孔令榮　王　昊　溫宏愿　於煒力

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州　225300)

智能家居安防系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

孔令榮王昊溫宏愿於煒力

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州225300)

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的智能監(jiān)控，研究并設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為主控核心，以GSM短信模塊實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)募彝グ卜老到y(tǒng)。該系統(tǒng)由主控制器、顯示模塊、信息傳輸模塊、防盜模塊、防火模塊和聲光報(bào)警模塊等組成，可解決傳統(tǒng)形式安防系統(tǒng)存在的隱患，使家庭防盜具備報(bào)警更及時(shí)、使用更方便的優(yōu)點(diǎn)。其報(bào)警方式不再局限于傳統(tǒng)的有線電話報(bào)警，而是利用先進(jìn)的GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)中文短消息的形式，及時(shí)把報(bào)警情況發(fā)送至用戶的手機(jī)屏幕上，并發(fā)出聲音報(bào)警。該系統(tǒng)能夠防范一定的險(xiǎn)情，用戶可以通過(guò)無(wú)線遙控對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行布防和解防。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有用戶投資小、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用少、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能家居智能安防系統(tǒng)傳感器STM32GSM監(jiān)測(cè)監(jiān)控防火防盜

0引言

近年來(lái)，隨著城市流動(dòng)人口的不斷增長(zhǎng)，入室搶劫、盜竊等案件屢有發(fā)生，帶來(lái)了較為惡劣的社會(huì)影響，使人們的生命財(cái)產(chǎn)也遭受損失，人們對(duì)安全的生活空間的需求更加迫切。但是隨著科技的發(fā)展，犯罪人員的作案手段也變得越來(lái)越高明，甚至有些人運(yùn)用高科技犯罪，這就使得傳統(tǒng)的家庭住宅防盜方式顯然己經(jīng)無(wú)法符合人們的需求。與此同時(shí)，一些傳統(tǒng)的機(jī)械式家居防衛(wèi)，防盜門、防盜窗等也帶來(lái)不少問題，比如在眾多住宅區(qū)中，部分住宅的突兀裝修，會(huì)明顯影響建筑美觀、市容的整潔等；而一些防盜門窗的安裝不當(dāng)，甚至?xí)绊懟馂?zāi)的救援通道，有時(shí)也會(huì)給犯罪分子提供方便，如利于翻越攀爬；部分防盜門窗使用久了還會(huì)帶來(lái)高空墜物的風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用嵌入式技術(shù)的新型的智能安全防盜報(bào)警器系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并且得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)報(bào)道，建設(shè)部制訂了住宅小區(qū)的智能化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定智能小區(qū)中必須同時(shí)具備信息管理、物業(yè)管理、安全防范信息網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)，為的就是進(jìn)一步規(guī)范住宅小區(qū)智能化建設(shè)。所以，智能安防系統(tǒng)逐漸成為小區(qū)建設(shè)安防項(xiàng)目中的主流[1-2]。

1系統(tǒng)方案及關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計(jì)方案采用STM32單片機(jī)作為控制模塊的核心，利用軟件編程使單片機(jī)不停地讀取防火防盜傳感器信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，由液晶屏作為用戶交互顯示界面。單片機(jī)具有運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn)，并且可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制[3-5]。其功耗低、體積小、技術(shù)成熟、成本低；且可擴(kuò)展，附帶顯示設(shè)備、單鍵輸入等設(shè)備，使用方便；還可通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度預(yù)設(shè)顯示。單片機(jī)芯片引腳少，軟硬件連接簡(jiǎn)便靈活，硬件實(shí)現(xiàn)容易。本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能共分為7個(gè)大的模塊，分別為主控模塊、防火監(jiān)控模塊、防盜監(jiān)控模塊、報(bào)警模塊、用戶交互顯示模塊、無(wú)線遙控模塊和存儲(chǔ)模塊。主控模塊采用STM32F103RCT6為主控芯片，內(nèi)部集成了RTC時(shí)鐘，并且在芯片外接了一個(gè)2 MB的Flash用作存儲(chǔ)漢字庫(kù)和一個(gè)8 kB的EEPROM用來(lái)存放數(shù)據(jù)，保證掉電數(shù)據(jù)不丟失[6]。防火監(jiān)控模塊使用溫濕度采集傳感器、煙霧傳感器、天然氣濃度傳感器、電流傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?，?duì)室內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)處理后打印到TFT彩屏上。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，控制器會(huì)報(bào)警，可以處理一部分險(xiǎn)情，并且短信通知用戶；用戶可以通過(guò)發(fā)短信的方式來(lái)設(shè)置電流提醒的上限值。防盜監(jiān)控模塊包括人體熱釋電傳感器，當(dāng)在布防模式下發(fā)生異常情況時(shí)，主控制器會(huì)控制報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警并且發(fā)短信告知用戶。報(bào)警模塊主要分為聲音報(bào)警和GSM短信報(bào)警。無(wú)線遙控模塊的主要作用是解除警報(bào)、布防以及解除布防。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　智能安防系統(tǒng)框圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊包括一個(gè)STM32最小系統(tǒng)、一個(gè)SD卡接口電路和一個(gè)2 MB的Flash芯片電路。

