基于物联网技术的智能报警设备设计

摘" 要：通过对传统报警设备进行调查和分析，发现有线连接、单一连接限制、缺乏远程控制等问题。这些问题导致了在安装、布局和扩展方面的不便，限制了设备的适应性和拓展性。为解决这些问题，设计一种基于物联网技术的智能报警设备。该设计实现了无线连接、多设备连接和远程控制，显著提升了设备的灵活性、拓展性和用户体验。不仅能够克服传统设备的种种限制，还为报警设备在多领域实现智能创新应用提供了实质性的技术支持。

关键词：物联网技术；报警设备；智能设备；ESP32S3

中图分类号：TP277" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）12-0173-05

Design of Intelligent Alarm Devices Based on Internet of Things Technology

CAI Bin1， SU Zichen2， NI Gengsheng1， NIU Jiahe1

（1.School of Computer Science and Information Security amp; School of Software Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China; 2.School of Life amp; Environment Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）

Abstract： By investigating and analyzing traditional alarm devices， it is found that they suffer from issues such as wired connections， single connection limitations， and the absence of remote control. These problems lead to inconveniences in installation， layout， and expansion， restricting the adaptability and scalability of the devices. To address these challenges， a smart alarm device based on IoT technology is designed. This design implements wireless connectivity， multi-device connectivity， and remote control， significantly enhancing the flexibility， scalability， and user experience of the device. Not only does it overcome the limitations of traditional devices， but it also provides substantial technical support for the realization of intelligent innovation applications of alarm devices across multiple domains.

Keywords： IoT technology; alarm device; intelligent device; ESP32S3

0" 引" 言

近年来，随着物联网技术的发展，传统有线连接的报警设备逐渐凸显一系列问题，如安装烦琐、拓展性差以及受限的远程控制。为解决这些不便，本文研究设计了一款基于物联网技术的智能报警设备。

该设计实现了无线连接，支持多对多的连接，具有强大的拓展性。允许一个报警设备与多个监视设备同时通信，轻松添加更多设备以覆盖更广阔区域。同时，该设备能够集成不同种类的报警，提供更全面、多层次的安全防护，简化整个系统结构，有效降低成本。

为增强用户体验，引入了远程监控和控制功能，使用户能够随时随地接收报警通知，显著提高了使用便捷性。加入锂电池的电源管理模块，为设备提供了更灵活、可靠、可持续的电源解决方案。此外，采用视觉和听觉特征相结合的多感官报警机制，进一步提升了用户响应速度。这种设计为用户创造了更加智能、安全的环境，在实用性上具有显著的价值。

1" 整体架构设计

本设计分为硬件模块和软件模块两部分，整体架构设计旨在充分利用硬件和软件的协同作用，以提供高效、快速、可靠的智能报警系统，整体架构设计如图1所示。

对于硬件模块设计选用乐鑫ESP32S3作为主控芯片，通过其Wi-Fi模块进行网络通信。多感官报警机制包括WS2812报警灯闪烁、无源交流蜂鸣器报警器蜂鸣和TFT LCD液晶屏[1]显示报警位置。此外，还包括USB模块[2]用于锂电池充电与程序烧录；而对于软件模块设计：考虑到设备需要快速的实时响应，嵌入式软件选择靠近主控芯片底层的乐鑫ESP-IDF [3]开发平台进行开发[4]。网络通信协议优先采用MQTT协议[5]，因为它相较于HTTP协议占用更小的资源且传输速度更快。

2" 硬件模块设计

2.1" 主控模块

采用ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组，其搭载2.4 GHz Wi-Fi（802.11 b/g/n）和Bluetooth® 5（LE），内置ESP32S3系列芯片，板载36个GPIO以及丰富的外设，同时配备了PCB天线，提供了强大的连接和通信能力。本设计所使用的模块，其引脚以及与之连接的对应模组引脚关系如表1所示。

