STM32在智能家居安全報警系統設計中的應用

臺州職業技術學院機電工程學院 蔣 愷 王 凱 張麗萍

針對目前家居安全隱患，提高用戶生活安全性和舒適性，設計了一種基于STM32單片機的智能家居安全報警系統，利用傳感器實現溫濕度檢測、氣體檢測、人體檢測，并將檢測數據實時發送至手機，通過手機APP可隨時查看家居環境監測數據，當檢測數據超出設置的閾值范圍，系統發出報警信號。經過調試，該系統能夠穩定運行，具有設計穩定、操作簡單，性價比高的優點。

據統計,人類有80%～90%的時間是在室內度過的，因此智能家居受到越來越多人的關注。在智能家居陣營中智能安防潛力巨大，目前所有消費者都會關心的基本需求是水電煤氣這些直接威脅健康和生命的因素，然后就是居住環境中存在的甲醛等有毒物質。家居安全看似簡單，實則意義重大。但到目前為止，智能家居的市場占有率依然極低。近年來，智能家居受到各界的高度關注，具有很大的進步空間和廣闊的市場前景，隨著相關政策出臺和人工智能技術的進步，智能家居將到達一個新的高度。

1 總體設計

本系統搭建一個基于STM32的實用智能家居平臺，選用穩定且高性價比的傳感器模塊對環境因素進行監測，通過手機APP和控制板的Wi-Fi模塊互聯，可隨時在手機查看環境監測數據，系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

主控芯片選擇基于ARM Cortex-M內核的32位微控制器STM32F103C8T6。信息采集通過人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器實現對家居環境的人體、溫濕度、煙霧濃度進行實時檢測，采集的模擬量通過模數轉換后送給主控電路。獨立按鍵可設置報警上下限閾值，Wi-Fi模塊將單片機系統采集到的溫度、濕度、人體、煙霧等信息數據發送至手機APP上進行實時顯示。

2 硬件電路設計

2.1 最小系統電路

構成STM32的最小系統主要由電源電路、復位電路、時鐘電路、調試接口等部分組成。電源采用+3.3V供電，+5V電源通過降壓電路和去耦電容轉換為3.3V電源電壓。復位電路由上電復位和手動復位兩部分組成。在上電瞬間，上電復位電路中的電容充電，復位信號RESET出現1ms左右的低電平，使單片機內部模塊處于確定的初始狀態，實現復位；手動復位電路中按鍵按下時，RESET和地導通，同樣在復位端出現一個低電平，實現復位。外部時鐘電路主要由晶振、電容、電阻構成，為單片機提供8MHz時鐘信號。主芯片程序下載采用SWD接口電路，供用戶進行程序調試和下載。

2.2 人體檢測電路

人體檢測電路選用HC-SR501熱釋電紅外傳感器，傳感器探測到人體后輸出的信號經信號處理芯片BISS0001放大、濾波后將電壓信號經輸出口傳輸給單片機，連接電路如圖2所示，VCC工作電壓+5V，HC-SR501接至單片機引腳。

圖2 HC-SR501與單片機連接電路

2.3 溫濕度檢測電路

溫濕度檢測選用單總線協議的DHT11模塊，采用以數字信號形式輸出的單總線數據格式，僅需1個I/O口即可實現對溫度和濕度的同時測量，具有響應快、抗干擾能力強、性價比極高等優點。DHT11與單片機連接電路如圖3所示，VCC工作電壓+3.3V，DATA單總線接單片機引腳。

圖3 DHT11與單片機連接電路

2.4 煙霧檢測電路

煙霧檢測選用MQ-135氣體傳感器模塊，MQ135對氨氣、硫化物、苯系蒸汽、煙霧和其它有害氣體的靈敏度高，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。MQ-135模塊與單片機連接電路如圖4所示，VCC工作電壓+5V，MQ135接至單片機模擬口A0上。

圖4 MQ-135與單片機連接電路

2.5 WIFI模塊

Wi-Fi模塊選用專為移動設備和物聯網應用而設計的ESP8266EX芯片，內置超低功耗Tensilica處理器，CPU時鐘速度最高可達160MHz，標準數字外設接口，能適應各種操作環境，保持穩定的性能。將Wi-Fi模塊通過家庭的無線路由器接入網絡，模塊與單片機連接電路如圖5所示，VCC工作電壓+3.3V，RX、TX分別接單片機TX(A9)、RX(A10)。

圖5 ESP8266與單片機連接電路

3 軟件設計

程序軟件編寫用C語言完成，在Keil uVision5軟件中實現程序編寫和調試。主程序實現的功能是各模塊初始化和信息采集，當熱釋電紅外傳感器在檢測范圍內檢測到有人，或溫濕度傳感器檢測值超過設定閾值，或有害氣體傳感器檢測值超過設定閾值，會觸發聲光報警電路。設置Wi-Fi模塊連接家里的路由器實現連接網絡服務器，用戶手機安裝相應APP連接至同一網絡服務器，進行物聯網的交換數據。

圖6所示為手機APP的顯示界面，Wi-Fi模塊接入網絡后，APP中連接狀態為已連接，溫度、濕度、人體、有害氣體檢測狀態顯示在手機APP。

圖6 手機APP界面

結論：本項目是針對家居生活的實際所需，選用STM32為主控芯片，使用手機作為控制終端，以“手機+WIFI”的控制模式，搭建的一個簡單且便捷的家居環境監測報警控制系統。通過實際測試，能實現對家居環境的正確監測，通過手機APP和控制板的Wi-Fi模塊互聯，可隨時在手機查看環境監測數據；此外，還能通過繼電器電路實現對智能家居產品的多樣化控制。