家庭安全環境監測系統的設計與研究

摘" 要：以STM32F10作為主控制板，設計并制作了一個適用于家庭的環境監測系統。該環境監測系統配備多種環境檢測器，滿足防火、防盜、防爆等多種家庭安全保障需求，實現家庭環境數據可視化，并具備超出設定閾值報警等功能。為進一步增強家中無人時家庭環境的安全性，監測系統利用OneNet物聯網平臺實現數據云存儲，實現不受時空限制地查看家庭情況，提高設備智能化、協作化水平。具有檢測精度高、使用簡便、安全性高等特點，對實現家庭安全保障，增強應急能力，推動科技普及等具有重大意義。

關鍵詞：STM32；環境檢測；智能安全；異常警報

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）03-0194-05

Design and Research on Environmental Monitoring System for Home Safety

HUI Xiaoying， HAO Chuanzhu

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China）

Abstract： This paper designs and produces an environmental monitoring system suitable for homes， utilizing the STM32F10 as the main control board. The environmental monitoring system is equipped with various environmental detectors to meet multiple safety requirements for homes， including fire prevention， theft prevention， and explosion prevention. It realizes visualizing home environmental data and has functions such as alarm for conditions that exceed set thresholds. To further enhance the safety of the home environment when unoccupied， the monitoring system utilizes the OneNet IoT platform to realize data cloud storage， and it can view the home conditions without time and space limitations， improving the intelligent and collaborative level of equipment. The system is characterized by high detection accuracy， ease of use， and high safety， which is of great significance for achieving home safety， enhancing emergency response capabilities， and promoting the popularization of science and technology.

Keywords： STM32; environmental monitoring; intelligent safety; abnormal alarm

0" 引" 言

隨著科技的進步和物聯網技術的發展，現代家庭不僅追求舒適的居住環境，家庭環境安全對健康和生活質量的影響也受到人們的廣泛關注[1]。據統計，2022年全國消防救援隊伍共接報處置各類警情209.2萬起，其中火災警情占據了相當大的比例。2021年，全國因燃氣事故導致的傷亡人數達到了2 000人，且入室盜竊行兇等案件的發生率在近年來也呈上升趨勢。雖然安裝攝像頭、空氣凈化器等設備對提升家庭環境安全性具有一定幫助，但這些解決方案仍然面臨諸多挑戰。例如，設備成本高、技術依賴性強、數據泄露風險、存在監測盲區等。

隨著用戶對家庭和工作環境安全需求不斷上升，傳統家庭安防系統亟須被更加智能、高效的一體化安全環境監測系統所取代。這類系統應具備靈活的模塊化設計，能夠同時處理空氣質量監測、入侵檢測、火災報警等多種功能，通過統一的界面進行管理與控制。這不僅能提高用戶的使用便捷性和體驗感，還能有效降低維護成本。

根據目前嵌入式技術的發展現狀，以及環境監測領域中的實際需求，本項目旨在針對以家庭為環境監測對象這一特定場景，實現一套完整的、具備一定可擴展性的智能環境監測系統，將各類前端數據采集模塊與嵌入式核心處理平臺分開，采用分布式監測系統[2]，使在保持嵌入式處理平臺基本不做改變的情況下，通過改變前端數據采集模塊使整個系統可以相對輕易地移植到其他環境中[3]。

1" 國內外的研究和發展動態

從國外研究現狀來看，家庭安全監測等概念在20世紀末提出，進入21世紀后，隨著無線通信、智能家居和大數據分析等技術的發展[4]，這些概念得到了顯著的推動與演變，智能傳感器和物聯網技術被廣泛應用于家庭安防系統中，使得家庭安全系統變得更加高效和智能化。但整合度不高、管理強度不足等問題仍然存在[5]，全球范圍內的標準化努力和跨國合作正在不斷加強，環境監測工作的自動化、智能化仍是必然發展趨勢。

