楊磊，張鳳霞

（江西軟件職業(yè)技術大學，江西南昌，330000）

隨著國民經濟的飛速發(fā)展，人口流動性逐漸增大，居住安全問題已成為社會熱點問題。居住安全來自各個方面，除人身與財產安全，室內空氣質量同樣也關乎生命安全。因此，防止外來人員非法入侵，防止有害氣體泄漏等是各家庭均較為關注的安全防范問題。目前多數安防系統(tǒng)是作為獨立單元出現，僅有空氣質量監(jiān)測或單一報警功能，并未發(fā)展成全面化的智能家居產品。STC89C52 是一款低功耗、高性能的51 內核的CMOS 8 位單片機，具有在線編程功能，無需像傳統(tǒng)單片機的VPP 編程高壓，使用簡單且價格低廉[1]。鑒于此，為了保障居住安全，設計出一種基于STC89C52 單片機的智能家庭安防報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅有傳統(tǒng)意義上的防止入侵功能，還可兼顧有害氣體檢測與火焰監(jiān)控。當出現問題時，傳感器感應后及時將測量信息反饋給單片機，判定后即刻開啟報警，同時通過APP 將信息發(fā)送至用戶移動端，能夠為人們提供更為安全的保障。

1 結構設計

基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)由防盜報警與遠程控制兩部分組成，是一款功能多樣的安防系統(tǒng)。防盜報警由核心控制單元與傳感器構成，KDS209 負責感知室外是否有異?；顒硬⒆R別室內氣體，這些信息實時傳輸至單片機進行數值分析，當數值超出閾值時，單片機傳遞指令利用無線傳輸技術快速報警。遠程傳輸使用通訊模塊，當系統(tǒng)進入報警程序時，單片機向該模塊發(fā)送指令，該模塊將預設好的信息發(fā)送至APP 進行報警。用戶也可通過APP 向該模塊發(fā)送信息，控制室內電器開閉。本系統(tǒng)整體結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構

2 硬件設計

基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)硬件主要包括主控模塊、傳感器模塊、轉換模塊、GSM 模塊、報警模塊，實現了防火、防盜以及遠程報警的功能。

2.1 主控模塊

單片機既是接收智能防護報警系統(tǒng)傳感器信息的核心部位，也是將所收集到的信息與預設值進行比較評判是否發(fā)出報警信息的判斷模塊。系統(tǒng)主控選用STC89C52 單片機，其是一種低功耗、高性能的CMOS8 位單片機，使用簡單且價格低廉。為保證系統(tǒng)的運轉效率與效果，單片機選擇時應強化對數據運算速度的關注，確保能夠及時發(fā)現系統(tǒng)故障，并在快速反應后報警處理。在單芯片上，STC89C52 擁有良好的CPU 與在線編程功能，使其能夠為諸多嵌入式控制系統(tǒng)提供更為高效的解決方案[2]。圖2 為本系統(tǒng)中STC89C52單片機管腳電路圖。

2.2 傳感模塊

傳感器用于檢測收集室內外的環(huán)境信息，并將信息發(fā)送至STC89C52，確保單片機將信息與預設值比較后給出是否報警的反饋，以便信息處理與系統(tǒng)功能的實現[3]。本系統(tǒng)選用傳感器KDS209，具有反應迅速、靈敏度高、電路設置簡單等優(yōu)點。如圖3 所示，通過電壓比較器TLV2702ID 運轉，比較管腳運行電壓。當管腳2 大于管腳3 時，管腳1 輸出低電平；當管腳2 小于管腳3 時，管腳1 輸出高電平，從而實現傳感器內部電壓的匹配。當溫度增加時，傳感器電阻值減小，管腳2 輸出電壓值增大，管腳1 輸出低電平，系統(tǒng)某端口輸出高電壓，控制蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時發(fā)送到APP 報警信息。

