多通道智能家居安全監控儀的設計

李興紅 向 茜 杜曉光

成都理工大學工程技術學院

溫度和可燃氣體濃度作為工業生產、居民生活中最為普遍的要素之一，在社會中承擔非常重要的角色。為了實現家居環境中對多房間溫度和煙霧濃度的監控，設計了一款以STC89C52RC 作為微控制器，單總線式溫度傳感器DS18B20 作為多路高精度測溫設備，MQ-2 作為可燃氣體濃度檢測設備，NRF24L01 作為無線信號傳輸設備，多個房間的溫度和煙霧濃度值通過帶背光的LM016L 呈現給用戶，一旦出現異常同時報警的監控測溫儀。該多通道智能數字安全監控儀讀數方便，測量監控準確，特別適用于居家等場所。

前言

幾乎所有的科研、生產和生活過程都和溫度及濃度密切相關，溫度檢測和濃度檢測與控制技術不僅應用于化工、醫療、航空等高科技領域里，而且也應用于人們的日常生活中。如今家庭的經濟條件逐步提升，居住空間逐漸擴大，一戶多個房間的情況也日益增多，對這些不同空間溫度和可燃氣體濃度的監控也日益迫切。傳統的檢測技術和顯示系統已經不能滿足居家的要求。

傳統的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻的成本低，但需后續信號處理電路，可靠性相對較差，測溫準確度低，檢測系統也有一定的誤差，而且每個空間獨立測量和顯示，不便于人們的監控，如今這樣的溫度計已跟不上現代社會的需求，而在國內很多城市的住宅，還沒有安裝對可燃氣體濃度檢測的裝置。為了實現家居環境中對多點溫度和多點可燃氣體濃度的監控，這里設計了一款可以將多個房間（8 個房間：編號#1～#8）的溫度和煙霧濃度狀況通過任何房間的帶背光的液晶屏呈現給用戶，一旦出現異常啟動報警的安全監控儀。

系統方案及硬件設計

安全監控儀的結構框圖如圖1 所示，模擬溫度值經過DS18B20 處理后轉換為數字量，可燃氣體濃度值經MQ-2 檢測后通過ADC0809 轉換成數字量，其溫度值和煙霧濃度級別兩個信息全部送到單片機中進行數據處理，并帶背光的LM016L 顯示。當任意一個房間的參數出現異常，系統自動啟動聲光報警裝置，同時每戶居民的數據通過無線收發模塊NRF24L01 發送給小區監控的無線接收模塊NRF24L01，并將信息傳輸到單片機中進行處理。

系統核心控制器

圖1 安全監控儀結構框圖

系統中采用兩片增強型8051 單片機STC89C52RC作為系統核心控制器，該芯片集成度高、體積小、可靠性高，利用每戶居民的單片機的P1.1 連接DS18B20，并通過I2C 總線讀取DS18B20 的串行數據及經過AD 轉換后的MQ-2 的濃度值，同時通過單片機的P0 口將讀取的數據送給帶背光的LM016L 設備，測量數據的同時還監控數據，當讀取的超過系統設定范圍，由P3.0 和P3.1 口發出報警控制信號，而無線信號發送和接收由單片機的P2 口進行SPI 的時序模擬來完成。

溫度檢測電路

溫度傳感器是數字測溫儀中不可缺少的部件，根據技術指標的要求，選用單總線式溫度傳感器DS18B20，它可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供微機處理。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行數，所以在一條總線上可掛接任意多個DS18B20 芯片，本系統外接8 個DS18B20 預計測量每戶居民8 個房間的溫度值，構成多點溫度檢測系統而無需任何外圍硬件。

煙霧檢測電路

煙霧檢測報警器作為的信號采集部分，是系統的核心組成部分之一。本系統采用MQ-2 型電阻式半導體傳感器采集煙霧信息，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉化成電壓或者電流信號，通過A/D 轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機的P0 口，進而由其完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作。

無線收發電路

圖2 主程序流程圖

圖3 nRF24L01 發射部分程序流程圖

圖4 nRF24L01 無線接收部分主程序流程圖

為了使溫度和煙霧濃度等級信號能夠更加便捷的傳輸給小區監控端，系統選用無線信號傳輸模塊NRF24L01完成無線信號傳輸功能。單片機與NRF24L01 連接時，通過LM1117 使單片機輸出的5V 轉換成NRF24L01 的電源電壓3.3V，而P2 口作為數據端口可以通過在每個數據口加一個10K 的下拉電阻，這樣就完成CPU 和無線發送模塊NRF24L01 之間的電源電壓和數據電壓之間的轉換，而無線接收模塊與小區監控的CPU 之間無需電源電壓的轉換。

報警及顯示電路

系統采用經過三極管9013 驅動的蜂鳴器及發光二極管進行聲光報警，而聲光報警電路的工作狀態由單片機的P3.0 和P3.1 口控制。

安全監控儀的所測得的溫度值和煙霧濃度級別兩個信息由單片機的PO口輸出，并通過帶背光的LM016L顯示，帶背光方便用戶在夜間或光線不好的狀況下清晰讀取顯示信息。

系統軟件設計

任何智能集成硬件電路的實現還需要其靈魂，即軟件電路，本系統通過C語言編程實現對硬件電路系統的控制。

主程序流程圖如圖2 所示，單片機對傳感器檢測的煙霧濃度信號進行A/D 轉換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值連同測量的溫度值與報警限設定值相比較，再判斷是否需要報警，同時送入液晶顯示器顯示煙霧濃度值和測量溫度。主程序中還包括按鍵功能設置，中斷子程序等，使報警器功能更加完善，給用戶帶來便利。

nRF24L01 發射部分程序流程圖如圖3 所示，在nRF24L01 無線發射部分主程序中，首先進行初始化操作，通過配置模式對nRF24L01 進行設置，主要包括：發送的數據寬度、地址寬度、發送數據的地址以及CRC技術和常用配置等。待初始化完成后，將nRF24L01設置為發射模式，進行發射數據。隨后查看狀態寄存器TX_DS 是否為1，最后程序返回準備下一次發射。

nRF24L01無線接收部分主程序流程圖如圖4所示，在nRF24L01 無線接收部分主程序中，首先進行初始化操作，將nRF24L01 設置為接收模式，并通過配置模式對nRF24L01 進行設置，主要包括：接收的數據寬度、地址寬度、接收數據的地址以及CRC 技術和常用配置等，待初始化完成后，延時等待數據包的到來。查看狀態寄存器RX_DR 是否為1，然后返回繼續等待接收數據。

實驗結果

本系統的多通道智能家居安全監控儀由信號采集電路與單片機控制電路兩大部分構成，充分利用了單片機的高速數據處理能力和豐富的片內外設，可以同時進行8 通道的煙霧檢測、溫度檢測、兩類數據的顯示及危險信號的報警，實現了儀器的小型化和智能化。

結語

智能家居安全監控儀可保障與百姓生活密切相關的安全，避免火災、爆炸事故以及煤氣中毒的發生，是防火、防爆和安全生活所必備的監控儀。該監控儀在四川樂山某高檔小區試用期間，其結構簡單、性能穩定、體積小、成本低等優點受到小區居民的一致好評，因此，本監控儀具有廣闊的市場空間與發展前景。