鎖兩個模塊組成，指紋鎖利用生物識別技術(shù)，確保只有經(jīng)過授權(quán)的用戶可以進(jìn)入。密碼鎖允許用戶設(shè)定自定義的數(shù)字密碼，方便了用戶在無法使用指紋時(shí)的訪問，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和便利性。

2）環(huán)境檢測子系統(tǒng)分為安防檢測和火災(zāi)防爆檢測兩部分。安防檢測通過嵌入門窗內(nèi)的震動傳感器監(jiān)測是否存在異常入侵?；馂?zāi)防爆檢測利用多種傳感器全方位監(jiān)測家庭環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，確保家庭安全。

3）環(huán)境檢測系統(tǒng)采集的各類環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺。用戶可隨時(shí)隨地獲取家庭環(huán)境信息，并且云平臺根據(jù)預(yù)設(shè)條件，在采集數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)觸發(fā)實(shí)時(shí)警報(bào)，確保用戶在發(fā)生異常情況時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)。

4）入侵報(bào)警子系統(tǒng)包括警報(bào)器和電話報(bào)警模塊，無論用戶是在家還是外出，都能夠有效提醒房屋內(nèi)外的所有人員，確保不遺漏任何潛在的安全威脅。

3" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家庭安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三部分。第一部分為分布在各個房間的各類環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置，通過實(shí)時(shí)檢測上傳環(huán)境數(shù)據(jù)，保障家庭環(huán)境安全。第二部分在門窗內(nèi)嵌入震動傳感器，用以檢測是否存在非法人員闖入。第三部分與前兩部分相互配合，在存在突發(fā)情況時(shí)向外發(fā)出警報(bào)。并在門鎖處配備指紋鎖及密碼鎖，配合震動傳感器，共同保障家庭安防環(huán)境的安全[8]。實(shí)物圖如圖2所示。

家庭安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體電路圖如圖3所示。

3.1" 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

環(huán)境數(shù)據(jù)采集方式主要包括人工觀察、攝像頭監(jiān)控、衛(wèi)星遙感和數(shù)據(jù)挖掘與分析等。然而，對于封閉性較強(qiáng)且環(huán)境因個體或地理位置而存在顯著差異的家庭環(huán)境，采用分散式傳感器測量與集中數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方式，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境并及時(shí)做出反應(yīng)[2]。環(huán)境檢測流程圖如圖4所示。

3.1.1" 溫濕度檢測

家庭安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測各個房間的溫濕度數(shù)據(jù)，充分考慮季節(jié)變化和房間功能的差異性，家庭環(huán)境的溫度大致在10 ℃至35 ℃之間，濕度在30%至60%范圍內(nèi)。為滿足這一需求，DHT11傳感器提供的溫濕度測量范圍為-40℃至125℃和0%至100%，使其能夠準(zhǔn)確有效地獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。

火災(zāi)初期，室溫通常在30 ℃到70 ℃之間。隨著火源燃燒，溫度可迅速升至100 ℃以上。因此，為在溫度未達(dá)到危險(xiǎn)水平之前及時(shí)發(fā)出警報(bào)，項(xiàng)目設(shè)定55 ℃為火災(zāi)報(bào)警閾值，以提醒家庭成員及時(shí)采取應(yīng)對措施。

3.1.2" 酒精檢測

隨著人們對消毒的關(guān)注增加，酒精消毒液受到重視。為確保家庭環(huán)境安全，項(xiàng)目設(shè)置了酒精檢測裝置MQ-3以監(jiān)測環(huán)境中的酒精濃度。當(dāng)空氣中有酒精分子時(shí)，部分氣體吸附在涂有敏感材料的MQ-3表面，致使電導(dǎo)率和輸出電壓變化，實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的檢測。

本項(xiàng)目中，酒精檢測裝置閾值設(shè)定在0.2%（即2 000×10-6）至0.5%（即5 000×10-6）之間。一旦檢測到酒精濃度超過安全閾值，系統(tǒng)將自動發(fā)出警報(bào)。

