基于stm32单片机的公寓安全控制系统设计与实现

史振江

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

基于stm32单片机的公寓安全控制系统设计与实现

史振江

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

针对公寓安全问题，利用stm32单片机和GSM技术设计了公寓安全监测与控制系统。通过电流检测、电压检测、烟雾检测、红外防盗检测等多种传感器对房间的安全信息进行感知与实时监测。该系统可以实现ID卡识别错误信息报警、红外防盗报警、大功率电器使用报警以及火灾报警等功能，进而对学生公寓安全进行全方位监测与控制。

ID卡识别 红外防盗 烟雾检测

学生公寓的安全事故时有发生而且近年来呈上升趋势，给学生个人以及学校都造成了重大的经济损失和不良的社会影响，学生公寓的安全成为社会尤其是学生家长和教育界关注的焦点问题，很多学者对学生公寓安全的监测与控制进行了大量的研究工作[1-3]。

基于全球移动通信系统（GSM）的短信息服务，是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用，是在移动网络上储存和转寄信息的过程，具有可靠性高、成本低、系统架构灵活、覆盖范围广等优点，因此得到了广泛的应用[4-7]。

本文利用传感器和GSM技术构建公寓安全监测与控制系统，利用多个传感器对房间的安全信息进行感知与实时监测，实现了ID卡识别与错误信息报警、红外防盗报警、大功率电器使用报警以及火灾报警等功能。

1 系统框图，如图1所示

图1 系统框图

公寓安全控制系统由stm32单片机、ID卡识别模块、火灾检测模块、红外防盗模块、大功率电器检测模块以及远程报警模块组成。控制芯片采用STM32F103C8T6单片机，该芯片使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（64K字节的闪存和20K字节的SRAM）；丰富的增强I/O端口，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器；标准的通信接口：包含2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口。

火灾检测模块负责采集烟雾数据，并将信息传送给单片机用以判断是否有火灾发生，如果确认有火灾发生则立即通过继电器切断电源。红外防盗模块负责检测是否有陌生人闯入房间，一旦发现立即发出声光报警。大功率电器检测模块负责检测是否有大功率电器使用，一旦发现立即通过继电器切断电源并发出声音警告，间隔一定时间后自动恢复供电。ID卡识别模块用于识别用户的刷卡信息，并将用户卡号传送给单片机进行识别，如果卡号正确则开门并且关闭红外防盗功能以免误报警，如果卡号错误发出声音警告。所有警告信息通过远程报警模块以GSM短信形式发送到公寓负责人和房间负责人手机上，以便及时处理。

2 模块电路硬件设计

2.1 ID卡识别模块

ID卡识别模块（读卡器）原理框图如图2所示，主要由功率放大电路、LC谐振电路、检波电路、滤波整形电路和控制电路构成。首先由控制电路产生125kHz的读卡信号，信号经过功率放大、LC选频网络后送给线圈。当有ID卡靠近线圈时，ID卡通过谐振获得能量，给ID卡内部的电

容充电，充电后以电容作为ID卡内的电源给卡供电，ID卡在电容供电下将卡内信息以调幅形式加载到载波信号上并反馈给线圈；当无ID卡靠近线圈时，ID卡反馈回高电平。线圈收到反馈信号后经过检波电路把卡内信号解调出来，解调后的波形经过整形滤波电路后送给控制电路处理。控制电路接收到信号后先进行时钟同步处理，然后把接收到的信号保存。接收完毕后进行信息校验，校验通过后转换成要求的格式并通过串口通信发送给stm32单片机。串口通信格式采用9600bps波特率、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位。

单片机将串口1接收到的ID卡号与预先存储的所有正确卡号进行逐一校对，如果是正确的用户信息则通过继电器控制电磁锁开门，如果是错误的用户信息则进行报警提示。

2.2 火灾检测模块

火灾检测模块利用烟雾传感器检测火灾，发生火灾时会检测到CO烟雾。火灾检测模块与单片机接口电路如图3所示。烟雾传感器属于气敏传感器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度分析及报警控制等工作。STM32单片机内部有2个12位的ADC，每个ADC有10个输入通道。烟雾传感器的模拟数据输出连接到单片机的IN1通道，内部利用ADC1进行AD转换。

图2 ID卡识别模块原理框图

图3 火灾检测模块与单片机接口电路

2.3 红外防盗模块

图4 红外防盗检测电路原理图

红外防盗模块利用红外热释电传感器检测是否有陌生人闯入房间，一旦发现立即发出声光报警。红外热释电传感器是一种以非接触的形式感应红外辐射并将其转换为电信号的仪器，利用热电效应原理来完成对移动物体红外辐射的感应，所谓的热电效应指的是受热物体中的电子由高温处向低温处移动时产生电流或者电荷堆积的一种现象。具有功耗小、成本低、隐蔽性好、灵敏度高等特点。

红外防盗检测电路原理图如图4所示。当热释电传感器（接在插座J1上）检测到人体移动时RSD输出高电平，如果单片机PA7引脚也为高电平，经过与非门后LIGHT为低电平，报警指示灯D1点亮；LIGHT经过非门后BUZZER为高电平，而555定时器振荡电路的输出PULSE为脉冲信号，两路信号