2.1.1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6為平臺(tái)，其內(nèi)核是Cortex-M3，用于進(jìn)行MP3播放器的設(shè)計(jì)。接下來(lái)介紹本設(shè)計(jì)用到的幾個(gè)芯片。首先就是主控芯片STM32F103RCT6，它是ST公司推出的Cortex-M3內(nèi)核32位微處理器。它的優(yōu)點(diǎn)是高性能、低成本、低功耗，主要運(yùn)用在嵌入式領(lǐng)域。同時(shí)，STM32F103RCT6是ARM7架構(gòu)，其原理是Thumb-2技術(shù)，將16位和32位指令相結(jié)合，使代碼密度和性能達(dá)到了最佳平衡。本設(shè)計(jì)中利用了Thumb-2技術(shù)，其主要原因在于，它比純ARM代碼節(jié)省31%的內(nèi)存，這樣就可以減小設(shè)計(jì)開銷，同時(shí)也能夠提供比Thumb技術(shù)高出38%的性能[7-8]。

2.1.2SD卡電路的設(shè)計(jì)

SD卡是基于Flash儲(chǔ)存介質(zhì)的新一代記憶設(shè)備，具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動(dòng)靈活、安全性能好以及兼容MMC卡等優(yōu)點(diǎn)。SD卡有兩種工作模式：SD模式和SPI模式。相對(duì)SD模式而言，SPI模式可以更簡(jiǎn)化主機(jī)設(shè)計(jì)，從而降低成本。SD卡以命令形式來(lái)控制SD卡的讀寫等操作。根據(jù)命令對(duì)多塊或單塊進(jìn)行讀寫操作。在SPI模式下，命令由6個(gè)字節(jié)構(gòu)成，其中高位在前。STM32F103RCT6單片機(jī)沒有SD總線接口，故只能采用SPI模式[6,9-10]。

2.1.3字庫(kù)Flash接口電路

由于顯示需要用到漢字，如果要對(duì)漢字進(jìn)行取模顯示，程序太復(fù)雜，所以本設(shè)計(jì)采用了一個(gè)2 MB的Flash芯片存放字庫(kù)。字庫(kù)的讀寫采用SPI總線的方式，所以將其連接到了控制器的SPI1總線上。電路如圖2所示。

圖2　字庫(kù)Flash接口電路圖

2.2防火監(jiān)控設(shè)計(jì)

防火監(jiān)控由溫濕度采集傳感器、MQ2煙霧傳感器、MQ5天然氣濃度傳感器、電流傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳂?gòu)成，當(dāng)室內(nèi)的煙霧濃度或者天然氣的濃度超標(biāo)時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警和短信報(bào)警。

2.2.1煙霧傳感器電路設(shè)計(jì)

煙霧傳感器MQ2的原理是：當(dāng)傳感器處于存在煙霧的環(huán)境中時(shí)，隨空氣中煙霧氣體濃度的增加，傳感器的電導(dǎo)率也增大。此傳感器所使用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，這種材料在清潔空氣中的電導(dǎo)率較低，可以使用簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3　煙霧監(jiān)控電路圖

