基于物联网的家庭智慧安防系统设计与实现.docx

基于物联网的家庭智慧安防系统设计与实现王鹏于润嘉罗全珍摘要：为了解决传统智能家居安防系统布线复杂、功能单一、维修困难等问题，设计了一种具有室内空气质量监测、安防报警等功能的家庭智慧安防系统。系统使用STM32芯片作为主控芯片，利用多种功能传感器检测家居环境，并将检测到的数据送至STM32芯片处理后在液晶显示屏显示。当系统检测到传感器输出信号异常时会产生蜂鸣报警，同时GPRS模块向用户手机发送报警短信。为了使用户能够在远程外网通过PC机或智能终端实时监控住宅状况，单片机将收集到的信息通过网关传送至YeeLink云平台以便用户访问。室内环境测试分析结果表明，系统达到了预期的设计目标，具有低成本、高性能、稳定性好的特点。关键词：物联网技术;STM32;传感器;安防;云平台;GPRS中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-030引言随着物联网技术在各行各业的成功应用，使人们的生活更加便捷、高效。个人家庭住宅的安全成为人们关注的新兴话题，大家不仅满足于住得舒服，更希望住得安全。将物联网技术应用到家庭智慧安防系统当中是发展的必然趋势。针对目前智能家居安防系统布线复杂、功能单一、维修困难等问题[1-2]，本文设计了基于物联网的家庭智慧安防系统，通过将嵌入式、传感器与物联网技术的有机结合，为智能家居安防系统的设计提供了一种新思路。实践表明，低成本、低功耗、高性能的特点使得该系统在智能家居安防市场有较大发展前景。1系统总体设计系统设计主体分为智能家居安防子系统与远程监控子系统两部分。智能安防子系统利用多种功能传感器实时监测家居温湿度、空气质量、光照强度等环境参数，通过STM32单片机采集、处理传感器数据，并发送至LCD液晶显示屏进行显示。当传感器采集数据超过阈值时，STM32单片机控制GPRS通信模块将内置报警信息发送给用户实现报警功能。同时用户也可以通过GPRS模块发送控制信息，实现家中智能设备的远程控制与调节[3]。为了使用户能够在远程外网通过PC机或智能终端实时监控住宅状况，STM32单片机将收集到的信息通过以太网控制模块W5500搭建的网关传送至YeeLink云平台，以便用户能够进行实时訪问[4]。系统总体架构如图1所示。主控芯片核心参数的选择决定了系统整体性能的优劣。意法半导体公司推出的基于Cortex-M3内核的STM32单片机是一款易于编程操作且高性价比的单片机。由于本系统具有实时性强、外设多，需具备网络通信功能等特点，综合各方面因素考虑，选择LQFP封装形式的STM32F103ZET6芯片作为核心处理器，其工作电压范围为2.0～3.6V，工作温度范围为-40～85℃。它片内集成了丰富的资源，包括512KBFLASH，64KBSRAM，3个12位μs级ADC，测量范围0～3.6V，多达80个I/O，4个通用定时器，2个高级定时器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART等，大大简化了外围电路设计，有效降低了硬件设计成本[5-6]。2安防子系统数据采集模块硬件设计2.1环境温湿度检测模块设计系统采用包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件的温湿度复合传感器DHT11进行环境温湿度检测。设计中DHT11通过DATA引脚将温湿度数字量信息传送到STM32单片机的PA1引脚，由单片机进行数据分析与处理[7]。DHT11数据包长度为5B，其中湿度数据、温度数据各占2B，校验和占1B。为了避免DHT11传感器上电后不稳定状态带来的测量误差，STM32单片机需等待1s，再向DHT11发送指令。DHT11通过单总线与STM32单片机进行通信，即仅需一个I/O口，便可完成数据的输入/输出双向传输。DHT11与STM32单片机之间的连接示意如图2所示。2.2安防报警模块设计安防报警模块由振动传感器、光电传感器、PM2.5浓度检测传感器和烟雾检测传感器组成[8]。SW-420振动感应器、E18-D80NK光电传感器的信号是数字信号，信号输出端口直接连接到STM32单片机。YW-51GJ的PM2.5气敏粉尘传感器，通过脉冲高度来判断细颗粒物浓度。MQ-7气体传感器能有效监测液化气、烷类气体及烟雾等有害气体，是一款多种气体检测传感器。SW-420振动传感器是一种振动传感元件，其内部门电路均是接通状态，内部活动滚轴的位移或振动会改变内部电路的电流和阻值，引起门电路开断状态改变，因此一定程度的移动或振动会触发电路。传感器通过I/O口直接与单片机连通，当振动产生时输出端输出高电平，单片机接收到高电平触发相应的程序。E18-D80NK光电传感器是集成发射和接收的光电传感器。接收头解调反射光并用于确定传感器前面是否存在障碍物。该端口直接输出高电平和低电平，并且可以在没有任何驱动电路的情况下与单片机