基于STM32的家居安防系统的设计与实现

陈万疆

（盐城生物工程高等职业技术学校，江苏盐城，224000）

旨在更全面、更有效地满足广大居民的高品质住宅需求，人们提出了智能家居的概念，它将家用电器、安防等相关设备灵活合理地集中装配，利用用户操作平台的方式实现对各类家电设备的实时化、精准化控制，由此满足居民的安保需求。随着安防系统的构建与应用，人们即便外出也无需担心家中的环境状况，可直接通过此系统实时了解家用设备的运行情况，具有完善的检测功能和报警功能，用户能够对家用设备进行远程监控。

1 系统的总体结构

本文拟通过嵌入式系统构建成熟严谨且具有良好操作性的智能加剧系统，依托先进强大的物联网技术进行远程监控。本文在综合考虑功能要求、性能目标等因素之后决定选用STM32芯，将其确立为本系统核心控制芯片，通过各类传感器实现对家居环境的实时化、精准化、持续化监测，采集到的数据会实时高效地传输至核心控制芯片并按照预先设定的流程做进一步处理，由此得到的数据处理结果会清晰直观地展现于显示屏上，若采集到的数据存在异常，那么蜂鸣器就会运行，通过鸣叫的方式通知用户，以此实现报警功能，GSM无线报警模块能够将报警短信快速发送到用户手机上。控制芯片在联网的情况下能够将其接收到的信息便捷高效地传输到yeelink云平台上，此时，用户即可联网远程监控其家居环境。关于系统整体需求分析如图1所示。

图1 系统总体需求分析

为确保本次设计的系统良好地满足用户应用需求，本文初步确定了系统整体设计结构，具体可见图2。

图2 系统总体结构体系

(1)环境监测：通过包括红外线传感器在内等一系列相关传感器实现对家中环境情况的动态化、实时化、持续化监测。若发现陌生人进入，抑或是烟雾成分超出阈值等，传感器就会将其采集到的数据信息传送至ADC转换处理，由此获得能够被系统辨识的数值信号，其中，“1”、“0”的主要功能是调节输出电平状态，即“高”、“低”，其相应的操作分别是“是”和“否”，传输到控制器并形成相应的动作指令。状态显示和报警：传感器采集到的一系列数据能够直接清晰直观地展示在TFT-LCD液晶屏上。如果发现异常，其数字信号会驱动蜂鸣器运作，向用户发出警报。无线报警：如果系统发现异常，会利用GSM模块向用户手机传输短信，促其在获悉具体情况后采取有效措施妥善处理内部险情。

(2)无论是无线数据传输，还是人机交互，都能够通过成熟强大的物联网技术将传感器检测到的各类数据信息快速精准地传输至云平台进行存储，同时根据获取到的数据进行实时更新，用户能够远程监控住宅环境。

2 系统硬件模块设计

■2.1 核心传感器模块

(1)HC-SR501

本文在综合考虑各方面因素之后决定采用热释电红外传感器HC-SR501，它主要包括热释电探测元、滤光片等。其中，热释电探测元尤为重要，它输出的电流信号比较微弱，唯有在进行放大处理后方可被系统辨识和读取。关于前置放大器电路可见图3。

图3 前置放大器电路

人体红外模块含有三个引脚VCC（接高电平）、GND（接地）、OUT（信号输出）。其输出的主要功能是描述有无人在进行活动，因此，只存在两种信号，分别是高、低电平。若元件监测区域内存在人体活动的情况，模块会上输出高电平信号，以此进行报警。若未监测到有人走动，输出0V信号，此时不会触动报警机制。

(2)DS18B20

关于DS18B20的测温机制可见图4，需要注意的是，此图隐含计数门，在其呈打开状时，DS18B20会自动计数低温度系数振荡器产生的时钟脉冲，由此实现对温度的实时精准测定。

图4 DS18B20的测温原理

关于温度传感模块，本设计在综合考虑各方面因素之后决定选取外接电源的形式，此举既能够保证模块稳定持续地获得VDD供电，增强数据信息的转换精准性，从而使得DS18B20保持良好的运行状态。关于外接电源电路可见图5。

图5 外接电源方式电气图

(3)MQ-2

MQ-2传感器可以将包括酒精等在内的多种化学物质的一系列特性（比如浓度等）变化准确快速地转变为电信号，一般由接收器、换能器构成。在此设计中，烟雾检测传感器的功能是实时精准地监测住宅内可燃气体是否存在安全隐患，无需识别气体的类别，也不要测定烟雾浓度，确保各相关数值未超过阈值即可。鉴于此，本设计决定采用布尔型的输出信号，关于 MQ-2电路原理可见图6。

图6 MQ-2电路原理图

■2.2 其他外设模块

(1)GSM

如果温度等重要检测对象的数值超出预设的阈值，抑或是在监测到特定区域内有人员活动，那么单片机会马上启动并运行SIM900A为用户发送短信。两者之间通过UART串口保持稳定可靠的通信关系。数据传输过程中会运用到AT指令集。能够通过AT指令直接控制SIM900A模块，以此完成一系列具体操作，比如定义校验位等。

(2)TFT-LCD

本设计选取的STM32F103RCT6芯片，提供了2.4/2.8寸LCD接口，用户能够直接触屏操作，TFT_LCD液晶显示屏能够和单片机连接。该显示屏既能够准确清晰的显示文本信息，也可以实时高效地显示图像，而这即导致会产生较多的数据流量，所以应选用并口接口的方式。液晶屏封装后为17×2排针引脚。