相較于國外而言，我國安全環境監測相關研究的開展較國外稍顯滯后[6]，但隨著政府對智能安防技術的政策支持，以及物聯網技術的發展，家庭安全環境監測領域的研究已經在很多研究所和高校廣泛展開。其研究的熱點包括：智能傳感器與物聯網技術應用、空氣質量監測技術、健康監測技術、噪聲監測與管理、家庭安全監測系統、環境數據的人工智能分析等，但是總體來說屬于起步階段，還有很多問題亟待解決。

安全環境監測產品種類繁多，涵蓋多種應用場合，但多數產品為針對特定需求設計，缺乏可廣泛應用的整體一體化安全環境監測系統。盡管國外在數據檢測和安防等領域取得了顯著成果，但針對產品一體化設計的研究仍相對稀缺，相關的綜合解決方案也鮮有推出。這導致市場上存在大量單一功能的設備，而缺乏能夠將多項監測功能集成在一起的系統。

2" 主要研究內容

STM32F10是一款基于ARM Cortex-M3架構的32位微控制器，主頻可達72 MHz，確保數據采集的實時性和高效性。STM32廣泛應用于嵌入式系統的開發，廣泛應用于工業控制、物聯網、自動化等領域。它通常包含核心處理器、模擬功能、時鐘系統、調試接口等組件，支持多種工作模式，可實現低功耗、高效率的運行。系統設計架構圖如圖1所示。安全環境監測系統采用模塊化設計，共有門禁安防子系統、環境檢測子系統和入侵報警子系統[7]三大部分：

1）門禁安防子系統由指紋鎖和密碼鎖兩個模塊組成，指紋鎖利用生物識別技術，確保只有經過授權的用戶可以進入。密碼鎖允許用戶設定自定義的數字密碼，方便了用戶在無法使用指紋時的訪問，增強了系統的靈活性和便利性。

2）環境檢測子系統分為安防檢測和火災防爆檢測兩部分。安防檢測通過嵌入門窗內的震動傳感器監測是否存在異常入侵。火災防爆檢測利用多種傳感器全方位監測家庭環境的各項數據指標，確保家庭安全。

3）環境檢測系統采集的各類環境數據實時上傳至云平臺。用戶可隨時隨地獲取家庭環境信息，并且云平臺根據預設條件，在采集數據超過閾值時觸發實時警報，確保用戶在發生異常情況時能夠及時響應。

4）入侵報警子系統包括警報器和電話報警模塊，無論用戶是在家還是外出，都能夠有效提醒房屋內外的所有人員，確保不遺漏任何潛在的安全威脅。

3" 系統設計

家庭安全環境監測系統主要分為三部分。第一部分為分布在各個房間的各類環境數據采集裝置，通過實時檢測上傳環境數據，保障家庭環境安全。第二部分在門窗內嵌入震動傳感器，用以檢測是否存在非法人員闖入。第三部分與前兩部分相互配合，在存在突發情況時向外發出警報。并在門鎖處配備指紋鎖及密碼鎖，配合震動傳感器，共同保障家庭安防環境的安全[8]。實物圖如圖2所示。

家庭安全環境監測系統的整體電路圖如圖3所示。

3.1" 環境數據采集

環境數據采集方式主要包括人工觀察、攝像頭監控、衛星遙感和數據挖掘與分析等。然而，對于封閉性較強且環境因個體或地理位置而存在顯著差異的家庭環境，采用分散式傳感器測量與集中數據處理相結合的方式，能夠更好地適應環境并及時做出反應[2]。環境檢測流程圖如圖4所示。

3.1.1" 溫濕度檢測

家庭安全環境監測系統需要實時檢測各個房間的溫濕度數據，充分考慮季節變化和房間功能的差異性，家庭環境的溫度大致在10 ℃至35 ℃之間，濕度在30%至60%范圍內。為滿足這一需求，DHT11傳感器提供的溫濕度測量范圍為-40℃至125℃和0%至100%，使其能夠準確有效地獲取環境數據。

