基于視覺物聯網的智能家居安防硬件系統設計

高貝貝，崔金龍，郭寶軍，白鋅，康憲芝

（滄州交通學院，河北黃驊，061199）

0 引言

隨著人們的安全隱患意識的不斷提高，人們開始在家庭或單位等生活場景加裝各種傳感器（如煙霧傳感器、溫度傳感器、可燃氣體傳感器）預防火災的發生，PC 端視頻監控設備及智能門禁系統也得到廣泛應用。微處理器的優良特性和嵌入式技術的發展，各種安防報警設備也得到普及。這些安防手段和措施起到一定的效果，但還是無法滿足人們的要求。本文在傳統安防系統基礎上嵌入視覺檢測技術，設計了一種智能家庭安防系統。實現前端監測節點、云平臺、用戶端之間的雙向通信，保障異常信號傳輸的準確性與實時性，進而構建“監測端+云傳輸+智能端”三維一體的安防模式。

1 系統方案設計

基于視覺物聯網的智能安防系統由前端監測節點（從機設備）、網關設備、物聯網云平臺三部分構成。前端監測節點設備主要由溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器、非法入侵監測模塊、視覺異常事件監測模塊構成，網關設備將前端節點采集的信號上傳到物聯網云平臺，能夠實現多區域監測多傳感器融合的實時火災險情精準識別功能。物聯網云平臺可以實時接收網關傳來的數據，同時可通過PC 端或手機端向用戶展示先關信息。總體系統設計方案如圖1 所示。

圖1 系統設計框圖

2 硬件電路設計

2.1 主控最小系統板電路

主控最小系統板由STM32F103C8T6 芯片、復位電路、DC5V 轉DC3.3V 電路、無源32.768 kHz 電路、有源8MHz電路、啟動模式控制電路、程序下載SWD 接口電路及部分接口構成。主控最小系統板電路原理圖設計如圖2 所示。

圖2 最小系統板電路原理圖

2.2 LoRa SX1278 無線模塊連接電路

硬件系統有一套硬件設備作為前端監測節點網關，負責發送網關詢問指令接和接收從機設備回傳的傳感器數據，另幾套作為從機設備負責回傳傳感器采集的數據，即構成一主多從的星型網絡拓撲結構。而設備間的無線通信工作則采用LoRa 無線模塊完成，LoRa 無線模塊內置SX1278 芯片，使用SPI 通信協議來驅動LoRa SX1278 無線模塊。LoRa 無線模塊的MISO、MOSI、SCK、NSS、RESET 引腳分別連接到STM32 的PB14、PB15、PB13、PA8、PB12 引腳上，系統為LoRa 無線模塊提供DC 3.3V 供電。LoRa SX1278 無線模塊電路連接圖如圖3 所示。

圖3 LoRa SX1278 無線模塊電路連接原理圖

2.3 WiFi 模塊連接電路設計

硬件系統使用的是ESP8266 WiFi 模塊第二功能即“Wi-Fi 連接功能”，通過UART 串口與STM32F103C8T6的串行通信接口2 相連。ESP8266 WiFi 的TXD0 引腳連接到STM32 的PA3-RXD 引腳，ESP8266 WiFi 的RXD0 引腳連接到STM32 的PA2-TXD 引腳。ESP8266 WiFi 的GPIO0與接GND 端的按鍵相連，當按鍵key2 按下時即ESP8266 WiFi 的GPIO0 引腳接通低電平，可用以燒錄AT 固件使用。WiFi 模塊電路電路連接圖如圖4 所示。

圖4 WiFi 模塊電路連接原理圖

2.4 非法入侵事件硬件電路設計

（1）接收器靈-R1 驅動電路

非法入侵事件監測接收器靈-R1 驅動電路如圖5 所示。K/O 引腳為接對碼按鍵，單擊進行對碼模式，“靈-T3A”按任意鍵可對碼。D0～D3 引腳為4 路開關量輸出，分別連接到STM32 的PB5～PB8 引腳。

