劉廷嘉 王一凡 許龍 譚洪成

隨著科技水平的提高，人們的生活方式在逐漸被科技改變，人們對(duì)生活的要求也越來(lái)越高。利用科技手段的家用電器層出不窮，智能家居系統(tǒng)已經(jīng)備受廣大人們?nèi)罕姷闹匾暎侵悄芗揖酉到y(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息的安全更加值得注意。一個(gè)完整的智能家居系統(tǒng)包括設(shè)備自動(dòng)控制，通信網(wǎng)絡(luò)和智能安防系統(tǒng)，智能家居系統(tǒng)利用先進(jìn)的通信技術(shù)將各個(gè)子系統(tǒng)協(xié)調(diào)結(jié)合。人們安全意識(shí)的提高使得智能安防系統(tǒng)的研究愈發(fā)重要。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，智能安防系統(tǒng)也將越來(lái)越穩(wěn)定和安全。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于STM32控制芯片進(jìn)行控制，利用2.4GHz射頻通信實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)內(nèi)部模塊通信，利用GPRS通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與其他終端的通信。

1智能安防系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

智能安防系統(tǒng)被分為七個(gè)模塊：控制模塊，門(mén)禁模塊，信息采集模塊，開(kāi)關(guān)模塊，電源模塊，GPRS通信模塊和人機(jī)交互模塊?？刂颇K實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要由STM32芯片及相應(yīng)的晶振電路，復(fù)位電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片構(gòu)成。門(mén)禁模塊用來(lái)控制入戶門(mén)的開(kāi)關(guān)，由指紋識(shí)別部分和電子鎖部分。信息采集模塊包括多種傳感器和信號(hào)電路，全方位采集室內(nèi)環(huán)境信息。開(kāi)關(guān)模塊用來(lái)控制家用電器的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)智能控制電器的使用。電源模塊提供整個(gè)系統(tǒng)所需電源。GPRS通信模塊用于系統(tǒng)與終端設(shè)備的無(wú)線通信傳輸數(shù)據(jù)。人機(jī)交互模塊用于系統(tǒng)與外界信息的交換，便于人進(jìn)行操作。

2智能安防系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制模塊

控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能有環(huán)境數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計(jì)選用的核心芯片型號(hào)是ARM公司Cortex-M3系列的STM32F103ZET6。STM32F103ZET6的處理速度和功耗能夠滿足系統(tǒng)的高效運(yùn)行，同時(shí)成本較低。STM32F103ZET6的工作頻率為72 MHz，工作在2.0V至3.6V的電壓下。STM32F103ZET6內(nèi)部包括兩個(gè)12位DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器和三個(gè)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，四個(gè)通用定時(shí)器，還包括512KB的動(dòng)態(tài)閃存器和64KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器，為設(shè)計(jì)的可靠性和高性能提高了保障。

2.2門(mén)禁模塊

門(mén)禁模塊采用了STC89C52單片機(jī)對(duì)本模塊核心控制，由指紋識(shí)別模塊，顯示模塊，電子鎖電路等構(gòu)成。指紋識(shí)別模塊主要由指紋采集頭和指紋處理電路兩部分組成。液晶顯示器采用的型號(hào)是LCD1602，用于顯示指紋采集的信息，包括對(duì)指紋錄入的時(shí)間與次數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息等。電子鎖門(mén)禁電路由驅(qū)動(dòng)電路和電子鎖開(kāi)關(guān)電路兩部分構(gòu)成。門(mén)禁模塊中STC89C52單片機(jī)與總控制芯片 STM32F103ZET6利用NRF24L01進(jìn)行射頻通信。指紋識(shí)別模塊與 STC89C52之間進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信，指紋識(shí)別的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在模塊內(nèi)部存儲(chǔ)器中。

2.3信息采集模塊

信息采集模塊負(fù)責(zé)采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，我們需要了解室內(nèi)溫濕度來(lái)判斷屋內(nèi)的宜居程度，光照強(qiáng)度來(lái)判斷燈光開(kāi)關(guān)，也需要檢測(cè)可燃?xì)怏w的濃度來(lái)判斷屋內(nèi)中毒的危險(xiǎn)，還需要對(duì)人所在位置進(jìn)行監(jiān)控。在信息采集模塊中又分成溫濕度采集部分，光照強(qiáng)度采集部分，可燃?xì)怏w濃度采集部分，人體紅外線檢測(cè)部分。

溫濕度采集部分選用了DHT11型號(hào)的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11利用串行接口單線與控制模塊連接。DHT11可測(cè)溫度范圍為0-50℃，濕度范圍是20%RH ～90%RH。它具有可測(cè)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，而且抗干擾能力也很強(qiáng)，完全可以滿足日常家庭數(shù)據(jù)采集的使用。

