基于嵌入式系统及GSM的家庭智能安防的实现

陈秀华+谢印忠

摘要： 由Freescale（飞思卡尔）的32位嵌入式单片机及GSM（Global System for Mobile Communications）模块构成的智能家庭安防系统以短信通信的形式，把危险情况发送到指定的手机。通过红外传感器、温湿度传感器和MQ2可燃气体传感器等来感知监测防区环境参数，当核心控制器所捕获并判断为某个危险信号时，立即将该信号通过GSM模块发送到用户设定好的手机上进行报警；用户收到报警信号后，可以将处理信息发送回处理器，处理器会按照要求进行操作，从而消除或者降低危险情况的危害程度。

关键词： 智能安防； MK60DN512ZVLQ104； GSM； 传感器

中图分类号：TP273.5

文献标志码：A

文章编号：2095-2163（2017）04-0115-04

1智能安防概述

[JP3]在当下的信息化时代中，网络互连便捷了人们的沟通，与此同时，也需要智能产品的超级互联，实现物/物互连、人/物互连，从而获得更佳用户体验[1]。若能进一步研究将聚焦至智能安防系统分析可知，智能化将是该系统的第一要求，无人值守时能快速、安全、灵活判断环境状况并与当事人密切联系。其次，智能安防系统的另一个重要组成部分就是该系统的高度信息化与自动化[2]。传统的安防系统中，利用防盗网，防盗窗等机械式被动防护设备，在实际使用中，灵活性和实时性均呈明显劣势，当发生险情时还会阻碍人们的逃生。另外在这类系统中，一般采用的都是声光报警这2种方式，这些报警方式的隐蔽性差，而且在报警方面也未配备操作的可选择性。综述可知，智能安防系统不仅有效满足了人们对智能化的现实需求，[JP4]同时也符合了时代技术发展的潮流模式，因而对其展开研究则具有至关重要的理论及应用意义。[JP]

2控制系统设计方案

智能家居系统是将家居设备进行数字化控制，当家中发生燃气泄漏、被盗、失火、水管破裂等情况时，能够在第一时间向用户报警，利于及时处理，减少用户损失；另外，当发生燃气泄漏或者湿度异常等情况时，系统还将控制相应的器件关闭阀门，降低危险发生的几率。

该系统集结选用了核心控制器、硬件电路、软件程序以及GSM网络实现智能家庭安防系统的正常监控任务，密切配合和协调动作，最终使系统能够正常发挥特定功能；系统功能概览如图1所示。

其中，智能化系统核心采用Freescale的32位单片机MK60DN512ZVLQ104，利用其扩展的输入输出设备、各种接口电路以及外围芯片共同联结构成[3]；监控部分的传感器则主要配有红外传感器、可燃气体MQ2传感器和温湿度传感器。当这些传感器检测到相应的触发信号后，单片机将对其进行编码处理，然后将编码结果通过GSM模块发送到指定的手机上。用户收到该信息后即将处理方案回传至单片机，单片机经过解码、识别，此后依据指令要求控制执行器件（如继电器等）开启关联的安全规避操作流程，从而以最佳时速消除危险隐患。还需强调指出，GSM作为时下技术成熟的移动网络，不需要额外的占用无线电频率和特殊布线，具有信息传达及时，功能更加强大，以及高端智能化的优点。

3系统硬件设计

3.1系统核心设计

飞思卡尔公司的MK60DN512ZVLQ104（简称K60）是一款低电压，高速32位ARM Cortex-M4内核的单片机。该单片机执行速度最高可达100 MHz，具有内部DSP运算处理单元； 512 KB的可电擦写程序存储器，128 KB的RAM，存储空间大，符合系统的编程设定；同时还配有16 bit逐次逼近的模数转换（ADC），带转换完成的标志和中断功能，可以灵活地满足该系统的各种要求。

