智能家居安防系统研究与设计

孔令荣　王　昊　温宏愿　於炜力

(南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州　225300)

智能家居安防系统研究与设计

孔令荣王昊温宏愿於炜力

(南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州225300)

摘要：为实现对家庭环境的智能监控，研究并设计了以STM32单片机为主控核心，以GSM短信模块实现信息传输的家庭安防系统。该系统由主控制器、显示模块、信息传输模块、防盗模块、防火模块和声光报警模块等组成，可解决传统形式安防系统存在的隐患，使家庭防盗具备报警更及时、使用更方便的优点。其报警方式不再局限于传统的有线电话报警，而是利用先进的GSM移动网络，通过中文短消息的形式，及时把报警情况发送至用户的手机屏幕上，并发出声音报警。该系统能够防范一定的险情，用户可以通过无线遥控对该系统进行布防和解防。实验表明该系统具有用户投资小、运营费用少、操作便捷的优点。

关键词：智能家居智能安防系统传感器STM32GSM监测监控防火防盗

0引言

近年来，随着城市流动人口的不断增长，入室抢劫、盗窃等案件屡有发生，带来了较为恶劣的社会影响，使人们的生命财产也遭受损失，人们对安全的生活空间的需求更加迫切。但是随着科技的发展，犯罪人员的作案手段也变得越来越高明，甚至有些人运用高科技犯罪，这就使得传统的家庭住宅防盗方式显然己经无法符合人们的需求。与此同时，一些传统的机械式家居防卫，防盗门、防盗窗等也带来不少问题，比如在众多住宅区中，部分住宅的突兀装修，会明显影响建筑美观、市容的整洁等；而一些防盗门窗的安装不当，甚至会影响火灾的救援通道，有时也会给犯罪分子提供方便，如利于翻越攀爬；部分防盗门窗使用久了还会带来高空坠物的风险。因此，采用嵌入式技术的新型的智能安全防盗报警器系统应运而生，并且得到了广泛的应用。据报道，建设部制订了住宅小区的智能化评定标准，规定智能小区中必须同时具备信息管理、物业管理、安全防范信息网络等系统，为的就是进一步规范住宅小区智能化建设。所以，智能安防系统逐渐成为小区建设安防项目中的主流[1-2]。

1系统方案及关键技术

本设计方案采用STM32单片机作为控制模块的核心，利用软件编程使单片机不停地读取防火防盗传感器信号，经过数据处理，由液晶屏作为用户交互显示界面。单片机具有运算功能强、软件编程灵活、自由度大的特点，并且可用软件编程实现各种算法和逻辑控制[3-5]。其功耗低、体积小、技术成熟、成本低；且可扩展，附带显示设备、单键输入等设备，使用方便；还可通过软件编程实现对步进电机的速度预设显示。单片机芯片引脚少，软硬件连接简便灵活，硬件实现容易。本设计需要实现的功能共分为7个大的模块，分别为主控模块、防火监控模块、防盗监控模块、报警模块、用户交互显示模块、无线遥控模块和存储模块。主控模块采用STM32F103RCT6为主控芯片，内部集成了RTC时钟，并且在芯片外接了一个2 MB的Flash用作存储汉字库和一个8 kB的EEPROM用来存放数据，保证掉电数据不丢失[6]。防火监控模块使用温湿度采集传感器、烟雾传感器、天然气浓度传感器、电流传感器、火焰传感器，对室内数据进行采集；然后通过A/D转换，将数据处理后打印到TFT彩屏上。当数据发生异常时，控制器会报警，可以处理一部分险情，并且短信通知用户；用户可以通过发短信的方式来设置电流提醒的上限值。防盗监控模块包括人体热释电传感器，当在布防模式下发生异常情况时，主控制器会控制报警系统进行报警并且发短信告知用户。报警模块主要分为声音报警和GSM短信报警。无线遥控模块的主要作用是解除警报、布防以及解除布防。系统框图如图1所示。