(3)BEEP

传感器将其采集到的异常数据传输至芯片作进一步处理的过程中，单片机能够根据对已接收数据信息的处理和分析结果，为蜂鸣器传输相应的电平信号，三极管接地，随着电流的流经，蜂鸣器启动并进行鸣叫，若I/O口输入为低电平，那么三极管无法导通，此时，蜂鸣器终止运行，不会鸣叫。

(4)W5500

在物联网设计方面，最关键的是实现和互联网的稳定连接。本文采用的下位机环境检测系统需在网线、W5500的支持下接入网络。网线一端以W5500为纽带和单片机连接，另一端则利用路由器接入网络。

■2.3 J-LINK仿真器

该设备是由SEGGER企业研发出来的，它最突出的特征是即插即用，下载速度非常快，它适用于M3-Cortex内核单片机的仿真，也能够良好地兼容KEIL编译软件，既不会出现遗失信息的情况，也能够和各种相关硬件设备之间进行稳定便捷的连接，软件操作比较流畅，特别适合STM32单片机。J-LINK通过电脑USB进行供电，电压比较低，一般在1.2V~3.3V之间，某些情况下是5V，供电电流必须低于300mA，整机电流亦必须保持在50mA范围以内。工作环境温度大约为5°C~60°C等。

3 系统软件设计

■3.1 环境监测与无线报警模块

环境检测内容主要有三项：一是通过HC-SR501人体红外检测传感器实时精准地监测住宅区域内是否存在陌生人进入的情况；二是通过DS18B20温度传感器对住宅内部的环境进行动态化、精准化、持续化监测；三是通过MQ-2烟雾检测传感器对家居环境中的空气进行实时精准地检测，着重检测其内部是否存在浓度超标的可燃气体，抑或是由于火灾的发生而形成的烟雾。若上述传感器在运行过程中采集到异常数据，会马上传输高电平信号，启动蜂鸣器并触动报警机制，以发出鸣叫的形式提醒用户，不仅如此，还会为用户发送报警短信，促进用户及时全面地了解家居环境的具体情况，快速采取有效措施进行妥善处理。其程序设计流程图如图7所示。

图7 环境监测与无线报警系统程序设计流程图

(1)HC-SR501模块

该模块将PC5引脚定义为数据通信引脚，对其进行初始化处理。将工作模式调整为带上拉输入，在无输入的情况下，PC5口的输出维持原状，不会出现任何变化。将引脚速度定义为50MHz，且复位为低电平。在传感器启动并保持稳定良好的运行状态时，利用infrared_read（）函数精准快速地读取PC5的状态输入，若监测到陌生人进入，则马上输出“1”高电平，此信号在进行一系列处理后传输至报警模块，以此马上发出警报。

(2)DS18B20模块

该模块在通电后保持休眠模式，此时，唯有单片机下达指令方可切换此模式。单片机接收到温度数据后，应向DS18B20模块传输“01000100”数据，以此令该模块由当前的休眠模式迅速切换至工作模式，在单片机接收信息的过程中，DQ线的电平被拉低，待15μs后，对此线的电平状态进行准确快速地判定。在采样的时间窗口内，若总线为高电平，主机会向DS18B20写入1，若为低电平，主机写入0。此时即实现了对bit位的成功传输。

(3)MQ-2模块

该模块将PC4定义为数据传输引脚，令其和传感器的DO口相连接。PC4引脚在进行初始化处理后，引脚复位，利用smoke_read()函数对其当前状态进行实时精准的判定。利用调节器完成对浓度阈值的合理定义，如果家居环境内的可燃气体等含量低于预设阈值，那么DO口呈高电平；反之，则保持低电平状态，同时，会利用PC4将其检测到的数据信息传输到处理器作进一步处理和分析。

(4)BEEP模块蜂鸣器模块

将PA8引脚定义为数据通讯口，通过GPIOA的时钟对此引脚进行初始化处理，若检测到异常数据，需启动报警机制时，可利用beep_set()函数调整PA8口状态，由此实现对蜂鸣器运行状态的有效调控。

(5)GSM模块

此模块和蜂鸣器协同运行，可将它们进行整合，使得蜂鸣报警与短信报警的功能同步实现。利用if函数对传感器的当前运行状态进行实时精准地监测，若发现异常，则马上运行此模块。

■3.2 TFT_LCD显示模块

关于显示模块的程序设计流程可见图8。在程序启动后，系统会自动检测内部模块运行状态，如果均保持稳定良好的运行状态，显示屏会清晰直观地显示当前温度值，若温度值在预设的阈值范围以内，进度条显示为绿色，若超出预设值，则变为红色，同时会触动报警机制。若系统监测到有的模块未保持稳定良好的运行状态，那么会运行上述判断程序，直至每一个模块稳定可靠地运行。

图8 显示模块程序设计流程图

■3.3 W5500以太网控制模块

该模块利用W5500将检测到的数据通过TCP协议快速精准地传输至yeelink服务器。用户能够直接利用云平台接收并查询其传输过来的数据。在进行调试时，能够通过计算机了解服务器的回传情况。通过网线连接路由器与W5500模块，选择路由器的主要原因是它能够根据接收到的信息智能分配IP地址，操作便捷。

4 结束语

此次设计的智能家居安防系统优势比较突出，不仅投入少、功耗低，并且性能可靠，可实现对住宅环境内的人员出入、烟雾浓度等精准实施的监测，一旦发现异常，可立即启动报警机制，为用户发送短信，促其尽快采取有效手段妥善处理各种问题。不仅如此，用户还能够对家居设备进行远程监控。软件设计方面，采用了当前应用比较广泛的KEIL5编译环境，以流程图的方式客观准确地展示程序框架，同时对主要程序进行了逐一介绍。硬件设计方面，主要对外设参数、电路原理等进行了细致全面地论述。