基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計研究

李悅

（昆山花橋國際商務(wù)城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇昆山，215300）

0 引言

從20 世紀(jì)末，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對智能家居的研究就逐漸地發(fā)展起來，多家公司致力于研究智能家居系統(tǒng)[1]，到如今，智能家居在生活中已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用。智能家居安防系統(tǒng)也經(jīng)過不斷地改善，技術(shù)也逐漸趨于成熟，在給人們帶去便利的同時，安全性能也進(jìn)一步的提高，極大地保障了用戶在日常生活中的生命財產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智能家居安防系統(tǒng)需要在有突發(fā)情況發(fā)生時進(jìn)行及時的識別和報警以期將損失降到最低。智能家居安防系統(tǒng)有信號檢測模塊、信號處理模塊和警報模塊無線通信等組成[2]，功能主要包括預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，預(yù)防煤氣等可燃?xì)怏w的泄露，預(yù)防入室搶劫盜竊等。通過安裝在用戶家中的主要是由各種傳感器組成家庭數(shù)據(jù)采集終端[3]，采用有線和無線相結(jié)合的方法傳入控制中心進(jìn)行處理和判斷，實時監(jiān)測各項指標(biāo)是否處在正常范圍內(nèi)，是否有危險事件的發(fā)生。當(dāng)指標(biāo)滿足報警條件時，可以通過無線通信模塊盡快地通知用戶有危險事件的發(fā)生，進(jìn)行報警，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 智能家居安防系統(tǒng)組成框圖

其中左側(cè)的煙霧傳感器，以及兩種檢測不同波的長紅外光的紅外傳感器(分別檢測人體輻射出的紅外光和明火輻射出的紅外光，二者波長有很大不同)共同組成安防系統(tǒng)的信號檢測部分[4]。STC51 單片機(jī)是信號處理分析模塊，以預(yù)先設(shè)置了三種信號的正常范圍值，當(dāng)輸入信號一旦超過正常范圍，則代表危險事件的發(fā)生，單片機(jī)通過報警模塊進(jìn)行報警。SIM900 通信用于發(fā)送信息，來實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)硬件模塊

本文提及的智能家居安防系統(tǒng)，是基于發(fā)達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的，以多種不同的傳感器為基礎(chǔ)搭起的硬件網(wǎng)絡(luò)，整體的系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，不易發(fā)生誤檢，使用的器件也較為常見，很多地方都可以買到，運(yùn)行可靠成本低廉，控制中心使用的是電路設(shè)計中常用的STC51 單片機(jī)，在通信模塊中使用的是SIM900A。

2.1.1 煙霧傳感器

煙霧傳感器檢測煙霧濃度的原理是利用氣敏電阻的電導(dǎo)率隨氣體濃度的變化而變化，從而導(dǎo)致電路種電流的變化，即通過電路種電流的變化來表示氣體濃度的變化。即使是低濃度的煤氣泄漏都會造成嚴(yán)重的危害，所以在智能家居安防系統(tǒng)中使用的煙霧傳感器需要具有較高的性能，對需要檢測和預(yù)防的氣體濃度的變化可以做出迅速且準(zhǔn)確的反應(yīng)，再此基礎(chǔ)上我們選擇成本較低的MQ-2 煙霧傳感器。該煙霧傳感器，可以用來檢測許多日常生活或工業(yè)生產(chǎn)中，在當(dāng)下的應(yīng)用非常廣泛。MQ-2 煙霧傳感器有兩種有由不同電子元器件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，本文采用的煙霧傳感器的基于比較器的電路來實現(xiàn)的[5]。MQ-2 煙霧傳感器的4 號腳管所連接的電路中的氣敏電阻的阻值會隨著煙霧的濃度變化，從而產(chǎn)生變化的直流信號，后通過電路傳輸?shù)诫妷旱谋容^器的2 號管腳中，與預(yù)先設(shè)置好的電壓值進(jìn)行比用戶可以通過改變滑線變阻器的滑動頭來改變這一電壓值。當(dāng)煙霧的濃度較高導(dǎo)致電路中的電流過大，大于提前設(shè)定的值，此時比較器的輸出是0V，電路是完整的，是一個通的電路，這個時候接通含LED 燈的電路，進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)電流小于提前設(shè)定好的數(shù)值時，比較器的輸出非0，LED 燈產(chǎn)生截斷，故不會發(fā)光。MQ-2 煙霧傳感器的靈敏度的調(diào)節(jié)是通過設(shè)定比較器1 號管腳的電壓實現(xiàn)的，閾值電壓越低，則傳感器的靈敏度越高，閾值電壓越高，則煙霧傳感器的靈敏度越低，隨室內(nèi)氣體變化的變化越不明顯。

