基于物聯網的智能家居安防監控系統設計

（華東理工大學 信息學院，上海 201204）

0 引 言

物聯網（Internet of Things, IoT）即物與物的互聯，它采用計算機技術、無線傳感器技術、RFID無線射頻識別技術等，以互聯網為基礎，實現人與物、物與物的“交流”。將物聯網技術應用于智能家居安防監測，其目的是將家庭中的電器和生活設施連接在一起，實現視頻監控、智能防盜、智能照明、智能電器控制、智能門窗控制、智能影音系統控制等功能[1-4]。用戶可以通過計算機、平板電腦、智能手機等實現遠程實時控制家中的燈光、窗簾、電器等。物聯網技術的應用，將使人們的生活變得更加舒適、智能，為人們提供了更安全、更便捷的家居生活體驗[4-7]。

1 系統總體設計

物聯網的體系架構可以分為感知層、網絡層（傳輸層）、應用層[8-10]。感知層用于感知、采集物理世界的各類信息，并利用通信模塊實現物理實體和網絡的連接。本系統采用的Arduino UNO R3開發板上連接紅外傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器和火焰傳感器等，用來采集環境信息。除此之外，還連接蜂鳴器、風扇、燈等電器設備，用來模擬遠程控制。當傳感器采集的數據大于硬件程序中設定的閾值時，蜂鳴器響鈴報警，開發板將傳感器采集的數據信息以及電器設備的狀態信息通過軟串口（12、13）傳輸。網絡層用于完成信息的傳遞、路由和控制，是感知層和應用層之間的中介，負責接收感知層的數據，并將數據傳送給應用層。應用層即為遠程終端，例如手機、平板電腦等。本設計采用Android手機作為遠程終端，以APP的形式實現遠程控制。應用層連接ESP8266 WiFi模塊提供的熱點，從中獲取感知層的數據信息。APP可以顯示傳感器采集的數據信息，即當前溫度、煙霧濃度、是否檢測到火焰等。同時APP也可以實現對電器設備，如蜂鳴器、風扇、燈等的遠程控制，從而實現家居安全防護管理功能。

系統整體設計如圖1所示。系統由供電模塊、信號處理模塊、信號檢測電路、信號執行裝置組成。供電模塊采用LM2596S DC-DC直流可調降壓穩壓模塊，為方便家用，需先用整流器將交流轉直流，采用9 V直流電池為系統供電。信號處理模塊采用Arduino開發板作為主控，其核心是ATmega328芯片，用于信號接收、處理和輸出。信號檢測電路利用傳感器進行模擬數據采集，并送至主控電路處理。本系統主要由溫濕度傳感器、紅外火光傳感器、RFID射頻識別感應器、雨滴傳感器和紅外避障傳感器等采集外界數據信號，傳送給主控進行信號處理，并通過Arduino向執行裝置（顯示屏、蜂鳴器、電風扇、電燈等）發送信息，實現顯示信息、自動調溫、火災報警、自動開關門等功能。本設計選用ESP8266芯片作為智能家居安防系統的WiFi模塊，實現軟件和硬件之間的通信。

圖1 系統整體設計

2 系統功能實現

本系統實現了溫濕度檢測顯示及調溫、火災報警、門禁開關、終端APP控制和獲取信息的功能。系統實物如圖2所示。

圖2 系統實物

2.1 溫濕度檢測及調溫功能

溫濕度檢測電路的核心是DHT11數字溫濕度傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。其由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件構成，可同時測量采集溫度數據和空氣濕度數據，向處理器輸出數字信息。在通過傳感器采集數據后，經過信號處理，將溫濕度信息顯示在顯示屏上。本系統還配備有自動降溫裝置，當溫度高于設定值時，自動開啟電風扇進行降溫，并隨溫度的高低調節風扇轉速，系統能實時監測室內溫濕度并在溫度高于26 ℃時啟動電風扇降溫。當溫度高于26 ℃時，風扇為低風速；當溫度高于28 ℃時，風扇提速為中風速；當溫度高于30 ℃時為高風速，風扇滿功率運行降溫。溫濕度檢測及調溫模塊如圖3所示。

圖3 溫濕度檢測及調溫模塊

2.2 火焰煙霧檢測及報警功能

火焰煙霧檢測部分由遠紅外火焰傳感器和MQ-2氣體煙霧傳感器組成。遠紅外火焰傳感器能夠探測到波長在700～1 000 nm范圍內的紅外光，探測角度為60°，其中紅外光波長在880 nm附近時，其靈敏度最高。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。將數值傳送至Arduino即可根據設定值報警。本系統的報警裝置采用蜂鳴器模擬報警，蜂鳴器采用低電平觸發方式，通過程序可設置蜂鳴器鳴響時間和頻率，當檢測到火焰、煤氣泄漏或其他可燃氣體時，系統自動報警（蜂鳴器和報警燈）。遇到明火或可燃氣體時蜂鳴器鳴響、報警燈閃爍，以有效預警家中煤氣泄漏和危險火源，為家居生活帶來安全保障。

2.3 RFID門禁功能

RFID射頻識別系統是一種非接觸式自動識別系統，由電子標簽、讀寫器和計算機網絡構成，它通過射頻無線信號自動識別目標對象，并獲取相關數據。RFID射頻識別系統以電子標簽標識物體，門禁系統采用RFID讀寫器對電子標簽進行識別，若電子標簽與設定值匹配，則視為匹配成功，打開門鎖；若不能正確匹配，則門鎖狀態不變。紅外檢測自動開門功能利用紅外避障傳感器檢測有無人員到來，將數據上傳Arduino，控制門的開關。紅外避障傳感器主要由紅外發射器、紅外接收器和電位器組成。根據物體的反射特性，若無障礙物，發射的紅外線會隨著其傳播距離而減弱并消失；如果有障礙物，當遇到障礙物時，射線被反射并被紅外接收器接收，觸發信號改變。

2.4 終端APP數據顯示及控制功能

通過無線WiFi、終端APP可以向Arduino發送指令，控制家用電器，如電燈、電視和電子門鎖等，也可以實時獲取當前天氣狀況，提醒用戶下雨收衣服等。

2.4.1 傳感器狀態界面

傳感器狀態界面及其核心代碼如圖4所示，可以看到顯示的溫度、煙霧濃度，以及是否有火或者有人，并且還可以在該界面控制蜂鳴器是否報警。

圖4 傳感器界面與代碼

2.4.2 設備控制界面

設備控制界面如圖5所示。該界面可以實現對電器設備的遠程控制，點擊開關按鈕后，APP向ESP8266寫入指令，Arduino從ESP8266中讀取指令，并根據指令完成相關操作。

圖5 設備控制界面

APP核心代碼如下：

3 結 語

本文基于物聯網技術設計與實現了多功能智能家居安防監控系統，其集家庭火災防范、室內溫濕度檢測及調節、RFID門禁和無線控制等功能于一體，將為現代家居生活提供更為舒適、便捷、安全的體驗。相信隨著物聯網技術的發展和5G時代的到來，結合云計算、大數據等技術，將完全實現家居系統的智能化，物聯網技術也將更好地為現代家居生活提供更為舒適的體驗。