基于STM32的智能安防報警系統設計

汪肖杰 駱巖紅

摘? 要：該文設計一款STM32的智能安防報警系統。系統以STM32F103C8T6芯片為控制系統，利用煙霧檢測傳感器、火焰傳感器、溫濕度傳感器檢測室內的實時情況，通過OLED顯示器顯示室內實時監控信息，同時利用ESP8266WiFi模塊將檢測到的信息實時發送到手機APP上，使得用戶能夠在連接WiFi時實時接收到室內的相關信息。在系統檢測到室內環境出現異常時，能夠激發蜂鳴器響應發生警報。根據現行安防報警系統的市場要求，在未來，便宜、功能可靠豐富的安防報警系統將會受到人們的青睞，其所使用的技術或者功能并不需要特別尖端或者深奧，但是其功能和作用應當是做到值得用戶的信賴。

關鍵詞：智能安防系統；STM32；WiFi；物聯網；嵌入式系統

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0049-04

Abstract： This article designs an intelligent security alarm system for STM32. The system uses the STM32F103C8T6 chip as the control system， utilizing smoke detection sensors， flame sensors， and temperature and humidity sensors to detect real-time indoor conditions. It displays real-time indoor monitoring information through OLED displays， and uses the ESP8266WiFi module to send the detected information to the mobile app in real time， enabling users to receive relevant indoor information in real time when connected to WiFi. When the system detects abnormalities in the indoor environment， it can trigger a buzzer to respond to an alarm. According to the current market requirements for security alarm systems， security alarm systems with cheap prices and reliable quality and diversefunctions will be favored by people in the future. The technology or functions used do not need to be particularly cutting-edge or profound， but their functions and effects should be trustworthy to users.

Keywords： intelligent security system; STM32; WiFi; Internet of Things; embedded system

隨著社會發展和科技進步，安全問題日益受到人們的關注。智能化的安防產品逐漸成為家庭和社會的新需求。針對這一需求，本文設計了一款基于STM32芯片的智能安防報警系統，旨在通過實時監控和反饋家庭情況，提供可靠的安全保障。

1? 智能安防報警系統的總體設計安排

隨著人口老齡化趨勢的變化以及單身獨居人口數目的增加，住宅安全成為越來越值得關注的問題。人們都希望能夠擁有一個安全且舒適的居家環境。對于家中老人，倘若是獨居老人或者是兒女在外上班時，遇見了突發狀況會有應對的風險性。對于獨居女性，遇見突發情況時同樣會存在應對的風險。傳統的安防報警系統大都采用有線連接，這就導致了安裝的線路不僅復雜，而且系統不夠智能化，并不能及時和高效地幫助用戶處理和解決突發事件。同時，傳統的安防報警產品中，其各個子系統是單獨存在的，使得整體系統的集成度不高。本文選擇采用一種復合型的觸發報警設計，以STM32單片機為系統主控單元，分別控制各個子系統以完成設計的目標。

1.1? 芯片選型

在本設計中，主控芯片的選擇尤為重要。在使用火焰傳感器和溫濕度傳感器收集到環境信息后，各個模塊會將這些數據傳輸給主控芯片。主控芯片根據設計好的程序對這些數據進行處理，并且實時通過WiFi模塊傳輸到蜂鳴器和手機APP上，實現實時數據傳輸。同時，在溫濕度傳感器和火焰傳感器所收集的數據發生異常時，主控芯片應將異常數據分析出來，之后將該異常情況通過WiFi模塊通知到用戶，并且引起警報。

STM32F103是一款由意法半導體公司（ST）所研發出來的芯片，其基于Cortex-M3的內核開發，具有高性能和強大功能，并且價格低廉，易于編程。與傳統AT89C51單片機相比較，STM32F103單片機對于數據有著更為快速和高效的處理過程。此外，它可以由J-LINK在線查看內存和寄存器。此外，其可以添加多個斷點，從而使得調試過程更為方便。STM32系列包含許多功能，不僅功能強大，而且具有高性能、低成本和操作簡單的優點。除此之外，它還有十分豐富的外設，可以十分便捷地和其他模塊進行連接，以實現快速通信等目的。

基于各個方面的考慮，本文決定使用STM32系列單片機中的STM32F103C8T6芯片作為整個智能安防報警系統的核心處理器。根據STM32系列單片機的命名規則，可以獲得如下相關數據。