2.1.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

對于明火的檢測，我們使用有紅外光敏電阻構(gòu)成的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測。火焰檢測器的核心是火焰接收管，火焰接收管主要是通過二極管在電路中的特性實現(xiàn)的，最核心的是PN結(jié)，正向流通的時候電阻的值特別小，和導(dǎo)線的電阻差不多，反向的時候，電阻又特別的大，就導(dǎo)致電路不通了，是一種對光照敏感的二極管的一種，當(dāng)光照處在一個中間范圍，不過大也不過小的時候，電阻的阻值也跟光照的大小近似的成正比例。經(jīng)實驗可知，當(dāng)探測的紅外線與光敏電阻所成角度為60°時，該傳感器對火焰光譜是最為靈敏的。當(dāng)有紅外光輸入時，光敏電阻把光照的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換電阻阻值的大小，然后再進(jìn)一步的變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，通過一個最簡單的比較器輸出一個反映光照強(qiáng)度大小的數(shù)值，信號的波形的特征也可以被比較容易的觀察到。

2.1.3 紅外傳感器

紅外傳感器用于對入室盜竊事件的監(jiān)控，本文選用HCSR501 人體感應(yīng)紅外傳感器來實現(xiàn)。由于該紅外傳感器本身的能耗較低，器件的溫度較低，故不會向外輻射能量，不會因為自身發(fā)熱對檢測造成干擾，與此同時，該紅外傳感器僅對人體發(fā)出的特定波長的紅外線敏感，這就使得該紅外傳感器有較高的穩(wěn)定性。模塊有L 和H 兩種模式，其中L 為不可重復(fù)，H 為可重復(fù)。我們將其設(shè)置為H，當(dāng)傳感器感應(yīng)到輸出的是高電平后，在其保持穩(wěn)定狀態(tài)開始監(jiān)測后，在檢測范圍內(nèi)，一旦檢測到有人體活動發(fā)出特定波長的紅外光時，紅外傳感器的輸出會變?yōu)楦唠娖剑钡綑z測區(qū)域的人離開后，傳感器檢測不到特定波長的紅外光后，整個電路的輸出才會變?yōu)榈碗娖健．?dāng)感應(yīng)模塊監(jiān)測到人發(fā)出的紅外光后的檢測到人體活動后就會自行迭代到下一個延時時間段，并且以最后一次檢測到紅外光的時刻為下一個延時時間的初始點。

2.1.4 無線通信模塊

當(dāng)危險事件發(fā)生時，為了能夠及時通知用戶，在無線通信模塊，我們選用SIM900A 模塊。SIM900A 是一個物理體積比較小的GSM模塊，采用ARM926EJ-S 架構(gòu)，擁有高性能，是比較完善并且成熟的通信系統(tǒng)[6]，可以進(jìn)行短消息、語音、數(shù)據(jù)傳送等。模塊的硬件使用的是高效開關(guān)電源優(yōu)化，可以使用串口調(diào)試助手對其進(jìn)行調(diào)試。

2.1.5 單片機(jī)控制模塊

STC51 單片機(jī)作為控制模塊，具有及時地計算和輸出能力。在本文中我們選用與51 單片機(jī)有相同內(nèi)核的STC89C52 單片機(jī)來實現(xiàn)對智能家居安防系統(tǒng)整體的控制。STC89C52 支持兩種模式。單片機(jī)根據(jù)煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⑷梭w紅外傳感器這三個傳感器檢測外部環(huán)境的變化，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)值時，判斷發(fā)生了危險事件，啟動蜂鳴器進(jìn)行報警，并顯示異常數(shù)值。同時通過串口P3.0，P3.1 連接的遠(yuǎn)程通信模塊，通過發(fā)送短信或語音的形式來提醒用戶家中發(fā)現(xiàn)了危險事件。本文使用的51 單片機(jī)的P1.1，P1.2管腳連接氣敏傳感器，用來檢測室內(nèi)煙霧情況，其中P1.2輸入的是電信號，可以準(zhǔn)確地測定煙霧的濃度。單片機(jī)的P1.4 管腳連接的是紅外光傳感器，監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境內(nèi)是否有火焰產(chǎn)生的特點的波長的紅外光出現(xiàn)，如果室內(nèi)發(fā)生了火災(zāi)，則氣敏傳感器和紅外光傳感器都會檢測到異常的數(shù)據(jù)，這樣的話，我們就可以判斷室內(nèi)確實發(fā)生了火災(zāi)。P1.5 連接紅外傳感器，檢測是否由入室盜竊事件的發(fā)生。完整的控制電路及接口如圖2 所示。

圖2 控制及接口電路

■2.2 系統(tǒng)軟件

智能家居安防系統(tǒng)軟件架構(gòu)是基于硬件電路建立的，使用的是KeilμVision2 來對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和編譯的。其中包括，環(huán)境檢測程序模塊、SIM900A 模塊的初始化程序模塊、通過遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)發(fā)送消息通知用戶的信息發(fā)生程序模塊、按鍵的控制程序模塊等。

