蔣青山，李亮亮，李運(yùn)澤，康煌杰

(常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215500)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，各式大型家電設(shè)備和燃?xì)鈴N房衛(wèi)具已經(jīng)進(jìn)入了千家萬戶，這些設(shè)備給人們生活帶來方便的同時(shí)，也存在著一定的安全隱患，家居安防系統(tǒng)就變得更加重要了[1]。系統(tǒng)通過多種采集室內(nèi)環(huán)境信息的檢測(cè)傳感器、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信和STM32F103處理器組合配置及電路，可以有效地做到家居安全檢測(cè)，解決用戶的需求問題，實(shí)現(xiàn)真正意義上的家居智能化。當(dāng)前我國(guó)智能家居安防系統(tǒng)主要采用無線通信技術(shù)組網(wǎng)，完成信息交互。目前使用的無線短距通信技術(shù)有：藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi、Lora等。藍(lán)牙因通信距離近，組網(wǎng)數(shù)過少等問題，不適用于安防系統(tǒng)。2003年ZigBee誕生，適用于短距離通信，而且組網(wǎng)數(shù)高[2]，已在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用，但由于很少有手機(jī)支持ZigBee，且其普及度沒有WiFi廣，系統(tǒng)采用WiFi完成數(shù)據(jù)通信。

1 Wifi技術(shù)概述

相比于藍(lán)牙和ZigBee技術(shù)而言，WiFi不僅傳輸速率上大大提升，普及度高，能夠與手機(jī)無縫對(duì)接進(jìn)行通信，而且還可以直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，傳輸距離和抗干擾能力也超過了ZigBee。本系統(tǒng)使用的WiFi模塊是ESP8266，使用第四代WiFi通信技術(shù),并兼容802.11 b/g/n等多種WiFi通信協(xié)議，支持Soft-AP模式，可以自動(dòng)組網(wǎng)。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，為本系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)良好的通信環(huán)境，很適合用于當(dāng)代的智能家居。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居安防報(bào)警系統(tǒng)是為了能夠在有事發(fā)狀況發(fā)生時(shí)快速準(zhǔn)確地識(shí)別并發(fā)出警報(bào)信息。該智能家居安防報(bào)警系統(tǒng)的功能主要包含以下幾部分：火焰檢測(cè)，人員侵入檢測(cè)，有害氣體(主要為燃?xì)庑孤?檢測(cè)，溫度和濕度監(jiān)測(cè)等。系統(tǒng)必須具備及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)狀況的能力，并根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的分析和處理。系統(tǒng)主控芯片選用了STM32F1 03C8。意法半導(dǎo)體公司為STM32F1系列芯片的開發(fā)應(yīng)用提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和資源，芯片功耗低，適用于嵌入式智能家居設(shè)備開發(fā)。

由圖1和圖2分別展示了室內(nèi)智能安防報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與終端結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)工作時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇接入傳感器類型，并且由主控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)室內(nèi)的環(huán)境狀況，利用WiFi無線傳輸技術(shù)，終端可將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳至主控。主控系統(tǒng)可將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在觸控屏上顯示更新，并與已設(shè)定好的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，超過閾值，觸發(fā)聲光報(bào)警；也可以通過GSM模塊直接傳送報(bào)警短信至用戶的手機(jī)上，方便用戶時(shí)刻了解家居情況。