3.1.3" 天然氣檢測

天然氣檢測裝置主要位于天然氣管道及灶臺旁，用以檢測天然氣濃度是否處于正常范圍之內(nèi)，是否存在燃?xì)庑孤┑那闆r，天然氣檢測裝置采用MQ-4傳感器，MQ-4表面二氧化錫對烷類氣體具有較高的靈敏度，可以很好地檢測空氣中易燃易爆氣體的濃度，天然氣檢測設(shè)定最高閾值為4 000×10-6，搭配酒精及溫濕度傳感器，共同監(jiān)測家庭環(huán)境中的氣體數(shù)據(jù)，保障家庭環(huán)境的安全。

3.1.4" 震動檢測

震動檢測裝置屬于安防環(huán)境檢測中的重要指標(biāo)，將震動檢測模塊嵌入在門窗內(nèi)部或表面，當(dāng)有非法人員企圖通過撬門、砸窗等手段進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，模塊內(nèi)的壓電陶瓷檢測到持續(xù)的異常震動并將數(shù)據(jù)發(fā)送至主系統(tǒng)，主系統(tǒng)中安全信號發(fā)生變化，警報(bào)裝置獲得后發(fā)出警報(bào)。

3.2" 門禁安防系統(tǒng)

3.2.1" 密碼鎖

密碼鎖采用4×4的16位按鍵盤構(gòu)成，每個按鍵可用于輸入數(shù)字或其他符號，用戶通過輸入特定的密碼組合來解鎖或鎖定設(shè)備。對于不同用戶，可以靈活設(shè)置個性化密碼，增強(qiáng)安全性。此外，密碼鎖配備LCD顯示屏，LCD顯示屏將控制系統(tǒng)中獲得的數(shù)據(jù)讀取出來并反饋給用戶。為了提高整體安全性，密碼鎖采用計(jì)數(shù)機(jī)制與標(biāo)志位相結(jié)合，設(shè)置誤輸入嘗試限制，若連續(xù)錯誤輸入多次后將鎖定鍵盤，防止暴力破解。

3.2.2" 指紋鎖

指紋鎖采用AS608指紋模塊，搭配LCD顯示屏，當(dāng)有人嘗試開鎖時(shí)，光學(xué)傳感器掃描指紋圖像，并對圖像進(jìn)行增強(qiáng)、去噪、二值化等處理，將指紋的脊線、分叉和端點(diǎn)等特征提取出來，生成指紋特征模板，并與存儲器中的指紋進(jìn)行比對，從而確定用戶身份，避免傳統(tǒng)鑰匙丟失或被盜的風(fēng)險(xiǎn)。門禁安防系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

3.3" 數(shù)據(jù)采集與顯示

3.3.1" LCD顯示屏

LCD顯示屏通過串口連接至控制系統(tǒng)，及時(shí)將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和門禁安防系統(tǒng)的反饋信息呈現(xiàn)出來，為用戶提供直觀的反饋，如圖6所示。這種設(shè)計(jì)使得用戶能夠迅速掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)及環(huán)境信息，從而做出及時(shí)響應(yīng)。LCD可以顯示多種信息，如：

1）實(shí)時(shí)門禁系統(tǒng)識別狀態(tài)。用戶可以看到指紋識別是否成功，若失敗則會有提示信息，幫助用戶了解當(dāng)前使用情況。

2）環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過與各類傳感器的連接，LCD屏幕實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度等各類環(huán)境數(shù)據(jù)，確保用戶隨時(shí)了解家庭的安全狀況。

通過這些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，LCD顯示屏不僅提升了用戶體驗(yàn)，增強(qiáng)了設(shè)備的互動性，還使得家庭安全管理更加高效，進(jìn)一步優(yōu)化門禁安防系統(tǒng)使用的便利性。

3.3.2" OneNET云平臺

項(xiàng)目通過ESP32模塊將控制系統(tǒng)與云平臺相連接，控制系統(tǒng)與ESP32采用串口通信將環(huán)境檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至ESP32模塊，ESP32通過Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺[9]。ESP32模塊與OneNet云平臺之間通過MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[10]，將接收到的溫濕度、天然氣濃度、門禁狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲在云端，用戶不僅可以實(shí)時(shí)查看門禁系統(tǒng)的狀態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)，還可訪問歷史數(shù)據(jù)，如圖7所示。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新能夠幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，如非法入侵或環(huán)境變化，從而采取必要的安全措施。

