基于STM32單片機的智能家庭安防系統設計與實現

寇為剛 鄭克誠

摘 要：文章研究了基于STM32單片機的智能家庭安防系統，其采用STM32F103ZET6單片機作為核心控制單元，對室內的溫濕度、光照強度、空氣質量進行實時采樣，根據設定的閾值，控制電器驅動模塊確保室內空氣環境清新干凈；對非法入侵、可燃氣體泄漏等不安全問題及時通過遠程通信模塊通知住戶并及時自動報警，實現家庭安全防盜報警。

關鍵詞：智能家居；空氣質量；安全防范；遠程通信

近年來，隨著國民經濟高速發展，工業企業不斷壯大，人口流動性增大，社會治安趨于復雜，空氣污染也愈演愈烈，人們對居住環境的安全性要求也越來越高，不僅滿足于住得舒服，更希望住得安全。居住環境的安全來自方方面面，除了財產安全和人身安全，室內空氣質量同樣是關乎生命安全的問題。因此，防止陌生人入侵，保持家庭空氣清新干凈，煤氣泄露報警等是每個家庭都十分關注的安全防范問題。目前市面上的同類產品是作為單獨系統單元出現，僅僅是空氣質量的監測和改善，或者單一的實現安防報警功能，并沒有做成非常全面的智能家居產品。基于此，論文設計智能家庭安防系統，該系統不僅有傳統家庭安全防盜報警功能，同時兼顧空氣質量監測與改善功能，為人們提供更為安全的保障。

1 系統總體設計

基于STM32單片機的家庭智能安防系統[1]主要由家庭安全防盜報警部分、空氣質量監測系統和遠程控制部分組成，是一款功能全面的經濟型家庭安防系統。

家庭安全防盜報警部分由核心控制單元和前端傳感器組成[2]。SW-420震動傳感器感知門窗是否被推動、E18-D80NK光電傳感器感知窗戶附近是否有異常活動、MQ-7氣體傳感器感知火災發生，這些信息實時傳輸到核心控制單元的單片機，進行數值分析，當數值超出閾值時，單片機傳遞指令利用GSM/GPRS通信技術實現快速報警。

空氣質量監測系統（Air Quality Monitoring Equipment，AQME）利用傳感技術，GSM/GPRS通信技術，微機處理技術來實現空氣質量監測及報警功能，實時采集數據并進行分析功能，空氣質量等級提示及報警功能。其原理是光敏二極管采集的室內光照強度、DHT11傳感器采集的室內溫濕度、GP2Y10空氣質量傳感器采集的室內空氣質量等信息實時傳輸到核心控制單元的單片機，單片機根據收集到的信息進行數據分析，在TFTLCD顯示屏中顯示出數據和相應的提示。

遠程控制部分使用ATK-SIM800C模塊[3]，該模塊集通話、收發短信功能于一體。當系統進入報警程序時，單片機向該模塊發送指令，該模塊將預編好的短信發送到指定目標進行報警。用戶也可以向該模塊發送命令短信，控制家用電器的開閉，改善室內空氣質量，提高宜居性。

系統采用STM32系列的STM32F103ZET6單片機作為核心控制單元[4]，控制空氣質量監測系統、家庭安全報警部分、遠程控制部分3個模塊，使用光敏二極管采集室內光照強度，DHT11傳感器采集室內溫度和濕度，SW-420震動感應器感知門窗是否被觸碰，E18-D80NK光電傳感器感知門窗附近是否有人員活動，MQ-7氣體傳感器感知火災的發生，GP2Y10空氣質量傳感器采集室內空氣質量指數，ATK-SIM800C模塊進行短信報警和遠程控制。單片機接收來自各個傳感器的信號，對信號進行處理，轉化成人類可識別的信息顯示出來。當需要報警時，單片機發送指令給GSM/GPRS通信模塊，該模塊將預編好的信息發送出去實現報警功能。同時用戶也可以發送指令短信給該模塊，從而控制家里用電系統的開閉，做到遠程控制，本設計的總體框如圖1所示。

2 系統部分硬件設計

2.1 ATK-SIM800C遠程通信模塊

遠程通信芯片采用SIMCOM公司的新型緊湊型產品ATK-SIM800C，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩定，外觀精巧，性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求。在實現斷線自動重連功能時，涉及DCD和RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實現模數轉換，當模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當這個電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應的動作，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進來的時候，RI管腳就會有一個低電平出現，當RI引腳檢測到這個低電平的時候，模塊就會采取相應動作，進入短信或者電話模式，ATK-SIM800C通信模塊如圖2所示。