图1　智能安防系统框图

2硬件电路设计

2.1主控模块设计

主控模块包括一个STM32最小系统、一个SD卡接口电路和一个2 MB的Flash芯片电路。

2.1.1STM32单片机最小系统

本设计采用ST公司生产的STM32F103RCT6为平台，其内核是Cortex-M3，用于进行MP3播放器的设计。接下来介绍本设计用到的几个芯片。首先就是主控芯片STM32F103RCT6，它是ST公司推出的Cortex-M3内核32位微处理器。它的优点是高性能、低成本、低功耗，主要运用在嵌入式领域。同时，STM32F103RCT6是ARM7架构，其原理是Thumb-2技术，将16位和32位指令相结合，使代码密度和性能达到了最佳平衡。本设计中利用了Thumb-2技术，其主要原因在于，它比纯ARM代码节省31%的内存，这样就可以减小设计开销，同时也能够提供比Thumb技术高出38%的性能[7-8]。

2.1.2SD卡电路的设计

SD卡是基于Flash储存介质的新一代记忆设备，具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好以及兼容MMC卡等优点。SD卡有两种工作模式：SD模式和SPI模式。相对SD模式而言，SPI模式可以更简化主机设计，从而降低成本。SD卡以命令形式来控制SD卡的读写等操作。根据命令对多块或单块进行读写操作。在SPI模式下，命令由6个字节构成，其中高位在前。STM32F103RCT6单片机没有SD总线接口，故只能采用SPI模式[6,9-10]。

2.1.3字库Flash接口电路

由于显示需要用到汉字，如果要对汉字进行取模显示，程序太复杂，所以本设计采用了一个2 MB的Flash芯片存放字库。字库的读写采用SPI总线的方式，所以将其连接到了控制器的SPI1总线上。电路如图2所示。

图2　字库Flash接口电路图

2.2防火监控设计

防火监控由温湿度采集传感器、MQ2烟雾传感器、MQ5天然气浓度传感器、电流传感器、火焰传感器构成，当室内的烟雾浓度或者天然气的浓度超标时，控制器会发出声光报警和短信报警。

2.2.1烟雾传感器电路设计

烟雾传感器MQ2的原理是：当传感器处于存在烟雾的环境中时，随空气中烟雾气体浓度的增加，传感器的电导率也增大。此传感器所使用的气敏材料是二氧化锡(SnO2)，这种材料在清洁空气中的电导率较低，可以使用简单的电路将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。电路设计如图3所示。

图3　烟雾监控电路图

图3中，R16的作用是调节烟雾浓度传感器的灵敏度。本设计使用R16的作用是直接检测AOUT输出的电压量，AOUT的值跟烟雾浓度成正比，烟雾浓度越大，AOUT的值越大。

2.2.2天然气体浓度监测电路设计

本设计采用的天然气传感器是MQ5。MQ5气体传感器的原理是：当传感器处于存在烟雾的环境中时，随空气中烟雾气体浓度的增加，传感器的电导率也随之增大，此传感器所使用的气敏材料也是SnO2。这种材料在清洁空气中电导率较低，因此可以使用简单的电路将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。其电路与烟雾传感器监控电路类似，故不再赘述。

2.2.3电流传感器电路设计

本设计使用的电流传感器是ACS712，该器件最大的特点就是具有精确的低偏置线性霍尔传感器电路，而且电流路径靠近芯片的表面。这个电流是通过铜制电流路径施加的，此电流还可以被集成霍尔 IC 感应，与此同时转化为成比例电压的磁场。本设计主要通过将磁性信号靠近霍尔传感器，实现器件的精确度优化。而其中精确的成比例电压是由稳定斩波型低偏置Bi-CMOS霍尔IC提供，原因在于该 IC出厂时已进行精确度编程，便于本设计直接采用。电流监控原理如图4所示。由图4可知，主要铜制电流路径(从引脚1和2，到3和4)就是用作电流感测通路。当电流流经此通路且电流不断上升时，器件会输出与电流成正比的电压。