经过与非门后控制三极管Q1在脉冲信号作用下间歇性导通，使蜂鸣器间歇性发出声音报警。LIGHT引脚同时接到了单片机的PA6引脚，一旦LIGHT由高电平变成低电平就会触发单片机，单片机可以及时获取此次防盗报警信号并做相应处理。如果有人刷卡进入房间而且卡号正确，那么单片机的PA7引脚为低电平使后面的声光报警电路不工作，防止了对正常住宿人员的误报警。

图5 大功率电器检测模块与单片机接口电路

2.4 大功率电器检测模块

大功率电器检测模块与单片机接口电路如图5所示。电流互感器串联在220V交流电路中，输出的电流信号经过信号调理与峰值检波电路得到与电流呈线性关系的电压峰值信号。电压互感器并联在220V交流电路中，输出的电压信号经过信号调理与峰值检波电路得到电压峰值信号。两路信号分别接到stm32单片机内部的12位A/D转换器ADC2的IN8和IN9引脚，转换后的数字量经过计算可以得到房间供电的视在功率。一旦发现功率增加值超过程序设定的阈值则判定为有大功率电器使用，单片机立即通过继电器切断电源以防止引起电气火灾，同时发出声音警告，间隔一定时间后自动恢复供电。

图6 远程报警模块与单片机接口电路

2.5 远程报警模块

利用stm32单片机控制西门子的 TC35型GSM模块实现报警信息的远程传输。GSM远程报警模块与单片机的接口电路如图 6 所示，单片机通过串口2与GSM模块进行通信，通信格式为波特率9600bps、没有校验位、8位数据位和1位停止位。

单片机通过串口收发与GSM短信息功能有关的AT指令来控制GSM模块实现收发短信。AT指令集通俗地说就是一种操作控制GSM模块的软件协议的集合，每条命令均以字母“AT”开头而得名。AT指令控制短消息发送有2种常用模式，即TEXT模式、PDU 模式。PDU模式可以采用unicode编码发送英文、汉字，但合成PDU码比较复杂；TEXT模式只能发送英文，但无须编码。本系统发送的数据都是基于数字的命令字，因此采用TEXT模式。其发送数据的过程包括启动GSM及初始化；设置短信模式：AT+CMFG=1 回车；发送接收的手机号码：AT+CMGS=“xxxxxxxxxxx”回车（目的地址）；发送报警信息数据。

图7 主程序流程图

3 系统流程图

主程序流程图如图7所示，串口中断处理子程序流程图如图8所示。程序首先完成串口、中断、I/O口、A/D模块和GSM模块的初始化；根据防盗模式的状态值进行防盗报警模块的开启或者关闭，如果串口中断接收到的卡号正确就关闭防盗报警模块，否则开启防盗报警模块；然后依次检测是否有火灾发生或者大功率电器使用。每个模块检测到报警事件时会设置不同的报警标识码，单片机根据不同的标识码通过GSM模块向用户手机发送相应类型的报警信息。

4 结语

图8 串口中断处理子程序流程图

本文利用stm32单片机和GSM技术设计了一个公寓安全监测与控制系统，可以为公寓安全提供全面防护。系统实现了ID卡识别与错误信息报警、红外防盗报警、大功率电器使用报警以及火灾报警等功能。对各个模块电路的硬件方案与原理进行了分析，并给出了系统软件流程图。

[1]周维龙,等.基于物联网的大功率电器监控系统设计[J].湖南工业大学学报, 2012,28(5): 95-99.

[2]洪树亮.基于STM32F103住宅智能防火防盗报警系统的设计[D].兰州交通大学, 2015.

[3]李清琳,高国伟,陈亚京,等.无线防火防盗智能报警装置[J].传感器世界,2016, 22(6):24-28.

[4]邓嘉,王贤哲. 基于GSM的远程空气质量监测系统设计[J].光学与光电技术,2015,13(2):72-75,81.

[5]李飒,贺伟,韩耀飞,王丹豪.GSM远程温度检测系统设计[J].现代计算机,2015,(2):58-61.

[6]郑谭,马铁华,张涛. 基于GSM网络的智能家居控制系统设计[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2015,36(1):81-85.

[7]吴振宇,李华龙,李航.基于蓝牙4.0和GSM的无线心率监测仪设计[J].计算机测量与控制,2015,23(2):664-667.

Design and Implementation of Apartment Safety Control System Based on stm32 MCU

SHI Zhen-jiang
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China)

stm32 MCU and GSM technology are used to design a monitor and control system to resolve the problem of apartment safety. With this system, the safety information of the apartment rooms is perceived and real-time monitored by multiple sensors, including current sensor, voltage sensor, smoke sensor and infrared security sensor. The system also has the function of ID card identification error alarm function, infrared security alarm function, high power appliance alarm and fire alarm function. It can help to comprehensively monitor and control the safety of the student apartment.

ID card identification infrared security smoke detection

A

1673-1816(2017)03-0058-05

2016-06-18

史振江（1979-），男，汉，河北唐山人，硕士，副教授，研究方向为智能检测与控制技术。

河北省教育厅青年基金项目：基于物联网和GPRS的公寓安全智能管理系统的技术研究。项目编号：QN2017358