圖3中，R16的作用是調(diào)節(jié)煙霧濃度傳感器的靈敏度。本設(shè)計(jì)使用R16的作用是直接檢測(cè)AOUT輸出的電壓量，AOUT的值跟煙霧濃度成正比，煙霧濃度越大，AOUT的值越大。

2.2.2天然氣體濃度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的天然氣傳感器是MQ5。MQ5氣體傳感器的原理是：當(dāng)傳感器處于存在煙霧的環(huán)境中時(shí)，隨空氣中煙霧氣體濃度的增加，傳感器的電導(dǎo)率也隨之增大，此傳感器所使用的氣敏材料也是SnO2。這種材料在清潔空氣中電導(dǎo)率較低，因此可以使用簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。其電路與煙霧傳感器監(jiān)控電路類似，故不再贅述。

2.2.3電流傳感器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的電流傳感器是ACS712，該器件最大的特點(diǎn)就是具有精確的低偏置線性霍爾傳感器電路，而且電流路徑靠近芯片的表面。這個(gè)電流是通過(guò)銅制電流路徑施加的，此電流還可以被集成霍爾 IC 感應(yīng)，與此同時(shí)轉(zhuǎn)化為成比例電壓的磁場(chǎng)。本設(shè)計(jì)主要通過(guò)將磁性信號(hào)靠近霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)器件的精確度優(yōu)化。而其中精確的成比例電壓是由穩(wěn)定斬波型低偏置Bi-CMOS霍爾IC提供，原因在于該 IC出廠時(shí)已進(jìn)行精確度編程，便于本設(shè)計(jì)直接采用。電流監(jiān)控原理如圖4所示。由圖4可知，主要銅制電流路徑(從引腳1和2，到3和4)就是用作電流感測(cè)通路。當(dāng)電流流經(jīng)此通路且電流不斷上升時(shí)，器件會(huì)輸出與電流成正比的電壓。

圖4　電流監(jiān)控原理圖

圖4中，P2的兩端接到家用電纜的主干路上，通過(guò)P3給芯片供電，7腳輸出一個(gè)模擬量。電流和模擬量呈線性關(guān)系，電流越大，輸出的模擬量越大。

2.2.4火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩O(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的火焰?zhèn)鞲衅魇亲贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅?，火焰的輻射往往是離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射同時(shí)存在的一種輻射，波長(zhǎng)為0.1～10 μm或更寬的范圍，一般利用波長(zhǎng)<300 nm的紫外線作為探測(cè)信號(hào)。因?yàn)樽贤饩€傳感器只對(duì)185～260 nm狹窄范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行響應(yīng),而對(duì)其他頻譜范圍的光線不敏感，這樣也可以避免其他信號(hào)的干擾。另外，火焰探測(cè)的220～280 nm中紫外波段屬太陽(yáng)光譜盲區(qū)(日盲區(qū))。利用紫外火焰探測(cè)技術(shù)，就可以讓系統(tǒng)避開最強(qiáng)大的自然光源——太陽(yáng)對(duì)電路所造成的影響。這樣就可以大大減輕信息處理的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也很好地提高了其可靠性。此外，紫外火焰檢測(cè)技術(shù)采用光子檢測(cè)手段，使系統(tǒng)具有極微弱信號(hào)檢測(cè)能力，其信噪比也大大提高。明火監(jiān)控原理如圖5所示。

圖5　明火監(jiān)控原理圖

圖5中，R1的作用是分壓和限流，沒有火焰的狀態(tài)，傳感器就好比一個(gè)阻值很小的電阻，經(jīng)過(guò)一個(gè)比較器后輸出一個(gè)高電平;當(dāng)有火焰時(shí)，傳感器就相當(dāng)于一個(gè)阻值很大的電阻，分得的電壓經(jīng)過(guò)比較器后輸出一個(gè)低電平。R3的作用則是調(diào)節(jié)火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度。

2.3防盜監(jiān)控設(shè)計(jì)