2.2.1 煙霧檢測模塊和火焰檢測模塊

煙霧傳感器因為比較器電路處理的檢測信號只有高和低兩種狀態(tài)；當(dāng)濃度低于閾值時，信號為高電平；濃度高于閾值時，信號為低電平。所以單片機(jī)需要將引腳配置為輸入模式，監(jiān)控該信號的高低電平。在用戶打開安防系統(tǒng)的時，首先對各個模塊進(jìn)行通電啟動，運(yùn)行抗干擾程序，來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入安全掃描狀態(tài)，實時監(jiān)控?zé)熿F傳感器輸出端是否為低電平輸出或是火焰?zhèn)鞲衅魇欠駷楦唠娖捷敵觯羰牵瑒t代表發(fā)生了危險事件，出現(xiàn)了異常，接著會調(diào)用報警模塊，給蜂鳴器通電進(jìn)行就近警報，該過程持續(xù)10s 后調(diào)用遠(yuǎn)程通信模塊，通過SM900A 給用戶發(fā)送短信，告知用戶危險事件的發(fā)生，實現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警，該過程的流程圖如圖3 所示。

圖3 智能安防系統(tǒng)程序流程圖

2.2.2 通信模塊程序

當(dāng)整個系統(tǒng)程序完成初始化后，若出現(xiàn)煙霧傳感器輸出端是否為低電平輸出、火焰?zhèn)鞲衅魇欠駷楦唠娖捷敵觯蚴羌t外傳感器檢測到有人非法進(jìn)入室內(nèi)，即傳感器檢測到了異常的信息，下一步會調(diào)用報警程序模塊，將提取編輯好的信息發(fā)送給用戶，通知異常狀況的發(fā)生。在程序中對對象的手機(jī)號碼采用unnion 的編碼方式，存放在系統(tǒng)的SIM 卡中。在用戶打開安防系統(tǒng)的時，首先對各個模塊進(jìn)行通電啟動，運(yùn)行抗干擾程序，來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在大約15s 的時間內(nèi)完成將模塊注冊進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，若模塊指示燈閃爍一次則表示已成功的將程序接入網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)進(jìn)入掃描狀態(tài)。當(dāng)危險事件發(fā)生，系統(tǒng)向用戶發(fā)送警報信息后的30s 后，若沒有受到用戶的新的指令[7]，則繼續(xù)發(fā)送短信，直到用戶輸入新的指令。該過程的流程圖如圖3(b)所示。

2.2.3 人體檢測模塊

在用戶打開紅外檢測模塊后，所需的系統(tǒng)初始化的時間為1min，在此之后調(diào)用延時抗干擾模塊程序，在系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)后，系統(tǒng)進(jìn)入安全掃描狀態(tài)。由于HC-SR501 設(shè)置的是L 模式，即可重復(fù)使用模式，使用當(dāng)STC89C52 的P1.5 串口有高電平輸入時，立即給含有警報燈和蜂鳴器的電路通電，進(jìn)行報警，該過程持續(xù)10s 后調(diào)用遠(yuǎn)程通信模塊，通過SM900A 給用戶發(fā)送短信，告知用戶危險事件的發(fā)生，實現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)警，該過程的流程圖如圖3(c)所示。

3 測試結(jié)果

系統(tǒng)的工作模式有兩種，分別為監(jiān)控開啟模式和監(jiān)控關(guān)閉模式，當(dāng)用戶在家或不小心誤觸時，可以及時的關(guān)閉，避免噪聲的干擾。當(dāng)用戶家中無人并且開啟系統(tǒng)時候，智能家居安防系統(tǒng)不斷的檢測室內(nèi)的環(huán)境，的變化。當(dāng)有入室盜竊事件發(fā)生，紅外檢測系統(tǒng)就會及時的預(yù)警，遠(yuǎn)程短信通知用戶并同過蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或煤氣泄漏時，系統(tǒng)同樣也會以同樣的方式告知用戶家中發(fā)生了危險事件并等待回復(fù)控制指令。

4 結(jié)束語

智能家居安防系統(tǒng)在人們的生活中發(fā)揮著重要作用，能夠提供火災(zāi)預(yù)警，入室盜竊預(yù)警，煤氣泄漏預(yù)警等作用，并且實現(xiàn)了遠(yuǎn)程預(yù)警的功能，有效的保障了用戶的生命財產(chǎn)安全。本文設(shè)計的智能家居安防系統(tǒng)，具有諸多優(yōu)點，如高性能，低成本，低功耗，高效率同時兼具有線預(yù)警和無線遠(yuǎn)程預(yù)警的方式等。在使生活更加便捷的同時，消耗更少的能源，更加環(huán)保，有利于在社會生活的各個方面的廣泛應(yīng)用。