图4　电流监控原理图

图4中，P2的两端接到家用电缆的主干路上，通过P3给芯片供电，7脚输出一个模拟量。电流和模拟量呈线性关系，电流越大，输出的模拟量越大。

2.2.4火焰传感器电路设计

本设计选用的火焰传感器是紫外火焰传感器，火焰的辐射往往是离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射同时存在的一种辐射，波长为0.1～10 μm或更宽的范围，一般利用波长<300 nm的紫外线作为探测信号。因为紫外线传感器只对185～260 nm狭窄范围内的紫外线进行响应,而对其他频谱范围的光线不敏感，这样也可以避免其他信号的干扰。另外，火焰探测的220～280 nm中紫外波段属太阳光谱盲区(日盲区)。利用紫外火焰探测技术，就可以让系统避开最强大的自然光源——太阳对电路所造成的影响。这样就可以大大减轻信息处理的负担，同时也很好地提高了其可靠性。此外，紫外火焰检测技术采用光子检测手段，使系统具有极微弱信号检测能力，其信噪比也大大提高。明火监控原理如图5所示。

图5　明火监控原理图

图5中，R1的作用是分压和限流，没有火焰的状态，传感器就好比一个阻值很小的电阻，经过一个比较器后输出一个高电平;当有火焰时，传感器就相当于一个阻值很大的电阻，分得的电压经过比较器后输出一个低电平。R3的作用则是调节火焰传感器的灵敏度。

2.3防盗监控设计

防盗监控由人体红外传感器构成。人体热释电红外传感器的原理是：移动人体可以辐射出特定波长的红外线，红外传感器是通过接收红外线，并转化为与人体运动速度、距离、方向有关的低频电信号。具体原理是当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷即热释电电荷减少。一般来说，根据热释电电荷的多少就可以分析出材料温度的变化，所以设计中也是通过电路将热释电电荷转变成电压而输出，从而分析出材料温度的变化，并探测出红外辐射能量的变化。红外探测器中的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦到探测器上，这样红外探测器就可以探测到一个立体探测空间内所有热辐射的变化，进而判断是否有人存在。

2.4环境监控模块

环境监控部分主要包括温湿度传感器DHT11和CO传感器。

2.4.1温湿度传感器电路设计

本设计采用的温湿度传感器是DHT11。DHT11数字温湿度传感器是一种复合传感器，其中含有已校准数字信号输出的温湿度传感器。它使用的是专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，为的就是确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器器件的组成是一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，与一个高性能8位单片机相连接。DHT11采用的是单总线的数据读写方式，所以本设计使用阻值为5 kΩ的R38电阻将数据线电平拉高，其电路图如图6所示。

图6　温湿度测量电路图

2.4.2CO传感器电路设计

MQ7气体传感器采用高低温循环检测方式低温(1.5 V加热)检测CO，则可以通过检测之后传感器的电导率的变化分析其CO的含量。由于传感器的电导率随空气中CO气体浓度的增加而增大，并且所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2，这样就可以使用简单的电路将电导率的变化转变为与该气体浓度相对应的输出信号。本模块的电路设计与烟雾传感器相同，故不再赘述。

2.5报警模块设计

报警模块由声光报警和GSM模块短信报警组成。当控制器检测到不同的险情时，会根据险情来选择不同的报警方式。本节将详细介绍这两部分。

2.5.1声音报警电路设计

声音报警部分采用的语音芯片是JQ6500。JQ6500是一个提供串口的MP3芯片，不仅集成了MP3、WMV的硬解码；而且同时软件支持TF卡驱动，可以支持各种类型的文件，比如支持电脑直接更新spi flash的内容，以及FAT16、FAT32文件系统。这样可以通过简单的串口指令，完成播放指定的音乐。语音播报电路原理如图7所示。

