基于STM32的家居安防系統的設計與實現

陳萬疆

（鹽城生物工程高等職業技術學校，江蘇鹽城，224000）

旨在更全面、更有效地滿足廣大居民的高品質住宅需求，人們提出了智能家居的概念，它將家用電器、安防等相關設備靈活合理地集中裝配，利用用戶操作平臺的方式實現對各類家電設備的實時化、精準化控制，由此滿足居民的安保需求。隨著安防系統的構建與應用，人們即便外出也無需擔心家中的環境狀況，可直接通過此系統實時了解家用設備的運行情況，具有完善的檢測功能和報警功能，用戶能夠對家用設備進行遠程監控。

1 系統的總體結構

本文擬通過嵌入式系統構建成熟嚴謹且具有良好操作性的智能加劇系統，依托先進強大的物聯網技術進行遠程監控。本文在綜合考慮功能要求、性能目標等因素之后決定選用STM32芯，將其確立為本系統核心控制芯片，通過各類傳感器實現對家居環境的實時化、精準化、持續化監測，采集到的數據會實時高效地傳輸至核心控制芯片并按照預先設定的流程做進一步處理，由此得到的數據處理結果會清晰直觀地展現于顯示屏上，若采集到的數據存在異常，那么蜂鳴器就會運行，通過鳴叫的方式通知用戶，以此實現報警功能，GSM無線報警模塊能夠將報警短信快速發送到用戶手機上。控制芯片在聯網的情況下能夠將其接收到的信息便捷高效地傳輸到yeelink云平臺上，此時，用戶即可聯網遠程監控其家居環境。關于系統整體需求分析如圖1所示。

圖1 系統總體需求分析

為確保本次設計的系統良好地滿足用戶應用需求，本文初步確定了系統整體設計結構，具體可見圖2。

圖2 系統總體結構體系

(1)環境監測：通過包括紅外線傳感器在內等一系列相關傳感器實現對家中環境情況的動態化、實時化、持續化監測。若發現陌生人進入，抑或是煙霧成分超出閾值等，傳感器就會將其采集到的數據信息傳送至ADC轉換處理，由此獲得能夠被系統辨識的數值信號，其中，“1”、“0”的主要功能是調節輸出電平狀態，即“高”、“低”，其相應的操作分別是“是”和“否”，傳輸到控制器并形成相應的動作指令。狀態顯示和報警：傳感器采集到的一系列數據能夠直接清晰直觀地展示在TFT-LCD液晶屏上。如果發現異常，其數字信號會驅動蜂鳴器運作，向用戶發出警報。無線報警：如果系統發現異常，會利用GSM模塊向用戶手機傳輸短信，促其在獲悉具體情況后采取有效措施妥善處理內部險情。

(2)無論是無線數據傳輸，還是人機交互，都能夠通過成熟強大的物聯網技術將傳感器檢測到的各類數據信息快速精準地傳輸至云平臺進行存儲，同時根據獲取到的數據進行實時更新，用戶能夠遠程監控住宅環境。

2 系統硬件模塊設計

■2.1 核心傳感器模塊

(1)HC-SR501

本文在綜合考慮各方面因素之后決定采用熱釋電紅外傳感器HC-SR501，它主要包括熱釋電探測元、濾光片等。其中，熱釋電探測元尤為重要，它輸出的電流信號比較微弱，唯有在進行放大處理后方可被系統辨識和讀取。關于前置放大器電路可見圖3。

圖3 前置放大器電路

人體紅外模塊含有三個引腳VCC（接高電平）、GND（接地）、OUT（信號輸出）。其輸出的主要功能是描述有無人在進行活動，因此，只存在兩種信號，分別是高、低電平。若元件監測區域內存在人體活動的情況，模塊會上輸出高電平信號，以此進行報警。若未監測到有人走動，輸出0V信號，此時不會觸動報警機制。

(2)DS18B20

關于DS18B20的測溫機制可見圖4，需要注意的是，此圖隱含計數門，在其呈打開狀時，DS18B20會自動計數低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖，由此實現對溫度的實時精準測定。