火災初期，室溫通常在30 ℃到70 ℃之間。隨著火源燃燒，溫度可迅速升至100 ℃以上。因此，為在溫度未達到危險水平之前及時發出警報，項目設定55 ℃為火災報警閾值，以提醒家庭成員及時采取應對措施。

3.1.2" 酒精檢測

隨著人們對消毒的關注增加，酒精消毒液受到重視。為確保家庭環境安全，項目設置了酒精檢測裝置MQ-3以監測環境中的酒精濃度。當空氣中有酒精分子時，部分氣體吸附在涂有敏感材料的MQ-3表面，致使電導率和輸出電壓變化，實現對氣體濃度的檢測。

本項目中，酒精檢測裝置閾值設定在0.2%（即2 000×10-6）至0.5%（即5 000×10-6）之間。一旦檢測到酒精濃度超過安全閾值，系統將自動發出警報。

3.1.3" 天然氣檢測

天然氣檢測裝置主要位于天然氣管道及灶臺旁，用以檢測天然氣濃度是否處于正常范圍之內，是否存在燃氣泄漏的情況，天然氣檢測裝置采用MQ-4傳感器，MQ-4表面二氧化錫對烷類氣體具有較高的靈敏度，可以很好地檢測空氣中易燃易爆氣體的濃度，天然氣檢測設定最高閾值為4 000×10-6，搭配酒精及溫濕度傳感器，共同監測家庭環境中的氣體數據，保障家庭環境的安全。

3.1.4" 震動檢測

震動檢測裝置屬于安防環境檢測中的重要指標，將震動檢測模塊嵌入在門窗內部或表面，當有非法人員企圖通過撬門、砸窗等手段進入室內時，模塊內的壓電陶瓷檢測到持續的異常震動并將數據發送至主系統，主系統中安全信號發生變化，警報裝置獲得后發出警報。

3.2" 門禁安防系統

3.2.1" 密碼鎖

密碼鎖采用4×4的16位按鍵盤構成，每個按鍵可用于輸入數字或其他符號，用戶通過輸入特定的密碼組合來解鎖或鎖定設備。對于不同用戶，可以靈活設置個性化密碼，增強安全性。此外，密碼鎖配備LCD顯示屏，LCD顯示屏將控制系統中獲得的數據讀取出來并反饋給用戶。為了提高整體安全性，密碼鎖采用計數機制與標志位相結合，設置誤輸入嘗試限制，若連續錯誤輸入多次后將鎖定鍵盤，防止暴力破解。

3.2.2" 指紋鎖

指紋鎖采用AS608指紋模塊，搭配LCD顯示屏，當有人嘗試開鎖時，光學傳感器掃描指紋圖像，并對圖像進行增強、去噪、二值化等處理，將指紋的脊線、分叉和端點等特征提取出來，生成指紋特征模板，并與存儲器中的指紋進行比對，從而確定用戶身份，避免傳統鑰匙丟失或被盜的風險。門禁安防系統流程圖如圖5所示。

3.3" 數據采集與顯示

3.3.1" LCD顯示屏

LCD顯示屏通過串口連接至控制系統，及時將環境監測數據和門禁安防系統的反饋信息呈現出來，為用戶提供直觀的反饋，如圖6所示。這種設計使得用戶能夠迅速掌握系統的工作狀態及環境信息，從而做出及時響應。LCD可以顯示多種信息，如：