图7　语音播报电路原理图

图7中，DACL和DACR为耳机输出，TX和RX为232总线数据的发送和接收接口，Busy为检查语音模块是否在工作的标志位。当语音模块工作时，Busy为高电平；当语音模块停止工作时，Busy为低电平。2.5.2GSM模块短信报警电路设计

GSM模块能够将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上。本设计使用的是SIM900A模块。该模块与GSM phase2/2兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS-232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输。无线收发模块建立在无线收发芯片SMARTI基础上，收发器的组成是差分接收电路、非转移调制环路传送器、RF PLL及IF合成器、外置收发天线。系统的供电是由电源供给模块给予的。一般来说，GSM引擎TC35i所需直流电压为3.3～4.4 V，最大电流为2 A，而待机时电流就很小，一般为3 mA。它工作在在发送语音、数据机短信的状态下时，要很大的电流驱动。为方便GSM引擎TC35i工作，必须外加电源，并且额定电流至少2 A。

2.6人机交互显示模块设计

本设计采用240×320分辨率2.8英寸(1英寸=25.4 mm)的彩屏，支持262K/65K色，控制器采用ILI9325。ILI9325控制电路如图8所示。在VCC5 V和GND之间接两个旁路消振电容，防止通过电源引入的干扰和寄生振荡。通过BL-CTR，可以对TFT背光进行调节，同时增加了LCD背光限流电阻，防止电流过大烧毁背光灯。

图8　ILI9325控制电路图

3系统软件程序设计

系统软件子程序设计包括如下模块程序：LCD驱动模块、Flash字库、SD卡驱动模块、FAT文件系统模块、实时时钟驱动模块。

底层硬件驱动子程序设计包括如下模块程序：电流监控模块、天然气监控模块、烟雾监控模块、CO监控模块、明火监控模块、语音播报模块、GSM模块，温湿度监控模块。

3.1主程序设计

系统开机之后主要分为三步，第一步是对系统各个硬件模块进行初始化；第二步检测SD卡是否存在，存在加载SD卡的问题；第三步是查找系统文件，本系统的系统文件全部在SYSTEM文件夹下，该文件夹下又包括两个文件夹:font文件夹、ioc文件夹。font文件夹下包括FONT12.FON和FONT16.FON两个字体文件。接下来就是进入主界面，然后对天然气，烟雾、CO、火焰、电流进行监控。如果有一项数据不正确，就报警并进行相应的处理。最后判断是否为安全模式，如果是，则人体热释电模块工作，进入防盗模式；如果不是,则进行时间和温湿度的显示，并等待无线遥控。在本设计中，系统分为多个子程序，而它的主控制程序是通过调用各个模块的相关函数，从而实现整个系统的功能整合。主控制程序的流程图如图9所示。

图9　系统主程序流程图

3.2SD卡驱动设计

SD卡在上电初期自动进入SD总线模式，要进入SPI模式，先要向SD卡发送复位命令CMD0。CS为低电平时，SPI模式被启动。在发复位命令CMD0前，要发送>74个时钟，这是因为SD卡内部供电电压上升时间大约为64个时钟期(CLK)，剩余的10个CLK用于SD卡同步，这之后才能开始CMD0的操作。具体通过u8 SD-Init(void)函数实现。

完成SD卡初始化后，接下来就是SD卡读写数据。SD卡读数据的过程就是先发读命令，接下来接受到应答信号，然后读取数据，读完后停止数据读取并取消片选。具体通过u8 SD-ReadDisk(u8*buf，u32 sector，u8 cnt)函数实现。SD卡写数据类似于读数据过程，只是发的命令变成了CMD24，具体通过u8 SD-WriteDisk(const u8*buf,u32 sector,u8 cnt)函数实现。