圖1 安防報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 終端結(jié)構(gòu)圖

為了降低功耗，靈活使用，終端節(jié)點(diǎn)的傳感器可根據(jù)實(shí)際需求選配。例如安裝在廚房的終端，可以選用氣體泄漏檢測(cè)傳感器及火焰?zhèn)鞲衅?。硬件電路上設(shè)置了最低報(bào)警觸發(fā)閾值。終端在每一次完成信息傳輸之后會(huì)進(jìn)入休眠模式，當(dāng)外界環(huán)境達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，對(duì)應(yīng)的終端會(huì)被喚醒，建立通信，開始工作。終端的供電方式有兩種：一種是內(nèi)部鋰電池供電，二是外接電源供電，這樣不僅能夠使整個(gè)系統(tǒng)在有市電的情況下工作，而且能夠在斷電的情況下由鋰電池供電繼續(xù)工作。同時(shí)為了增加系統(tǒng)的可操作性、方便性，每個(gè)房間對(duì)應(yīng)的終端都根據(jù)類型進(jìn)行了地址編號(hào)，并且每個(gè)房間的參數(shù)都可通過觸摸屏來使戶主自己進(jìn)行環(huán)境閾值的設(shè)置，顯示屏上還可以顯示實(shí)時(shí)的家居情況。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控

3.1.1 GSM模塊

主控系統(tǒng)利用GSM模塊通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向用戶手機(jī)發(fā)送短信反饋家中是否發(fā)生了緊急情況，比如煙霧過大，出現(xiàn)大量明火或者有人入侵等情況。在用戶家中沒有緊急情況的時(shí)候，用戶依然可以通過手機(jī)向GSM模塊發(fā)送短信，查詢家中各個(gè)房間中的安全信息。

3.1.2 操作裝置

主控系統(tǒng)的操作方式有兩種：一是遙控裝置手機(jī)App，如果用戶在家中的話，用戶也可以通過手機(jī)App來操控主控系統(tǒng)，可以手動(dòng)設(shè)置家庭中部分傳感器檢測(cè)的閾值，或者通過手機(jī)App進(jìn)行查詢家中各個(gè)房間的數(shù)據(jù)。二是顯示屏直接操作，主控制器自帶一個(gè)4.3英寸的觸控屏，向用戶展示家中的環(huán)境狀況，用戶可以通過觸控屏來點(diǎn)擊查詢各個(gè)房間的信息，直接顯示在觸控屏上，這樣的操作類似于操作手機(jī)App，容易操作，用戶適應(yīng)性較好。用戶也可以通過觸控來對(duì)不同的房間設(shè)置不同的參數(shù)，達(dá)到人體最適宜的家庭居住環(huán)境。

3.2 終端

3.2.1 傳感器裝置

室內(nèi)溫濕度的采集使用的傳感器是SHT11，它是數(shù)字信號(hào)輸出，可以直接接到終端，更加的方便[3]。SHT11相比于傳統(tǒng)的濕敏電阻型DHT11，它的穩(wěn)定度、精度、測(cè)量范圍方面都表現(xiàn)的更好。SHT11是利用CMOS技術(shù)制造，濕度的測(cè)量精度是3.5%，溫度的測(cè)量精度是0.5%，并且測(cè)量時(shí)還可以對(duì)溫濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，所以測(cè)量的準(zhǔn)確度更高。

氣體泄漏的檢測(cè)使用的傳感器是MQ135，它對(duì)有害氣體具有良好的靈敏度，價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)，易操作。MQ135所使用的導(dǎo)體材料是在室內(nèi)空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)房間內(nèi)存在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的有害氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨室內(nèi)空氣終端的有害氣體濃度的增加而增大[4]。通過已設(shè)計(jì)好的電路可將已采集到的數(shù)據(jù)通過電導(dǎo)率的變化經(jīng)過LM358傳輸給終端，使其變成開關(guān)量來確定電路是否開啟，最終由終端將已處理好的數(shù)據(jù)傳輸給主控，主控通過對(duì)比已設(shè)定好的閾值來判斷是否報(bào)警。

火焰的檢測(cè)使用的是紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎搨鞲衅黛`敏度高且可以調(diào)節(jié)，使得在不同情況下都可檢測(cè)，是利用紅外接收二極管將紅外線光信號(hào)變成電信號(hào)的器件，沒有火光時(shí)，二極管PN結(jié)反相偏置，致使反相電流很小，隨著火光的增強(qiáng)，電流也就隨之變大[5]。通過電流的變化，來改變節(jié)點(diǎn)電壓的高低，隨之將電信號(hào)傳輸給終端，終端將處理之后的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給主控，由主控進(jìn)行判斷是否報(bào)警。