2.2" USB模块

采用贴片式16-Pin USB Type-C接口及相应的保护电路实现USB模块，电路如图2所示，能够满足充电和信号传输的需求。

2.3" 电源管理模块

电源管理模块分为电池充电模块和3.3 V稳压供电模块两个部分。电池充电模块包括SLM6300芯片和外围器件，电路如图3所示，焊点TP1和TP2用于连接锂电池。SLM6300芯片实现了多种充电功能，包括低压涓流充电、可设置电流值的恒流充电以及恒压充电等。该芯片具有最大耐压28 V的特性，有效防止静电和浪涌电压的潜在损害。

为了确保报警设备能够在锂电池的电压范围从空电到充满电都获得稳定的3.3 V电源，需要3.3 V稳压模块，其包括TPS63020芯片和外围器件，电路如图4所示。TPS63020是一种Buck-Boost升降压拓扑转换器[6]，内部集成了4个峰值电流可达4 A的开关管，持续输出电流可达2 A以上。该芯片具有高效率和优异的动态响应性能，能够很好地满足报警器的稳压供电需求。

2.4" 报警灯模块

采用全彩可编程灯珠WS2812，通过串行级联的方式组成四位WS2812，电路如图5所示。这些灯珠被巧妙地布置在PCB边缘，以便于观察。

2.5" 报警器模块

采用主控通过NPN三极管连接无源蜂鸣器[7]以实现报警功能，电路如图6所示。其中，D1用于吸收蜂鸣器在关断时产生的反电动势，而R2则用于防止蜂鸣器误发声。

2.6" 位置显示模块

采用四线SPI通信的1.69寸240×280分辨率TFT LCD液晶屏模组，通过FPC软排线以及0.5 mm间距FPC连接器JP1与主控连接，用于显示各类信息，电路如图7所示。

2.7" PCB设计

基于上述模块，通过合理的布线和组件安排，确保系统各部分协同工作的稳定性和可靠性，进行PCB设计，如图8所示。

3" 软件模块设计

3.1" 主程序设计

设备启动后，首先进行电池电量检查。在确认电量充足的情况下，系统将按照以下步骤有序运行：启动Web服务器、开启Wi-Fi AP-STA，并监听MQTT事件。主程序详细流程如图9所示。

3.2" Web服务器

设备启动后自动运行Web服务器，用户只需连接设备AP并在浏览器输入http：//192.168.4.1即可访问，对设备查询状态和设置。在设备信息与设置页面，可查看设备的基本信息，或执行恢复出厂设置或重新连接Wi-Fi等操作。在连接Wi-Fi页面，输入连接凭据（Wi-Fi名称和密码）后，设备将尝试连接到该Wi-Fi网络，并将连接凭据存储在非易失性存储中，确保连接的持久性。这样，用户通过Web界面能方便直观地对设备进行配置和管理。

3.3" Wi-Fi AP-STA共存模式

Wi-Fi AP-STA共存模式使ESP32S3设备具备两大功能。第一，充当AP接入点，建立独立的Wi-Fi网络，允许其他设备连接。第二，作为STA基站连接到另一接入点，连接到用户指定的Wi-Fi网络，为报警设备提供网络通信服务。

3.4" MQTT通信协议

采用ESP-IDF MQTT框架配置MQTT Broker的地址和端口等参数，建立与远程MQTT Broker的连接，实现与其的通信。

3.4.1" 主题设计

主题设计[8]如表2所示，其中SD表示报警设备的序列号。为了方便解析主题消息并确保主题消息至少收到一次，消息格式为JSON，质量等级为1，且消息保留标志位为真。一旦接收到订阅的消息，通过判断其主题，进行对应JSON反序列化，从而获取相关参数。通过这些主题，能够方便地实现设备之间的互联。

3.4.2" MQTT事件监听

连接到MQTT Broker后，通过事件监听机制，设备能够实时监控MQTT连接状态、订阅和发布操作等事件[9]。一旦事件发生，设备会调用相应的事件处理函数，迅速响应和处理MQTT通信中的各种情况。事件及其对应的回调功能如图10所示。

