基于Arduino家居安防報警系統的設計

摘 要：采用技術成熟且網絡覆蓋領域廣的GSM技術，結合Arduino單片機技術，設計一款可兼顧實現室內、室外遠程報警功能的家居安防監控系統，可對居家盜竊、煤氣泄漏、煙霧濃度異常等進行識別并報警。采用Arduino為系統核心，GSM無線通信模塊，結合傳感器技術實現對人體和有害氣體煙霧、煤氣等的監控功能。

關鍵詞：Arduino;GSM;家居安防

中圖分類號：TP393

隨著經濟的增長，人們生活水平的提高，人們追求更高品質的生活。在生活節奏比較快的今天，人們在家居上更喜歡智能化、人性化，都渴望擁有舒適安全智能的居住環境[1]。家居生活因為智能家居的出現，變得更富有智慧。將環境參數檢測傳感器同開源電子平臺相結合，結合無線網絡傳感器系統，可滿足智能家居的環境檢測需求。Arduino作為一款開源平臺，具有易學易用、低成本、開放性高等多種優勢。何建華[2]基于Arduino設計開發了智能環境參數檢測系統。張秋波[3]結合Arduino技術與WiFi無線模塊相連接，實現實時控制家居電器的開關控制。吳思楠[4]以Arduino控制器為核心，通過光照、外圍溫濕度、可燃氣等傳感器組合系統采集家居環境數據，實現了移動手機端對家居的實時監控。朱晨[5]基于低能耗、便操作的設計理念，搭建基于Arduino Mega 2560的智能家居控制系統。

隨著網絡技術的廣泛應用，人們對智能安防系統、智能家電控制系統更趨于利用Arduino易擴展、低成本、使用靈活的優勢，并在實際的家居領域進行探索。結合家居安防的舒適安全智能化要求，本設計采用技術成熟且網絡覆蓋領域廣的GSM技術，結合Arduino單片機技術探究Arduino技術在家居安防中的實際應用，促進智能家居進一步發展。

1 總體設計方案

家居報警系統包含居家參數檢測功能、雙重報警功能、居家環境參數顯示功能、狀態和參數設置功能等4個方面。以及Arduino和GSM為核心的家居安防報警系統根據需要實現的主要功能，系統框架設計如圖1。

1.1 煙霧檢測模塊

煙霧檢測模塊采用MQ-2煙霧檢測和MQ-5煤氣檢測模塊組合而成。MQ-2是氣敏式煙霧傳感器，是常用家庭的氣體泄漏裝置，其作用是將采集到的煙霧信號發送到Arduino上讓其分析判斷。MQ-5是煤氣傳感器，其作用是將采集到的煤氣信號發送到Arduino上讓其分析判斷。MQ系列對可燃氣體與其電導率之間的關系，RS/Ro在MQ煙霧傳感器靈敏度圖中表示的是在氫氣濃度為10000ppm時的RO電阻與實時電阻RS的比值，可燃氣體濃度越濃，傳感器的實時阻值會發生變化，實時減小，通過設計轉換電路后，將阻值的變化轉換成一個與煙霧濃度對應的電信號后，單片機進行采集實現檢測。

1.2 人體檢測模塊

熱釋電紅外傳感器本身不發任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。主要由多個元件組成，其中包括電晶體、硅窗口、引腳等。在頂端增加帶有濾光功能的鏡片，可以隔斷光線的干擾。人體輻射的紅外線波長約為10μm，而防盜報警系統中的傳感器過濾片厚度為8-14μm。在波長的檢測范圍內，熱釋電紅外傳感器可以檢測到人體的輻射。

2 硬件設計

2.1 單機片控制電路

Arduino是一款以AVR單片機為核心的高集成、積木式的嵌入式開發平臺。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制馬達、燈光和其他的裝置來反饋和影響環境。本設計中檢測家居溫濕度模塊，通過直接調用DHT11庫文件，只需要對Arduino的某一個引腳用來接受溫度數據便可實現對數據的直接讀取，非常簡單方便。Arduino通過外部結構來實現對數據進行讀取，并通過GSM與手機進行通信。

2.2 LCD電路設計

LCD1602液晶屏是用于溫度、煙霧和人體等三個檢測傳感器的顯示。Arduino單片機的2到9的8個引腳和LCD的數據口B0到B7進行連接，將檢測數據處理后發送到LCD1602液晶屏顯示。Arduino單片機的10到12三個引腳與RS、RW以及EN使能引腳連接，按照數據傳送時序對LCD控制，實現顯示功能，同時VO引腳串接一個阻值為2K點陣上拉后，對液晶的顯示亮度進行控制。

2.3 報警電路

如果傳感器檢測到某個參數有異常，實現的功能是檢測到有異常后在室內通過聲音和燈光閃爍的形式報警提示有異常狀況發生。煙霧濃度異常、溫度異常亦或人體檢測異常時，輸出低電平使驅動管導通，有源蜂鳴器發出聲音，LED也會跟隨一起閃爍。

