寇為剛 鄭克誠(chéng)

摘 要：文章研究了基于STM32單片機(jī)的智能家庭安防系統(tǒng)，其采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心控制單元，對(duì)室內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，根據(jù)設(shè)定的閾值，控制電器驅(qū)動(dòng)模塊確保室內(nèi)空氣環(huán)境清新干凈；對(duì)非法入侵、可燃?xì)怏w泄漏等不安全問題及時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊通知住戶并及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)家庭安全防盜報(bào)警。

關(guān)鍵詞：智能家居；空氣質(zhì)量；安全防范；遠(yuǎn)程通信

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)不斷壯大，人口流動(dòng)性增大，社會(huì)治安趨于復(fù)雜，空氣污染也愈演愈烈，人們對(duì)居住環(huán)境的安全性要求也越來(lái)越高，不僅滿足于住得舒服，更希望住得安全。居住環(huán)境的安全來(lái)自方方面面，除了財(cái)產(chǎn)安全和人身安全，室內(nèi)空氣質(zhì)量同樣是關(guān)乎生命安全的問題。因此，防止陌生人入侵，保持家庭空氣清新干凈，煤氣泄露報(bào)警等是每個(gè)家庭都十分關(guān)注的安全防范問題。目前市面上的同類產(chǎn)品是作為單獨(dú)系統(tǒng)單元出現(xiàn)，僅僅是空氣質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和改善，或者單一的實(shí)現(xiàn)安防報(bào)警功能，并沒有做成非常全面的智能家居產(chǎn)品?；诖?，論文設(shè)計(jì)智能家庭安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅有傳統(tǒng)家庭安全防盜報(bào)警功能，同時(shí)兼顧空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與改善功能，為人們提供更為安全的保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于STM32單片機(jī)的家庭智能安防系統(tǒng)[1]主要由家庭安全防盜報(bào)警部分、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制部分組成，是一款功能全面的經(jīng)濟(jì)型家庭安防系統(tǒng)。

家庭安全防盜報(bào)警部分由核心控制單元和前端傳感器組成[2]。SW-420震動(dòng)傳感器感知門窗是否被推動(dòng)、E18-D80NK光電傳感器感知窗戶附近是否有異?；顒?dòng)、MQ-7氣體傳感器感知火災(zāi)發(fā)生，這些信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶诵目刂茊卧膯纹瑱C(jī)，進(jìn)行數(shù)值分析，當(dāng)數(shù)值超出閾值時(shí)，單片機(jī)傳遞指令利用GSM/GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警。

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Air Quality Monitoring Equipment，AQME）利用傳感技術(shù)，GSM/GPRS通信技術(shù)，微機(jī)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析功能，空氣質(zhì)量等級(jí)提示及報(bào)警功能。其原理是光敏二極管采集的室內(nèi)光照強(qiáng)度、DHT11傳感器采集的室內(nèi)溫濕度、GP2Y10空氣質(zhì)量傳感器采集的室內(nèi)空氣質(zhì)量等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶诵目刂茊卧膯纹瑱C(jī)，單片機(jī)根據(jù)收集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在TFTLCD顯示屏中顯示出數(shù)據(jù)和相應(yīng)的提示。

遠(yuǎn)程控制部分使用ATK-SIM800C模塊[3]，該模塊集通話、收發(fā)短信功能于一體。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警程序時(shí)，單片機(jī)向該模塊發(fā)送指令，該模塊將預(yù)編好的短信發(fā)送到指定目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。用戶也可以向該模塊發(fā)送命令短信，控制家用電器的開閉，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，提高宜居性。

系統(tǒng)采用STM32系列的STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心控制單元[4]，控制空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、家庭安全報(bào)警部分、遠(yuǎn)程控制部分3個(gè)模塊，使用光敏二極管采集室內(nèi)光照強(qiáng)度，DHT11傳感器采集室內(nèi)溫度和濕度，SW-420震動(dòng)感應(yīng)器感知門窗是否被觸碰，E18-D80NK光電傳感器感知門窗附近是否有人員活動(dòng)，MQ-7氣體傳感器感知火災(zāi)的發(fā)生，GP2Y10空氣質(zhì)量傳感器采集室內(nèi)空氣質(zhì)量指數(shù)，ATK-SIM800C模塊進(jìn)行短信報(bào)警和遠(yuǎn)程控制。單片機(jī)接收來(lái)自各個(gè)傳感器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成人類可識(shí)別的信息顯示出來(lái)。當(dāng)需要報(bào)警時(shí)，單片機(jī)發(fā)送指令給GSM/GPRS通信模塊，該模塊將預(yù)編好的信息發(fā)送出去實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。同時(shí)用戶也可以發(fā)送指令短信給該模塊，從而控制家里用電系統(tǒng)的開閉，做到遠(yuǎn)程控制，本設(shè)計(jì)的總體框如圖1所示。

2 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計(jì)

2.1 ATK-SIM800C遠(yuǎn)程通信模塊

遠(yuǎn)程通信芯片采用SIMCOM公司的新型緊湊型產(chǎn)品ATK-SIM800C，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，并且能夠滿足用戶的多種需求。在實(shí)現(xiàn)斷線自動(dòng)重連功能時(shí)，涉及DCD和RI兩個(gè)引腳的使用。DCD引腳用來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線時(shí)，會(huì)給DCD引腳一個(gè)高電平，當(dāng)這個(gè)電平被DCD引腳檢測(cè)到之后，模塊就是采取相應(yīng)的動(dòng)作，來(lái)重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進(jìn)來(lái)的時(shí)候，RI管腳就會(huì)有一個(gè)低電平出現(xiàn)，當(dāng)RI引腳檢測(cè)到這個(gè)低電平的時(shí)候，模塊就會(huì)采取相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)入短信或者電話模式，ATK-SIM800C通信模塊如圖2所示。