圖3 KDS209 電路設計

2.3 轉換模塊

在系統(tǒng)運行過程中，因傳感器檢測到的數據信息在輸出時以模擬信號輸出，單片機中轉系統(tǒng)無法對其直接處理，所以需要轉換器進行轉換。在該過程中，系統(tǒng)使用傳感器類型多樣，不同傳感器運行電壓參考值也存在差異，所以不可選擇多通道對轉換器統(tǒng)一處理，也就需選擇對應傳感器數量的單通道轉換芯片進行模擬信號與數字信號的轉換。此時，傳感器檢測收集到的模擬信號從一側端口輸入，處理后的數字信號從其他端口輸出，同時傳至單片機。

2.4 GSM 模塊

GMS 模塊選用GU900 模塊，該模塊接口豐富、功能完善，適用于智能家居、智能監(jiān)控等眾多領域，可滿足系統(tǒng)工作需求。圖4 為GU900 模塊的電路設計，管腳1 連接LED 燈D，用于指示GSM 模塊的工作狀態(tài)。管腳3、4 分別與單片機相連，用于傳輸報警數據。

圖4 GU900 模塊電路圖

2.5 報警模塊

選用蜂鳴器與LED 燈進行報警，當空間存在非法進入、煙霧、有害氣體時，蜂鳴器與LED 燈根據GMS 模塊所接收到的信息參數，比較系統(tǒng)預設值后，向報警系統(tǒng)輸出信號，報警系統(tǒng)接收后立刻進行聲光報警[4]。

3 軟件設計

在硬件設計的基礎上，對系統(tǒng)進行軟件設計。軟件設計采用流程化設計，由信息整合、分類處理、信息定位、特征檢測以及安全檢測等主程序組成，具體設計如圖5 所示。

圖5 軟件設計流程

3.1 信息整合

首先需要做好信息整合，該步驟的目的在于將室內外信息按照一定標準顯示到系統(tǒng)中。整合前，應對室內外信息進行歸一處理，并將其存儲于系統(tǒng)內，可用公式表示為：

在公式中，δ表示信息整合參數，表示歸一因子，Bmin表示室外信息特征，Rmax表示室內信息特征。基于此，對室內外信息進行定義，設置信息表（如表1 所示），以此提高響應效率，為信息分類提供依據。

表1 室內外信息表

3.2 分類處理

因收集到的信息類型較為多樣，所以在管理任務前對原始信息進行分類處理，確定分類主題并構建分類器。分類器運行原理為KNN 算法，以室內氣體信息為例，經收集、過濾以及處理之后，將數據導入分類器中，設定輸入數據集為a，a1，a2均為函數序列，并設置期望輸出值b，在約束條件下求解最優(yōu)權重β，將待分類的數據信息代入到如下公式：

將計算結果與分類閾值進行比較，從而確定室內氣體信息收集信息的屬類。

3.3 信息定位

在分類處理的基礎上進行信息檢索，實現智能安防管理。因系統(tǒng)具有海量數據，其中也包括諸多數據交換，在定位中會消耗大量資源，所以利用GMS 模塊進行信息定位。信息定位包括清理與規(guī)范，首先對信息進行清理，可用公式表示為：

在公式中，P為定位流程，f表示信息維度，i表示規(guī)范特征，λ表示清理因子。通過計算，對異?；蛑貜蛿祿M行清理。由于在數據挖掘過程中涉及的數據源較多，且格式存在差異，所以對分類后的信息進行規(guī)范化處理，可用公式表示為：

在公式中，h表示處理參數，β表示規(guī)范因子，t表示信息類型，d表示不確定內容，x表示變化參數。在規(guī)范后剔除列中值，減少空值、冗值等情況。

3.4 特征檢測

家庭安防信息管理提取了多尺度結構信息，同時根據使用效果需求檢測顯示邊緣結構特征。通過重構方法重新構建顯示傳達，從而提升界面表達能力。將遠程傳輸引入到特征檢測中可得出：

在公式中，If表示界面特征，x1與x2分別表示適應函數，通過上述處理有效提升了表達效果。在遠程傳輸APP的基礎上，得到適應函數，同時通過形狀檢測出界面特征。

3.5 安全檢測

安全檢測的作用是對新引入系統(tǒng)的各類安防信息進行分析，通過預先識別清除潛在風險信息。在該項目中，基于KNN 算法對信息安全狀態(tài)IS進行評估，具體可通過如下公式加以實現：

