基于ESP32的智能家居安防系統(tǒng)

臧殿紅

（泰安技師學院，山東 泰安 271000）

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對智能家居安全性的要求也越來越高，希望有一種安防系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)各種險情并通知戶主，保證人們的生命財產(chǎn)安全。因此，設(shè)計一種智能家居安防系統(tǒng)。利用多種傳感器檢測家居環(huán)境，比如：溫濕度、門的開關(guān)狀態(tài)、煙霧體積分數(shù)、CO體積分數(shù)等參數(shù)以及火焰狀態(tài)等，檢測結(jié)果在OLED顯示屏顯示并上傳至MQTT服務(wù)器，用戶可通過手機遠程查看，當家居環(huán)境出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，并向用戶手機發(fā)出危險提示信息，實現(xiàn)防盜、防火、防有毒氣體的功能。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，靈敏度高，擁有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞：ESP32；智能家居；安防系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；MQTT服務(wù)器；MicroPython

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-0-03

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，人們對住宅的安全性和智能性的要求也越來越高，希望有一種安防系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)各種險情并通知戶主，保證人們的生命財產(chǎn)安全。文獻[1]設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)，采用ZigBee技術(shù)進行設(shè)計，但產(chǎn)品開發(fā)難度大，開發(fā)周期長，成本高。文獻[2]

設(shè)計的安防系統(tǒng)以AT89C52為主控芯片，采用GSM無線通信模塊、ESP8266 WiFi模塊實現(xiàn)相關(guān)功能，但硬件電路復雜，成本高，開發(fā)難度大。本文設(shè)計的智能家居安防系統(tǒng)，采用自帶WiFi模塊的ESP32為主控芯片，硬件電路簡單，軟件開發(fā)難度小，能方便地實現(xiàn)遠程通信，能夠在有人打開房門、CO或煙霧體積分數(shù)超過設(shè)定值或檢測到火焰時及時觸發(fā)報警電路并發(fā)送信息到用戶手機，用戶也可遠程查看家庭安全情況，進行安防系統(tǒng)的布防和撤防操作，實現(xiàn)防盜、防火、防有毒氣體等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)以ESP32為主控芯片，配以門磁傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳈z測門的開關(guān)狀態(tài)、溫濕度值、CO和煙霧的體積分數(shù)等，具體功能如下：

（1）環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)、門的開關(guān)狀態(tài)、氣體傳感器的檢測值等數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上顯示，并利用WiFi將檢測數(shù)據(jù)上傳至MQTT服務(wù)器，用戶可在手機上查看家居環(huán)境參數(shù)；

（2）當門被打開或被測氣體體積分數(shù)超過設(shè)定值時，報警電路產(chǎn)生聲光報警，同時系統(tǒng)向用戶手機發(fā)送信息，提示用戶家居環(huán)境存在異常；

（3）系統(tǒng)有布防和撤防兩種工作模式，當系統(tǒng)處于撤防模式時，不會產(chǎn)生報警信號，模式的切換可通過按鍵操作，也可通過手機遠程操作。

根據(jù)以上功能要求，本文設(shè)計了基于ESP32的智能家庭安防系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主控芯片ESP32

主控模塊采用樂鑫科技有限公司出品的ESP32-WROOM模組。ESP32是一款功能強大的微控制器芯片，具有較高的集成度，將天線、功率放大器、電源管理器和濾波器等集于一體[3]，使用時只需較少的外圍設(shè)備即可實現(xiàn)強大的處理功能。模組內(nèi)置WiFi模塊，免除了外接WiFi或ZigBee模塊的麻煩[4]，使用時，ESP32直接與家中的WiFi連接，實現(xiàn)與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，從而在手機上可以查看數(shù)據(jù)或進行遠程控制。

2.2 門磁傳感器MC

門磁傳感器即門磁開關(guān)，用于檢測門的開關(guān)狀態(tài)，一般由兩個磁鐵和一個開關(guān)組成，當門關(guān)閉時，兩個磁鐵靠近，開關(guān)接通；當門打開時，兩個磁鐵遠離，開關(guān)斷開。當門打開時，GPIO12為高電平；當門關(guān)閉時，GPIO12為低電平。ESP32通過檢測GPIO12的電平變化判斷門的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)監(jiān)測和報警。