該模塊采用串口連接方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可實(shí)現(xiàn)短信和電話兩種模式，當(dāng)有非法入侵、可燃?xì)怏w泄漏等不安全問題發(fā)生時(shí)，該模塊自動(dòng)報(bào)警并發(fā)短信給戶主，確保用戶財(cái)產(chǎn)安全。

2.2 TFTLCD液晶顯示模塊

TFTLCD即薄膜晶體管液晶顯示器。它與無(wú)源TN-LCD和STN-LCD的簡(jiǎn)單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)像素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT），可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無(wú)關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量，TFTLCD顯示器如圖3所示。

TFTLCD的信號(hào)包括：RS，D0～D15，WR，RD，CS，RST和BL等，其中真正在操作LCD的時(shí)候需要用到的就只有：RS，D0～D15，WR，RD和CS。其操作時(shí)序和SRAM的控制完全類似，唯一不同就是TFTLCD有RS信號(hào)，但是沒有地址信號(hào)。

對(duì)于NOR FLASH/PSRAM控制器（存儲(chǔ)塊1），通過(guò)FSMC_BCRx，F(xiàn)SMC_BTRx和FSMC_BWTRx寄存器設(shè)置（其中x=1～4，對(duì)應(yīng)4個(gè)區(qū)）。通過(guò)這3個(gè)寄存器，可以設(shè)置FSMC訪問外部存儲(chǔ)器的時(shí)序參數(shù)，拓寬了可選用的外部存儲(chǔ)器的速度范圍。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)，程序由初始化程序、各傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊、TFTLCD顯示屏顯示模塊、ATK-SIM800C遠(yuǎn)程通信模塊、聲光報(bào)警模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊。

初始化程序?qū)⒂玫降母黝^文件導(dǎo)入，初始化各傳感器，使能端口時(shí)鐘，根據(jù)各傳感器、TFTLCD顯示屏以及遠(yuǎn)程通信模塊的特點(diǎn)定義I/O口的輸入輸出方式。傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊分為模擬數(shù)據(jù)采集和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集，模擬數(shù)據(jù)通過(guò)STM32F103ZET6片內(nèi)12位多通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換完成數(shù)據(jù)采集。TFTLCD顯示屏是16位數(shù)據(jù)并口，與STM32F103ZET6單片機(jī)的串口連接，初始化序列使用LCD供應(yīng)商提供的初始化序列，可以與開發(fā)板同時(shí)進(jìn)行硬復(fù)位。具體軟件流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)光照強(qiáng)度低于30時(shí)，小于程序中的閾值，單片機(jī)在PE5口輸出高電平，控制電燈的繼電器閉合，電燈點(diǎn)亮，同時(shí)在LCD屏幕上提示燈光已開啟，低光照條件下的顯示屏如圖4（a）所示；當(dāng)E18-D80NK光電傳感器和SW-420震動(dòng)感應(yīng)模塊傳遞到單片機(jī)的信號(hào)數(shù)值同時(shí)超出閾值，根據(jù)傳感器的編號(hào)，單片機(jī)判斷出屋內(nèi)的哪個(gè)位置有異?；顒?dòng)，并在LCD屏幕上顯示出來(lái)，ATK-SIM800C通信模塊自動(dòng)將預(yù)編好的報(bào)警短信發(fā)給保衛(wèi)部門，入侵報(bào)警狀態(tài)下的顯示屏如圖4（b）所示；當(dāng)MQ-7氣體傳感器傳回的模擬信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，單片機(jī)觸發(fā)報(bào)警程序，ATK-SIM800C通信模塊自動(dòng)將預(yù)編好的報(bào)警短信發(fā)給消防部門，LCD顯示屏提示發(fā)生火災(zāi)，蜂鳴器持續(xù)報(bào)警，火災(zāi)報(bào)警狀態(tài)下的顯示屏如圖4（c）所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32的經(jīng)濟(jì)型家庭智能安防系統(tǒng)，光敏二極管采集室內(nèi)光照強(qiáng)度、DHT11采集室內(nèi)溫濕度、GP2Y10采集室內(nèi)空氣質(zhì)量、E18-D80NK光電傳感器和SW-420震動(dòng)傳感器感知門窗是否被打開、MQ-7氣體傳感器感知火災(zāi)發(fā)生，所有傳感器采集的信號(hào)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)處理，通過(guò)TFTLCD顯示屏顯示出當(dāng)前室內(nèi)光照強(qiáng)度、溫度、濕度、空氣質(zhì)量等信息。當(dāng)發(fā)生非法入侵和火災(zāi)時(shí)，本系統(tǒng)在進(jìn)行聲光報(bào)警的同時(shí)，通過(guò)ATK-SIM800C通信模塊發(fā)送短信報(bào)警。

本系統(tǒng)采用模塊化思想開發(fā)，各個(gè)傳感器之間互不干擾，且各傳感器技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，是目前市場(chǎng)上性價(jià)比最高的傳感器。系統(tǒng)在易用性和功能性上都優(yōu)于普通家庭安防系統(tǒng)，成本上也嚴(yán)格控制在千元以下，可以作為家庭安防系統(tǒng)的推廣產(chǎn)品使用。

主控單元采用ALLENTEK公司的開發(fā)板，功能強(qiáng)大，可拓展性強(qiáng)。后期還可開發(fā)出互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，安防視頻監(jiān)控等功能。根據(jù)用戶需求，為用戶提供不同的家庭安防系統(tǒng)方案，做到系統(tǒng)按需定制，安防因地制宜。