基于物聯網技術的智能家居安防系統設計

姚鋼　李澤彬　黃奇　姚有峰

摘 要：如今，盜竊和危害人身安全事件時有發生，人們也越來越重視生命財產安全，因此，降低危害社會行為的發生率，構建智能化的家居安全防范系統非常必要。文中基于物聯網技術設計了一種智能家居安防系統，該系統以單片機為控制核心，傳感器檢測安防信號，通過SIM900A通信模塊發送信息實現遠程報警，以達到保障家庭安全，減少家庭經濟損失的目的。系統通過軟硬件調試，其運行可靠、成本低廉，實現了家居安防的遠程化、智能化。

關鍵詞：安防系統;傳感器;SIM900A;STC單片機;物聯網技術;智能家居

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

智能家居從20世紀末開始發展，到如今已經得到大規模普及，其蓬勃發展的勢頭，已成為挖掘的內在潛力，受到業界廣泛關注。許多企業在產品研發、技術創新等方面展開了激烈的競爭，并通過相關產品的展示吸引消費者關注[1-4]。在智能化建筑中，智能家居將不同的智能信息和樓宇環境信息綜合分析應用，具有監測、傳輸、儲存、判斷和控制的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環境三位一體的格局，為人們提供安全、舒適、便捷及可持續發展功能環境的建筑[5-6]。智能安防系統一方面保障了用戶自身的家庭財產安全，另一方面也保障了建筑樓宇本身的安全性。智能家居安全防范系統通過單片機智能控制中心，采用有線與無線相結合的方式，將各個模塊結合起來，形成一個具有防盜、防火、防有害氣體泄漏的智能安防系統，實現對緊急情況的監測和進行有效報警功能[7-8]。

1 系統設計與實現

1.1 系統設計方案

智能家居安防系統主要由安防信號檢測、單片機控制中心以及報警模塊等組成。通過在住戶室內安裝傳感器等裝置監測是否有危險情況發生，并采用有線與無線相結合的方式將數據實時傳送到單片機控制中心，針對相應的情況，通過無線通信模塊向用戶發送報警信息，其結構組成如圖1所示。

安防信號檢測由煙霧傳感器、火焰傳感器、人體紅外感應傳感器組成。單片機控制中心全天候處于掃描狀態，當出現火災、有毒氣體泄漏或外來人員非法入侵等，系統中相應傳感器的信號通過單片機處理后與預先設置參數進行比較，當滿足報警條件時，進行現場和遠程報警[9-10]。

1.2 系統硬件設計

智能家居安防系統中信號檢測傳感器采用MQ-2煙霧傳感器、HC-SR501人體感應紅外傳感器、紅外光敏構成的火焰傳感器。控制采用STC89C52單片機，報警部分使用SIM900無線通信模塊遠程報警以及現場聲光報警和液晶顯示。

1.2.1 煙霧檢測模塊

MQ-2煙霧傳感器是一款應用廣泛且低成本的高性能傳感器，根據傳感器中氣敏材料電導率隨檢測到氣體濃度大小的變化而進行輸出[11]。對于大多數易燃氣體，MQ-2氣體傳感器的靈敏度較高。檢測電路與控制系統接口如圖2所示，比較器U1A根據閾值設置電位器Rp的值和煙霧濃度高低輸出模擬和數字報警信號。

1.2.2 火焰檢測模塊

火焰檢測通過紅外線器件D0檢測火焰，紅外接收管在60°角度范圍內將火焰的亮度轉換成高低變化的電信號，通過LM393比較器與設定值比較后將信號送入控制單元，控制處理單元根據火焰強度做出響應[12]，火焰檢測及接口電路如圖3（a）所示。

1.2.3 無線通信模塊

SIM900A是一款數據收發通信模塊，嵌入功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，除了可以進行電話語音、發送短信/彩信，進行數據傳輸功能外，還可以進行DTMF解碼、識別對方按鍵和本地語音播報，該芯片還有全功能UART接口[13]。模塊中的硬件設計采用高效開關電源優化，SIM卡采用微卡主流，模塊有電源控制引腳，休眠狀態功耗1.5 mA，支持串口升級模塊中的固件，當模塊崩潰時，允許程序重新啟動，模塊電路如圖3（b）所示。

