基于嵌入式系統及GSM的家庭智能安防的實現

陳秀華+謝印忠

摘要： 由Freescale（飛思卡爾）的32位嵌入式單片機及GSM（Global System for Mobile Communications）模塊構成的智能家庭安防系統以短信通信的形式，把危險情況發送到指定的手機。通過紅外傳感器、溫濕度傳感器和MQ2可燃氣體傳感器等來感知監測防區環境參數，當核心控制器所捕獲并判斷為某個危險信號時，立即將該信號通過GSM模塊發送到用戶設定好的手機上進行報警；用戶收到報警信號后，可以將處理信息發送回處理器，處理器會按照要求進行操作，從而消除或者降低危險情況的危害程度。

關鍵詞： 智能安防； MK60DN512ZVLQ104； GSM； 傳感器

中圖分類號：TP273.5

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0115-04

1智能安防概述

[JP3]在當下的信息化時代中，網絡互連便捷了人們的溝通，與此同時，也需要智能產品的超級互聯，實現物/物互連、人/物互連，從而獲得更佳用戶體驗[1]。若能進一步研究將聚焦至智能安防系統分析可知，智能化將是該系統的第一要求，無人值守時能快速、安全、靈活判斷環境狀況并與當事人密切聯系。其次，智能安防系統的另一個重要組成部分就是該系統的高度信息化與自動化[2]。傳統的安防系統中，利用防盜網，防盜窗等機械式被動防護設備，在實際使用中，靈活性和實時性均呈明顯劣勢，當發生險情時還會阻礙人們的逃生。另外在這類系統中，一般采用的都是聲光報警這2種方式，這些報警方式的隱蔽性差，而且在報警方面也未配備操作的可選擇性。綜述可知，智能安防系統不僅有效滿足了人們對智能化的現實需求，[JP4]同時也符合了時代技術發展的潮流模式，因而對其展開研究則具有至關重要的理論及應用意義。[JP]

2控制系統設計方案

智能家居系統是將家居設備進行數字化控制，當家中發生燃氣泄漏、被盜、失火、水管破裂等情況時，能夠在第一時間向用戶報警，利于及時處理，減少用戶損失；另外，當發生燃氣泄漏或者濕度異常等情況時，系統還將控制相應的器件關閉閥門，降低危險發生的幾率。

該系統集結選用了核心控制器、硬件電路、軟件程序以及GSM網絡實現智能家庭安防系統的正常監控任務，密切配合和協調動作，最終使系統能夠正常發揮特定功能；系統功能概覽如圖1所示。

其中，智能化系統核心采用Freescale的32位單片機MK60DN512ZVLQ104，利用其擴展的輸入輸出設備、各種接口電路以及外圍芯片共同聯結構成[3]；監控部分的傳感器則主要配有紅外傳感器、可燃氣體MQ2傳感器和溫濕度傳感器。當這些傳感器檢測到相應的觸發信號后，單片機將對其進行編碼處理，然后將編碼結果通過GSM模塊發送到指定的手機上。用戶收到該信息后即將處理方案回傳至單片機，單片機經過解碼、識別，此后依據指令要求控制執行器件（如繼電器等）開啟關聯的安全規避操作流程，從而以最佳時速消除危險隱患。還需強調指出，GSM作為時下技術成熟的移動網絡，不需要額外的占用無線電頻率和特殊布線，具有信息傳達及時，功能更加強大，以及高端智能化的優點。

3系統硬件設計

3.1系統核心設計

飛思卡爾公司的MK60DN512ZVLQ104（簡稱K60）是一款低電壓，高速32位ARM Cortex-M4內核的單片機。該單片機執行速度最高可達100 MHz，具有內部DSP運算處理單元； 512 KB的可電擦寫程序存儲器，128 KB的RAM，存儲空間大，符合系統的編程設定；同時還配有16 bit逐次逼近的模數轉換（ADC），帶轉換完成的標志和中斷功能，可以靈活地滿足該系統的各種要求。

