賴祿憶，張福鼎

(江蘇第二師范學院物理與電子工程學院，江蘇南京，210013)

0 引言

隨著科技水平提升和社會不斷發(fā)展，智能家居系統(tǒng)應運而生[1,2]。近年來，入室盜竊、搶劫等案件的發(fā)生提升門禁管理和視頻監(jiān)控[1]等智能安防在智能家居系統(tǒng)中的比重。國外智能家居系統(tǒng)價格過于昂貴、對工程要求很高，在國內(nèi)市場的應用較少。國內(nèi)智能家居公司雖然研發(fā)的產(chǎn)品種類很多，但是因為各個公司研發(fā)的智能家居系統(tǒng)采取標準不同，導致產(chǎn)品的兼容性不強。大多數(shù)智能家居產(chǎn)品采取模塊化設計、軟硬件相結(jié)合的研發(fā)思路，其操作簡單、便于維護，但子模塊之間的交互性較差，智能化程度不高[1]。智能家居系統(tǒng)存在許多的關聯(lián)設備，但是由于成本過高的問題，用戶并不會一次性購買所有的關聯(lián)設備[3]。目前智能安防系統(tǒng)大多功能統(tǒng)一化、固定化，在功能上有較大局限性，針對基于開放系統(tǒng)、可自由定制及可擴展的監(jiān)測系統(tǒng)的需求則越來越多。

開源硬件（Open Source Hardware）理念產(chǎn)生于1997年，隨后推出了開源硬件認證計劃與規(guī)范項目[4-6]，協(xié)作項目組及開源社區(qū)[5,6]。2005-2007年隨著3D打印機RepRap、Arduino的研發(fā)等所獲得的巨大商業(yè)成功，得到社會各界的廣泛關注。基于開源硬件研發(fā)出來的產(chǎn)品，縮短了開發(fā)時間、節(jié)省開發(fā)成本，任何人可以按照自己對產(chǎn)品的需求進行改造、升級、迭代，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)個性化設計[6]。其中，Arduino是一種基于AVR指令集的單片機，具有體積小、擴展性強、價格優(yōu)惠等特點，可以與傳感器、LED、舵機等不同的外設進行交互，并與軟件進行交互，集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE應用靈活且簡單，對于初學者來說上手簡單[4]。

本文以開源硬件平臺Arduino為主要控制核心，通過各種傳感器對數(shù)據(jù)的實時采集，使用無線通信技術(shù)互通互聯(lián)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測、防盜報警、測量溫度的功能，還可以連接電腦、手機作為操作終端進行交互操作?？梢蕴嵘到y(tǒng)擴展性，解決目前國內(nèi)的智能安防系統(tǒng)大多功能統(tǒng)一化、固定化的問題，具有便于安裝、操作簡單、長時間穩(wěn)定待機等特點，具有很高的實用性和使用性。

1 無線安全監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)設計

本文所設計的系統(tǒng)，可以大致分為上位機攝像模塊、下位機傳感器模塊及遠程控制終端（手機、電腦）。當用戶通過手機遠程監(jiān)控終端發(fā)出查看現(xiàn)場請求時，將控制命令發(fā)給下位機，并且打開上位機附屬攝像頭，進行實時拍攝和傳輸；當現(xiàn)場異常時，上位機會發(fā)送信號給手機終端，主動請求開啟下位機視頻監(jiān)控，將現(xiàn)場情況及時反饋給用戶。本系統(tǒng)具有視頻監(jiān)控、傳感器監(jiān)控、遠程信息傳輸與智能報警功能，為家居安防環(huán)境的安全和遠程實時監(jiān)控提供了必要的保障。

