基于开源硬件平台的无线安全监测系统研发

赖禄忆，张福鼎

(江苏第二师范学院物理与电子工程学院，江苏南京，210013)

0 引言

随着科技水平提升和社会不断发展，智能家居系统应运而生[1,2]。近年来，入室盗窃、抢劫等案件的发生提升门禁管理和视频监控[1]等智能安防在智能家居系统中的比重。国外智能家居系统价格过于昂贵、对工程要求很高，在国内市场的应用较少。国内智能家居公司虽然研发的产品种类很多，但是因为各个公司研发的智能家居系统采取标准不同，导致产品的兼容性不强。大多数智能家居产品采取模块化设计、软硬件相结合的研发思路，其操作简单、便于维护，但子模块之间的交互性较差，智能化程度不高[1]。智能家居系统存在许多的关联设备，但是由于成本过高的问题，用户并不会一次性购买所有的关联设备[3]。目前智能安防系统大多功能统一化、固定化，在功能上有较大局限性，针对基于开放系统、可自由定制及可扩展的监测系统的需求则越来越多。

开源硬件（Open Source Hardware）理念产生于1997年，随后推出了开源硬件认证计划与规范项目[4-6]，协作项目组及开源社区[5,6]。2005-2007年随着3D打印机RepRap、Arduino的研发等所获得的巨大商业成功，得到社会各界的广泛关注。基于开源硬件研发出来的产品，缩短了开发时间、节省开发成本，任何人可以按照自己对产品的需求进行改造、升级、迭代，以提高产品质量，实现个性化设计[6]。其中，Arduino是一种基于AVR指令集的单片机，具有体积小、扩展性强、价格优惠等特点，可以与传感器、LED、舵机等不同的外设进行交互，并与软件进行交互，集成开发环境Arduino IDE应用灵活且简单，对于初学者来说上手简单[4]。

本文以开源硬件平台Arduino为主要控制核心，通过各种传感器对数据的实时采集，使用无线通信技术互通互联，实现远程实时监测、防盗报警、测量温度的功能，还可以连接电脑、手机作为操作终端进行交互操作。可以提升系统扩展性，解决目前国内的智能安防系统大多功能统一化、固定化的问题，具有便于安装、操作简单、长时间稳定待机等特点，具有很高的实用性和使用性。

1 无线安全监测系统研发设计

本文所设计的系统，可以大致分为上位机摄像模块、下位机传感器模块及远程控制终端（手机、电脑）。当用户通过手机远程监控终端发出查看现场请求时，将控制命令发给下位机，并且打开上位机附属摄像头，进行实时拍摄和传输；当现场异常时，上位机会发送信号给手机终端，主动请求开启下位机视频监控，将现场情况及时反馈给用户。本系统具有视频监控、传感器监控、远程信息传输与智能报警功能，为家居安防环境的安全和远程实时监控提供了必要的保障。

系统整体框架如图1所示，主要部件由传感器测量模块、显示采集数据模块及无线通信wifi模块所组成，实现远程实时监测、防盗报警、测量温度等功能。该系统可以通过对各种传感器所测量的信号进行实时采集并分析，看是否超过系统所设定的阈值来智能判断当前住所的安防情况。针对疫情防护问题增加测温模块，对入侵人员的温度也进行测量，并且配备温度异常区域消毒功能。当出现异常情况时，利用无线通信wifi技术进行互联互通，用户在手机、平板、电脑等客户端会接收到信息提醒，在客户端进行交互操作并做出相应的行为以警示不法人员；同时，用户可以根据自己的需求随时对住所进行远程监测，了解住所的居家现状。

图1 整体框架

系统硬件模型仿真如图2所示，本系统由Arduino、传感器模块、无线通信模块、操作终端组成。Arduino作为主要控制核心，通过ZE08-CH2O甲醛模组、MQ-2烟雾传感器、GP2Y1014AU粉尘传感器、DS18B20温度传感器对周围环境中的甲醛浓度、烟雾浓度、粉尘浓度及人体温度进行测量。再将所采集到的数据显示在LCD1602显示屏上，再通过无线WiFi模块与操作终端进行信息交互，实现远程实时监测、测量温度、防盗报警的功能。

测温模块的温度传感器选用的是DS18B20芯片，该传感器只有VCC、GND、DQ三个引脚，测量准确，使用非常方便。可以测量-55℃～125℃的温度值且温度在-10℃到85℃之外时还具有±0.5℃的精度。可以设置为9位、10位、11位或12位的转换精度，测得的温度值以串行有符号16位值输出。DS18B20采用的是一线式访问模式，即通过一根线实现双向的数据传输。协议流程是:初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。另外两个引脚用于接5V电源和地，一般在应用时，需要在DQ引脚和VCC引脚之间接一个10K的上拉电阻。否则，由于高电平不能正常输入/输出，要么通电后立即显示85℃，要么用几个月后温度在85℃与正常值上乱跳。

粉尘传感器模块选择的是基于日本产的实时粉尘传感器 GP2Y1014AU，该产品可以准确测量0.8微米左右的颗粒。本设计用于测量粉尘浓度，即PM2.5值。这个传感器有很多优势，比如：重量轻，体积很小，安装方便，能耗低，工作电流小于20mA。因此，该设备广泛应用于这些产品中，例如：空气清新机、通风空调、换气扇等。利用LCD1602液晶将DS18B20温度传感器、GP2D12红外线测距仪采集到的温度、距离，通过Arduino的处理后，转化为可在液晶上显示的数据，在用户使用本系统时对数据的了解更加直观，使系统具有可视化的优点。在用户充分了解到数据的相关情况时，可以达到有效预防、危险警示的效果。

无线通信模块将WiFi模块配置为运行模式，将WiFi配置为AP模式，即模块作为WiFi AP，其他设备连接到模块的AP下，启用模块的DHCP服务器功能。报警模块从无线报警器的警报信号是利用无线通信技术经过下位机发送到上位机的，由开源硬件Arduino控制蜂鸣器发出警报。首先，由PNP三极管驱动蜂鸣器实现，Arduino开发板PD0口控制三极管基级，低电平输出时可使三极管导通，从而使蜂鸣器发出警报；当蜂鸣器停止报警时，PD0输出高电平，三极管截止，蜂鸣器停止响应。Arduino通过采集人为模拟出可测量的信号，进行数据分析和控制，自行设定一个阈值，超过该阈值后，分别代表烟雾浓度、甲醛CH2O浓度、PM2.5浓度超标，从而实现空气质量监测、防止有害气体中毒的功能。