在公式中，I1、I2分別表示路徑延遲與延遲變化兩個變量。系統(tǒng)會自動設置安全閾值，并將計算結果與閾值進行對比，如果結果高于閾值，那么表明不存在危險因素，反之則存在危險因素，并根據相應信息對其處理。根據上述過程，完成軟件設計，從而使安防信息更為準確。

4 仿真與實物測試

4.1 防止入侵

當傳感器檢測到輻射信號時，傳感器OUT 端口電平出現負跳變，觸發(fā)單片機外部中斷，LED 燈閃爍3s。單片機檢測到中斷后的報警信息，LED 燈亮起，單片機發(fā)送指令控制報警模塊發(fā)送報警信息。系統(tǒng)發(fā)送信息：“已進入警戒范圍！”到APP，LED 燈熄滅，信息發(fā)送后蜂鳴器開始發(fā)出報警聲。此時按下報警停止鍵，蜂鳴器報警關閉。當再次按下布防（撤防）鍵，LED 等閃爍4s，系統(tǒng)開始撤防。

4.2 有害氣體檢測

如果選擇高低電平，輸出信號可接I/O 口，電位器在此用于調控輸出電平跳變閾值。如果選擇模擬量輸出，直接轉換輸入端即可。根據測試數據，正常沒有特殊氣體的環(huán)境，設定傳感器輸出電壓為參考電壓值，此時端口電壓在1V 左右，當傳感器檢測到特殊氣體時，電壓每升高0.1V 濃度便增加200ppm，根據該參數就可在單片機中將測得的模擬電壓轉化為相應濃度。特殊氣體傳感器發(fā)熱屬于正?，F象，其內部的電熱絲在工作時會發(fā)出熱量。由圖6 可知，氣體檢測誤差較小，濃度會隨時間推移而上下波動，并最終減小到一定數值范圍。

圖6 傳感器測算數據

4.3 火焰監(jiān)控

收集20 組不同數據取均值，經火焰閃爍分析，可知5mμ波長能夠較好識別紅外線，所以先將5mμ主探測通道收集并處理后的數據均值記為x，數據特征為Q1。再取2段與5mμ相似的波長，并對數據進行濾波，得出均值x1、x2，數據特征表示為Q2、Q3。隨后進行火焰閃爍分析，設定臨界值p，將收集到的數據y依次與p進行比較，如果y＞p，給出高電平信號，反之給出低電平信號?；鹧孀R別閾值為q1、q2、q3。當傳感器發(fā)出報警信號的條件分別是Q1＞q1,Q2＞q2，Q3＞q3，只有滿足全部條件時方可判斷報警信號，這樣能夠有效降低誤報率。表2 為具體測試結果，10 組沒有火焰的情況下，未出現報警9 次；10 組有火焰的情況下，提示報警10 次，可知本系統(tǒng)的實用性較為良好。

表2 火焰識別比較

5 結語

綜上所述，基于STC89C52 的智能家庭安防報警系統(tǒng)將嵌入式技術與物聯網相結合，實現了系統(tǒng)設計初的自動檢測是否有人入侵、自動檢測是否存在有害氣體泄漏、自動檢測是否存在火源、出現問題時報警后自動通過APP 向用戶發(fā)送信息的功能，能夠在意外發(fā)生后第一時間通知用戶，從而將損失降至最低。本系統(tǒng)利用STC89C52 單片機作為主控器，傳感器采用KDS209，報警器采用蜂鳴器與LED 燈組合，無需過多外圍電路，對復雜環(huán)境有著良好的應用效果。系統(tǒng)自身具有遠程通信功能，配合設計的低耗電路，可實現居住環(huán)境24h 不間斷防護。通過仿真與實物驗證，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、監(jiān)控及時有效、操作便捷性價比較高，基本實現了對居住空間的實時檢測，為智能家居提供了有力支撐。