防盜監(jiān)控由人體紅外傳感器構(gòu)成。人體熱釋電紅外傳感器的原理是：移動(dòng)人體可以輻射出特定波長(zhǎng)的紅外線，紅外傳感器是通過(guò)接收紅外線，并轉(zhuǎn)化為與人體運(yùn)動(dòng)速度、距離、方向有關(guān)的低頻電信號(hào)。具體原理是當(dāng)熱釋電紅外傳感器受到紅外輻射源的照射時(shí)，其內(nèi)部敏感材料的溫度將升高，極化強(qiáng)度減弱，表面電荷即熱釋電電荷減少。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)熱釋電電荷的多少就可以分析出材料溫度的變化，所以設(shè)計(jì)中也是通過(guò)電路將熱釋電電荷轉(zhuǎn)變成電壓而輸出，從而分析出材料溫度的變化，并探測(cè)出紅外輻射能量的變化。紅外探測(cè)器中的光學(xué)系統(tǒng)可以將來(lái)自多個(gè)方向的紅外輻射能量聚焦到探測(cè)器上，這樣紅外探測(cè)器就可以探測(cè)到一個(gè)立體探測(cè)空間內(nèi)所有熱輻射的變化，進(jìn)而判斷是否有人存在。

2.4環(huán)境監(jiān)控模塊

環(huán)境監(jiān)控部分主要包括溫濕度傳感器DHT11和CO傳感器。

2.4.1溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的溫濕度傳感器是DHT11。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種復(fù)合傳感器，其中含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。它使用的是專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，為的就是確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器器件的組成是一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。DHT11采用的是單總線的數(shù)據(jù)讀寫方式，所以本設(shè)計(jì)使用阻值為5 kΩ的R38電阻將數(shù)據(jù)線電平拉高，其電路圖如圖6所示。

圖6　溫濕度測(cè)量電路圖

2.4.2CO傳感器電路設(shè)計(jì)

MQ7氣體傳感器采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫(1.5 V加熱)檢測(cè)CO，則可以通過(guò)檢測(cè)之后傳感器的電導(dǎo)率的變化分析其CO的含量。由于傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中CO氣體濃度的增加而增大，并且所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2，這樣就可以使用簡(jiǎn)單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。本模塊的電路設(shè)計(jì)與煙霧傳感器相同，故不再贅述。

2.5報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊由聲光報(bào)警和GSM模塊短信報(bào)警組成。當(dāng)控制器檢測(cè)到不同的險(xiǎn)情時(shí)，會(huì)根據(jù)險(xiǎn)情來(lái)選擇不同的報(bào)警方式。本節(jié)將詳細(xì)介紹這兩部分。

2.5.1聲音報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲音報(bào)警部分采用的語(yǔ)音芯片是JQ6500。JQ6500是一個(gè)提供串口的MP3芯片，不僅集成了MP3、WMV的硬解碼；而且同時(shí)軟件支持TF卡驅(qū)動(dòng)，可以支持各種類型的文件，比如支持電腦直接更新spi flash的內(nèi)容，以及FAT16、FAT32文件系統(tǒng)。這樣可以通過(guò)簡(jiǎn)單的串口指令，完成播放指定的音樂。語(yǔ)音播報(bào)電路原理如圖7所示。

圖7　語(yǔ)音播報(bào)電路原理圖

圖7中，DACL和DACR為耳機(jī)輸出，TX和RX為232總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收接口，Busy為檢查語(yǔ)音模塊是否在工作的標(biāo)志位。當(dāng)語(yǔ)音模塊工作時(shí)，Busy為高電平；當(dāng)語(yǔ)音模塊停止工作時(shí)，Busy為低電平。2.5.2GSM模塊短信報(bào)警電路設(shè)計(jì)

GSM模塊能夠?qū)SM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上。本設(shè)計(jì)使用的是SIM900A模塊。該模塊與GSM phase2/2兼容、雙頻(GSM900/GSM1800)、RS-232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸。無(wú)線收發(fā)模塊建立在無(wú)線收發(fā)芯片SMARTI基礎(chǔ)上，收發(fā)器的組成是差分接收電路、非轉(zhuǎn)移調(diào)制環(huán)路傳送器、RF PLL及IF合成器、外置收發(fā)天線。系統(tǒng)的供電是由電源供給模塊給予的。一般來(lái)說(shuō)，GSM引擎TC35i所需直流電壓為3.3～4.4 V，最大電流為2 A，而待機(jī)時(shí)電流就很小，一般為3 mA。它工作在在發(fā)送語(yǔ)音、數(shù)據(jù)機(jī)短信的狀態(tài)下時(shí)，要很大的電流驅(qū)動(dòng)。為方便GSM引擎TC35i工作，必須外加電源，并且額定電流至少2 A。

