基于物联网技术的智能家居安防系统设计研究

李悦

（昆山花桥国际商务城中等专业学校，江苏昆山，215300）

0 引言

从20 世纪末，随着物联网技术的发展，对智能家居的研究就逐渐地发展起来，多家公司致力于研究智能家居系统[1]，到如今，智能家居在生活中已经得到了大范围的应用。智能家居安防系统也经过不断地改善，技术也逐渐趋于成熟，在给人们带去便利的同时，安全性能也进一步的提高，极大地保障了用户在日常生活中的生命财产安全。

1 系统总体设计方案

智能家居安防系统需要在有突发情况发生时进行及时的识别和报警以期将损失降到最低。智能家居安防系统有信号检测模块、信号处理模块和警报模块无线通信等组成[2]，功能主要包括预防火灾的发生，预防煤气等可燃气体的泄露，预防入室抢劫盗窃等。通过安装在用户家中的主要是由各种传感器组成家庭数据采集终端[3]，采用有线和无线相结合的方法传入控制中心进行处理和判断，实时监测各项指标是否处在正常范围内，是否有危险事件的发生。当指标满足报警条件时，可以通过无线通信模块尽快地通知用户有危险事件的发生，进行报警，实现远程监控。其结构组成如图1所示。

图1 智能家居安防系统组成框图

其中左侧的烟雾传感器，以及两种检测不同波的长红外光的红外传感器(分别检测人体辐射出的红外光和明火辐射出的红外光，二者波长有很大不同)共同组成安防系统的信号检测部分[4]。STC51 单片机是信号处理分析模块，以预先设置了三种信号的正常范围值，当输入信号一旦超过正常范围，则代表危险事件的发生，单片机通过报警模块进行报警。SIM900 通信用于发送信息，来实现远程报警。

2 基于物联网技术的智能家居安防系统设计

■2.1 系统硬件模块

本文提及的智能家居安防系统，是基于发达的物联网技术提出的，以多种不同的传感器为基础搭起的硬件网络，整体的系统运行较为稳定，不易发生误检，使用的器件也较为常见，很多地方都可以买到，运行可靠成本低廉，控制中心使用的是电路设计中常用的STC51 单片机，在通信模块中使用的是SIM900A。

2.1.1 烟雾传感器

烟雾传感器检测烟雾浓度的原理是利用气敏电阻的电导率随气体浓度的变化而变化，从而导致电路种电流的变化，即通过电路种电流的变化来表示气体浓度的变化。即使是低浓度的煤气泄漏都会造成严重的危害，所以在智能家居安防系统中使用的烟雾传感器需要具有较高的性能，对需要检测和预防的气体浓度的变化可以做出迅速且准确的反应，再此基础上我们选择成本较低的MQ-2 烟雾传感器。该烟雾传感器，可以用来检测许多日常生活或工业生产中，在当下的应用非常广泛。MQ-2 烟雾传感器有两种有由不同电子元器件实现的结构，本文采用的烟雾传感器的基于比较器的电路来实现的[5]。MQ-2 烟雾传感器的4 号脚管所连接的电路中的气敏电阻的阻值会随着烟雾的浓度变化，从而产生变化的直流信号，后通过电路传输到电压的比较器的2 号管脚中，与预先设置好的电压值进行比用户可以通过改变滑线变阻器的滑动头来改变这一电压值。当烟雾的浓度较高导致电路中的电流过大，大于提前设定的值，此时比较器的输出是0V，电路是完整的，是一个通的电路，这个时候接通含LED 灯的电路，进行预警。当电流小于提前设定好的数值时，比较器的输出非0，LED 灯产生截断，故不会发光。MQ-2 烟雾传感器的灵敏度的调节是通过设定比较器1 号管脚的电压实现的，阈值电压越低，则传感器的灵敏度越高，阈值电压越高，则烟雾传感器的灵敏度越低，随室内气体变化的变化越不明显。

2.1.2 火焰传感器

对于明火的检测，我们使用有红外光敏电阻构成的火焰传感器检测。火焰检测器的核心是火焰接收管，火焰接收管主要是通过二极管在电路中的特性实现的，最核心的是PN结，正向流通的时候电阻的值特别小，和导线的电阻差不多，反向的时候，电阻又特别的大，就导致电路不通了，是一种对光照敏感的二极管的一种，当光照处在一个中间范围，不过大也不过小的时候，电阻的阻值也跟光照的大小近似的成正比例。经实验可知，当探测的红外线与光敏电阻所成角度为60°时，该传感器对火焰光谱是最为灵敏的。当有红外光输入时，光敏电阻把光照的强度转换电阻阻值的大小，然后再进一步的变为相应的电信号，通过一个最简单的比较器输出一个反映光照强度大小的数值，信号的波形的特征也可以被比较容易的观察到。

2.1.3 红外传感器

红外传感器用于对入室盗窃事件的监控，本文选用HCSR501 人体感应红外传感器来实现。由于该红外传感器本身的能耗较低，器件的温度较低，故不会向外辐射能量，不会因为自身发热对检测造成干扰，与此同时，该红外传感器仅对人体发出的特定波长的红外线敏感，这就使得该红外传感器有较高的稳定性。模块有L 和H 两种模式，其中L 为不可重复，H 为可重复。我们将其设置为H，当传感器感应到输出的是高电平后，在其保持稳定状态开始监测后，在检测范围内，一旦检测到有人体活动发出特定波长的红外光时，红外传感器的输出会变为高电平，直到检测区域的人离开后，传感器检测不到特定波长的红外光后，整个电路的输出才会变为低电平。当感应模块监测到人发出的红外光后的检测到人体活动后就会自行迭代到下一个延时时间段，并且以最后一次检测到红外光的时刻为下一个延时时间的初始点。

