基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報警設(shè)備設(shè)計

摘" 要：通過對傳統(tǒng)報警設(shè)備進行調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)有線連接、單一連接限制、缺乏遠程控制等問題。這些問題導(dǎo)致了在安裝、布局和擴展方面的不便，限制了設(shè)備的適應(yīng)性和拓展性。為解決這些問題，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報警設(shè)備。該設(shè)計實現(xiàn)了無線連接、多設(shè)備連接和遠程控制，顯著提升了設(shè)備的靈活性、拓展性和用戶體驗。不僅能夠克服傳統(tǒng)設(shè)備的種種限制，還為報警設(shè)備在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)智能創(chuàng)新應(yīng)用提供了實質(zhì)性的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；報警設(shè)備；智能設(shè)備；ESP32S3

中圖分類號：TP277" 文獻標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）12-0173-05

Design of Intelligent Alarm Devices Based on Internet of Things Technology

CAI Bin1， SU Zichen2， NI Gengsheng1， NIU Jiahe1

（1.School of Computer Science and Information Security amp; School of Software Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China; 2.School of Life amp; Environment Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）

Abstract： By investigating and analyzing traditional alarm devices， it is found that they suffer from issues such as wired connections， single connection limitations， and the absence of remote control. These problems lead to inconveniences in installation， layout， and expansion， restricting the adaptability and scalability of the devices. To address these challenges， a smart alarm device based on IoT technology is designed. This design implements wireless connectivity， multi-device connectivity， and remote control， significantly enhancing the flexibility， scalability， and user experience of the device. Not only does it overcome the limitations of traditional devices， but it also provides substantial technical support for the realization of intelligent innovation applications of alarm devices across multiple domains.

Keywords： IoT technology; alarm device; intelligent device; ESP32S3

0" 引" 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)有線連接的報警設(shè)備逐漸凸顯一系列問題，如安裝煩瑣、拓展性差以及受限的遠程控制。為解決這些不便，本文研究設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報警設(shè)備。

該設(shè)計實現(xiàn)了無線連接，支持多對多的連接，具有強大的拓展性。允許一個報警設(shè)備與多個監(jiān)視設(shè)備同時通信，輕松添加更多設(shè)備以覆蓋更廣闊區(qū)域。同時，該設(shè)備能夠集成不同種類的報警，提供更全面、多層次的安全防護，簡化整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效降低成本。

為增強用戶體驗，引入了遠程監(jiān)控和控制功能，使用戶能夠隨時隨地接收報警通知，顯著提高了使用便捷性。加入鋰電池的電源管理模塊，為設(shè)備提供了更靈活、可靠、可持續(xù)的電源解決方案。此外，采用視覺和聽覺特征相結(jié)合的多感官報警機制，進一步提升了用戶響應(yīng)速度。這種設(shè)計為用戶創(chuàng)造了更加智能、安全的環(huán)境，在實用性上具有顯著的價值。

1" 整體架構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計分為硬件模塊和軟件模塊兩部分，整體架構(gòu)設(shè)計旨在充分利用硬件和軟件的協(xié)同作用，以提供高效、快速、可靠的智能報警系統(tǒng)，整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

對于硬件模塊設(shè)計選用樂鑫ESP32S3作為主控芯片，通過其Wi-Fi模塊進行網(wǎng)絡(luò)通信。多感官報警機制包括WS2812報警燈閃爍、無源交流蜂鳴器報警器蜂鳴和TFT LCD液晶屏[1]顯示報警位置。此外，還包括USB模塊[2]用于鋰電池充電與程序燒錄；而對于軟件模塊設(shè)計：考慮到設(shè)備需要快速的實時響應(yīng)，嵌入式軟件選擇靠近主控芯片底層的樂鑫ESP-IDF [3]開發(fā)平臺進行開發(fā)[4]。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議優(yōu)先采用MQTT協(xié)議[5]，因為它相較于HTTP協(xié)議占用更小的資源且傳輸速度更快。