圖4 DS18B20的測溫原理

關于溫度傳感模塊，本設計在綜合考慮各方面因素之后決定選取外接電源的形式，此舉既能夠保證模塊穩定持續地獲得VDD供電，增強數據信息的轉換精準性，從而使得DS18B20保持良好的運行狀態。關于外接電源電路可見圖5。

圖5 外接電源方式電氣圖

(3)MQ-2

MQ-2傳感器可以將包括酒精等在內的多種化學物質的一系列特性（比如濃度等）變化準確快速地轉變為電信號，一般由接收器、換能器構成。在此設計中，煙霧檢測傳感器的功能是實時精準地監測住宅內可燃氣體是否存在安全隱患，無需識別氣體的類別，也不要測定煙霧濃度，確保各相關數值未超過閾值即可。鑒于此，本設計決定采用布爾型的輸出信號，關于 MQ-2電路原理可見圖6。

圖6 MQ-2電路原理圖

■2.2 其他外設模塊

(1)GSM

如果溫度等重要檢測對象的數值超出預設的閾值，抑或是在監測到特定區域內有人員活動，那么單片機會馬上啟動并運行SIM900A為用戶發送短信。兩者之間通過UART串口保持穩定可靠的通信關系。數據傳輸過程中會運用到AT指令集。能夠通過AT指令直接控制SIM900A模塊，以此完成一系列具體操作，比如定義校驗位等。

(2)TFT-LCD

本設計選取的STM32F103RCT6芯片，提供了2.4/2.8寸LCD接口，用戶能夠直接觸屏操作，TFT_LCD液晶顯示屏能夠和單片機連接。該顯示屏既能夠準確清晰的顯示文本信息，也可以實時高效地顯示圖像，而這即導致會產生較多的數據流量，所以應選用并口接口的方式。液晶屏封裝后為17×2排針引腳。

(3)BEEP

傳感器將其采集到的異常數據傳輸至芯片作進一步處理的過程中，單片機能夠根據對已接收數據信息的處理和分析結果，為蜂鳴器傳輸相應的電平信號，三極管接地，隨著電流的流經，蜂鳴器啟動并進行鳴叫，若I/O口輸入為低電平，那么三極管無法導通，此時，蜂鳴器終止運行，不會鳴叫。

(4)W5500

在物聯網設計方面，最關鍵的是實現和互聯網的穩定連接。本文采用的下位機環境檢測系統需在網線、W5500的支持下接入網絡。網線一端以W5500為紐帶和單片機連接，另一端則利用路由器接入網絡。

■2.3 J-LINK仿真器

該設備是由SEGGER企業研發出來的，它最突出的特征是即插即用，下載速度非常快，它適用于M3-Cortex內核單片機的仿真，也能夠良好地兼容KEIL編譯軟件，既不會出現遺失信息的情況，也能夠和各種相關硬件設備之間進行穩定便捷的連接，軟件操作比較流暢，特別適合STM32單片機。J-LINK通過電腦USB進行供電，電壓比較低，一般在1.2V~3.3V之間，某些情況下是5V，供電電流必須低于300mA，整機電流亦必須保持在50mA范圍以內。工作環境溫度大約為5°C~60°C等。

3 系統軟件設計

■3.1 環境監測與無線報警模塊

環境檢測內容主要有三項：一是通過HC-SR501人體紅外檢測傳感器實時精準地監測住宅區域內是否存在陌生人進入的情況；二是通過DS18B20溫度傳感器對住宅內部的環境進行動態化、精準化、持續化監測；三是通過MQ-2煙霧檢測傳感器對家居環境中的空氣進行實時精準地檢測，著重檢測其內部是否存在濃度超標的可燃氣體，抑或是由于火災的發生而形成的煙霧。若上述傳感器在運行過程中采集到異常數據，會馬上傳輸高電平信號，啟動蜂鳴器并觸動報警機制，以發出鳴叫的形式提醒用戶，不僅如此，還會為用戶發送報警短信，促進用戶及時全面地了解家居環境的具體情況，快速采取有效措施進行妥善處理。其程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 環境監測與無線報警系統程序設計流程圖