3.2GSM模塊

GSM全稱為全球移動通信系統，是目前應用最為廣泛的一種移動電話的標準，使用GSM可以提高智能安防系統中報警的穩定性和有效性。

設計中選用全球鷹通訊SIM900/A 232 版本的GSM模塊，模塊可視圖片如圖2所示，供電電壓低，功耗也低（發射功率在EGSM900頻段下功率為2 W，DCS1800頻段下功率為1 W），頻段還可以自主設定為EGSM900和DCS1800兩個頻段[4]。模塊與K60單片機相結合，單片機只需通過串口發送一系列以字符串格式編碼的AT命令到GSM模塊，GSM模塊即可開展工作。如發送短信時，只需連續發送AT+CSCS=“GSM” AT+CMGF=1 AT+CMGS=“***”（***表示電話號碼）短信內容 十六進制下的1A。解析短信時，發送AT+CMGR=1，就可以將短信讀取出來。短信中，因為中文使用了Unicode編碼，不能直接識別，而Unicode譯碼需要引入一個龐大的編碼庫的基層支持，因而在占用內存空間方面將造成可觀消耗，單片機譯碼Unicode編碼序列也很復雜[5]。

MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在干凈空氣中導電率比較低的SnO2 ，當MQ2的安裝背景環境中可燃氣體濃度達到設定的閾值時，傳感器的阻值會隨著可燃氣體濃度的增大而逐步增加，通過LM393比較電路即可將其轉換為數字信號，被K60所捕獲。在此，給出MQ2信號采集電路如圖3所示。在家庭環境中，室內溫度和濕度應保持在一定范圍內，室內發生火災，溫度會急劇升高，自來水管也會有破裂引起室內濕度增大，設計中選用數字式溫濕度傳感器DHT21/AM2301采集溫濕度信息。DHT21數字溫濕度傳感器內部含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，以專用數字模塊和溫濕度傳感技術，確保優質可靠性與長期穩定性。[JP2]

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測到人體或一些動物身體發出的紅外線而轉換為可檢測的電信號的低功耗傳感器。熱釋電效應的工作原理是當溫度呈現波動時，將導致晶體表面電荷發生變化。設計中選用D-SUN人體熱釋電紅外傳感器，模塊的工作電壓范圍在DC4.5～24 V，當有人、即有效信號輸出時，為3 V高電平；無人、即無效信號輸出時，為0 V低電平。該型傳感器的有效探測范圍在110°，感應距離在0.5～7 m，觸發時間為0.5～200 s。低功耗，靜態電流最大50 uA[6]。[JP]endprint

3.4系統顯示單元設計

如圖4所示，研究中顯示采用OLED顯示屏，為有機發光管屏，具體呈現出功耗低、體積小、對比度高、響應迅速、視角廣闊等特點，與單片機接口則由4根串口數據線而形成連接。

3.5系統電源設計

各器件使用電源有12 V、5 V、3.3 V三種，系統由開關電源提供12 V，1 A直流電，核算系統的電流峰值約為0.8 A，一般情況下電流均在200 mA左右，另選用LM2940和LM1117-3.3兩款芯片來分別供電5 V、3.3 V電壓[7]，如圖5所示。

[LL]4系統程序設計

4.1程序流程

當系統上電后，內部器件進入初始化，同時設置指定此后的工作模式。模式1中只有氣體傳感器和溫濕度傳感器工作，并將采集到的信息發送到OLED顯示屏上；當檢測到燃氣泄漏或者溫度出現異常時，向目標家居用戶發送短信警示。模式2中，核心控制器將采集所有傳感器的狀態，并判斷是否異常。如果紅外傳感器報警，則通過GSM發送一條入侵報警信息、濕度異常則發送濕度報警信息、溫度異常則發送溫度異常報警短信給用戶，等待用戶回復處理；如果探測到煙霧或者燃氣泄漏，則發送一條燃氣泄漏報警信息給用戶，同時繼電器自行吸合使得燃氣管道的電機轉動，關閉閥門，避免危險態勢進一步升級；下雨時若未關窗，濕度傳感器將精確檢測、并及時報警，同時繼電器發生吸合，驅動有關電器動作直至窗戶關閉。信息處理同時，還將在OLED上生成顯示并實現存儲。用戶收到報警信息后，可以及時處理。研究中，通過利用圖形語言將系統的工作流程描述清楚，參照流程圖編寫程序，可以大大加快開發進度，減少代碼功能冗余，提高功能質量和系統的健全健壯性能。系統程序設計流程如圖6所示。