3.3时间模块程序设计

时间模块的功能包括日期显示、星期功能、当前时间。日历功能则是显示本月的全部天数。该部分的核心部分是RTC内时间和当前时间的转换。因为选择1990年作为原始年，故RTC秒钟寄存器的范围为1990+136年，即约要到2 226年左右才会溢出，完全够用。读取时间通过函数void Get-Time(void)实现。通过函数void Get-Week(u16 year,u8 month,u8 day,u8 *week)，可以得到任意日期所对应的周。*week，是周的存放地址。通过void show-clock(u16 x,u16 y,u16 size,u16 color,u16 back-color)函数，可实现石英钟的显示。

3.4GSM短信报警设计

控制器与GSM模块之间采用RS-232连接，采用AT指令实现相互间的通信。本设计采用16 bits的Unicode编码显示文本信息，中文短消息的编码实现较为简单，只需将字符串转换为对应的Unicode代码即可。英文字符的编码主要思想是：每个字符用7 bits表示，若要传送此消息，这些7位字节需要转换成8位字节，缺省的GSM字符集为7位编码，可以理解为ASCII码(ASCII码小于80H，因此bit8被忽略)；依次将下一个7位编码的后几位逐步移至前面，形成新的8位编码。其工作流程图如图10所示。

图10　短信报警流程图

3.5烟雾监控程序设计

烟雾监控部分主要通过STM32自带的A/D对采集到的数据进行转换后处理，然后打印到用户界面。给烟雾监控分配的I/O口是PA0，也就是第0路A/D，将PA0配置成A/D模式，就是将I/O口配置成模拟输入，并打开ADC转换通道。当需要采集烟雾数据时，只需要调用接口函数u16 Get_Adc(0)，其中0代表的是第0路通道，数值返回的是一个16位的数值。烟雾监控流程图如图11所示。

图11　烟雾监控流程图

3.6天然气监控程序设计

天然气监控部分也是通过STM32自带的A/D对采集到的数据进行转换后处理，然后打印到用户界面。首先给烟雾监控分配的I/O口是PA1，也就是第1路A/D，将PA0配置成A/D模式。当需要采集烟雾数据时，只需要调用接口函数u16 Get_Adc(1)，数值返回的是一个16位的数值。其流程图与烟雾监考流程图类似，故不再赘述。

3.7CO监控程序设计

天然气监控部分也是通过STM32自带的A/D对采集到的数据进行转换后处理，然后打印到用户界面上。给烟雾监控分配的I/O口是PC4，也就是第14路A/D，将PC4配置成A/D模式。当需要采集烟雾数据时，只需要调用接口函数u16 Get_Adc(14)，数值返回的是一个16位的数值。其流程图与烟雾监考流程图类似，故不再赘述。

3.8温湿度监控程序设计

DHT11数字湿度传感器采用单总线数据格式。程序工作时，首先由单片机发送数据给DHT11，准备与DHT11进行通信；当DHT11接收到单片机数据，并处于空闲状态时，则向单片机发送应答信号；单片机接收到信号开始准备接收数据流,然后对数据进行校验。若正确，则进行数据处理和显示。软件流程图如图12所示。

图12　温湿度监控流程图

3.9电流监控程序设计

电流监控部分也是通过STM32自带的A/D对采集到的数据进行转换后处理，然后打印到用户界面。给电流监控分配的I/O口是PC0，也就是第10路A/D，将PC0配置成A/D模式。当需要电流数据时，只需要调用接口函数u16 Get_Adc(10)，数值返回的是一个16位的数值。其流程图与烟雾监考流程图类似，因此不再赘述。

3.10火焰监控程序设计

火焰监控主要用到了STM32的外部中断。首先将PORTA的时钟打开，将PA11设置成输入模式；再将PA11上拉，配置成下降沿触发。配置该中断的优先级为抢占2，子优先级2，组2，接下来则等待中断触发，执行中断函数。

3.11防盗监控程序设计

人体红外监控也用到了STM32的外部中断。首先将PORTA的时钟打开，将PA12设置成输入模式；并将PA11下拉，配置成上升沿触发。配置该中断的优先级为抢占2，子优先级1，组2，接下来就是等待中断触发，执行中断函数。