STM32：該單片機是基于ARM的32位微處理器。

F：該產品類型是通用類型。

103：該產品的子系列是增強型。

R：該產品的引腳數目有64個。

C：該產品的閃存存儲器是256K字節的。

6：該產品的工業級溫度范圍在-40～60 ℃之間。

1.2? 系統框架和流程

針對本文所需要實現的任務以及實際情況，在STM32芯片基礎上，設計出整個系統的邏輯流程圖和結構框架，如圖1所示。

在本系統中，有2個主要模塊，分別是火災監測模塊和通信報警模塊。

1.2.1? 火災監測模塊

此模塊的功能用于檢測火災是否發生。主要是通過溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2和火焰傳感器判斷室內是否有火災發生。在這個模塊中，本文設計了復位、電源、晶振等最小系統。

1.2.2? 通信報警模塊

本模塊主要有2種報警方式——現場的蜂鳴器警報與遠程的用戶手機APP報警。前者是核心芯片通過分析和處理來自溫濕度傳感器和火焰傳感器的數據，當檢測到數據并不在初始時所設定的正常數據范圍內時，主控芯片會使蜂鳴器工作；后者則是主控芯片通過WiFi模塊將數據實時傳輸到用戶手機上，以做到實時通信，同時在收到異常數據時通知用戶手機。

2? 智能安防報警系統電路設計

2.1? 火災檢測系統電路設計

在火災監測系統中，包含以下幾個小模塊：STM32F103C8T6芯片最小系統、煙霧濃度傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、火焰傳感器等部分。

2.2? 顯示模塊電路設計

在顯示模塊中，本文使用的是OLED顯示屏。該模塊引腳上D0接收總線的時鐘信號；D1接收總線數據信號；RES接收復位信號，在低電平時復位；DC引腳是命令或數據輸入選擇信號，接高電平時是數據信號，而接低電平時是命令信號；CS引腳則是片選信號，低電平使能。所以選擇將D0、D1、RST、CLK和CS端口分別與單片機的PA1、PA2、PA3、PA4和PA5引腳相連接。

2.3? 通信模塊電路設計

通信模塊主要包括由ESP8266的WiFi模塊所構成，型號為ESP-01。該模塊可以使用互聯網，使得用戶手機與主控芯片相聯。當用戶手機連接到WiFi時，便可以登錄APP實時查看家中的環境數據。

首先通過SSCOM串口調試工具向ESP8266模塊發送指令“AT+CWMODE=2”，使得模塊進入AP模式。此時模塊提供無線網服務，允許其他的無線設備接入。

其次發送指令“AT+CWSAP=‘ESP8266_001，‘1234567890，11，4”，設置AP模式下的模塊參數，其中ESP8266_001是接入點名稱、1234567890是密碼，而11是通道號，4>0表示通道開啟。

之后分別發送“AT+CIPMUX=1”“AT+CIPSERVER=1，5000”“AT+CIPSTO=0”，功能分別是“啟動多連接中的多路連接模式”“開啟服務器中的server模式”和“查詢服務器超時時間”。

最后發送“AT+CIPSEND=0，28”，使WiFi模塊向某個連接發送數據，采用單路連接模式，且數據長度為28。

在該模塊中，系統將各個傳感器所收集到的數據處理好。當用戶手機連接上系統的WiFi時，就可以接收到系統通過WiFi模塊所傳輸的實時數據。

2.4? 蜂鳴器報警模塊電路設計

當傳感器收集到異常數據時，除了將數據實時傳輸到云平臺，同時還需要立刻報警通知室內的用戶。因此，本文設計了蜂鳴器報警電路實現這一功能。當PA6引腳為高電平時，此時三極管處于飽和導通狀態，集電極和發射極之間相當于導通狀態，因此蜂鳴器工作；當PA6引腳為低電平時，三極管處于截止狀態，蜂鳴器不工作。

2.5? 智能安防報警系統整體的PCB設計與制作

總的來說，大家應用Altium Designer軟件設計和繪制PCB。Altium Designer是由原Protel軟件開發商——ALtium企業所推行的集成化電子產品開發系統軟件，可以進行電路原理圖設計方案、PCB繪制和編寫、電路仿真及拓撲結構邏輯性全自動走線等一系列操作。

3? 智能安防報警系統的程序設計

3.1? Keil開發平臺簡介

Keil C51是一款由Keil Software公司所推出的用于軟件開發的系統。Keil平臺一般用于ARM單片機的開發，被稱為MDK開發工具。最新版本的MDK5是由MDK Core及Software Packs組成。在使用Keil平臺對STM32F103單片機開發時，應當先配置好開發環境，并且添加啟動程序。在此平臺中，可以實現對于STM32單片機的程序代碼編寫、調試等一系列功能。

3.2? 通信模塊的程序設計

在該模塊中，使用ESP8266模塊完成無線通信功能。在用戶手機連接上ESP8266模塊的WiFi之后，主控制器就可以將收集到的數據傳輸到云平臺，之后ESP8266模塊將其傳輸至用戶手機上，這樣就可以完成主控制器與用戶之間的通信。該模塊的工作流程如圖2所示。