4.2GSM模塊編程

使用AT指令來控制GSM模塊發送短信，發送指令是：

AT+CSCS="GSM"rn；AT+CMGF=1rn；AT+CMGS="10010"rn；0X1A；需要注意的是在每2條AT指令間需要有足夠的延時以便于該模塊能夠做出及時響應，程序代碼可表述如下：

uart_putstr（UART3，"AT+CSCS="GSM"rn"）；

DELAY_MS（500）； //延時0.5秒

uart_putstr（UART3，"AT+CMGF=1rn"）；

DELAY_MS（500）；//延時0.5秒

if（1 == gpio_get（PTE11））； //撥碼開關1置位到OFF位置

[JP3]uart_putstr（UART3，"AT+CMGS="10010"rn"）；[JP]

else

uart_putstr（UART3，"AT+CMGS="18764929645"rn"）；

DELAY_MS（500）；

uart_putstr（UART3，UI8_Message）；//短信內容

DELAY_MS（500）；

uart_putchar（UART3，0X1A）；//發送指令

DELAY_MS（500）；

4.3DHT21溫濕度傳感器功能模塊編程

DHT21溫度傳感器使用串行傳輸溫度濕度數據，傳感器上電后處于待機狀態，等待主機發出一個開始信號，響應后，連續發送40 bit的溫濕度和8 bit的校驗數據。功能執行代碼可見如下：

for（i = 0；i < 8；i++）

{

UI16_Flag = 19853；

//一直加到65535（254us左右）

while（（！READ_DHT21） && UI16_Flag++）；

DELAY_US（30）；

UI8_temp = 0；

if（READ_DHT21）

UI8_temp = 1；

UI16_Flag = 19853；

// 一直加到65535（254us左右）

while（（READ_DHT21） && UI16_Flag++）

//超時則跳出for循環

if（UI16_Flag == 1）

break； //判斷數據位是0還是1

// 如果高電平高過預定0高電平值則數據位為 1

UI8_Comdata <<= 1；

UI8_Comdata |= UI8_temp；//存入新數據

}

5結束語

根據實際要求，運用嵌入式單片機及GMS網絡構成智能家庭安防系統，系統不但可以設計生成家庭安全防護設備之間的互聯互通，還可以將整個安全防護系統的監控信息加以記錄并通過終端提供動態效果顯示。更為重要的則是，系統將通過GSM通信網絡與主人互動聯系，實現對家庭安全防護的實時監控和管理。這種智能系統未來家庭安防中將會得到更多的運用，因而具有廣泛普適性的實際應用價值。

參考文獻：

[WTBZ][ST6BZ][HT6SS][1] [ZK（#〗

申斌，張桂青，汪明，等. 基于物聯網的智能家居設計與實現[J]. 自動化與儀表，2013，28（2）：6-10.

[2] 敖志剛. 智能家庭網絡及其控制技術[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.

[3] 鄭郁正. 單片機原理及應用[M]. 成都：四川大學出版社，2005.

[4] 余大偉，張茂青，李強，等. 基于全球移動通信系統網絡的遠程數據監控系統的設計[J]. 電工電氣，2009（11）：25-28.

[5] 王俊峰，孟令啟. 現代傳感器應用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[6] LI H X，ZENG J H. The design of environmental temperature and humidity remote monitoring system based on AT89S52 MCU[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，496-500： 1595-1602.

[7] 翟亞芳，張天鵬，趙建周，等. 基于STM32的家庭智能安防控制系統設計[J]. 黑龍江大學自然科學學報，2016，33（1）：118-123.endprint