圖3 MQ135原理圖

圖4 紅外火焰?zhèn)鞲衅髟韴D

紅外人體傳感器是一種利用紅外線來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器。由于物體本身(高于絕對(duì)溫度)會(huì)放射出不同波長(zhǎng)的紅外線[6]，內(nèi)部是由兩個(gè)敏感元件反相連接組成，當(dāng)檢測(cè)不到人體經(jīng)過時(shí)，兩個(gè)元件極性相反，互相抵消。當(dāng)檢測(cè)到人體經(jīng)過時(shí)，兩個(gè)元件的極性不平衡，進(jìn)而發(fā)出交流小信號(hào)，通過放大器和比較器就會(huì)輸出不同的高低電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置報(bào)警。并且，它具有低功耗、寬電壓、體積小和高靈敏度的特點(diǎn)，檢測(cè)范圍高達(dá)7米，非常適合于人體入侵的檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。

3.2.2 警報(bào)裝置

警報(bào)裝置主要有兩種：蜂鳴器和LED燈。LED燈在終端上，當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)異常時(shí)，紅色LED燈點(diǎn)亮，同時(shí)，終端將數(shù)據(jù)傳輸至主控，催動(dòng)主控中的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，以便戶主及時(shí)地采取措施，避免事故的發(fā)生。

3.3 WiFi模塊

本系統(tǒng)WiFi模塊使用的是ESP8266，主要是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)終端或者主控開機(jī)以后會(huì)進(jìn)行初始化的參數(shù)配置，進(jìn)而轉(zhuǎn)到路由器，開始建立WiFi通信。主控系統(tǒng)建立服務(wù)器端，檢測(cè)到各終端(客戶端)連接請(qǐng)求，進(jìn)行鏈接參數(shù)配置，配置正常后開始進(jìn)行各模塊間的信息傳輸，最終由主控通過與已設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。若超出設(shè)定值，則通知聲光報(bào)警單元或發(fā)送警報(bào)信息至用戶手機(jī)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是STM32F1設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境，利用ESP8266WiFi模塊進(jìn)行溝通。首先是各終端和主控系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，路由器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，主控系統(tǒng)和終端通過WiFi進(jìn)行連接。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行休眠狀態(tài)，直到傳感器的測(cè)量值達(dá)到外接硬件電路設(shè)置的最低報(bào)警閾值，終端系統(tǒng)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸至主控，主控系統(tǒng)根據(jù)不同地址對(duì)應(yīng)的閾值不同來進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較，當(dāng)條件符合報(bào)警時(shí)，主控系統(tǒng)將直接發(fā)送信號(hào)給聲光報(bào)警單元通知其報(bào)警，或者直接通過GSM發(fā)送信息給戶主，當(dāng)一次的報(bào)警信息發(fā)送成功后，終端系統(tǒng)將在五分鐘以后再一次更新傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)正常以后，終端系統(tǒng)將再一次進(jìn)入休眠，直到下一次傳感器采集到的數(shù)據(jù)有異常才會(huì)重新喚醒終端。系統(tǒng)程序執(zhí)行流程如圖5，圖6。

圖5 主控系統(tǒng)流程圖

圖6 終端流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于STM32F1和WiFi通信網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)智能安防報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的家居的智能化，能夠有效地解決家居安防問題，具有較高的實(shí)用價(jià)值。與此同時(shí)，系統(tǒng)也有很多要改進(jìn)的地方：通過優(yōu)化硬件電路，進(jìn)一步加強(qiáng)各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力；解決有線供電問題。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來智能家居會(huì)朝著更加智能化的方向發(fā)展。