2.3 CO和煙霧傳感器

CO傳感器MQ-7和煙霧傳感器MQ-2都是基于SnO2半導體氣敏材料設(shè)計的氣體傳感器。當傳感器接觸到被測氣體時，其電導率隨被測氣體的體積分數(shù)增加而增大[5]，將傳感器與電阻串聯(lián)后外加電壓，當氣體體積分數(shù)升高時，電阻兩端的電壓升高，通過測量輸出電壓的變化，就可以得到被測氣體的體積分數(shù)。常用的氣體傳感器模塊有4個引腳，VCC和GND分別接電源和地；AO是模擬電壓輸出引腳，被測氣體體積分數(shù)越高，輸出電壓越高；DO是數(shù)字量輸出引腳，當被測氣體體積分數(shù)大于設(shè)定值時，DO引腳輸出低電平。

2.4 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅饕话悴捎眉t外接收管，它對火焰產(chǎn)生的紅外線非常敏感，火焰亮度越大，發(fā)出的紅外線越多，火焰?zhèn)鞲衅鞴苣_間的阻抗越??；當火焰亮度變小時，發(fā)出的紅外線變少，火焰?zhèn)鞲衅鞴苣_間的阻抗變大。常用的火焰?zhèn)鞲衅髂K有4個引腳，VCC和GND引腳分別連接電源和地，AO是電壓輸出引腳，DO是數(shù)字量輸出引腳，傳感器周圍火焰越大，AO端輸出的模擬電壓越小，當火焰強度大于設(shè)定值時，DO引腳輸出低電平，調(diào)節(jié)電位器可改變火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)字輸出端DO的靈敏度[6]。

2.5 溫濕度傳感器DHT11

DHT11是一款數(shù)字式溫濕度傳感器，其內(nèi)部具有自動校準模塊，可對所采集的溫濕度數(shù)據(jù)進行整合處理，具有響應快、數(shù)據(jù)處理能力強、抗干擾性能高等優(yōu)點[7]。DHT11采用單總線雙向串行通信協(xié)議，每次采集均先由主控芯片發(fā)起開始信號，DHT11發(fā)送響應并傳輸40位數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗值[8]。溫濕度小數(shù)數(shù)據(jù)一般默認為0。

2.6 液晶顯示器OLED

液晶顯示器用來顯示溫度、濕度、門的狀態(tài)以及各種傳感器的檢測結(jié)果，本系統(tǒng)采用由SSD1306驅(qū)動的OLED液晶顯示屏，它支持點陣圖像顯示、字符顯示、圖形顯示等多種顯示模式，可通過I2C、SPI以及并口進行通信控制[9]。本系統(tǒng)中的OLED（SSD1306驅(qū)動芯片）屏采用I2C與ESP32通信，擁有128×64的分辨率，顯示效果清晰，可顯示4行16列的字體信息。

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)的電路原理如圖2所示。系統(tǒng)將氣體傳感器的模擬輸出電壓和ESP32的ADC模擬信號輸入通道相連，用來檢測氣體體積分數(shù)。采用按鍵的下降沿觸發(fā)ESP32的中斷和在中斷函數(shù)中控制模式變量的值翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)布防和撤防模式切換。模式切換也可由用戶通過手機遠程操作實現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分包括ESP32控制器端軟件設(shè)計、服務(wù)器端軟件設(shè)計和用戶端軟件設(shè)計。

3.1 控制器端軟件設(shè)計

ESP32控制器端的軟件采用MicroPython開發(fā)，MicroPython是運行在微控制器上的縮減版Python解釋器，執(zhí)行Python代碼，讓微控制器實現(xiàn)相應功能[10]。

控制器端軟件主要包括MQTT模塊和主程序模塊。MQTT是一個基于客戶端服務(wù)器架構(gòu)、面向發(fā)布/訂閱模型的物聯(lián)網(wǎng)消息傳輸協(xié)議，目的是發(fā)布信息與訂閱主題的模塊文件[11]，主要功能是創(chuàng)建MQTT客戶端對象（MQTTClient）、連接MQTT服務(wù)器，以及發(fā)布監(jiān)測到的信息：information/temperature、information/smoke、information/fire等，此外MQTT還要發(fā)布形如danger/temperature的溫度、火焰等各類報警信息，另外還要訂閱來自手機端通過Web服務(wù)器發(fā)布到MQTT服務(wù)器的布防與撤防信息：control/openAlarm、control/clearAlarm。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，主程序設(shè)計流程如圖3所示。