2.6人機(jī)交互顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用240×320分辨率2.8英寸(1英寸=25.4 mm)的彩屏，支持262K/65K色，控制器采用ILI9325。ILI9325控制電路如圖8所示。在VCC5 V和GND之間接兩個(gè)旁路消振電容，防止通過(guò)電源引入的干擾和寄生振蕩。通過(guò)BL-CTR，可以對(duì)TFT背光進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)增加了LCD背光限流電阻，防止電流過(guò)大燒毀背光燈。

圖8　ILI9325控制電路圖

3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件子程序設(shè)計(jì)包括如下模塊程序：LCD驅(qū)動(dòng)模塊、Flash字庫(kù)、SD卡驅(qū)動(dòng)模塊、FAT文件系統(tǒng)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模塊。

底層硬件驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)包括如下模塊程序：電流監(jiān)控模塊、天然氣監(jiān)控模塊、煙霧監(jiān)控模塊、CO監(jiān)控模塊、明火監(jiān)控模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、GSM模塊，溫濕度監(jiān)控模塊。

3.1主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)之后主要分為三步，第一步是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行初始化；第二步檢測(cè)SD卡是否存在，存在加載SD卡的問題；第三步是查找系統(tǒng)文件，本系統(tǒng)的系統(tǒng)文件全部在SYSTEM文件夾下，該文件夾下又包括兩個(gè)文件夾:font文件夾、ioc文件夾。font文件夾下包括FONT12.FON和FONT16.FON兩個(gè)字體文件。接下來(lái)就是進(jìn)入主界面，然后對(duì)天然氣，煙霧、CO、火焰、電流進(jìn)行監(jiān)控。如果有一項(xiàng)數(shù)據(jù)不正確，就報(bào)警并進(jìn)行相應(yīng)的處理。最后判斷是否為安全模式，如果是，則人體熱釋電模塊工作，進(jìn)入防盜模式；如果不是,則進(jìn)行時(shí)間和溫濕度的顯示，并等待無(wú)線遙控。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)分為多個(gè)子程序，而它的主控制程序是通過(guò)調(diào)用各個(gè)模塊的相關(guān)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能整合。主控制程序的流程圖如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)主程序流程圖

3.2SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SD卡在上電初期自動(dòng)進(jìn)入SD總線模式，要進(jìn)入SPI模式，先要向SD卡發(fā)送復(fù)位命令CMD0。CS為低電平時(shí)，SPI模式被啟動(dòng)。在發(fā)復(fù)位命令CMD0前，要發(fā)送>74個(gè)時(shí)鐘，這是因?yàn)镾D卡內(nèi)部供電電壓上升時(shí)間大約為64個(gè)時(shí)鐘期(CLK)，剩余的10個(gè)CLK用于SD卡同步，這之后才能開始CMD0的操作。具體通過(guò)u8 SD-Init(void)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

完成SD卡初始化后，接下來(lái)就是SD卡讀寫數(shù)據(jù)。SD卡讀數(shù)據(jù)的過(guò)程就是先發(fā)讀命令，接下來(lái)接受到應(yīng)答信號(hào)，然后讀取數(shù)據(jù)，讀完后停止數(shù)據(jù)讀取并取消片選。具體通過(guò)u8 SD-ReadDisk(u8*buf，u32 sector，u8 cnt)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。SD卡寫數(shù)據(jù)類似于讀數(shù)據(jù)過(guò)程，只是發(fā)的命令變成了CMD24，具體通過(guò)u8 SD-WriteDisk(const u8*buf,u32 sector,u8 cnt)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.3時(shí)間模塊程序設(shè)計(jì)

時(shí)間模塊的功能包括日期顯示、星期功能、當(dāng)前時(shí)間。日歷功能則是顯示本月的全部天數(shù)。該部分的核心部分是RTC內(nèi)時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間的轉(zhuǎn)換。因?yàn)檫x擇1990年作為原始年，故RTC秒鐘寄存器的范圍為1990+136年，即約要到2 226年左右才會(huì)溢出，完全夠用。讀取時(shí)間通過(guò)函數(shù)void Get-Time(void)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)函數(shù)void Get-Week(u16 year,u8 month,u8 day,u8 *week)，可以得到任意日期所對(duì)應(yīng)的周。*week，是周的存放地址。通過(guò)void show-clock(u16 x,u16 y,u16 size,u16 color,u16 back-color)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)石英鐘的顯示。