3.2GSM模块

GSM全称为全球移动通信系统，是目前应用最为广泛的一种移动电话的标准，使用GSM可以提高智能安防系统中报警的稳定性和有效性。

设计中选用全球鹰通讯SIM900/A 232 版本的GSM模块，模块可视图片如图2所示，供电电压低，功耗也低（发射功率在EGSM900频段下功率为2 W，DCS1800频段下功率为1 W），频段还可以自主设定为EGSM900和DCS1800两个频段[4]。模块与K60单片机相结合，单片机只需通过串口发送一系列以字符串格式编码的AT命令到GSM模块，GSM模块即可开展工作。如发送短信时，只需连续发送AT+CSCS=“GSM” AT+CMGF=1 AT+CMGS=“***”（***表示电话号码）短信内容 十六进制下的1A。解析短信时，发送AT+CMGR=1，就可以将短信读取出来。短信中，因为中文使用了Unicode编码，不能直接识别，而Unicode译码需要引入一个庞大的编码库的基层支持，因而在占用内存空间方面将造成可观消耗，单片机译码Unicode编码序列也很复杂[5]。

MQ2气体传感器所使用的气敏材料是在干净空气中导电率比较低的SnO2 ，当MQ2的安装背景环境中可燃气体浓度达到设定的阈值时，传感器的阻值会随着可燃气体浓度的增大而逐步增加，通过LM393比较电路即可将其转换为数字信号，被K60所捕获。在此，给出MQ2信号采集电路如图3所示。在家庭环境中，室内温度和湿度应保持在一定范围内，室内发生火灾，温度会急剧升高，自来水管也会有破裂引起室内湿度增大，设计中选用数字式温湿度传感器DHT21/AM2301采集温湿度信息。DHT21数字温湿度传感器内部含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，以专用数字模块和温湿度传感技术，确保优质可靠性与长期稳定性。[JP2]

热释电红外传感器是一种能检测到人体或一些动物身体发出的红外线而转换为可检测的电信号的低功耗传感器。热释电效应的工作原理是当温度呈现波动時，将导致晶体表面电荷发生变化。设计中选用D-SUN人体热释电红外传感器，模块的工作电压范围在DC4.5～24 V，当有人、即有效信号输出时，为3 V高电平；无人、即无效信号输出时，为0 V低电平。该型传感器的有效探测范围在110°，感应距离在0.5～7 m，触发时间为0.5～200 s。低功耗，静态电流最大50 uA[6]。[JP]endprint

3.4系统显示单元设计

如图4所示，研究中显示采用OLED显示屏，为有机发光管屏，具体呈现出功耗低、体积小、对比度高、响应迅速、视角广阔等特点，与单片机接口则由4根串口数据线而形成连接。

3.5系统电源设计

各器件使用电源有12 V、5 V、3.3 V三种，系统由开关电源提供12 V，1 A直流电，核算系统的电流峰值约为0.8 A，一般情况下电流均在200 mA左右，另选用LM2940和LM1117-3.3两款芯片来分别供电5 V、3.3 V电压[7]，如图5所示。

[LL]4系统程序设计

4.1程序流程

当系统上电后，内部器件进入初始化，同时设置指定此后的工作模式。模式1中只有气体传感器和温湿度传感器工作，并将采集到的信息发送到OLED显示屏上；当检测到燃气泄漏或者温度出现异常时，向目标家居用户发送短信警示。模式2中，核心控制器将采集所有传感器的状态，并判断是否异常。如果红外传感器报警，则通过GSM发送一条入侵报警信息、湿度异常则发送湿度报警信息、温度异常则发送温度异常报警短信给用户，等待用户回复处理；如果探测到烟雾或者燃气泄漏，则发送一条燃气泄漏报警信息给用户，同时继电器自行吸合使得燃气管道的电机转动，关闭阀门，避免危险态势进一步升级；下雨时若未关窗，湿度传感器将精确检测、并及时报警，同时继电器发生吸合，驱动有关电器动作直至窗户关闭。信息处理同时，还将在OLED上生成显示并实现存储。用户收到报警信息后，可以及时处理。研究中，通过利用图形语言将系统的工作流程描述清楚，参照流程图编写程序，可以大大加快开发进度，减少代码功能冗余，提高功能质量和系统的健全健壮性能。系统程序设计流程如图6所示。

