基于Arduino的家居安全防護控制系統設計

呂微微 贠振剛 李資 張麗玲

摘 要：文章以Arduino為控制器，設計了一款家居安全防護控制系統。該系統主要由檢測模塊、控制模塊和通信模塊組成。每個模塊之間相互通信，完成數據的采集、控制以及網絡通信。該系統主要對家中的一氧化碳濃度、火災、陌生人闖入等安全問題進行監測與預防，使用戶無論身處何處都能利用物聯網通過手機終端設備遠程監控家中情況，消除潛在的安全隱患。

關鍵詞：Arduino;智能控制;室內安防

0 引言

隨著5G技術的發展和現代物聯網技術的不斷進步，家居智能化系統正在逐漸成熟和完善，也正在悄無聲息地改變著人們的生產生活方式[1]。室內安防控制系統是智能家居領域中不可缺少的重要組成元素，以物聯網為中心，大力發展安防控制系統[2]，通過大數據計算以及程序分析，實現對未知危險的預警和視頻的實時傳輸，讓居民無論身處何處，都能夠在手機上實時監控家中情況并進行及時處理，將潛在的安全隱患消除在萌芽之中[3]。

1 控制系統的總體方案設計

本文主要由檢測模塊、控制模塊和通信模塊組成。其中，檢測模塊主要由煙霧傳感器、火焰傳感器、人體紅外傳感器組成。控制模塊主要由Arduino控制器、水泵、步進電機構成。通信模塊主要由WiFi模塊、手機App和OneNet平臺組成。總體方案設計的主要原理是當煙霧傳感器采集到環境中煙霧的數值超過設定的閾值時，通過主控制板控制電機旋轉打開窗戶;當火焰傳感器采集到的數據超過設定的閾值時，主控制板控制水泵打開進行滅火;當人體紅外傳感器采集到數據時，通過主控制板控制GSM模塊發送短信給用戶端，并利用WiFi模塊將Arduino中的傳感器數據上傳至OneNet并進行數據處理，最后將數據發送到用戶端。控制系統總體方案如圖1所示。

2?硬件系統設計

本文采用Arduino 作為核心控制器的室內安防控制系統，通過傳感器檢測周圍環境參數信息，并將檢測結果傳輸到Arduino mega 2560中，經過數據處理直接輸送給控制部分執行器，再根據設定的程序進行相應操作。此時由ESP8266將采集到的傳感器數據通過WiFi無線傳輸上傳至OneNet，用戶在手機客戶端了解當前室內信息。

2.1 ?檢測模塊硬件設計

傳感器的主要作用是實時采集室內的各種數據，并且通過電信號傳送回Arduino mega 2560控制板，再根據設定程序進行相應的動作。

2.1.1 煙霧傳感器

本文采用MQ-2型號的煙霧傳感器監測一氧化碳（CO）的濃度，并將檢測值輸送到Arduino控制器，與程序中設定的閾值進行對比，當傳感器檢測到環境中的CO濃度超過設定的閾值時，Arduino輸出指令啟動步進電機，打開窗戶。

2.1.2 火焰傳感器

本文采用YS-17型號的火焰傳感器檢測火焰信號，通過紅外線感知火焰的輻射，紅外火焰傳感器能夠檢測到60度范圍內波長為700 nm和1 000 nm之間的火焰輻射，當火焰傳感器的探頭發現了火焰，則紅外光線就會產生一定的變化，通過變化的強弱轉化為電流信號，將信號傳輸給Arduino mega 2560控制板，Arduino輸出指令打開水泵。

2.1.3 人體紅外傳感器

本文選用DYP-ME003型號人體紅外傳感器，人體紅外傳感器在無人值守時啟動，當檢測到有人進入時就會發出報警短信給用戶，用戶遠程就能知道家中情況。

2.2 ?控制模塊硬件設計

傳感器將檢測到的數據輸送給Arduino控制器，Arduino根據程序中的設定情況對控制模塊傳送指令，并進行相應的操作。

2.2.1 ?Arduino mega 2560控制器

本文選擇Arduino mega 2560作為室內安防控制系統的控制器，Arduino mega 2560是帶有ATmega 2560的微開發控制面板，具有啟動加載程序功能，用于控制硬件設備，用戶可以使用Arduino IDE軟件編寫程序代碼，再通過USB端口直接下載到計算機。

