王鹏 于润嘉 罗全珍

摘 要：为了解决传统智能家居安防系统布线复杂、功能单一、维修困难等问题，设计了一种具有室内空气质量监测、安防报警等功能的家庭智慧安防系统。系统使用STM32芯片作为主控芯片，利用多种功能传感器检测家居环境，并将检测到的数据送至STM32芯片处理后在液晶显示屏显示。当系统检测到传感器输出信号异常时会产生蜂鸣报警，同时GPRS模块向用户手机发送报警短信。为了使用户能够在远程外网通过PC机或智能终端实时监控住宅状况，单片机将收集到的信息通过网关传送至YeeLink云平台以便用户访问。室内环境测试分析结果表明，系统达到了预期的设计目标，具有低成本、高性能、稳定性好的特点。

关键词：物联网技术;STM32;传感器;安防;云平台;GPRS

中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-03

0 引 言

随着物联网技术在各行各业的成功应用，使人们的生活更加便捷、高效。个人家庭住宅的安全成为人们关注的新兴话题，大家不仅满足于住得舒服，更希望住得安全。将物联网技术应用到家庭智慧安防系统当中是发展的必然趋势。针对目前智能家居安防系统布线复杂、功能单一、维修困难等问题[1-2]，本文设计了基于物联网的家庭智慧安防系统，通过将嵌入式、传感器与物联网技术的有机结合，为智能家居安防系统的设计提供了一种新思路。实践表明，低成本、低功耗、高性能的特点使得该系统在智能家居安防市场有较大发展前景。

1 系统总体设计

系统设计主体分为智能家居安防子系统与远程监控子系统两部分。智能安防子系统利用多种功能传感器实时监测家居温湿度、空气质量、光照强度等环境参数，通过STM32单片机采集、处理传感器数据，并发送至LCD液晶显示屏进行显示。当传感器采集数据超过阈值时，STM32单片机控制GPRS通信模块将内置报警信息发送给用户实现报警功能。同时用户也可以通过GPRS模块发送控制信息，实现家中智能设备的远程控制与调节[3]。为了使用户能够在远程外网通过PC机或智能终端实时监控住宅状况，STM32单片机将收集到的信息通过以太网控制模块W5500搭建的网关传送至YeeLink云平台，以便用户能够进行实时訪问[4]。系统总体架构如图1所示。

主控芯片核心参数的选择决定了系统整体性能的优劣。意法半导体公司推出的基于Cortex-M3内核的STM32单片机是一款易于编程操作且高性价比的单片机。由于本系统具有实时性强、外设多，需具备网络通信功能等特点，综合各方面因素考虑，选择LQFP封装形式的STM32F103ZET6 芯片作为核心处理器，其工作电压范围为2.0～3.6 V，工作温度范围为-40～85 ℃。它片内集成了丰富的资源，包括512 KB FLASH，64 KB SRAM，3个12位μs级ADC，测量范围0～3.6 V，多达80个I/O，4个通用定时器，2个高级定时器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等，大大简化了外围电路设计，有效降低了硬件设计成本[5-6]。

2 安防子系统数据采集模块硬件设计

2.1 环境温湿度检测模块设计

系统采用包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件的温湿度复合传感器DHT11进行环境温湿度检测。设计中DHT11通过DATA引脚将温湿度数字量信息传送到STM32单片机的PA1引脚，由单片机进行数据分析与处理[7]。DHT11数据包长度为5 B，其中湿度数据、温度数据各占2 B，校验和占1 B。为了避免DHT11传感器上电后不稳定状态带来的测量误差，STM32单片机需等待1 s，再向DHT11发送指令。DHT11通过单总线与STM32单片机进行通信，即仅需一个I/O口，便可完成数据的输入/输出双向传输。DHT11与STM32单片机之间的连接示意如图2所示。

2.2 安防报警模块设计

安防报警模块由振动传感器、光电传感器、PM2.5浓度检测传感器和烟雾检测传感器组成[8]。SW-420振动感应器、E18-D80NK光电传感器的信号是数字信号，信号输出端口直接连接到STM32单片机。YW-51GJ的PM2.5气敏粉尘传感器，通过脉冲高度来判断细颗粒物浓度。MQ-7气体传感器能有效监测液化气、烷类气体及烟雾等有害气体，是一款多种气体检测传感器。