2" 硬件模塊設(shè)計

2.1" 主控模塊

采用ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模組，其搭載2.4 GHz Wi-Fi（802.11 b/g/n）和Bluetooth? 5（LE），內(nèi)置ESP32S3系列芯片，板載36個GPIO以及豐富的外設(shè)，同時配備了PCB天線，提供了強大的連接和通信能力。本設(shè)計所使用的模塊，其引腳以及與之連接的對應(yīng)模組引腳關(guān)系如表1所示。

2.2" USB模塊

采用貼片式16-Pin USB Type-C接口及相應(yīng)的保護電路實現(xiàn)USB模塊，電路如圖2所示，能夠滿足充電和信號傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.3" 電源管理模塊

電源管理模塊分為電池充電模塊和3.3 V穩(wěn)壓供電模塊兩個部分。電池充電模塊包括SLM6300芯片和外圍器件，電路如圖3所示，焊點TP1和TP2用于連接鋰電池。SLM6300芯片實現(xiàn)了多種充電功能，包括低壓涓流充電、可設(shè)置電流值的恒流充電以及恒壓充電等。該芯片具有最大耐壓28 V的特性，有效防止靜電和浪涌電壓的潛在損害。

為了確保報警設(shè)備能夠在鋰電池的電壓范圍從空電到充滿電都獲得穩(wěn)定的3.3 V電源，需要3.3 V穩(wěn)壓模塊，其包括TPS63020芯片和外圍器件，電路如圖4所示。TPS63020是一種Buck-Boost升降壓拓撲轉(zhuǎn)換器[6]，內(nèi)部集成了4個峰值電流可達4 A的開關(guān)管，持續(xù)輸出電流可達2 A以上。該芯片具有高效率和優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)性能，能夠很好地滿足報警器的穩(wěn)壓供電需求。

2.4" 報警燈模塊

采用全彩可編程燈珠WS2812，通過串行級聯(lián)的方式組成四位WS2812，電路如圖5所示。這些燈珠被巧妙地布置在PCB邊緣，以便于觀察。

2.5" 報警器模塊

采用主控通過NPN三極管連接無源蜂鳴器[7]以實現(xiàn)報警功能，電路如圖6所示。其中，D1用于吸收蜂鳴器在關(guān)斷時產(chǎn)生的反電動勢，而R2則用于防止蜂鳴器誤發(fā)聲。

2.6" 位置顯示模塊

采用四線SPI通信的1.69寸240×280分辨率TFT LCD液晶屏模組，通過FPC軟排線以及0.5 mm間距FPC連接器JP1與主控連接，用于顯示各類信息，電路如圖7所示。

2.7" PCB設(shè)計

基于上述模塊，通過合理的布線和組件安排，確保系統(tǒng)各部分協(xié)同工作的穩(wěn)定性和可靠性，進行PCB設(shè)計，如圖8所示。

3" 軟件模塊設(shè)計

3.1" 主程序設(shè)計

設(shè)備啟動后，首先進行電池電量檢查。在確認電量充足的情況下，系統(tǒng)將按照以下步驟有序運行：啟動Web服務(wù)器、開啟Wi-Fi AP-STA，并監(jiān)聽MQTT事件。主程序詳細流程如圖9所示。

3.2" Web服務(wù)器

設(shè)備啟動后自動運行Web服務(wù)器，用戶只需連接設(shè)備AP并在瀏覽器輸入http：//192.168.4.1即可訪問，對設(shè)備查詢狀態(tài)和設(shè)置。在設(shè)備信息與設(shè)置頁面，可查看設(shè)備的基本信息，或執(zhí)行恢復(fù)出廠設(shè)置或重新連接Wi-Fi等操作。在連接Wi-Fi頁面，輸入連接憑據(jù)（Wi-Fi名稱和密碼）后，設(shè)備將嘗試連接到該Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并將連接憑據(jù)存儲在非易失性存儲中，確保連接的持久性。這樣，用戶通過Web界面能方便直觀地對設(shè)備進行配置和管理。

3.3" Wi-Fi AP-STA共存模式

Wi-Fi AP-STA共存模式使ESP32S3設(shè)備具備兩大功能。第一，充當(dāng)AP接入點，建立獨立的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，允許其他設(shè)備連接。第二，作為STA基站連接到另一接入點，連接到用戶指定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，為報警設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