光照強(qiáng)度采集部分應(yīng)用了光照強(qiáng)度傳感器 TSL2561。TSL2561是一款光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，里面含有一個(gè)光敏二極管負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)可見(jiàn)光的數(shù)據(jù)，一個(gè)紅外光敏二極管負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)紅外線數(shù)據(jù)。TSL2561通過(guò)I2C總線與控制模塊連接。

可燃?xì)怏w濃度采集部分采用了電阻型氣敏傳感器MQ-5。MQ-5在家庭和工業(yè)上對(duì)煤氣天然氣的監(jiān)控都有著廣泛應(yīng)用。一旦傳感器接觸到可燃?xì)怏w，它的導(dǎo)電率就會(huì)隨著可燃?xì)怏w的濃度增加而增加。

人體紅外線檢測(cè)部分采用了熱釋電紅外傳感器 PD632。PD632中含有熱釋電材料，這種材料的極化會(huì)隨溫度變化而改變，能夠準(zhǔn)確的探測(cè)人體所產(chǎn)生紅外輻射并判斷人與傳感器之間的距離。

2.4 GPRS模塊

GPRS（General Packet Radio Service）中文全稱是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)是一種，分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。系統(tǒng)中的GPRS 無(wú)線通信模塊系統(tǒng)選用siemens公司的 MC52iR3模塊。MC52iR3模塊支持900/1800 MHz 雙頻工作，工作電壓為3.3～4.8 V，支持 GSM/GPRS功能，可以傳輸數(shù)據(jù)、短消息等信號(hào)，使用 AT 指令，內(nèi)部集成 TCP/IP 協(xié)議棧。MC52iR3模塊的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口采用標(biāo)準(zhǔn)的 RS232雙向接口，可以與STM32F103ZET6的 USART 端直接連接，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

3智能安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主程序根據(jù)硬件的不同功能模塊被劃分成多個(gè)子程序，每一個(gè)芯片在運(yùn)行前都要進(jìn)行初始化，所以主程序可以劃分為初始化配置、信息采集、射頻通信、GPRS 通信、人機(jī)交互、輸出控制等子程序。初始化配置程序主要包括 STM32F103ZET6初始化、FM-180模塊初始化、nRF24L01模塊初始化和 MC52iR3模塊初始化、各類傳感器模塊初始化和顯示初始化；信息采集程序包括 STM32F103ZET6與 DHT11、TSL2561、MQ-5、PD632之間的數(shù)據(jù)信息交換；射頻通信程序用于STM32F103ZET6與 STC89C52之間的信息交換；GPRS 通信程序包括 GPS 信息的接收和發(fā)送兩部分，用于控制芯片與用戶控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。人機(jī)交互子程序有按鍵處理和顯示兩部分，實(shí)現(xiàn)各模塊參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示等。輸出控制程序可以發(fā)送報(bào)警信息、控制家用電器的工作狀態(tài)。

3.2門(mén)禁控制模塊程序設(shè)計(jì)

門(mén)禁控制模塊程序是 STC89C52的控制程序，主要的功能是指紋錄入和液晶顯示。由指紋錄入、指紋識(shí)別、LCD1602液晶顯示、射頻通信、鍵盤(pán)掃描等幾部分程序構(gòu)成，其主要作用是為控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的指紋識(shí)別和記錄用戶數(shù)據(jù)。首先，在 STC89C52主程序中調(diào)用 LCD1602初始化程序、DS1302時(shí)鐘初始化讀寫(xiě)程序、指紋識(shí)別模塊握手指令、2.4 GHz 初始化配置程序，使各個(gè)模塊都進(jìn)入工作模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在指紋識(shí)別模式下，指紋識(shí)別模塊等待用戶的指紋出現(xiàn)，當(dāng)有用戶指紋出現(xiàn)時(shí)，啟動(dòng)指紋識(shí)別程序并對(duì)當(dāng)前用戶指紋特征進(jìn)行分析，如果指紋特征符合進(jìn)入條件，則電子鎖門(mén)禁打開(kāi)，此時(shí)系統(tǒng)記錄用戶指紋序號(hào)、進(jìn)入時(shí)間等基本信息，并啟動(dòng)2.4 GHz 射頻通信發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地同步到 STM32F103ZET6的數(shù)據(jù)顯示端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線同步功能。當(dāng)系統(tǒng)工作在指紋錄入模式下，STC89C52主程序通過(guò)調(diào)用指紋錄入子程序完成對(duì)用戶指紋特征的采集和存儲(chǔ)等工作

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)可靠的家庭智能安防系統(tǒng)，采用了STM32F103ZET6作為控制芯片，處理速度快，性能良好。本系統(tǒng)結(jié)合2.4 GHz射頻通信和 GPRS 移動(dòng)通信等多種通信方式，在不同模塊采用合適的通信方式，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)家用電器，室內(nèi)環(huán)境，門(mén)禁系統(tǒng)的控制，為家庭安全提供了保障，對(duì)普通家庭智能家居控制系統(tǒng)的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

（作者單位：重慶科技學(xué)院）