智能家居防火防盜系統

北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192

一、引言

隨著計算機和通信技術的不斷發展、芯片制造工藝的大幅度提高、互聯網絡行業的興起，人民物質和精神生活得到了很大改善，高科技智能化的設備己經步入我們的生活，人們對所處的環境也提出了更高的要求[1]。

現代家庭的防盜方式主要以安裝防盜門、防盜鎖為主，但是這類設備主要以增加盜賊入室的難度來達到防盜目的。這種單純的機械裝置在較長時間無人在場的情況下，防盜效果往往不盡如人意。

本設計從解決家庭防火防盜出發，通過分析傳統安防系統的不足，研究一種更加可靠、智能、高效的防火防盜系統。系統是基于單片機控制，以紅外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器為檢測手段的家居智能報警系統，強化系統識別外圍環境實現智能判斷的能力，有限補充傳統安防系統的不足，為千萬個家庭用戶制造一個更加安全、放心的環境。

二、系統硬件設計及選擇

1、系統硬件結構設計方法

本次設計的智能家居防火防盜系統結構圖如圖1所示。該報警系統的硬件是將傳感器探測、單片機控制和遠程無線通信技術相結合，采用紅外傳感器模塊、煙霧傳感器模塊以及溫度傳感器模塊來檢測家中是否發生煤氣泄漏、火災和有人闖入的信息，利用無線發射模塊將各個傳感器收集到的信息發射給單片機進行分析綜合[2]，然后做出判斷，若需要報警，則單片機控制蜂鳴器警報發出聲音、控制LED燈管閃爍，控制GSM模塊發送報警信息到用戶，通知用戶做出正確的措施。

2、主要功能模塊

（1）主控單元

控制中心模塊以STC90C51單片機[3]為核心，主控電路如圖2所示，以DS1302為實時時鐘芯片，以LCD1602為液晶顯示器。普通51單片機已廣泛應用于各種產品中，其接口簡單，方便使用，功能強大。STC90C51單片機是增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統的8051。工作電壓：5.5～3.3V(5V單片機)/3.6～2.0V(3V單片機)；工作頻率范圍：0MHz～40MHz，相當于普通8051的0MHz～80MHz，實際工作頻率可達48MHz。STC90C51芯片上片上集成1280字節，通用I/O口，復位后P1/P2/P3/P4是準雙向口，P0口是開源輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。

復位電路：在單片機啟動0.1s后，電容C1兩端的電壓持續充電為5V，這是時候R1兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平，所以系統正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的過程中，電容開始釋放之前充的電量在0.1s內，從5V釋放到1.5V，甚至更小[4]。這個時候10kΩ電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統自動復位。

晶振電路的作用是給單片機提供合格的時鐘信號流，晶振與單片機的腳XTAL0和腳XTAL1構成的振蕩電路中會產生諧波[5]。諧波對電路的影響不大，但會降低電路的時鐘振蕩器的穩定性，為了電路的穩定性起見，ATMEL公司建議在晶振的兩引腳處接入兩個10pF～50pF的瓷片電容接地來削減諧波對電路的穩定性的影響，所以晶振所配的電容在10pF～50pF之間。

雙電壓比較器LM393（品牌MT）主要特點如下：工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源：±1～±18V；消耗電流小，Icc=0.8mA；輸入失調電壓小，VIO=±2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門。

（2）煙霧傳感器

MQ-2氣體傳感器通過對煙霧的濃度檢測來實現火災的防范，感應電路包括光敏傳感電路和氣敏傳感電路，原理圖如圖3所示。

所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫[6]。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號，對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。

（3）人體紅外傳感器

采用TELESKY公司的HC-SR501人體紅外感應模塊，如圖4所示。其特點是：

全自動感應：當有人進入其感應范圍則輸入高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平；

光敏控制(可選）：模塊預留有位置，可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。光敏控制為可選功能,出廠時未安裝光敏電阻；

工作電壓范圍：5V～20VDC；

微功耗：靜態電流65μA，適合干電池供電的電器產品，可方便與各類電路實現對接；

兩種觸發方式：L不可重復，H可重復。可跳線選擇，默認為H。

不可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，延時時間一結束，輸出將自動從高電平變為低電平[7]；

可重復觸發方式 ：即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平（感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點）。

（4）GSM無線通信報警模塊

采用SIMCom公司的緊湊型、高可靠性無線通信模塊SIM900A，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，支持電壓范圍3.4V～4.5V，休眠狀態功耗1.5mA，支持用戶定制的MMI和鍵盤/LCD，SPI/I2C/GPIO/PWM/ADC接口，支持RTC（Real-Time Clock），全功能UART接口，天線連接器和天線焊盤，內嵌強大的TCP/IP協議棧，支持多IP連接，低功耗正常操作溫度：-30°C ～ +80°C。圖5是GSM模塊連線圖。

三、系統軟件程序設計

1、系統軟件主流程

主程序主要完成：檢測屋內環境溫濕度，有沒有陌生人進入，發生險情聲光和短信及時通知家主，短信控制部分，實現遠程控制家中的電氣設備，進行家居智能安防系統報警。主流程如圖6。給設備連接上電測試之后，主控芯片單片機對系統進行初始化，煙霧傳感器、人體紅外傳感器等檢測外界環境，若環境指標超過傳感器設定值，將產生振蕩電路反饋至單片機，單片機觸發報警裝置，否則，繼續檢測信號。

軟件采用C語言，程序的調試比較繁瑣，根據控制系統的要求編寫軟件后，經下載線將程序加載到電路板的單片機與硬件進行調試[8]。

2、系統軟件子程序

系統軟件子程序設計包括LED驅動模塊、SD卡驅動模塊、實時時鐘驅動模塊，底層硬件驅動子程序設計包含煙霧監控模塊、GSM模塊、溫濕度監控模塊，系統開機之后首先對系統硬件模塊進行初始化[9]；然后檢測SD卡是否存在，存在加載SD卡的問題；最后是查找系統文件。在本次系統設計中，系統分為多個子程序，而它的主控制程序通過調用各個子模塊的相關函數，從而實現整個系統的功能。

四、系統測試

智能家居防火防盜系統測試結果達到預期設定的要求，將手機卡綁定通知對象模擬報警平臺，首先在JB35G上的SIM卡座內括入一張號碼為18612651566的SIM卡。給JB35G上電開機，進入待機狀態。然后將計算機的COMI串口通過隨JB35G附帶的串口電纜，連到JB35G的RS232串口上，打開串口調試助手。在串口調試助手中的“串口選擇”選中的COMI、“波特率”=9600、“奇偶校驗”=無NONE、“數據位”=8、“停止位”=1。單擊串口調試助手的“打開串口”按鈕，串口調試助手上一個紅色的指示燈亮了，說明JB35G己成功的連接到計算機的COM1上。

在串口調試助手的發送區輸入" 233133373636383 43933313123"，再按“手動發送”按鈕。這時我們能在號碼為18612651566手機上收到JB35G發來的短信，這說明可以通過串行口成功的控制JB35G發送短信息，結果如圖7所示。

五、結論

本次設計的智能家居防火防盜系統達到了預期的要求，可以在發生險情的時候能夠以短信、電話這種直觀的方式進行報警，報警部分通過單片機串口中斷外加延時的方法來判斷接受的信號是否為發射端出來的信號，以此來觸發GSM模塊，該報警系統設計合理可靠，性能穩定，且實現燈管閃爍、聲音、短信多種方式報警，以此確保住戶的人身和財產安全，系統體積小，靈敏度高，價格低廉，可以廣泛地應用實現。