3.4" MQTT通信協(xié)議

采用ESP-IDF MQTT框架配置MQTT Broker的地址和端口等參數(shù)，建立與遠程MQTT Broker的連接，實現(xiàn)與其的通信。

3.4.1" 主題設(shè)計

主題設(shè)計[8]如表2所示，其中SD表示報警設(shè)備的序列號。為了方便解析主題消息并確保主題消息至少收到一次，消息格式為JSON，質(zhì)量等級為1，且消息保留標(biāo)志位為真。一旦接收到訂閱的消息，通過判斷其主題，進行對應(yīng)JSON反序列化，從而獲取相關(guān)參數(shù)。通過這些主題，能夠方便地實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)。

3.4.2" MQTT事件監(jiān)聽

連接到MQTT Broker后，通過事件監(jiān)聽機制，設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)控MQTT連接狀態(tài)、訂閱和發(fā)布操作等事件[9]。一旦事件發(fā)生，設(shè)備會調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)，迅速響應(yīng)和處理MQTT通信中的各種情況。事件及其對應(yīng)的回調(diào)功能如圖10所示。

3.5" 多感官報警機制

采用基于FreeRTOS的多任務(wù)與消息隊列設(shè)計[10]如圖11所示，實現(xiàn)多感官報警機制的協(xié)同執(zhí)行。消息隊列傳遞各功能所需的參數(shù)，包括報警燈的閃爍模式、燈光顏色，報警器鳴響次數(shù)和報警位置字符串等。這種設(shè)計確保三者協(xié)調(diào)一致，最大限度地提升報警效果。

3.5.1" 報警燈閃爍

采用RMT驅(qū)動，RMT是ESP32系列特有的通用外設(shè)，可生成驅(qū)動WS2812時序信號。通過設(shè)定燈珠索引以及紅綠藍亮度值，使得四位WS2812能夠顯示出特定的顏色和閃爍效果，提供可靠的視覺指示。

3.5.2" 報警器蜂鳴

采用ESP-IDF的MCPWM模塊來驅(qū)動無源蜂鳴器，設(shè)置PWM頻率為4 000 Hz，初始占空比為0且調(diào)整方式為指定數(shù)值。這使得蜂鳴器能夠在需要時以高頻率啟動，并通過設(shè)置占空比實現(xiàn)精細的控制。

3.5.3" 報警位置顯示

采用SPI外設(shè)驅(qū)動，通過向LCD屏幕發(fā)送命令和數(shù)據(jù)來精準(zhǔn)控制顯示內(nèi)容。報警位置的呈現(xiàn)采用了與屏幕閃爍相配合的方式，以直觀顯示發(fā)生報警的具體位置，為采取迅速的行動提供便利。同時，LCD屏幕還具備引導(dǎo)初始化設(shè)置和顯示設(shè)備狀態(tài)的功能。

4" 測試分析

完成硬件模塊的PCBA制作后，燒入軟件模塊并進行一系列測試。通過瀏覽器成功連接到其Web服務(wù)器，也實現(xiàn)了對設(shè)備的正常配置和管理，結(jié)果如圖12所示。

在配置過程中，LCD屏幕將會進行引導(dǎo)，如提示進行初始化設(shè)置、展示設(shè)備正在加載以及設(shè)備已進入運行狀態(tài)等，效果如圖13所示。

另外，通過利用MQTT客戶端工具發(fā)布一條報警信號主題消息，多感官報警機制得到了正常響應(yīng)，結(jié)果如圖14所示，屏幕紅白界面交替閃爍，其中“position1”表示解析得到的報警發(fā)生位置。

5" 結(jié)" 論

本設(shè)計以樂鑫ESP32S3作為主控芯片，成功設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報警設(shè)備，這一基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能報警設(shè)備設(shè)計為傳統(tǒng)報警設(shè)備領(lǐng)域引入了智能的解決方案。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，仍存在改進和優(yōu)化的空間。未來的研究可以考慮引入更多新技術(shù)，以進一步提升報警系統(tǒng)的性能和適用性，滿足不斷變化的需求和挑戰(zhàn)。

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作者簡介：蔡彬（2003—），男，漢族，廣東珠海人，本科在讀，研究方向：計算機視覺。