基于開源硬件平臺的無線安全監測系統研發

賴祿憶，張福鼎

(江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇南京，210013)

0 引言

隨著科技水平提升和社會不斷發展，智能家居系統應運而生[1,2]。近年來，入室盜竊、搶劫等案件的發生提升門禁管理和視頻監控[1]等智能安防在智能家居系統中的比重。國外智能家居系統價格過于昂貴、對工程要求很高，在國內市場的應用較少。國內智能家居公司雖然研發的產品種類很多，但是因為各個公司研發的智能家居系統采取標準不同，導致產品的兼容性不強。大多數智能家居產品采取模塊化設計、軟硬件相結合的研發思路，其操作簡單、便于維護，但子模塊之間的交互性較差，智能化程度不高[1]。智能家居系統存在許多的關聯設備，但是由于成本過高的問題，用戶并不會一次性購買所有的關聯設備[3]。目前智能安防系統大多功能統一化、固定化，在功能上有較大局限性，針對基于開放系統、可自由定制及可擴展的監測系統的需求則越來越多。

開源硬件（Open Source Hardware）理念產生于1997年，隨后推出了開源硬件認證計劃與規范項目[4-6]，協作項目組及開源社區[5,6]。2005-2007年隨著3D打印機RepRap、Arduino的研發等所獲得的巨大商業成功，得到社會各界的廣泛關注。基于開源硬件研發出來的產品，縮短了開發時間、節省開發成本，任何人可以按照自己對產品的需求進行改造、升級、迭代，以提高產品質量，實現個性化設計[6]。其中，Arduino是一種基于AVR指令集的單片機，具有體積小、擴展性強、價格優惠等特點，可以與傳感器、LED、舵機等不同的外設進行交互，并與軟件進行交互，集成開發環境Arduino IDE應用靈活且簡單，對于初學者來說上手簡單[4]。

本文以開源硬件平臺Arduino為主要控制核心，通過各種傳感器對數據的實時采集，使用無線通信技術互通互聯，實現遠程實時監測、防盜報警、測量溫度的功能，還可以連接電腦、手機作為操作終端進行交互操作。可以提升系統擴展性，解決目前國內的智能安防系統大多功能統一化、固定化的問題，具有便于安裝、操作簡單、長時間穩定待機等特點，具有很高的實用性和使用性。

1 無線安全監測系統研發設計

本文所設計的系統，可以大致分為上位機攝像模塊、下位機傳感器模塊及遠程控制終端（手機、電腦）。當用戶通過手機遠程監控終端發出查看現場請求時，將控制命令發給下位機，并且打開上位機附屬攝像頭，進行實時拍攝和傳輸；當現場異常時，上位機會發送信號給手機終端，主動請求開啟下位機視頻監控，將現場情況及時反饋給用戶。本系統具有視頻監控、傳感器監控、遠程信息傳輸與智能報警功能，為家居安防環境的安全和遠程實時監控提供了必要的保障。

系統整體框架如圖1所示，主要部件由傳感器測量模塊、顯示采集數據模塊及無線通信wifi模塊所組成，實現遠程實時監測、防盜報警、測量溫度等功能。該系統可以通過對各種傳感器所測量的信號進行實時采集并分析，看是否超過系統所設定的閾值來智能判斷當前住所的安防情況。針對疫情防護問題增加測溫模塊，對入侵人員的溫度也進行測量，并且配備溫度異常區域消毒功能。當出現異常情況時，利用無線通信wifi技術進行互聯互通，用戶在手機、平板、電腦等客戶端會接收到信息提醒，在客戶端進行交互操作并做出相應的行為以警示不法人員；同時，用戶可以根據自己的需求隨時對住所進行遠程監測，了解住所的居家現狀。

圖1 整體框架

系統硬件模型仿真如圖2所示，本系統由Arduino、傳感器模塊、無線通信模塊、操作終端組成。Arduino作為主要控制核心，通過ZE08-CH2O甲醛模組、MQ-2煙霧傳感器、GP2Y1014AU粉塵傳感器、DS18B20溫度傳感器對周圍環境中的甲醛濃度、煙霧濃度、粉塵濃度及人體溫度進行測量。再將所采集到的數據顯示在LCD1602顯示屏上，再通過無線WiFi模塊與操作終端進行信息交互，實現遠程實時監測、測量溫度、防盜報警的功能。

測溫模塊的溫度傳感器選用的是DS18B20芯片，該傳感器只有VCC、GND、DQ三個引腳，測量準確，使用非常方便。可以測量-55℃～125℃的溫度值且溫度在-10℃到85℃之外時還具有±0.5℃的精度。可以設置為9位、10位、11位或12位的轉換精度，測得的溫度值以串行有符號16位值輸出。DS18B20采用的是一線式訪問模式，即通過一根線實現雙向的數據傳輸。協議流程是:初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。另外兩個引腳用于接5V電源和地，一般在應用時，需要在DQ引腳和VCC引腳之間接一個10K的上拉電阻。否則，由于高電平不能正常輸入/輸出，要么通電后立即顯示85℃，要么用幾個月后溫度在85℃與正常值上亂跳。

粉塵傳感器模塊選擇的是基于日本產的實時粉塵傳感器 GP2Y1014AU，該產品可以準確測量0.8微米左右的顆粒。本設計用于測量粉塵濃度，即PM2.5值。這個傳感器有很多優勢，比如：重量輕，體積很小，安裝方便，能耗低，工作電流小于20mA。因此，該設備廣泛應用于這些產品中，例如：空氣清新機、通風空調、換氣扇等。利用LCD1602液晶將DS18B20溫度傳感器、GP2D12紅外線測距儀采集到的溫度、距離，通過Arduino的處理后，轉化為可在液晶上顯示的數據，在用戶使用本系統時對數據的了解更加直觀，使系統具有可視化的優點。在用戶充分了解到數據的相關情況時，可以達到有效預防、危險警示的效果。

無線通信模塊將WiFi模塊配置為運行模式，將WiFi配置為AP模式，即模塊作為WiFi AP，其他設備連接到模塊的AP下，啟用模塊的DHCP服務器功能。報警模塊從無線報警器的警報信號是利用無線通信技術經過下位機發送到上位機的，由開源硬件Arduino控制蜂鳴器發出警報。首先，由PNP三極管驅動蜂鳴器實現，Arduino開發板PD0口控制三極管基級，低電平輸出時可使三極管導通，從而使蜂鳴器發出警報；當蜂鳴器停止報警時，PD0輸出高電平，三極管截止，蜂鳴器停止響應。Arduino通過采集人為模擬出可測量的信號，進行數據分析和控制，自行設定一個閾值，超過該閾值后，分別代表煙霧濃度、甲醛CH2O濃度、PM2.5濃度超標，從而實現空氣質量監測、防止有害氣體中毒的功能。