3.4" 入侵報(bào)警子系統(tǒng)

入侵報(bào)警子系統(tǒng)由家庭報(bào)警器和SIM800模塊組成，當(dāng)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會立即向警報(bào)裝置發(fā)送報(bào)警信號。家庭報(bào)警器接收到報(bào)警信號后，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”聲提醒家庭成員，同時(shí)，電話模塊連接基站信號向戶主撥打電話，如圖8所示。確保戶主能夠及時(shí)獲取警報(bào)信息以采取必要的應(yīng)對措施。

3.5" 系統(tǒng)測試

燒錄程序，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

以天然氣傳感器為例，使用打火機(jī)模擬天然氣濃度升高，MQ-4傳感器迅速感知到周圍天然氣濃度的顯著增加。傳感器的輸出信號被傳輸至控制系統(tǒng)，此過程響應(yīng)時(shí)間約0.5 s，控制系統(tǒng)將檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，檢測濃度超出閾值，安全信號標(biāo)志位發(fā)生改變，警報(bào)裝置發(fā)出警報(bào)信號，整個過程在1 s以內(nèi)。

同時(shí)，SIM800模塊啟動，連接到通信信號，向預(yù)設(shè)的手機(jī)號碼發(fā)出警報(bào)電話，為節(jié)省串口資源，SIM800A模塊在接收到危險(xiǎn)信號之后開始連接信號塔，故此反應(yīng)過程較慢，因房間環(huán)境不同，響應(yīng)時(shí)間在2～7 s不等，成功率在65%～95%之間，若房間內(nèi)信號不佳或存在信號干擾，成功率會在一定程度上降低。OneNet云平臺最快刷新速率為3 s/次，一般響應(yīng)速度在5 s左右。

當(dāng)門禁系統(tǒng)中的密碼鎖連續(xù)錯誤輸入超過三次時(shí)，系統(tǒng)立即觸發(fā)自動鎖定機(jī)制。輸入時(shí)，按鍵響應(yīng)時(shí)間整體高于指紋掃描時(shí)間，指紋解鎖作為日常常用門禁手段，匹配成功率在95%以上。

4" 結(jié)" 論

隨著現(xiàn)代社會對家庭安全及生活質(zhì)量需求的日益增長，安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的適應(yīng)性和重要性愈加突顯。本項(xiàng)目綜合了門禁安防系統(tǒng)與環(huán)境檢測系統(tǒng)兩大模塊，將采集到的各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺，提供了一種全面的安全解決方案。

該作品使用指紋鎖作為檢測用戶權(quán)限的手段之一。指紋鎖運(yùn)用生物識別技術(shù)，確保僅授權(quán)用戶才能進(jìn)入，減少了因密碼泄露或遺忘而引起的安全隱患。同時(shí)，密碼鎖使得在無法使用指紋的情況下，用戶依然能夠通過識別。安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過震動傳感器監(jiān)測異常入侵，當(dāng)識別到非正常震動時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信號。而火災(zāi)防爆檢測系統(tǒng)則通過多種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測各種環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、氣體濃度等，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并告知用戶。

安全環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測環(huán)境信息，幫助用戶了解家庭環(huán)境情況，從而避免火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害的發(fā)生，安防系統(tǒng)也能夠進(jìn)一步保衛(wèi)家庭成員的安全。希望未來因環(huán)境隱患等疏忽而產(chǎn)生的警情能夠大幅減少，提高家庭環(huán)境的舒適性和安全性。希望通過對這一課題的研究，促進(jìn)安防預(yù)警相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與發(fā)展，注重用戶體驗(yàn)、優(yōu)化系統(tǒng)性能，打造一個安全、和諧的社會環(huán)境。

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作者簡介：惠小影（2004.06—），女，漢族，山東日照人，本科在讀，研究方向：自動化；郝傳柱（1983.04—），男，漢族，山東聊城人，副教授，工程師，本科，研究方向：自動化、控制工程。