寇為剛 鄭克誠

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，對室內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量進(jìn)行實時采樣，根據(jù)設(shè)定的閾值，控制電器驅(qū)動模塊確保室內(nèi)空氣環(huán)境清新干凈；對非法入侵、可燃?xì)怏w泄漏等不安全問題及時通過遠(yuǎn)程通信模塊通知住戶并及時自動報警，實現(xiàn)家庭安全防盜報警。

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，隨著國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)不斷壯大，人口流動性增大，社會治安趨于復(fù)雜，空氣污染也愈演愈烈，人們對居住環(huán)境的安全性要求也越來越高，不僅滿足于住得舒服，更希望住得安全。居住環(huán)境的安全來自方方面面，除了財產(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，煤氣泄露報警等是每個家庭都十分關(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)測和改善，或者單一的實現(xiàn)安防報警功能，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)家庭安全防盜報警功能，同時兼顧空氣質(zhì)量監(jiān)測與改善功能，為人們提供更為安全的保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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警部分、空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(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)。

家庭安全防盜報警部分由核心控制單元和前端傳感器組成[2]。SW-420震動傳感器感知門窗是否被推動、E18-D80NK光電傳感器感知窗戶附近是否有異?；顒?、MQ-7氣體傳感器感知火災(zāi)發(fā)生，這些信息實時傳輸?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，單片機(jī)傳遞指令利用GSM/GPRS通信技術(shù)實現(xiàn)快速報警。

空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(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)來實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測及報警功能，實時采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析功能，空氣質(zhì)量等級提示及報警功能。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)量等信息實時傳輸?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)入報警程序時，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)測系統(tǒng)、家庭安全報警部分、遠(yuǎn)程控制部分3個模塊，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，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)行短信報警和遠(yuǎn)程控制。單片機(jī)接收來自各個傳感器的信號，對信號進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成人類可識別的信息顯示出來。當(dāng)需要報警時，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)送出去實現(xiàn)報警功能。同時用戶也可以發(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)計的總體框如圖1所示。

2 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計

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，性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求。在實現(xiàn)斷線自動重連功能時，涉及DCD和RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當(dāng)這個電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應(yīng)的動作，來重新連接上線。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)來的時候，RI管腳就會有一個低電平出現(xiàn)，當(dāng)RI引腳檢測到這個低電平的時候，模塊就會采取相應(yīng)動作，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，該模塊自動報警并發(fā)短信給戶主，確保用戶財產(chǎn)安全。

2.2 TFTLCD液晶顯示模塊

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

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

對于NOR FLASH/PSRAM控制器（存儲塊1），通過FSMC_BCRx，F(xiàn)SMC_BTRx和FSMC_BWTRx寄存器設(shè)置（其中x=1～4，對應(yīng)4個區(qū)）。通過這3個寄存器，可以設(shè)置FSMC訪問外部存儲器的時序參數(shù)，拓寬了可選用的外部存儲器的速度范圍。

3 軟件部分設(shè)計

軟件部分設(shè)計采取模塊化設(shè)計，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，使能端口時鐘，根據(jù)各傳感器、TFTLCD顯示屏以及遠(yuǎn)程通信模塊的特點定義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)板同時進(jìn)行硬復(fù)位。具體軟件流程如圖4所示。

4 實驗結(jié)果

當(dāng)光照強(qiáng)度低于30時，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，電燈點亮，同時在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震動感應(yīng)模塊傳遞到單片機(jī)的信號數(shù)值同時超出閾值，根據(jù)傳感器的編號，單片機(jī)判斷出屋內(nèi)的哪個位置有異?；顒?，并在LCD屏幕上顯示出來，ATK-SIM800C通信模塊自動將預(yù)編好的報警短信發(fā)給保衛(wèi)部門，入侵報警狀態(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，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，單片機(jī)觸發(fā)報警程序，ATK-SIM800C通信模塊自動將預(yù)編好的報警短信發(fā)給消防部門，LCD顯示屏提示發(fā)生火災(zāi)，蜂鳴器持續(xù)報警，火災(zāi)報警狀態(tài)下的顯示屏如圖4（c）所示。

5 結(jié)語

本設(shè)計實現(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傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)處理，通過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，本系統(tǒng)在進(jìn)行聲光報警的同時，通過ATK-SIM800C通信模塊發(fā)送短信報警。

本系統(tǒng)采用模塊化思想開發(fā)，各個傳感器之間互不干擾，且各傳感器技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，是目前市場上性價比最高的傳感器。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。