圖5 接收器靈-R1 連接電路原理圖

（2）發射器靈-T3A 驅動電路

非法入侵事件監測發送器靈-T3A 驅動電路如圖6 所示。M2 是靈-T3A 模塊可提供4 路點動觸發信號；M3 是常閉干簧管磁控開關元件，閉合動作時為靈-T3A 模塊的K2 引腳提供點動觸發信號；M1 是3.3V 紐扣電池為整個小系統提供電源；M4 是撥動開關控制系統供電的開/關。

圖6 發送器靈-T3A 連接電路原理圖

2.5 OpenMV 模塊連接電路

OpenMV 嵌入式視覺模塊安裝到二自由度平臺上，圖7 為OpenMV 模塊、二自由度平臺與系統板的連接電路圖。DJ1-VCC、DJ2-VCC、MV-VCC 為設備供電引腳；DJ1-IN 為垂直控制舵機PWM 信號輸入引腳，該引腳連接到STM32的PA7 引腳；DJ2-IN 為水平控制舵機PWM 信號輸入引腳，該引腳連接到STM32 的PA6 引腳；OpenMV 模塊通過串口通信接口MV_XT 和MV_RX 與STM32 的UART 的復用引腳PA10 與PA9 相連。

圖7 OpenMV 模塊連接電路原理圖

2.6 煙霧及可燃氣體監測電路

MQ-2 氣體傳感器對丙烷、煙霧的靈敏度高可用于監測環境煙霧情況，MQ-5 氣體傳感器對丁烷、丙烷、甲烷靈敏度高可檢測多種可燃性氣體。兩種傳感器雖然檢測的對象不同，但其測試電路連接一樣，圖8 為煙霧及可燃氣體監測電路連接圖。

圖8 煙霧及可燃氣體監測連接電路原理圖

2.7 DHT11 傳感器連接電路

DHT11 模塊有四個引腳，VDD 為電源引腳可接入3.0～5.5V 直流源，SDA 引腳與外部MCU 相連用于串行數據傳輸，NC 通常懸空處理，GND 引腳為供地端。DHT11模塊外圍電路中通常將SDA 引腳上拉一個4.7 k 的電阻。DHT11 模塊連接電路圖如圖9 所示。

圖9 DHT11 模塊連接電路原理圖

2.8 OLED 屏幕驅動電路

0.96 寸OLED 屏模塊有四個引腳，VDD 為電源引腳可接入3.0～5.5V 直流源，GND 引腳為供地端，SDA 引腳與外部STM32 的PB10 相連在I2C 通信中為數據管腳，SCL 引腳與外部STM32 的PB11 相連在I2C 通信中為時鐘管腳。0.96 寸OLED 屏模塊外圍電路中通常將SDA 引腳與SCL 引腳上拉一個4.7k 的電阻。0.96 寸OLED 屏模塊連接電路圖如圖10 所示。

圖10 0.96 寸OLED 屏模塊連接電路連接

3 硬件實物調試

從機設備與主機設備硬件設計完全相同，不同之處是燒入的程序不同。從機設備OLED 屏幕上方顯示的是“Slave1”或“Slave2”，屏幕下方顯示的是從設備實時采集的傳感器數據，主設備每隔3 秒聽過LoRa 模塊向從設備讀取數據，如溫度值、煙霧濃度值、非法入侵次數、事件異常次數。為了減小硬件電路板體積，本設計將溫度傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器放到PCB 板背面了。硬件系統以兩個從設備一個網關設備為例，圖11 為兩個從設備和一個網關設備實物圖，網關通過WiFi模塊將三個設備采集的數據上傳到云端。

圖11 從機設備和網關實物圖

4 結論

本文主要針對智能家居安防系統的硬件電路進行了設計與搭建，包括WiFi 模塊電路、LoRa 無線模塊電路、煙霧及可燃氣體監測電路、OpenMV 嵌入式視覺模塊電路、非法入侵事件監測電路、主控系統板電路。經過聯網調試，嵌入視覺檢測技術的智能家居安防系統能夠準確實時的監測家居環境，良好的交互性能提高用戶使用滿意度。