該模塊采用串口連接方式與單片機進行數據通信，可實現短信和電話兩種模式，當有非法入侵、可燃氣體泄漏等不安全問題發生時，該模塊自動報警并發短信給戶主，確保用戶財產安全。

2.2 TFTLCD液晶顯示模塊

TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器。它與無源TN-LCD和STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個像素上都設置有一個薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT），可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態特性與掃描線數無關，因此大大提高了圖像質量，TFTLCD顯示器如圖3所示。

TFTLCD的信號包括：RS，D0～D15，WR，RD，CS，RST和BL等，其中真正在操作LCD的時候需要用到的就只有：RS，D0～D15，WR，RD和CS。其操作時序和SRAM的控制完全類似，唯一不同就是TFTLCD有RS信號，但是沒有地址信號。

對于NOR FLASH/PSRAM控制器（存儲塊1），通過FSMC_BCRx，FSMC_BTRx和FSMC_BWTRx寄存器設置（其中x=1～4，對應4個區）。通過這3個寄存器，可以設置FSMC訪問外部存儲器的時序參數，拓寬了可選用的外部存儲器的速度范圍。

3 軟件部分設計

軟件部分設計采取模塊化設計，程序由初始化程序、各傳感器的數據采集模塊、TFTLCD顯示屏顯示模塊、ATK-SIM800C遠程通信模塊、聲光報警模塊以及遠程控制模塊。

初始化程序將用到的各頭文件導入，初始化各傳感器，使能端口時鐘，根據各傳感器、TFTLCD顯示屏以及遠程通信模塊的特點定義I/O口的輸入輸出方式。傳感器的數據采集模塊分為模擬數據采集和數字數據采集，模擬數據通過STM32F103ZET6片內12位多通道A/D轉換器進行數據采集，數字數據根據通信協議與主控芯片進行數據交換完成數據采集。TFTLCD顯示屏是16位數據并口，與STM32F103ZET6單片機的串口連接，初始化序列使用LCD供應商提供的初始化序列，可以與開發板同時進行硬復位。具體軟件流程如圖4所示。

4 實驗結果

當光照強度低于30時，小于程序中的閾值，單片機在PE5口輸出高電平，控制電燈的繼電器閉合，電燈點亮，同時在LCD屏幕上提示燈光已開啟，低光照條件下的顯示屏如圖4（a）所示；當E18-D80NK光電傳感器和SW-420震動感應模塊傳遞到單片機的信號數值同時超出閾值，根據傳感器的編號，單片機判斷出屋內的哪個位置有異常活動，并在LCD屏幕上顯示出來，ATK-SIM800C通信模塊自動將預編好的報警短信發給保衛部門，入侵報警狀態下的顯示屏如圖4（b）所示；當MQ-7氣體傳感器傳回的模擬信號，經A/D轉換由低電平變為高電平時，單片機觸發報警程序，ATK-SIM800C通信模塊自動將預編好的報警短信發給消防部門，LCD顯示屏提示發生火災，蜂鳴器持續報警，火災報警狀態下的顯示屏如圖4（c）所示。

5 結語

本設計實現了基于STM32的經濟型家庭智能安防系統，光敏二極管采集室內光照強度、DHT11采集室內溫濕度、GP2Y10采集室內空氣質量、E18-D80NK光電傳感器和SW-420震動傳感器感知門窗是否被打開、MQ-7氣體傳感器感知火災發生，所有傳感器采集的信號傳輸到STM32單片機處理，通過TFTLCD顯示屏顯示出當前室內光照強度、溫度、濕度、空氣質量等信息。當發生非法入侵和火災時，本系統在進行聲光報警的同時，通過ATK-SIM800C通信模塊發送短信報警。

本系統采用模塊化思想開發，各個傳感器之間互不干擾，且各傳感器技術成熟、性能穩定，是目前市場上性價比最高的傳感器。系統在易用性和功能性上都優于普通家庭安防系統，成本上也嚴格控制在千元以下，可以作為家庭安防系統的推廣產品使用。

主控單元采用ALLENTEK公司的開發板，功能強大，可拓展性強。后期還可開發出互聯網遠程控制，安防視頻監控等功能。根據用戶需求，為用戶提供不同的家庭安防系統方案，做到系統按需定制，安防因地制宜。