基于STM32的智能巡邏管家設計

李鑫 任安虎 陳沐萱 周方宇

摘 要：針對家中無人時存在的安全隱患，設計一款應用于家中的安全監測系統—智能巡邏管家。該系統以GSM為通信方式，STM32為主控制器，搭載煙霧傳感器、溫濕度傳感器、攝像頭等組成一個智能巡邏小車，實時監測是否有明火、天然氣或煤氣泄露等安全隱患，將監測到的信息通過GSM網絡實時發送至用戶，用戶可通過手機APP遠程控制小車行走，隨時隨地了解家中各個點的情況，從而有效地保證家庭的安全性。

關鍵詞：家庭安防;數據采集;GSM 通信;智能監控;傳感器;遠程控制

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

隨著生活節奏的加快，人們的工作時間逐漸加長，如何避免家庭常見明火、天然氣或煤氣泄漏等安全隱患成為人們關注的關鍵問題。

因此，能夠隨時隨地了解到家里的安全情況顯得尤為重要。本文以STM32為主控制器，利用GSM無線網絡、視頻采集、溫濕度、火焰傳感器及氣體采集等模塊相互配合，制作一款智能遠程安全報警小車。當用戶不在家時仍然可以了解家中情況，對出現的問題及時發現并做出相應措施。利用循跡和避障等功能在家中進行巡邏檢查，并將檢查到的信號傳給用戶終端，用戶根據出現的問題發出相應指令（如可控制小車利用攝像頭查看家中畫面），全面掌握家中各個位置的安全問題，對家庭安全起到有效保證的作用。

1 系統功能需求

智能巡邏管家系統分為自主控制和用戶自定義兩種工作模式。

1.1 自主控制模式

小車自動按照設定好的路線行走，能夠實現以下功能。

（1）超聲波和人體紅外模塊可以避開所要監控路徑上的障礙物，對小車以及別的物品起到一定的保護作用。

（2）氣體泄漏報警，利用煙霧傳感器監測房間內甲烷等氣體是否超標。

（3）家庭安全隱患主要以火災造成的損失最為嚴重，智能巡邏管家主要通過火焰檢測、溫度檢測、煙霧檢測、攝像頭確定是否發生火災。當火災發生時，智能巡邏管家能夠迅速告知用戶，以保證將用戶的損失降到最低。溫度檢測用來判斷是否有可能發生火災;煙霧檢測通過煙霧濃度判斷是否已經發生火災;攝像模組能實時反饋用戶現場圖像。

1.2 用戶自定義模式

用戶可以遠程遙控小車到指定地方，利用小車裝配的攝像頭查看家中實時圖像。為了節省資源，攝像頭只在用戶自定義模式下打開。

2 智能巡邏管家的組成與原理

2.1 系統總設計方案

智能巡邏管家主要分為外部傳感器模塊、無線通信模塊、智能避障行駛模塊及遠程操控APP四個子模塊。系統原理框圖如圖1所示。

2.2 硬件設計

2.2.1 硬件結構

系統硬件主要包括中央處理器、攝像頭、煙霧傳感器、火焰傳感器、控制器件、GSM無線網絡模塊和電源模塊等。

處理器可對外部傳感器所采集的信息進行處理，并通過GSM模塊發送到手機APP。手機APP也可操縱智能巡邏管家對房間其他部位進行監測。人體紅外熱釋傳感器和超聲波傳感器協助智能巡邏管家避開障礙物行走。系統硬件框圖如圖2所示。

2.2.2 攝像頭

本文系統使用OV7670攝像頭模塊、CMOS器件、標準的SCCB接口，其兼容I2C接口，工作電壓低至2.5～3 V，能夠提供影像處理器的所有功能。系統內置感光陣列、時序發生器，A/D轉換器、模擬信號處理、數字信號處理器。采用的廣角鏡頭視角可達150°，該攝像頭圖像最高可達到30幀。STM32與OV7670接線原理如圖3所示。

2.2.3 煙霧傳感器

MQ-2型煙霧傳感器屬于表面離子式N型半導體。工作電壓為直流5伏，支持雙路信號輸出、模擬量輸出及TTL電平輸出。煙霧濃度越大、導電率越大、輸出的電阻越低，輸出的模擬信號越大。工作電壓為DC 5 V，支持雙路信號輸出、模擬量輸出及TTL電平輸出。MQ-2型煙霧傳感器接線如圖4所示。

2.2.4 火焰傳感器

火焰傳感器能夠探測火焰發出的短波近紅外線（SW-NIR），通過電信號（電壓信號）進行輸出，探測角度為60°。

遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電流的變化，通過A/D轉換器反映為0～255范圍內數值的變化。外界紅外光越強，數值越小;紅外光越弱，數值越大。傳感器的輸出接口可與單片機直接相連?；鹧鎮鞲衅髟砣鐖D5所示。

2.2.5 HC-SR04超聲波模塊

采用HC-SR04超聲波模塊實現小車避障，采用I/O口TRIG觸發測距，模塊自動發送8個40 kHz的方波，檢測是否有信號返回;若有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。

式中：L為距離;t為高電平時間;s為聲速（340 m/s）。

2.2.6 HC-SR501人體感應

系統采用人體感應模塊，使小車能夠避開人與寵物。若檢測到人，則輸出高電平;反之，則輸出低電平。感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人在其感應范圍活動，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。HC-SR501部分參數見表1所列。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 軟件設計總流程

系統初始化后，控制子程序控制小車自主巡邏，逐個檢測是否有火焰、煙霧、甲烷等氣體，以及溫濕度是否超標等。若發現異常則啟動GSM模塊，將所采集到的信息經過處理后發送報警信息給用戶。用戶可使用手機操作APP，控制小車行駛到指定位置監測并拍攝所需視頻，以便查看家中實時情況。系統軟件設計總框圖如圖6所示。

2.3.2 軟件設計子系統流程

小車自主行走時，舵機和電機均采用增量式PID進行閉環控制，應用程序為PWM_Steer_mian（）;和 Speed_pid（）;小車自主控制子程序軟件流程如圖7所示。

用戶自定義查看流程如圖8所示。中斷服務程序查詢到用戶指令后，初始化打開攝像頭，檢測攝像頭是否采集到圖像，若未采集到圖像，則再次初始化攝像頭，將采集到的圖像編碼后發送到手機APP。

3 結 語

本文應用物聯網技術設計了融合數據采集、數據處理、自動控制、無線通信等先進技術的智能巡邏管家。通過搭載各類傳感器，使家庭各種安全隱患得以有效監測。未來，隨著圖像識別技術的提高，可利用攝像頭進行更復雜情況的識別。

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