4.2GSM模块编程

使用AT指令来控制GSM模块发送短信，发送指令是：

AT+CSCS="GSM"rn；AT+CMGF=1rn；AT+CMGS="10010"rn；0X1A；需要注意的是在每2條AT指令间需要有足够的延时以便于该模块能够做出及时响应，程序代码可表述如下：

uart_putstr（UART3，"AT+CSCS="GSM"rn"）；

DELAY_MS（500）； //延时0.5秒

uart_putstr（UART3，"AT+CMGF=1rn"）；

DELAY_MS（500）；//延时0.5秒

if（1 == gpio_get（PTE11））； //拨码开关1置位到OFF位置

[JP3]uart_putstr（UART3，"AT+CMGS="10010"rn"）；[JP]

else

uart_putstr（UART3，"AT+CMGS="18764929645"rn"）；

DELAY_MS（500）；

uart_putstr（UART3，UI8_Message）；//短信内容

DELAY_MS（500）；

uart_putchar（UART3，0X1A）；//发送指令

DELAY_MS（500）；

4.3DHT21温湿度传感器功能模块编程

DHT21温度传感器使用串行传输温度湿度数据，传感器上电后处于待机状态，等待主机发出一个开始信号，响应后，连续发送40 bit的温湿度和8 bit的校验数据。功能执行代码可见如下：

for（i = 0；i < 8；i++）

{

UI16_Flag = 19853；

//一直加到65535（254us左右）

while（（！READ_DHT21） && UI16_Flag++）；

DELAY_US（30）；

UI8_temp = 0；

if（READ_DHT21）

UI8_temp = 1；

UI16_Flag = 19853；

// 一直加到65535（254us左右）

while（（READ_DHT21） && UI16_Flag++）

//超时则跳出for循环

if（UI16_Flag == 1）

break； //判断数据位是0还是1

// 如果高电平高过预定0高电平值则数据位为 1

UI8_Comdata <<= 1；

UI8_Comdata |= UI8_temp；//存入新数据

}

5结束语

根据实际要求，运用嵌入式单片机及GMS网络构成智能家庭安防系统，系统不但可以设计生成家庭安全防护设备之间的互联互通，还可以将整个安全防护系统的监控信息加以记录并通过终端提供动态效果显示。更为重要的则是，系统将通过GSM通信网络与主人互动联系，实现对家庭安全防护的实时监控和管理。这种智能系统未来家庭安防中将会得到更多的运用，因而具有广泛普适性的实际应用价值。

参考文献：

[WTBZ][ST6BZ][HT6SS][1] [ZK（#〗

申斌，张桂青，汪明，等. 基于物联网的智能家居设计与实现[J]. 自动化与仪表，2013，28（2）：6-10.

[2] 敖志刚. 智能家庭网络及其控制技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2011.

[3] 郑郁正. 单片机原理及应用[M]. 成都：四川大学出版社，2005.

[4] 余大伟，张茂青，李强，等. 基于全球移动通信系统网络的远程数据监控系统的设计[J]. 电工电气，2009（11）：25-28.

[5] 王俊峰，孟令启. 现代传感器应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[6] LI H X，ZENG J H. The design of environmental temperature and humidity remote monitoring system based on AT89S52 MCU[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，496-500： 1595-1602.

[7] 翟亚芳，张天鹏，赵建周，等. 基于STM32的家庭智能安防控制系统设计[J]. 黑龙江大学自然科学学报，2016，33（1）：118-123.endprint