系統(tǒng)上電后先進行初始化，再讀取MQTT接收到的來自手機端的控制信息并進行處理，然后讀取各傳感器的輸出值并在OLED顯示屏上顯示，并通過MQTT服務(wù)器發(fā)布采集到的數(shù)據(jù)，最后判斷傳感器采集到的數(shù)據(jù)是否超出設(shè)定值。如果采集的數(shù)據(jù)超出則觸發(fā)聲光報警器產(chǎn)生報警信號，并向MQTT服務(wù)器發(fā)布報警信息，提示用戶家居環(huán)境存在異常，延時1 s后進行循環(huán)操作。

3.2 MQTT服務(wù)器搭建

本系統(tǒng)使用的MQTT服務(wù)器部署在騰訊云的

Ubuntu 20.04上，通過EMQX的鏡像創(chuàng)建一個MQTT服務(wù)器，用于客戶端認證，內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中為ESP32控制器端添加用戶mqttesp，為Web服務(wù)器添加用戶名mqttwww，用于控制端MQTTClient和網(wǎng)站服務(wù)器登錄MQTT服務(wù)器。

3.3 Web服務(wù)器軟件設(shè)計

本系統(tǒng)實現(xiàn)的Web服務(wù)器主要有兩個功能，一是和MQTT服務(wù)器交互，用于各類信息的發(fā)布和訂閱；二是和手機客戶端交互，把訂閱的信息推送到手機客戶端，也可以把手機客戶端的控制信息通過MQTT發(fā)布出去。

Web服務(wù)器軟件部署在騰訊云的Ubuntu 20.04上，采用Flask編寫，使用Flask-Socket I/O與手機客戶端交互，把來自MQTT服務(wù)器的訂閱信息發(fā)送給手機客戶端，同時把來自手機客戶端的布防消息和撤防消息發(fā)布到MQTT。網(wǎng)站頁面采用HTML5編寫，并使用Bootstrap4框架適配不同的手機移動設(shè)備。

3.4 手機端軟件設(shè)計

為便于實現(xiàn)上述功能，手機端和Web服務(wù)器的交互采用WebView控件，通過WebView控件加載Web服務(wù)器頁面。

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計完成后，先進行PCB電路板的制作，再將程序下載到ESP32中運行，OLED顯示屏能正常顯示各傳感器測量的數(shù)據(jù)。測試時在火焰?zhèn)鞲衅髦苓叴蜷_打火機，聲光報警系統(tǒng)會發(fā)出警報，說明系統(tǒng)能正常運行。用戶通過手機或電腦登錄網(wǎng)址，能順利查看相應數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按設(shè)定的周期正常刷新。測試時火焰?zhèn)鞲衅髦苓呌谢鹧?，用戶能接收到家居環(huán)境異常提示信息，通過查看各傳感器的輸出值可發(fā)現(xiàn)家居環(huán)境的異常情況，及時采取相應措施，用戶也可通過手機端遠程進行布防和撤防操作。調(diào)試結(jié)果證明系統(tǒng)設(shè)計正確、可靠。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的智能家居安防系統(tǒng)采用ESP32作為主控芯片，采用多種傳感器監(jiān)測家居環(huán)境的溫濕度、煙霧體積分數(shù)、CO體積分數(shù)等參數(shù)以及門的開關(guān)狀態(tài)、火焰狀態(tài)等，這些信息不僅可以在OLED顯示屏上顯示，還能通過服務(wù)器方便用戶在手機上進行遠程查詢，當家居環(huán)境有異常時，系統(tǒng)不僅產(chǎn)生聲光報警，還能及時給用戶發(fā)送信息，實現(xiàn)防盜、防火、防有毒氣體的功能，具有一定的實用性。今后可在此基礎(chǔ)上，加入家居新風系統(tǒng)、自動滅火裝置等模塊，實現(xiàn)更加智能化的家居安防控制，為人們創(chuàng)造更加安全、健康、舒適的家居環(huán)境。

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作者簡介：臧殿紅（1976—），女，碩士，高級講師，研究方向為電工電子。

收稿日期：2024-01-29 修回日期：2024-03-11