(1)HC-SR501模塊

該模塊將PC5引腳定義為數據通信引腳，對其進行初始化處理。將工作模式調整為帶上拉輸入，在無輸入的情況下，PC5口的輸出維持原狀，不會出現任何變化。將引腳速度定義為50MHz，且復位為低電平。在傳感器啟動并保持穩定良好的運行狀態時，利用infrared_read（）函數精準快速地讀取PC5的狀態輸入，若監測到陌生人進入，則馬上輸出“1”高電平，此信號在進行一系列處理后傳輸至報警模塊，以此馬上發出警報。

(2)DS18B20模塊

該模塊在通電后保持休眠模式，此時，唯有單片機下達指令方可切換此模式。單片機接收到溫度數據后，應向DS18B20模塊傳輸“01000100”數據，以此令該模塊由當前的休眠模式迅速切換至工作模式，在單片機接收信息的過程中，DQ線的電平被拉低，待15μs后，對此線的電平狀態進行準確快速地判定。在采樣的時間窗口內，若總線為高電平，主機會向DS18B20寫入1，若為低電平，主機寫入0。此時即實現了對bit位的成功傳輸。

(3)MQ-2模塊

該模塊將PC4定義為數據傳輸引腳，令其和傳感器的DO口相連接。PC4引腳在進行初始化處理后，引腳復位，利用smoke_read()函數對其當前狀態進行實時精準的判定。利用調節器完成對濃度閾值的合理定義，如果家居環境內的可燃氣體等含量低于預設閾值，那么DO口呈高電平；反之，則保持低電平狀態，同時，會利用PC4將其檢測到的數據信息傳輸到處理器作進一步處理和分析。

(4)BEEP模塊蜂鳴器模塊

將PA8引腳定義為數據通訊口，通過GPIOA的時鐘對此引腳進行初始化處理，若檢測到異常數據，需啟動報警機制時，可利用beep_set()函數調整PA8口狀態，由此實現對蜂鳴器運行狀態的有效調控。

(5)GSM模塊

此模塊和蜂鳴器協同運行，可將它們進行整合，使得蜂鳴報警與短信報警的功能同步實現。利用if函數對傳感器的當前運行狀態進行實時精準地監測，若發現異常，則馬上運行此模塊。

■3.2 TFT_LCD顯示模塊

關于顯示模塊的程序設計流程可見圖8。在程序啟動后，系統會自動檢測內部模塊運行狀態，如果均保持穩定良好的運行狀態，顯示屏會清晰直觀地顯示當前溫度值，若溫度值在預設的閾值范圍以內，進度條顯示為綠色，若超出預設值，則變為紅色，同時會觸動報警機制。若系統監測到有的模塊未保持穩定良好的運行狀態，那么會運行上述判斷程序，直至每一個模塊穩定可靠地運行。

圖8 顯示模塊程序設計流程圖

■3.3 W5500以太網控制模塊

該模塊利用W5500將檢測到的數據通過TCP協議快速精準地傳輸至yeelink服務器。用戶能夠直接利用云平臺接收并查詢其傳輸過來的數據。在進行調試時，能夠通過計算機了解服務器的回傳情況。通過網線連接路由器與W5500模塊，選擇路由器的主要原因是它能夠根據接收到的信息智能分配IP地址，操作便捷。

4 結束語

此次設計的智能家居安防系統優勢比較突出，不僅投入少、功耗低，并且性能可靠，可實現對住宅環境內的人員出入、煙霧濃度等精準實施的監測，一旦發現異常，可立即啟動報警機制，為用戶發送短信，促其盡快采取有效手段妥善處理各種問題。不僅如此，用戶還能夠對家居設備進行遠程監控。軟件設計方面，采用了當前應用比較廣泛的KEIL5編譯環境，以流程圖的方式客觀準確地展示程序框架，同時對主要程序進行了逐一介紹。硬件設計方面，主要對外設參數、電路原理等進行了細致全面地論述。