將該模塊與主控芯片STM32F103通過串口進行連接，之后主控器就可以通過該模塊與云平臺進行無線通信。連接之后，用戶可以通過手機APP實時觀測屋內的環境數據，并且在異常情況發生時第一時間接收到通知。

3.3? 火災監測模塊的程序設計

3.3.1? 煙霧傳感器模塊的程序設計

在MQ-2煙霧傳感器模塊中，選擇與主控芯片STM32的ADC轉換引腳相連接，進行數據的采集和電壓的轉換。傳感器將收集到的室內煙霧濃度數據通過單片機的ADC通道傳遞到STM32單片機中，之后由單片機中的程序進行處理。

3.3.2? 溫濕度傳感器模塊的程序設計

溫濕度傳感器模塊中選擇的是DHT11模塊。在主控芯片發送一次開始信號之后，DHT11會從低功耗模式轉換到高速模式，對環境的溫濕度數據進行采集。當開始信號結束之后，DHT11會發送響應信號，并且送出40 bit的溫濕度數據，觸發一次信號采集。主控芯片采集數據之后，DHT11會轉換到低速模式，以等待下一個開始信號。

3.4? 按鍵密碼鎖的程序設計

為了保證系統的安全使用，設置了安防密碼鎖系統。在此模塊中，采用定時器，通過使用每5 ms中斷掃描一次的精確時間掃描方法對按鍵掃描。這不僅可以對按鍵的動作完成實時響應，還不會妨礙到主程序正常運行。

3.5? 云平臺APP的程序設計

在用戶手機與智能安防報警系統WiFi模塊連接上之后，需要設計一個手機上可供使用的APP作為服務器平臺，將WiFi模塊發送到云平臺上的數據呈現給手機用戶，以完成人機之間的交互。

4? 智能安防報警系統的調試與整體結果分析

4.1? 智能安防報警系統的調試與功能驗證

在期望實現的功能方面，有火災監測、通信報警以及安防報警3個方面。我們按照順序分別對這3個方面的功能進行檢查。

4.1.1? 安防報警系統的功能驗證

在當系統上電開啟時，首先需要輸入正確的密碼，之后才能進入系統中。倘若密碼錯誤，則無法進入系統；在進入系統之后，當門禁被破壞或有人進入之后，系統會使蜂鳴器工作報警，同時在OLED顯示屏幕上會出現“有人闖入”的字樣。

4.1.2? 火災檢測系統的功能驗證

如上述可知，火災檢測系統的主要功能在于：能夠檢測到環境中的實時溫濕度數據、光照強度數據、煙霧濃度數據，并且根據預先設定的報警數值，及時將異常數據傳遞到芯片上并激發報警。同時在沒有異常情況發生時，這3個模塊必須將所收集到的數據實時傳輸到芯片中并且顯示出來。

4.2? 智能安防報警系統的整體結果分析

在整個系統安裝好之后，分別將各個子系統的程序錄入其中，經過調試和測驗，最終可以得出此智能安防報警系統所需要實現的功能：利用各個傳感器實現對室內溫濕度、煙霧濃度等參數的實時監測并上傳，并且在移動端對室內的部分家居設備進行控制，要求以STM32芯片作為控制系統對室內參數進行采樣分析，將其用于遠程通信，也可以接收遠程命令實現有關室內控制。

經過測試，本系統能夠很好地實現設計要求，不過還是存在著可以繼續改進的空間——例如用戶只能通過手機APP修改OLED顯示屏上的時間，無法做到人工主動改變一些室內設備應對所發生的危險情況（比如連接屋內的防火災灑水噴頭去滅火）；可以嘗試將系統和一個攝像頭相連接，幫助用戶實時得到屋內的圖像；將更多的家電設備與該智能系統相連接，使其能夠更好地做到便利用戶的生活等等。

5? 結束語

基于上述內容，本文設計并且實現了一款基于STM32芯片的智能安防報警系統，結合了單片機開發技術、嵌入式技術、物聯網技術等，使用STM32F103C8T6芯片作為該系統的核心控制芯片，從而實現系統能夠在發生火災時對環境中的相關數據進行監測（例如光照強度、煙霧濃度和溫濕度等），同時做到在發生異常時立刻報警。

本文主要進行如下研究工作：使用ESP8266模塊實現主系統與用戶手機之間的無線通信，增加了系統的實用性和便捷性。系統可以對室內環境中的光照強度、煙霧濃度和溫濕度指數監測，并且將這些數據實時顯示到OLED顯示屏和通過ESP8266模塊發送到用戶的手機上。

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