2.2.2 水泵

本文采用Arduino繼電器進行驅動，控制5V電壓的水泵啟停。

2.2.3 步進電機

本文使用ULN2003型號的步進電機驅動板，驅動28BYJ-48-5V型號的步進電機。通過Arduino mega 2560的控制命令讓步進電機進行順時針和逆時針轉動，進行開窗和關窗。

2.3 ?通信模塊硬件設計

2.3.1 Sim800a模塊

Sim模塊也叫GSM/GPRS模塊，有通信、定位、發短信、打電話等功能，能夠實現在低功耗的條件下進行數據的傳輸。Sim800a模塊接線時需要外接5V/2A的電源，單獨進行供電，在連接Arduino后通過軟串口進行編譯，軟件的波特率設置為115 200，并插入一張支持發送短信的Sim卡。

2.3.2 WiFi模塊

本文采用型號為ESP8266-01s的WiFi模塊，ESP8266網絡通信模塊支持STA和AP兩種工作模式，STA模式的運行原理是ESP8266模塊通過路由器連接到互聯網端，手機通過互聯網實現對設備的遠程監控。而AP模式是將ESP8266作為一個橋梁，實現手機直接與模塊通信。本設計采用STA模式，將模塊連接手機開啟的熱點，通過手機熱點連接物聯網，將OneNet平臺和Arduino mega 2560對接使傳感器數據上傳到OneNet所創建的設備中。實物如圖2所示。

3 軟件系統設計

本設計采用Arduino IDE編程軟件進行編程，能夠使用USB進行燒錄程序。

3.1 程序設計

程序設計思想為以Arduino mega 2560為控制中心，傳感器將采集數據發送到Arduino mega 2560，Arduino mega 2560對收到的數據進行判斷，若未達到閾值則返回傳感器繼續進行檢測，若傳感器檢測到的數據超過閾值，Arduino mega 2560控制板則會發出相應的執行指令給控制設備，控制設備接收到指令再進行相應的動作，直到傳感器檢測到的數據低于規定閾值，控制板發送停止指令后控制設備停止動作。與此同時，通過WiFi模塊不間斷地將Arduino mega 2560的數據上傳到云平臺，云平臺將數據傳送到手機App中顯現，用戶在手機端能夠實時查看數據。部分程序如圖3所示。

3.2 程序調試

室內安防控制系統軟件部分主要分為自動控制和手動控制。在手動控制時，通過手機App手動控制窗戶的開關、水泵的啟停。自動控制時，當CO濃度超過設定閾值時，自動開啟步進電機使窗戶打開;當火焰值超過設定閾值時，水泵開始運行;當檢測到有人員進入室內時，給用戶發送報警短息。所有檢測數據均可通過OneNet的手機版App查看。檢測數值如表1所示。

從表中可以看出，當煙霧傳感器檢測的數值大于220時，電機啟動打開窗戶;當火焰傳感器檢測到的數值小于900時，Arduino控制繼電器打開水泵。

4?結語

本文設計了一款基于Arduino的室內安防控制系統，實現了對室內的一氧化碳濃度、火災、陌生人闖入的安全問題進行預防和控制，并且通過手機App遠程監控，實現了無論何時何地都能對家中情況了如指掌，具有一定的實用性。

[參考文獻]

[1]趙洋洋，陳國維，郭震邦，等.一種基于Arduino的智能家居安防系統設計[J].中國科技信息，2020（5）：98-99.

[2]張偉，胡雄強，王明倩，等.一種基于物聯網的智能家居系統設計[J].信息技術，2019（3）：48-51.

[3]王瑞祥，楊定成.基于Arduino的智能環境監測系統地設計與制作[J].科學技術創新，2020（2）：88-89.

（編輯 王雪芬）