2.4 煙霧和煤氣檢測電路設計

煙霧和煤氣檢測都是用的MQ系列傳感器，檢測原理和電路一樣。最為核心的為處于2腳和5腳之間相連接的一根電阻絲，在不同類型氣體以及濃度值作用下，半導體材料構成的電阻值會發生改變來輸出與濃度值對應的電壓。

本設計采用一款在Arduino自帶AD模塊，直接讀取煙霧模擬電信號，實現廚房煤氣數據讀取，采用A3模擬引腳一根單片機引腳線即可實現，對于節省引腳資源也意義重大。

D采樣值=V輸出電壓值5×（210-1）

2.5 人體檢測電路

選擇的熱釋電人體檢測電路，其內部的感應模塊感應到有人后，輸出一個3.3到5V的電壓。當沒有人移動的時候，輸出為0V，讀取對應引腳的狀態就可以直接實現對盜竊是否異常進行判斷。

2.6 GSM無線電路

選擇的GSMSIM800C無線模塊，Arduinod單片機接收到數據集后，在內部對數據進行判斷有異常時，通過GSM的電話卡直接發送短信手到機上，實現無線報警功能。Arduino單片機的串口發送TXD引腳與SIM800C的RXD接收引腳連接，Arduino單片機的串口接收引腳RXD與SIM800C的TXD發送引腳連接，通過串口對SIM800進行發送指令以及接受指令控制，SIM800通過內部設置好的電話卡進行短信發送和接受。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

在程序設計中主要包括系統運行的控制主程序以及調用的其他子程序，防火防盜上電后，主程序開始運行，實現對引腳，顯示參數，報警界限值進行初始化等功能，然后循環進行執行掃描按鍵程序，調用顯示程序，檢測參數數值是否異常程序，如圖2。

先進行初始化操作，主要時單片機引腳、設備和相關參數的初始化，設置初始煙霧報警界限值，將數據寫入單片機對應的存儲器中，設置GSM短信電話號碼，對其分配變量名稱后，按照順序存在對應的寄存器中。初始化完成后，根據讀取的按鍵值對寄存器內部初始化存儲的數據修改。實時讀取檢測火災的煙霧和溫度數值以及與熱釋電連接的引腳狀態，對家庭火災和盜竊異常狀況進行檢測，如果檢測到三個參數中的最少一個發生異常就進行報警。

3.2 顯示子程序設計

LCD1602顯示的主要控制原理就是根據圖3的讀寫時序，三個控制RS和RW以及EN的引腳按照時序圖控制后，8個數據引腳完成對顯示數據的讀取，實時顯示三個檢測參數值以及設定值，如圖4。

3.3 無線報警設計

無線報警主要是以串口中斷的形式進行控制的，當煙霧傳感器、溫度傳感器以及人體傳感器檢測到有異常之后，Arduino單片機將發送標志位置1，給GSM發送一個指令，調取在內存中設置好的電話號碼和短信內容后，將數據發送給對應電話號碼的手機，實現無線提醒功能，見圖5。

4 系統測試

接通電源給系統上電，GSM模塊得電后會有一個閃爍，LCD會顯示初始化過后的值。測試火災檢測報警功能，采用打火機對溫度傳感器加熱，同時通過點燃紙片等增加煙霧濃度，液晶顯示屏顯示的溫度和煙霧數值上升，如果超過界限則進行報警。測試盜竊檢測報警，按下布防按鍵，人體接近的時候，LCD會顯示有人以及進行報警。

對實現的功能進行驗證，根據檢測到的煙霧傳感器、溫度傳感器以及熱釋電傳感器的數值，對火災和盜竊進行判斷。通過聲音、LED燈以及GSM的工作情況，還有傳感器工作靈敏度，系統工作可靠性等。

5 結論

經過對Arduino、傳感器模塊、GSM等系統部件的組裝調試，本系統可達到室內煙霧報警、煤氣泄漏報警和防盜的設計要求，實現預期功能效果。

參考文獻：

[1]黃利紅.基于Arduino的智能家居遠程控制系統設計[J].數字技術與應用，2019，37（12）：161+163.

[2]何建華，吳燕峰.基于Arduino的智能環境參數監測系統設計開發[J].信息與電腦（理論版），2019，31（24）：64-65.

[3]張秋波.基于Android手機和WiFi的網絡定時開關的設計與實現[D].吉林大學，2015.

[4]吳思楠.基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現[D].揚州大學，2016.

[5]朱晨.基于Arduino Mega 2560的智能家居控制系統的實現[D].武漢郵電科學研究院，2018.

基金項目：廣西高?？茖W技術研究項目（基于Android的嵌入式智能家居系統的研究與設計，項目編號：KY2015LX480）;廣西高校大學生創新創業計劃項目（201711838128）

作者簡介：鄧忠惠（1980-），男，廣西橫縣人，本科，講師，嵌入式與智能控制。