3.5" 多感官报警机制

采用基于FreeRTOS的多任务与消息队列设计[10]如图11所示，实现多感官报警机制的协同执行。消息队列传递各功能所需的参数，包括报警灯的闪烁模式、灯光颜色，报警器鸣响次数和报警位置字符串等。这种设计确保三者协调一致，最大限度地提升报警效果。

3.5.1" 报警灯闪烁

采用RMT驱动，RMT是ESP32系列特有的通用外设，可生成驱动WS2812时序信号。通过设定灯珠索引以及红绿蓝亮度值，使得四位WS2812能够显示出特定的颜色和闪烁效果，提供可靠的视觉指示。

3.5.2" 报警器蜂鸣

采用ESP-IDF的MCPWM模块来驱动无源蜂鸣器，设置PWM频率为4 000 Hz，初始占空比为0且调整方式为指定数值。这使得蜂鸣器能够在需要时以高频率启动，并通过设置占空比实现精细的控制。

3.5.3" 报警位置显示

采用SPI外设驱动，通过向LCD屏幕发送命令和数据来精准控制显示内容。报警位置的呈现采用了与屏幕闪烁相配合的方式，以直观显示发生报警的具体位置，为采取迅速的行动提供便利。同时，LCD屏幕还具备引导初始化设置和显示设备状态的功能。

4" 测试分析

完成硬件模块的PCBA制作后，烧入软件模块并进行一系列测试。通过浏览器成功连接到其Web服务器，也实现了对设备的正常配置和管理，结果如图12所示。

在配置过程中，LCD屏幕将会进行引导，如提示进行初始化设置、展示设备正在加载以及设备已进入运行状态等，效果如图13所示。

另外，通过利用MQTT客户端工具发布一条报警信号主题消息，多感官报警机制得到了正常响应，结果如图14所示，屏幕红白界面交替闪烁，其中“position1”表示解析得到的报警发生位置。

5" 结" 论

本设计以乐鑫ESP32S3作为主控芯片，成功设计了一款基于物联网技术的智能报警设备，这一基于物联网技术的智能报警设备设计为传统报警设备领域引入了智能的解决方案。然而，随着技术的不断发展，仍存在改进和优化的空间。未来的研究可以考虑引入更多新技术，以进一步提升报警系统的性能和适用性，满足不断变化的需求和挑战。

参考文献：

[1] 杨金玲.显示技术的TFT-LCD与OLED剖析 [J].电子元器件与信息技术，2020，4（9）：6-7.

[2] AHMAD I，FERNANDES B G. Concept of Universal USB Charger [C]//2020 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting.Detroit：IEEE，2020：1-5.

[3] 乐鑫科技.ESP32-C3物联网工程开发实战 [M].北京：电子工业出版社，2022.

[4] 李永华.ESP32物联网智能硬件开发实战 视频讲解版 [M].北京：人民邮电出版社，2022.

[5] 贾凡，熊刚，朱凤华，等.基于MQTT的工业物联网通信系统研究与实现 [J].智能科学与技术学报，2019，1（3）：249-259.

[6] TRIFA V，BREZEANU G H，CEUCA E. Worst-Case Input Voltage in Buck， Boost and Buck-Boost converters [C]//2019 International Semiconductor Conference （CAS）.Sinaia：IEEE，2019：281-284.

[7] 项永金，戴银燕.贴片压电式蜂鸣器结构可靠性研究与设计 [J].电子产品世界，2019，26（10）：66-69.

[8] 葛天雄.基于MQTT的通用物联网安全系统框架 [D].杭州：浙江大学，2021.

[9] 朱明辉，赵信广，尤星懿.基于FreeRTOS和MQTT的海洋监测网络框架 [J].电子技术应用，2018，44（1）：41-44.

[10] Richard Barry. FreeRTOS实时内核应用指南 [M].黄华，译.北京：电子工业出版社，2023.

作者简介：蔡彬（2003—），男，汉族，广东珠海人，本科在读，研究方向：计算机视觉。