SW-420振动传感器是一种振动传感元件，其内部门电路均是接通状态，内部活动滚轴的位移或振动会改变内部电路的电流和阻值，引起门电路开断状态改变，因此一定程度的移动或振动会触发电路。传感器通过I/O口直接与单片机连通，当振动产生时输出端输出高电平，单片机接收到高电平触发相应的程序。

E18-D80NK光电传感器是集成发射和接收的光电传感器。接收头解调反射光并用于确定传感器前面是否存在障碍物。该端口直接输出高电平和低电平，并且可以在没有任何驱动电路的情况下与单片机通信。

YW-51GJ PM2.5传感器内部由红外线发光二极管和光电晶体管组成。当细颗粒物经过传感器内部的检测孔时，依据光的散射原理，它会对光线形成散射，感光元件将通过光轴的光信号转换为电信号输出。由于输出信号十分微弱，需设计多级运算放大电路，对信号进行多级放大并送至STM32单片机的A/D转换模块，进行模/数转换后显示与发送。设计的PM2.5浓度检测电路如图3所示。

MQ-7气体传感器采用电导率较低的二氧化锡（SnO2）作为气敏材料，通过高低温循环检测方式进行检测。传感器的电导率随环境一氧化碳气体浓度的增加而增大，电导率的变化被转换为与一氧化碳浓度相对应的信号输出。该信号经A/D转换模块变换为数字信号供单片机处理。

2.3 GPRS无线通信模块设计

GPRS采用分组交换的方式承载和传输语音、短消息和数据业务。由于具有覆盖面积大、网络成熟、成本低等特点，它广泛应用于智能家居监控领域进行远程无线数据的采集与传输[9]。

本设计采用高性能、高可靠性、接口及外围电路设计简单的ETPro-101An模块作为GPRS无线通信模块。为了实现GPRS模块与单片机之间的通信，通过MAX232芯片实现电平转换[10]。

2.4 以太网控制模块设计

为了实现智能家居的远程监控，设计采用支持多种通信协议、高传输速率、自带SPI接口及官方应用库的以太网接口模块W5500实现远程数据传输功能。

W5500模块通过以太网将传感器测得的数据信息发送到网络平台;用户能够在远程外网通过PC机或智能终端实时登录网络平台，获取相应的数据实时监控住宅状况[11]。

3 系统软件设计

基于模块化的设计理念，设计了系统主程序、各功能子程序及HMI程序。主程序流程如图4所示，HMI程序流程如图5所示。

各功能子程序主要包括初始化子程序、数据采集子程序、液晶显示子程序、GRPS无线通信子程序等。系统加电后，初始化子程序首先对单片机的I/O口、通用串口、中断寄存器等进行初始化设置，紧接着对各传感器、液晶显示屏及远程通信模块等外围设备初始化，使其处于待工作状态。

传感器采集的模拟量通过STM32片内12位多通道A/D转换器进行转换;传感器采集的数字量依据采用的通信协议，按照相应的数据格式完成与STM32芯片之间的数据交互。

数据读取和阈值判断在主程序的while循环体中进行，这样单片机可以按照一定周期不断更新数据并不断监测是否满足报警条件。

4 系统测试与实现

为了验证系统各部分功能是否正常，对系统进行了整体测试。若光照强度不高于30 Lux，则低于程序预设阈值，TFT-LCD顯示屏显示当前测量数值并提示用户开启灯光，如图6所示;HMI程序跳转至顶灯控制界面，用户可以直接通过操作屏幕控制室内测试环境中的灯光，如图7所示。

当感知到障碍物且振动传感器数值变化范围大于程序阈值时，单片机进入入侵报警程序[12]。通过串口编号可判断出发生室内入侵的位置。报警信息和入侵状况通过LCD屏幕以可视化方式告知用户，如图8所示，用户需在HMI屏幕确认，如图9所示。若30 s未进行操作，单片机向通信模块发送指令，将相应的入侵报警信息以短信方式发送到安保组织。

5 结 语

本系统将STM32单片机与物联网技术、以太网技术搭配实现了一种家庭智慧安防系统。该系统具有温湿度检测、入侵检测、颗粒物浓度检测、有害气体检测等功能，可通过移动通信网络进行短信报警，通过以太网与云端实现远程监控。选择室内环境进行测试分析，结果表明，系统实现了低成本、高性能、稳定性好的智能家居安防系统的构建。

参考文献

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