3.12语音播报程序设计

该部分的设计主要是用到了串口通信，主控模块通过串口发送相应的指令对语音模块进行操作。发送指令的格式为$S Len CMD para1 para2 $0。其中$S为起始位，即0X7E，Len是发送字节的长度，包括Len+CMD+para1+para2，CMD为命令字，para1是代表查询的数据高字节，para2是查询的数据低字节，$0是指令的结束位，即0XEF。例如播放第1首歌曲，只需要连续发送7E 04 03 00 01 EF这6个16进制数。播放完成后，需要检测Busy脚是否为低电平，如果是，就返回主程序。语音播报流程图如图13所示。

图13　语音播报流程图

4结束语

本文设计了一款智能家居安防系统，可以快速、有效地防止电火、明火、气火、天然气泄漏、非法入侵等多种情况的发生。本设计共有两种模式。①当用户在家时，可以通过无线遥控器控制该系统进入安全模式，这时控制器只行防火功能，对室内温湿度和CO进行采集，并且通过TFT进行显示。当数据发生异常时，主控制器会控制声音报警模块进行报警，并且会通过GSM模块发送报警短信。②当用户不在家时，可以通过无线模块控制该系统进入防盗模式，这时控制器会进行防火和防盗，对室内的一切数据进行监测。当烟雾浓度和天然气浓度发生异常时，控制器会进行声音报警和短信报警，并且预留了排气扇接口，可以控制排气扇进行通风。该系统具有用户投资小、运营费用少、操作简单的优点。

参考文献

[1] 金子瑜，张声传，房茂金，等.智能家居系统研究与实现[J].自动化与仪表，2011，26(9)：47-50.

[2] 秦健，魏春光.基于STM32的GPS/GPRS车载终端设计[J].制造业自动化，2014，36(16)：126-129.

[3] 喻金钱，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用[M]．北京：清华大学出版社，2011.

[4] 赖晓晨，原旭，孙宁.嵌入式设计程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[5] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] 俞建新．基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7] 季力.基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J].自动化与仪器仪表，2010，30(3)：137-139.

[8] 邓剑．FAT文件设计原理及实现[J]．计算机与数字工程，2005，23(9)：23-70.

[9] 周游，方滨，王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].电子技术应用，2005，31(9)：37-39.

[10]于学禹，郝梅．Protel 2004 电路设计入门与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

Research and Design of Smart Home Security System

Abstract：In order to realize intelligent monitoring of the home environment,a home security system is researched and designed,which uses STM32 micro-controller as control core,and uses GSM message module to implement the information transmission.This system consists of main controller,display module,information transmission module,alarm module,fire protection module,and sound alarm module,etc.It can solve the hidden danger existed in the traditional security system,make the family security more quickly and conveniently．The type of alarm is no longer limited by traditional wired telephone,but with the help of the advanced GSM mobile network,can use the form of Chinese short message to timely send alarm situation to user's mobile phone screen,and make sounds to alarm.This system can prevent some dangerous situations; users can control the system for arming and removing the prevention through wireless remote control.Experiments show that the system has the advantages of small investment,low operation cost and convenient operation.

Keywords:Smart homeSmart security systemSensorSTM32GSMMonitoring and controlFire preventionBurglary prevention

中图分类号：TH-3;TP27

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605014

国家自然科学基金青年科学资助项目基金(编号：6110196);

教育部高校博士点专项基金资助项目(编号：20103219120016)；

江苏省企业博士集聚计划基金资助项目(编号：SSF0130410);

泰州市科技支撑社会发展基金资助项目(编号：SSF0140186)。

修改稿收到日期：2015-09-01。

第一作者孔令荣(1983-)，男，2014年毕业于南京理工大学计算机技术专业，获硕士学位，讲师；主要从事单片机与嵌入式系统应用方向的研究。