基于STM32单片机的智能安防系统的设计

刘廷嘉 王一凡 许龙 谭洪成

随着科技水平的提高，人们的生活方式在逐渐被科技改变，人们对生活的要求也越来越高。利用科技手段的家用电器层出不穷，智能家居系统已经备受广大人们群众的重视，但是智能家居系统运行产生的数据信息的安全更加值得注意。一个完整的智能家居系统包括设备自动控制，通信网络和智能安防系统，智能家居系统利用先进的通信技术将各个子系统协调结合。人们安全意识的提高使得智能安防系统的研究愈发重要。随着通信技术的进步，智能安防系统也将越来越稳定和安全。本文所设计的系统是基于STM32控制芯片进行控制，利用2.4GHz射频通信实现安防系统内部模块通信，利用GPRS通信实现系统与其他终端的通信。

1智能安防系统的整体设计

智能安防系统被分为七个模块：控制模块，门禁模块，信息采集模块，开关模块，电源模块，GPRS通信模块和人机交互模块。控制模块实现整个系统的控制，主要由STM32芯片及相应的晶振电路，复位电路和数据存储芯片构成。门禁模块用来控制入户门的开关，由指纹识别部分和电子锁部分。信息采集模块包括多种传感器和信号电路，全方位采集室内环境信息。开关模块用来控制家用电器的开关，实现智能控制电器的使用。电源模块提供整个系统所需电源。GPRS通信模块用于系统与终端设备的无线通信传输数据。人机交互模块用于系统与外界信息的交换，便于人进行操作。

2智能安防系统硬件设计

2.1控制模块

控制模块实现的功能有环境数据采集，数据处理，数据存储，数据通信。本设计选用的核心芯片型号是ARM公司Cortex-M3系列的STM32F103ZET6。STM32F103ZET6的处理速度和功耗能够满足系统的高效运行，同时成本较低。STM32F103ZET6的工作频率为72 MHz，工作在2.0V至3.6V的电压下。STM32F103ZET6内部包括两个12位DAC数模转换器和三个ADC模数转换器，四个通用定时器，还包括512KB的动态闪存器和64KB的静态存储器，为设计的可靠性和高性能提高了保障。

2.2门禁模块

门禁模块采用了STC89C52单片机对本模块核心控制，由指纹识别模块，显示模块，电子锁电路等构成。指纹识别模块主要由指纹采集头和指纹处理电路两部分组成。液晶显示器采用的型号是LCD1602，用于显示指纹采集的信息，包括对指纹录入的时间与次数的统计信息等。电子锁门禁电路由驱动电路和电子锁开关电路两部分构成。门禁模块中STC89C52单片机与总控制芯片 STM32F103ZET6利用NRF24L01进行射频通信。指纹识别模块与 STC89C52之间进行串口数据通信，指纹识别的数据存储在模块内部存储器中。

2.3信息采集模块

信息采集模块负责采集室内环境数据信息，我们需要了解室内温湿度来判断屋内的宜居程度，光照强度来判断灯光开关，也需要检测可燃气体的浓度来判断屋内中毒的危险，还需要对人所在位置进行监控。在信息采集模块中又分成温湿度采集部分，光照强度采集部分，可燃气体浓度采集部分，人体红外线检测部分。

温湿度采集部分选用了DHT11型号的温湿度复合传感器。DHT11利用串行接口单线与控制模块连接。DHT11可测温度范围为0-50℃，湿度范围是20%RH ～90%RH。它具有可测范围广的优点，而且抗干扰能力也很强，完全可以满足日常家庭数据采集的使用。

光照强度采集部分应用了光照强度传感器 TSL2561。TSL2561是一款光强数字转换芯片，里面含有一个光敏二极管负责监测可见光的数据，一个红外光敏二极管负责监测红外线数据。TSL2561通过I2C总线与控制模块连接。

可燃气体浓度采集部分采用了电阻型气敏传感器MQ-5。MQ-5在家庭和工业上对煤气天然气的监控都有着广泛应用。一旦传感器接触到可燃气体，它的导电率就会随着可燃气体的浓度增加而增加。

人体红外线检测部分采用了热释电红外传感器 PD632。PD632中含有热释电材料，这种材料的极化会随温度变化而改变，能够准确的探测人体所产生红外辐射并判断人与传感器之间的距离。

2.4 GPRS模块

GPRS（General Packet Radio Service）中文全称是通用分组无线业务是一种，分组数据传输技术。系统中的GPRS 无线通信模块系统选用siemens公司的 MC52iR3模块。MC52iR3模块支持900/1800 MHz 双频工作，工作电压为3.3～4.8 V，支持 GSM/GPRS功能，可以传输数据、短消息等信号，使用 AT 指令，内部集成 TCP/IP 协议栈。MC52iR3模块的数据输入、输出接口采用标准的 RS232双向接口，可以与STM32F103ZET6的 USART 端直接连接，硬件电路结构简单。

3智能安防系统软件设计

3.1控制系统主程序设计

整个系统主程序根据硬件的不同功能模块被划分成多个子程序，每一个芯片在运行前都要进行初始化，所以主程序可以划分为初始化配置、信息采集、射频通信、GPRS 通信、人机交互、输出控制等子程序。初始化配置程序主要包括 STM32F103ZET6初始化、FM-180模块初始化、nRF24L01模块初始化和 MC52iR3模块初始化、各类传感器模块初始化和显示初始化；信息采集程序包括 STM32F103ZET6与 DHT11、TSL2561、MQ-5、PD632之間的数据信息交换；射频通信程序用于STM32F103ZET6与 STC89C52之间的信息交换；GPRS 通信程序包括 GPS 信息的接收和发送两部分，用于控制芯片与用户控制终端进行数据通信。人机交互子程序有按键处理和显示两部分，实现各模块参数设置和数据显示等。输出控制程序可以发送报警信息、控制家用电器的工作状态。

3.2门禁控制模块程序设计

门禁控制模块程序是 STC89C52的控制程序，主要的功能是指纹录入和液晶显示。由指纹录入、指纹识别、LCD1602液晶显示、射频通信、键盘扫描等几部分程序构成，其主要作用是为控制系统提供实时的指纹识别和记录用户数据。首先，在 STC89C52主程序中调用 LCD1602初始化程序、DS1302时钟初始化读写程序、指纹识别模块握手指令、2.4 GHz 初始化配置程序，使各个模块都进入工作模式。当系统工作在指纹识别模式下，指纹识别模块等待用户的指纹出现，当有用户指纹出现时，启动指纹识别程序并对当前用户指纹特征进行分析，如果指纹特征符合进入条件，则电子锁门禁打开，此时系统记录用户指纹序号、进入时间等基本信息，并启动2.4 GHz 射频通信发送子程序将数据及时、准确地同步到 STM32F103ZET6的数据显示端，实现数据的无线同步功能。当系统工作在指纹录入模式下，STC89C52主程序通过调用指纹录入子程序完成对用户指纹特征的采集和存储等工作

4结论

本文设计了一种实时可靠的家庭智能安防系统，采用了STM32F103ZET6作为控制芯片，处理速度快，性能良好。本系统结合2.4 GHz射频通信和 GPRS 移动通信等多种通信方式，在不同模块采用合适的通信方式，保证了数据传输的质量。本系统成功实现了对家用电器，室内环境，门禁系统的控制，为家庭安全提供了保障，对普通家庭智能家居控制系统的研究具有一定的指导意义。

（作者单位：重庆科技学院）