3.4GSM短信報(bào)警設(shè)計(jì)

控制器與GSM模塊之間采用RS-232連接，采用AT指令實(shí)現(xiàn)相互間的通信。本設(shè)計(jì)采用16 bits的Unicode編碼顯示文本信息，中文短消息的編碼實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，只需將字符串轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的Unicode代碼即可。英文字符的編碼主要思想是：每個(gè)字符用7 bits表示，若要傳送此消息，這些7位字節(jié)需要轉(zhuǎn)換成8位字節(jié)，缺省的GSM字符集為7位編碼，可以理解為ASCII碼(ASCII碼小于80H，因此bit8被忽略)；依次將下一個(gè)7位編碼的后幾位逐步移至前面，形成新的8位編碼。其工作流程圖如圖10所示。

圖10　短信報(bào)警流程圖

3.5煙霧監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

煙霧監(jiān)控部分主要通過(guò)STM32自帶的A/D對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后處理，然后打印到用戶界面。給煙霧監(jiān)控分配的I/O口是PA0，也就是第0路A/D，將PA0配置成A/D模式，就是將I/O口配置成模擬輸入，并打開ADC轉(zhuǎn)換通道。當(dāng)需要采集煙霧數(shù)據(jù)時(shí)，只需要調(diào)用接口函數(shù)u16 Get_Adc(0)，其中0代表的是第0路通道，數(shù)值返回的是一個(gè)16位的數(shù)值。煙霧監(jiān)控流程圖如圖11所示。

圖11　煙霧監(jiān)控流程圖

3.6天然氣監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

天然氣監(jiān)控部分也是通過(guò)STM32自帶的A/D對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后處理，然后打印到用戶界面。首先給煙霧監(jiān)控分配的I/O口是PA1，也就是第1路A/D，將PA0配置成A/D模式。當(dāng)需要采集煙霧數(shù)據(jù)時(shí)，只需要調(diào)用接口函數(shù)u16 Get_Adc(1)，數(shù)值返回的是一個(gè)16位的數(shù)值。其流程圖與煙霧監(jiān)考流程圖類似，故不再贅述。

3.7CO監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

天然氣監(jiān)控部分也是通過(guò)STM32自帶的A/D對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后處理，然后打印到用戶界面上。給煙霧監(jiān)控分配的I/O口是PC4，也就是第14路A/D，將PC4配置成A/D模式。當(dāng)需要采集煙霧數(shù)據(jù)時(shí)，只需要調(diào)用接口函數(shù)u16 Get_Adc(14)，數(shù)值返回的是一個(gè)16位的數(shù)值。其流程圖與煙霧監(jiān)考流程圖類似，故不再贅述。

3.8溫濕度監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

DHT11數(shù)字濕度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。程序工作時(shí)，首先由單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給DHT11，準(zhǔn)備與DHT11進(jìn)行通信；當(dāng)DHT11接收到單片機(jī)數(shù)據(jù)，并處于空閑狀態(tài)時(shí)，則向單片機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；單片機(jī)接收到信號(hào)開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)流,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。若正確，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。軟件流程圖如圖12所示。

圖12　溫濕度監(jiān)控流程圖

3.9電流監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

電流監(jiān)控部分也是通過(guò)STM32自帶的A/D對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后處理，然后打印到用戶界面。給電流監(jiān)控分配的I/O口是PC0，也就是第10路A/D，將PC0配置成A/D模式。當(dāng)需要電流數(shù)據(jù)時(shí)，只需要調(diào)用接口函數(shù)u16 Get_Adc(10)，數(shù)值返回的是一個(gè)16位的數(shù)值。其流程圖與煙霧監(jiān)考流程圖類似，因此不再贅述。