1.2.4 人體感應模塊

HC-SR501是一種通過紅外控制的感應模塊，工作原理如圖4所示。當非法入侵時，傳感模塊輸出高電平，否則輸出低電平。具有強光干擾補償和溫度補償，感應模塊在通電后會有一定的初始化時間，在此期間，感應模塊會在短時間內以一定的頻率輸出多次，之后才能進入偵測狀態。在啟動模塊前需要設置合適的延時時間，其中RT1和CY1決定延遲時間。芯片的“A”引腳接高電平，模塊設置為可重復觸發。

1.2.5 單片機控制中心

STC89C52單片機完成控制功能，根據煙霧、火焰、人體傳感器檢測，判斷異常情況后蜂鳴器報警并顯示，同時通過串口P3.0，P3.1驅動SIM900A進行遠程短信息報警。單片機的P1.1，P1.2檢測煙霧，其中P1.2檢測煙霧的模擬信號，能夠精確測定煙霧的濃度大小。P1.4通過火焰傳感模塊檢測火災情況，由煙霧和火焰共同決定火災事故。P1.5檢測非法入侵者信號。控制電路及接口如圖5所示。

1.3 系統軟件設計

軟件設計是在硬件設計完成的基礎上進行，運用Keil μVision2開發平臺編譯。包括安全檢測程序、SIM模塊初始化程序、發送短信程序、按鍵控制程序等。

1.3.1 人體檢測模塊程序設計

在啟動安防系統狀態下，通電約1 min的初始化時間，調用延時抗干擾程序，之后進入安全監控掃描。因為系統采用可重復觸發方式，所以當單片機P1.5口掃描到高電平時，報警燈亮觸發蜂鳴器報警并顯示，之后延時大約3 s，短信模塊檢測到短信控制命令，進行遠程報警，流程如圖6（a）所示。

1.3.2 煙霧/火焰傳感模塊程序設計

在啟動安防系統狀態下，模塊通電調用延時抗干擾程序，之后進入安全監控掃描狀態，當掃描到煙霧傳感模塊輸出端DOUT為低電平或火焰檢測模塊輸出高電平時，說明此時出現異常情況，立即執行條件函數，啟動蜂鳴器報警，延時大約3 s，短信模塊檢測到短信控制命令，發送短信息進行遠程報警，流程如圖6（b）所示。

1.3.3 通信模塊程序設計

圖6（c）為安防系統通信模塊發送短信流程圖。在程序初始化完成后，當出現煙霧濃度過高或火災發生或非法入侵等情況，探頭前端傳感器檢測到異常信息，打開報警系統，并將預先配置好的信息發送給用戶，告知異常情況。程序中使用unicon編碼對象的號碼，并存放到SIM卡中短信返回的index中。當系統初始化之后，執行延時抗干擾程序，大約15 s模塊注冊到網絡，之后模塊指示燈亮1 s滅3 s表示已經連接到網絡，進入延時信號掃描。當檢測到控制中心發送的短信控制指令之后則向用戶發送信息，延時20 s提示短信發送完畢，若沒有檢測到控制指令，則返回執行延時循環。

2 系統調試

系統工作中有布防模式和撤防模式兩種，兩個模式主要是為防止用戶在家的情況下誤觸發警報。打開電源給系統供電，當家中沒人的狀況下按下布控按鈕，整個系統進入延時掃描狀態，實時檢測各傳感器的信號。

當室內有人入侵時，人體紅外感應傳感器的紅外探頭檢測到信號，輸出高電平，由于采用的是可重復觸發方式，只有當人體離開時才會從高電平變為低電平，此時報警系統工作，蜂鳴器響起。大約3 s之后，SIM900A模塊檢測到單片機的短信控制指令后，立即向用戶發送“室內有人”的短信息，告知家里有人入侵。

同樣的，當家中出現火災時，煙霧傳感器和火焰傳感器采集到信號，與預先設定好的煙霧濃度值和光敏值作比較，高于設定值之后，此時觸發報警系統，蜂鳴器響起，大約3 s之后，SIM900A模塊檢測到短信控制指令之后，向用戶發送“煙霧警報”和“火災警報”的短信息，告知家里發生火災。

3 結 語

智能家居安防系統針對當前家庭的需求開發設計，主要實現防盜報警、防火報警、防有害氣體泄漏等功能。以STC89C52單片機為智能控制中心，采用有線與無線相結合的工作方式，將各個模塊融合在一起，構成一個具備防火、防盜、防有害氣體泄露的智能家居安防系統，實現對家居環境進行監測，實現現場和遠程報警。

注：本文通訊作者為姚有峰。

參考文獻

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