基于物聯網的家庭智慧安防系統設計與實現

王鵬 于潤嘉 羅全珍

摘 要：為了解決傳統智能家居安防系統布線復雜、功能單一、維修困難等問題，設計了一種具有室內空氣質量監測、安防報警等功能的家庭智慧安防系統。系統使用STM32芯片作為主控芯片，利用多種功能傳感器檢測家居環境，并將檢測到的數據送至STM32芯片處理后在液晶顯示屏顯示。當系統檢測到傳感器輸出信號異常時會產生蜂鳴報警，同時GPRS模塊向用戶手機發送報警短信。為了使用戶能夠在遠程外網通過PC機或智能終端實時監控住宅狀況，單片機將收集到的信息通過網關傳送至YeeLink云平臺以便用戶訪問。室內環境測試分析結果表明，系統達到了預期的設計目標，具有低成本、高性能、穩定性好的特點。

關鍵詞：物聯網技術;STM32;傳感器;安防;云平臺;GPRS

中圖分類號：TP18文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術在各行各業的成功應用，使人們的生活更加便捷、高效。個人家庭住宅的安全成為人們關注的新興話題，大家不僅滿足于住得舒服，更希望住得安全。將物聯網技術應用到家庭智慧安防系統當中是發展的必然趨勢。針對目前智能家居安防系統布線復雜、功能單一、維修困難等問題[1-2]，本文設計了基于物聯網的家庭智慧安防系統，通過將嵌入式、傳感器與物聯網技術的有機結合，為智能家居安防系統的設計提供了一種新思路。實踐表明，低成本、低功耗、高性能的特點使得該系統在智能家居安防市場有較大發展前景。

1 系統總體設計

系統設計主體分為智能家居安防子系統與遠程監控子系統兩部分。智能安防子系統利用多種功能傳感器實時監測家居溫濕度、空氣質量、光照強度等環境參數，通過STM32單片機采集、處理傳感器數據，并發送至LCD液晶顯示屏進行顯示。當傳感器采集數據超過閾值時，STM32單片機控制GPRS通信模塊將內置報警信息發送給用戶實現報警功能。同時用戶也可以通過GPRS模塊發送控制信息，實現家中智能設備的遠程控制與調節[3]。為了使用戶能夠在遠程外網通過PC機或智能終端實時監控住宅狀況，STM32單片機將收集到的信息通過以太網控制模塊W5500搭建的網關傳送至YeeLink云平臺，以便用戶能夠進行實時訪問[4]。系統總體架構如圖1所示。

主控芯片核心參數的選擇決定了系統整體性能的優劣。意法半導體公司推出的基于Cortex-M3內核的STM32單片機是一款易于編程操作且高性價比的單片機。由于本系統具有實時性強、外設多，需具備網絡通信功能等特點，綜合各方面因素考慮，選擇LQFP封裝形式的STM32F103ZET6 芯片作為核心處理器，其工作電壓范圍為2.0～3.6 V，工作溫度范圍為-40～85 ℃。它片內集成了豐富的資源，包括512 KB FLASH，64 KB SRAM，3個12位μs級ADC，測量范圍0～3.6 V，多達80個I/O，4個通用定時器，2個高級定時器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等，大大簡化了外圍電路設計，有效降低了硬件設計成本[5-6]。

2 安防子系統數據采集模塊硬件設計

2.1 環境溫濕度檢測模塊設計

系統采用包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件的溫濕度復合傳感器DHT11進行環境溫濕度檢測。設計中DHT11通過DATA引腳將溫濕度數字量信息傳送到STM32單片機的PA1引腳，由單片機進行數據分析與處理[7]。DHT11數據包長度為5 B，其中濕度數據、溫度數據各占2 B，校驗和占1 B。為了避免DHT11傳感器上電后不穩定狀態帶來的測量誤差，STM32單片機需等待1 s，再向DHT11發送指令。DHT11通過單總線與STM32單片機進行通信，即僅需一個I/O口，便可完成數據的輸入/輸出雙向傳輸。DHT11與STM32單片機之間的連接示意如圖2所示。

2.2 安防報警模塊設計

安防報警模塊由振動傳感器、光電傳感器、PM2.5濃度檢測傳感器和煙霧檢測傳感器組成[8]。SW-420振動感應器、E18-D80NK光電傳感器的信號是數字信號，信號輸出端口直接連接到STM32單片機。YW-51GJ的PM2.5氣敏粉塵傳感器，通過脈沖高度來判斷細顆粒物濃度。MQ-7氣體傳感器能有效監測液化氣、烷類氣體及煙霧等有害氣體，是一款多種氣體檢測傳感器。