3.10火焰監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

火焰監(jiān)控主要用到了STM32的外部中斷。首先將PORTA的時(shí)鐘打開，將PA11設(shè)置成輸入模式；再將PA11上拉，配置成下降沿觸發(fā)。配置該中斷的優(yōu)先級(jí)為搶占2，子優(yōu)先級(jí)2，組2，接下來(lái)則等待中斷觸發(fā)，執(zhí)行中斷函數(shù)。

3.11防盜監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

人體紅外監(jiān)控也用到了STM32的外部中斷。首先將PORTA的時(shí)鐘打開，將PA12設(shè)置成輸入模式；并將PA11下拉，配置成上升沿觸發(fā)。配置該中斷的優(yōu)先級(jí)為搶占2，子優(yōu)先級(jí)1，組2，接下來(lái)就是等待中斷觸發(fā)，執(zhí)行中斷函數(shù)。

3.12語(yǔ)音播報(bào)程序設(shè)計(jì)

該部分的設(shè)計(jì)主要是用到了串口通信，主控模塊通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的指令對(duì)語(yǔ)音模塊進(jìn)行操作。發(fā)送指令的格式為$S Len CMD para1 para2 $0。其中$S為起始位，即0X7E，Len是發(fā)送字節(jié)的長(zhǎng)度，包括Len+CMD+para1+para2，CMD為命令字，para1是代表查詢的數(shù)據(jù)高字節(jié)，para2是查詢的數(shù)據(jù)低字節(jié)，$0是指令的結(jié)束位，即0XEF。例如播放第1首歌曲，只需要連續(xù)發(fā)送7E 04 03 00 01 EF這6個(gè)16進(jìn)制數(shù)。播放完成后，需要檢測(cè)Busy腳是否為低電平，如果是，就返回主程序。語(yǔ)音播報(bào)流程圖如圖13所示。

圖13　語(yǔ)音播報(bào)流程圖

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款智能家居安防系統(tǒng)，可以快速、有效地防止電火、明火、氣火、天然氣泄漏、非法入侵等多種情況的發(fā)生。本設(shè)計(jì)共有兩種模式。①當(dāng)用戶在家時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線遙控器控制該系統(tǒng)進(jìn)入安全模式，這時(shí)控制器只行防火功能，對(duì)室內(nèi)溫濕度和CO進(jìn)行采集，并且通過(guò)TFT進(jìn)行顯示。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，主控制器會(huì)控制聲音報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，并且會(huì)通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信。②當(dāng)用戶不在家時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線模塊控制該系統(tǒng)進(jìn)入防盜模式，這時(shí)控制器會(huì)進(jìn)行防火和防盜，對(duì)室內(nèi)的一切數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)煙霧濃度和天然氣濃度發(fā)生異常時(shí)，控制器會(huì)進(jìn)行聲音報(bào)警和短信報(bào)警，并且預(yù)留了排氣扇接口，可以控制排氣扇進(jìn)行通風(fēng)。該系統(tǒng)具有用戶投資小、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用少、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

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Research and Design of Smart Home Security System

Abstract：In order to realize intelligent monitoring of the home environment,a home security system is researched and designed,which uses STM32 micro-controller as control core,and uses GSM message module to implement the information transmission.This system consists of main controller,display module,information transmission module,alarm module,fire protection module,and sound alarm module,etc.It can solve the hidden danger existed in the traditional security system,make the family security more quickly and conveniently．The type of alarm is no longer limited by traditional wired telephone,but with the help of the advanced GSM mobile network,can use the form of Chinese short message to timely send alarm situation to user's mobile phone screen,and make sounds to alarm.This system can prevent some dangerous situations; users can control the system for arming and removing the prevention through wireless remote control.Experiments show that the system has the advantages of small investment,low operation cost and convenient operation.

Keywords:Smart homeSmart security systemSensorSTM32GSMMonitoring and controlFire preventionBurglary prevention

中圖分類號(hào)：TH-3;TP27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605014

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)資助項(xiàng)目基金(編號(hào)：6110196);

教育部高校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：20103219120016)；

江蘇省企業(yè)博士集聚計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：SSF0130410);

泰州市科技支撐社會(huì)發(fā)展基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：SSF0140186)。

修改稿收到日期：2015-09-01。

第一作者孔令榮(1983-)，男，2014年畢業(yè)于南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師；主要從事單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方向的研究。