1）實時門禁系統識別狀態。用戶可以看到指紋識別是否成功，若失敗則會有提示信息，幫助用戶了解當前使用情況。

2）環境監測數據。通過與各類傳感器的連接，LCD屏幕實時顯示溫度、濕度等各類環境數據，確保用戶隨時了解家庭的安全狀況。

通過這些數據的實時反饋，LCD顯示屏不僅提升了用戶體驗，增強了設備的互動性，還使得家庭安全管理更加高效，進一步優化門禁安防系統使用的便利性。

3.3.2" OneNET云平臺

項目通過ESP32模塊將控制系統與云平臺相連接，控制系統與ESP32采用串口通信將環境檢測數據發送至ESP32模塊，ESP32通過Wi-Fi模塊將數據發送至云平臺[9]。ESP32模塊與OneNet云平臺之間通過MQTT協議進行數據傳輸[10]，將接收到的溫濕度、天然氣濃度、門禁狀態數據存儲在云端，用戶不僅可以實時查看門禁系統的狀態及環境數據，還可訪問歷史數據，如圖7所示。數據實時刷新能夠幫助用戶及時發現異常情況，如非法入侵或環境變化，從而采取必要的安全措施。

3.4" 入侵報警子系統

入侵報警子系統由家庭報警器和SIM800模塊組成，當環境監測數據出現異常時，系統會立即向警報裝置發送報警信號。家庭報警器接收到報警信號后，蜂鳴器發出“滴滴”聲提醒家庭成員，同時，電話模塊連接基站信號向戶主撥打電話，如圖8所示。確保戶主能夠及時獲取警報信息以采取必要的應對措施。

3.5" 系統測試

燒錄程序，對系統進行測試。

以天然氣傳感器為例，使用打火機模擬天然氣濃度升高，MQ-4傳感器迅速感知到周圍天然氣濃度的顯著增加。傳感器的輸出信號被傳輸至控制系統，此過程響應時間約0.5 s，控制系統將檢測到的數據與預設值進行對比，檢測濃度超出閾值，安全信號標志位發生改變，警報裝置發出警報信號，整個過程在1 s以內。

同時，SIM800模塊啟動，連接到通信信號，向預設的手機號碼發出警報電話，為節省串口資源，SIM800A模塊在接收到危險信號之后開始連接信號塔，故此反應過程較慢，因房間環境不同，響應時間在2～7 s不等，成功率在65%～95%之間，若房間內信號不佳或存在信號干擾，成功率會在一定程度上降低。OneNet云平臺最快刷新速率為3 s/次，一般響應速度在5 s左右。

當門禁系統中的密碼鎖連續錯誤輸入超過三次時，系統立即觸發自動鎖定機制。輸入時，按鍵響應時間整體高于指紋掃描時間，指紋解鎖作為日常常用門禁手段，匹配成功率在95%以上。

4" 結" 論

隨著現代社會對家庭安全及生活質量需求的日益增長，安全環境監測系統的適應性和重要性愈加突顯。本項目綜合了門禁安防系統與環境檢測系統兩大模塊，將采集到的各類數據實時上傳至云平臺，提供了一種全面的安全解決方案。

該作品使用指紋鎖作為檢測用戶權限的手段之一。指紋鎖運用生物識別技術，確保僅授權用戶才能進入，減少了因密碼泄露或遺忘而引起的安全隱患。同時，密碼鎖使得在無法使用指紋的情況下，用戶依然能夠通過識別。安全環境監測系統通過震動傳感器監測異常入侵，當識別到非正常震動時，系統發出警報信號。而火災防爆檢測系統則通過多種傳感器，實時監測各種環境數據，如溫度、濕度、氣體濃度等，確保及時發現隱患并告知用戶。

安全環境監測系統可以實時檢測環境信息，幫助用戶了解家庭環境情況，從而避免火災、爆炸等災害的發生，安防系統也能夠進一步保衛家庭成員的安全。希望未來因環境隱患等疏忽而產生的警情能夠大幅減少，提高家庭環境的舒適性和安全性。希望通過對這一課題的研究，促進安防預警相關產品的設計與發展，注重用戶體驗、優化系統性能，打造一個安全、和諧的社會環境。

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作者簡介：惠小影（2004.06—），女，漢族，山東日照人，本科在讀，研究方向：自動化；郝傳柱（1983.04—），男，漢族，山東聊城人，副教授，工程師，本科，研究方向：自動化、控制工程。