SW-420振動傳感器是一種振動傳感元件，其內部門電路均是接通狀態，內部活動滾軸的位移或振動會改變內部電路的電流和阻值，引起門電路開斷狀態改變，因此一定程度的移動或振動會觸發電路。傳感器通過I/O口直接與單片機連通，當振動產生時輸出端輸出高電平，單片機接收到高電平觸發相應的程序。

E18-D80NK光電傳感器是集成發射和接收的光電傳感器。接收頭解調反射光并用于確定傳感器前面是否存在障礙物。該端口直接輸出高電平和低電平，并且可以在沒有任何驅動電路的情況下與單片機通信。

YW-51GJ PM2.5傳感器內部由紅外線發光二極管和光電晶體管組成。當細顆粒物經過傳感器內部的檢測孔時，依據光的散射原理，它會對光線形成散射，感光元件將通過光軸的光信號轉換為電信號輸出。由于輸出信號十分微弱，需設計多級運算放大電路，對信號進行多級放大并送至STM32單片機的A/D轉換模塊，進行模/數轉換后顯示與發送。設計的PM2.5濃度檢測電路如圖3所示。

MQ-7氣體傳感器采用電導率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料，通過高低溫循環檢測方式進行檢測。傳感器的電導率隨環境一氧化碳氣體濃度的增加而增大，電導率的變化被轉換為與一氧化碳濃度相對應的信號輸出。該信號經A/D轉換模塊變換為數字信號供單片機處理。

2.3 GPRS無線通信模塊設計

GPRS采用分組交換的方式承載和傳輸語音、短消息和數據業務。由于具有覆蓋面積大、網絡成熟、成本低等特點，它廣泛應用于智能家居監控領域進行遠程無線數據的采集與傳輸[9]。

本設計采用高性能、高可靠性、接口及外圍電路設計簡單的ETPro-101An模塊作為GPRS無線通信模塊。為了實現GPRS模塊與單片機之間的通信，通過MAX232芯片實現電平轉換[10]。

2.4 以太網控制模塊設計

為了實現智能家居的遠程監控，設計采用支持多種通信協議、高傳輸速率、自帶SPI接口及官方應用庫的以太網接口模塊W5500實現遠程數據傳輸功能。

W5500模塊通過以太網將傳感器測得的數據信息發送到網絡平臺;用戶能夠在遠程外網通過PC機或智能終端實時登錄網絡平臺，獲取相應的數據實時監控住宅狀況[11]。

3 系統軟件設計

基于模塊化的設計理念，設計了系統主程序、各功能子程序及HMI程序。主程序流程如圖4所示，HMI程序流程如圖5所示。

各功能子程序主要包括初始化子程序、數據采集子程序、液晶顯示子程序、GRPS無線通信子程序等。系統加電后，初始化子程序首先對單片機的I/O口、通用串口、中斷寄存器等進行初始化設置，緊接著對各傳感器、液晶顯示屏及遠程通信模塊等外圍設備初始化，使其處于待工作狀態。

傳感器采集的模擬量通過STM32片內12位多通道A/D轉換器進行轉換;傳感器采集的數字量依據采用的通信協議，按照相應的數據格式完成與STM32芯片之間的數據交互。

數據讀取和閾值判斷在主程序的while循環體中進行，這樣單片機可以按照一定周期不斷更新數據并不斷監測是否滿足報警條件。

4 系統測試與實現

為了驗證系統各部分功能是否正常，對系統進行了整體測試。若光照強度不高于30 Lux，則低于程序預設閾值，TFT-LCD顯示屏顯示當前測量數值并提示用戶開啟燈光，如圖6所示;HMI程序跳轉至頂燈控制界面，用戶可以直接通過操作屏幕控制室內測試環境中的燈光，如圖7所示。

當感知到障礙物且振動傳感器數值變化范圍大于程序閾值時，單片機進入入侵報警程序[12]。通過串口編號可判斷出發生室內入侵的位置。報警信息和入侵狀況通過LCD屏幕以可視化方式告知用戶，如圖8所示，用戶需在HMI屏幕確認，如圖9所示。若30 s未進行操作，單片機向通信模塊發送指令，將相應的入侵報警信息以短信方式發送到安保組織。

5 結 語

本系統將STM32單片機與物聯網技術、以太網技術搭配實現了一種家庭智慧安防系統。該系統具有溫濕度檢測、入侵檢測、顆粒物濃度檢測、有害氣體檢測等功能，可通過移動通信網絡進行短信報警，通過以太網與云端實現遠程監控。選擇室內環境進行測試分析，結果表明，系統實現了低成本、高性能、穩定性好的智能家居安防系統的構建。

參考文獻

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