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主要部件由傳感器測量模塊、顯示采集數(shù)據(jù)模塊及無線通信wifi模塊所組成，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測、防盜報警、測量溫度等功能。該系統(tǒng)可以通過對各種傳感器所測量的信號進行實時采集并分析，看是否超過系統(tǒng)所設定的閾值來智能判斷當前住所的安防情況。針對疫情防護問題增加測溫模塊，對入侵人員的溫度也進行測量，并且配備溫度異常區(qū)域消毒功能。當出現(xiàn)異常情況時，利用無線通信wifi技術(shù)進行互聯(lián)互通，用戶在手機、平板、電腦等客戶端會接收到信息提醒，在客戶端進行交互操作并做出相應的行為以警示不法人員；同時，用戶可以根據(jù)自己的需求隨時對住所進行遠程監(jiān)測，了解住所的居家現(xiàn)狀。

圖1 整體框架

系統(tǒng)硬件模型仿真如圖2所示，本系統(tǒng)由Arduino、傳感器模塊、無線通信模塊、操作終端組成。Arduino作為主要控制核心，通過ZE08-CH2O甲醛模組、MQ-2煙霧傳感器、GP2Y1014AU粉塵傳感器、DS18B20溫度傳感器對周圍環(huán)境中的甲醛濃度、煙霧濃度、粉塵濃度及人體溫度進行測量。再將所采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602顯示屏上，再通過無線WiFi模塊與操作終端進行信息交互，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測、測量溫度、防盜報警的功能。

測溫模塊的溫度傳感器選用的是DS18B20芯片，該傳感器只有VCC、GND、DQ三個引腳，測量準確，使用非常方便?？梢詼y量-55℃～125℃的溫度值且溫度在-10℃到85℃之外時還具有±0.5℃的精度?？梢栽O置為9位、10位、11位或12位的轉(zhuǎn)換精度，測得的溫度值以串行有符號16位值輸出。DS18B20采用的是一線式訪問模式，即通過一根線實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議流程是:初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。另外兩個引腳用于接5V電源和地，一般在應用時，需要在DQ引腳和VCC引腳之間接一個10K的上拉電阻。否則，由于高電平不能正常輸入/輸出，要么通電后立即顯示85℃，要么用幾個月后溫度在85℃與正常值上亂跳。

粉塵傳感器模塊選擇的是基于日本產(chǎn)的實時粉塵傳感器 GP2Y1014AU，該產(chǎn)品可以準確測量0.8微米左右的顆粒。本設計用于測量粉塵濃度，即PM2.5值。這個傳感器有很多優(yōu)勢，比如：重量輕，體積很小，安裝方便，能耗低，工作電流小于20mA。因此，該設備廣泛應用于這些產(chǎn)品中，例如：空氣清新機、通風空調(diào)、換氣扇等。利用LCD1602液晶將DS18B20溫度傳感器、GP2D12紅外線測距儀采集到的溫度、距離，通過Arduino的處理后，轉(zhuǎn)化為可在液晶上顯示的數(shù)據(jù)，在用戶使用本系統(tǒng)時對數(shù)據(jù)的了解更加直觀，使系統(tǒng)具有可視化的優(yōu)點。在用戶充分了解到數(shù)據(jù)的相關情況時，可以達到有效預防、危險警示的效果。

無線通信模塊將WiFi模塊配置為運行模式，將WiFi配置為AP模式，即模塊作為WiFi AP，其他設備連接到模塊的AP下，啟用模塊的DHCP服務器功能。報警模塊從無線報警器的警報信號是利用無線通信技術(shù)經(jīng)過下位機發(fā)送到上位機的，由開源硬件Arduino控制蜂鳴器發(fā)出警報。首先，由PNP三極管驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)，Arduino開發(fā)板PD0口控制三極管基級，低電平輸出時可使三極管導通，從而使蜂鳴器發(fā)出警報；當蜂鳴器停止報警時，PD0輸出高電平，三極管截止，蜂鳴器停止響應。Arduino通過采集人為模擬出可測量的信號，進行數(shù)據(jù)分析和控制，自行設定一個閾值，超過該閾值后，分別代表煙霧濃度、甲醛CH2O濃度、PM2.5濃度超標，從而實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測、防止有害氣體中毒的功能。