臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 蔣 愷 王 凱 張麗萍

針對(duì)目前家居安全隱患，提高用戶生活安全性和舒適性，設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的智能家居安全報(bào)警系統(tǒng)，利用傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)、氣體檢測(cè)、人體檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至手機(jī)，通過(guò)手機(jī)APP可隨時(shí)查看家居環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)超出設(shè)置的閾值范圍，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)試，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，具有設(shè)計(jì)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì),人類有80%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，因此智能家居受到越來(lái)越多人的關(guān)注。在智能家居陣營(yíng)中智能安防潛力巨大，目前所有消費(fèi)者都會(huì)關(guān)心的基本需求是水電煤氣這些直接威脅健康和生命的因素，然后就是居住環(huán)境中存在的甲醛等有毒物質(zhì)。家居安全看似簡(jiǎn)單，實(shí)則意義重大。但到目前為止，智能家居的市場(chǎng)占有率依然極低。近年來(lái)，智能家居受到各界的高度關(guān)注，具有很大的進(jìn)步空間和廣闊的市場(chǎng)前景，隨著相關(guān)政策出臺(tái)和人工智能技術(shù)的進(jìn)步，智能家居將到達(dá)一個(gè)新的高度。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)搭建一個(gè)基于STM32的實(shí)用智能家居平臺(tái)，選用穩(wěn)定且高性價(jià)比的傳感器模塊對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)手機(jī)APP和控制板的Wi-Fi模塊互聯(lián)，可隨時(shí)在手機(jī)查看環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

主控芯片選擇基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器STM32F103C8T6。信息采集通過(guò)人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的人體、溫濕度、煙霧濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，采集的模擬量通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給主控電路。獨(dú)立按鍵可設(shè)置報(bào)警上下限閾值，Wi-Fi模塊將單片機(jī)系統(tǒng)采集到的溫度、濕度、人體、煙霧等信息數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)電路

構(gòu)成STM32的最小系統(tǒng)主要由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、調(diào)試接口等部分組成。電源采用+3.3V供電，+5V電源通過(guò)降壓電路和去耦電容轉(zhuǎn)換為3.3V電源電壓。復(fù)位電路由上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩部分組成。在上電瞬間，上電復(fù)位電路中的電容充電，復(fù)位信號(hào)RESET出現(xiàn)1ms左右的低電平，使單片機(jī)內(nèi)部模塊處于確定的初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)位；手動(dòng)復(fù)位電路中按鍵按下時(shí)，RESET和地導(dǎo)通，同樣在復(fù)位端出現(xiàn)一個(gè)低電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。外部時(shí)鐘電路主要由晶振、電容、電阻構(gòu)成，為單片機(jī)提供8MHz時(shí)鐘信號(hào)。主芯片程序下載采用SWD接口電路，供用戶進(jìn)行程序調(diào)試和下載。

2.2 人體檢測(cè)電路

人體檢測(cè)電路選用HC-SR501熱釋電紅外傳感器，傳感器探測(cè)到人體后輸出的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理芯片BISS0001放大、濾波后將電壓信號(hào)經(jīng)輸出口傳輸給單片機(jī)，連接電路如圖2所示，VCC工作電壓+5V，HC-SR501接至單片機(jī)引腳。

圖2 HC-SR501與單片機(jī)連接電路

2.3 溫濕度檢測(cè)電路

溫濕度檢測(cè)選用單總線協(xié)議的DHT11模塊，采用以數(shù)字信號(hào)形式輸出的單總線數(shù)據(jù)格式，僅需1個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的同時(shí)測(cè)量，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11與單片機(jī)連接電路如圖3所示，VCC工作電壓+3.3V，DATA單總線接單片機(jī)引腳。

圖3 DHT11與單片機(jī)連接電路

2.4 煙霧檢測(cè)電路

煙霧檢測(cè)選用MQ-135氣體傳感器模塊，MQ135對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽、煙霧和其它有害氣體的靈敏度高，使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-135模塊與單片機(jī)連接電路如圖4所示，VCC工作電壓+5V，MQ135接至單片機(jī)模擬口A0上。

圖4 MQ-135與單片機(jī)連接電路

2.5 WIFI模塊

Wi-Fi模塊選用專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ESP8266EX芯片，內(nèi)置超低功耗Tensilica處理器，CPU時(shí)鐘速度最高可達(dá)160MHz，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口，能適應(yīng)各種操作環(huán)境，保持穩(wěn)定的性能。將Wi-Fi模塊通過(guò)家庭的無(wú)線路由器接入網(wǎng)絡(luò)，模塊與單片機(jī)連接電路如圖5所示，VCC工作電壓+3.3V，RX、TX分別接單片機(jī)TX(A9)、RX(A10)。

圖5 ESP8266與單片機(jī)連接電路

3 軟件設(shè)計(jì)

程序軟件編寫用C語(yǔ)言完成，在Keil uVision5軟件中實(shí)現(xiàn)程序編寫和調(diào)試。主程序?qū)崿F(xiàn)的功能是各模塊初始化和信息采集，當(dāng)熱釋電紅外傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)到有人，或溫濕度傳感器檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值，或有害氣體傳感器檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值，會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警電路。設(shè)置Wi-Fi模塊連接家里的路由器實(shí)現(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用戶手機(jī)安裝相應(yīng)APP連接至同一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的交換數(shù)據(jù)。

圖6所示為手機(jī)APP的顯示界面，Wi-Fi模塊接入網(wǎng)絡(luò)后，APP中連接狀態(tài)為已連接，溫度、濕度、人體、有害氣體檢測(cè)狀態(tài)顯示在手機(jī)APP。

圖6 手機(jī)APP界面

結(jié)論：本項(xiàng)目是針對(duì)家居生活的實(shí)際所需，選用STM32為主控芯片，使用手機(jī)作為控制終端，以“手機(jī)+WIFI”的控制模式，搭建的一個(gè)簡(jiǎn)單且便捷的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的正確監(jiān)測(cè)，通過(guò)手機(jī)APP和控制板的Wi-Fi模塊互聯(lián)，可隨時(shí)在手機(jī)查看環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；此外，還能通過(guò)繼電器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居產(chǎn)品的多樣化控制。