2.1.4 无线通信模块

当危险事件发生时，为了能够及时通知用户，在无线通信模块，我们选用SIM900A 模块。SIM900A 是一个物理体积比较小的GSM模块，采用ARM926EJ-S 架构，拥有高性能，是比较完善并且成熟的通信系统[6]，可以进行短消息、语音、数据传送等。模块的硬件使用的是高效开关电源优化，可以使用串口调试助手对其进行调试。

2.1.5 单片机控制模块

STC51 单片机作为控制模块，具有及时地计算和输出能力。在本文中我们选用与51 单片机有相同内核的STC89C52 单片机来实现对智能家居安防系统整体的控制。STC89C52 支持两种模式。单片机根据烟雾传感器、火焰传感器、人体红外传感器这三个传感器检测外部环境的变化，当出现异常数值时，判断发生了危险事件，启动蜂鸣器进行报警，并显示异常数值。同时通过串口P3.0，P3.1 连接的远程通信模块，通过发送短信或语音的形式来提醒用户家中发现了危险事件。本文使用的51 单片机的P1.1，P1.2管脚连接气敏传感器，用来检测室内烟雾情况，其中P1.2输入的是电信号，可以准确地测定烟雾的浓度。单片机的P1.4 管脚连接的是红外光传感器，监测室内环境内是否有火焰产生的特点的波长的红外光出现，如果室内发生了火灾，则气敏传感器和红外光传感器都会检测到异常的数据，这样的话，我们就可以判断室内确实发生了火灾。P1.5 连接红外传感器，检测是否由入室盗窃事件的发生。完整的控制电路及接口如图2 所示。

图2 控制及接口电路

■2.2 系统软件

智能家居安防系统软件架构是基于硬件电路建立的，使用的是KeilμVision2 来对系统进行开发和编译的。其中包括，环境检测程序模块、SIM900A 模块的初始化程序模块、通过远程通信系统发送消息通知用户的信息发生程序模块、按键的控制程序模块等。

2.2.1 烟雾检测模块和火焰检测模块

烟雾传感器因为比较器电路处理的检测信号只有高和低两种状态；当浓度低于阈值时，信号为高电平；浓度高于阈值时，信号为低电平。所以单片机需要将引脚配置为输入模式，监控该信号的高低电平。在用户打开安防系统的时，首先对各个模块进行通电启动，运行抗干扰程序，来保证系统的正常运行。在系统达到平稳运行的状态后，系统进入安全扫描状态，实时监控烟雾传感器输出端是否为低电平输出或是火焰传感器是否为高电平输出，若是，则代表发生了危险事件，出现了异常，接着会调用报警模块，给蜂鸣器通电进行就近警报，该过程持续10s 后调用远程通信模块，通过SM900A 给用户发送短信，告知用户危险事件的发生，实现远程预警，该过程的流程图如图3 所示。

图3 智能安防系统程序流程图

2.2.2 通信模块程序

当整个系统程序完成初始化后，若出现烟雾传感器输出端是否为低电平输出、火焰传感器是否为高电平输出，或是红外传感器检测到有人非法进入室内，即传感器检测到了异常的信息，下一步会调用报警程序模块，将提取编辑好的信息发送给用户，通知异常状况的发生。在程序中对对象的手机号码采用unnion 的编码方式，存放在系统的SIM 卡中。在用户打开安防系统的时，首先对各个模块进行通电启动，运行抗干扰程序，来保证系统的正常运行。在大约15s 的时间内完成将模块注册进入网络，若模块指示灯闪烁一次则表示已成功的将程序接入网络中，系统进入扫描状态。当危险事件发生，系统向用户发送警报信息后的30s 后，若没有受到用户的新的指令[7]，则继续发送短信，直到用户输入新的指令。该过程的流程图如图3(b)所示。

2.2.3 人体检测模块

在用户打开红外检测模块后，所需的系统初始化的时间为1min，在此之后调用延时抗干扰模块程序，在系统达到平稳运行的状态后，系统进入安全扫描状态。由于HC-SR501 设置的是L 模式，即可重复使用模式，使用当STC89C52 的P1.5 串口有高电平输入时，立即给含有警报灯和蜂鸣器的电路通电，进行报警，该过程持续10s 后调用远程通信模块，通过SM900A 给用户发送短信，告知用户危险事件的发生，实现远程预警，该过程的流程图如图3(c)所示。

3 测试结果

系统的工作模式有两种，分别为监控开启模式和监控关闭模式，当用户在家或不小心误触时，可以及时的关闭，避免噪声的干扰。当用户家中无人并且开启系统时候，智能家居安防系统不断的检测室内的环境，的变化。当有入室盗窃事件发生，红外检测系统就会及时的预警，远程短信通知用户并同过蜂鸣器进行预警。当发生火灾或煤气泄漏时，系统同样也会以同样的方式告知用户家中发生了危险事件并等待回复控制指令。

4 结束语

智能家居安防系统在人们的生活中发挥着重要作用，能够提供火灾预警，入室盗窃预警，煤气泄漏预警等作用，并且实现了远程预警的功能，有效的保障了用户的生命财产安全。本文设计的智能家居安防系统，具有诸多优点，如高性能，低成本，低功耗，高效率同时兼具有线预警和无线远程预警的方式等。在使生活更加便捷的同时，消耗更少的能源，更加环保，有利于在社会生活的各个方面的广泛应用。