智能家居安防系统设计

曹树伟，鲍晓娟

（1.赤峰学院 物理与电子信息工程学院；2.赤峰学院 远程教育学院，内蒙古 赤峰 024000）

科学技术研究

智能家居安防系统设计

曹树伟1，鲍晓娟2

（1.赤峰学院 物理与电子信息工程学院；2.赤峰学院 远程教育学院，内蒙古 赤峰 024000）

本文基于物联网技术设计出一套智能家居安防系统配置方案.以STM32F107VCT芯片作为中央控制模块，外围电路分别设计了火灾检测模块，煤气泄漏检测模块，漏水检测模块，防盗检测模块，远程通信报警模块，室内报警模块.通过各个单元模块的传感器监测家居环境，如果检测到有危险情况发生，由传感器产生相应的报警电信号，送至中央处理单元，中央处理单元处理后同时产生本地报警和远程通信报警.本家居安防系统可以实现家庭火灾，煤气泄漏，自来水泄漏，非法入侵检测和报警功能.

智能家居；安防；STM32F107VCT；远程通信

1 引言

随着现代社会城市化进程不断加快，人们大都搬进楼房居住，楼房在提供给住户舒适温馨的居住环境的同时，也存在着一些潜在的安全隐患，比如日常生活中最常见安全隐患的有火灾、煤气泄漏、自来水泄漏、盗窃等.为了实现对这些安全隐患实现全天候监测，本文设计了一套智能家居安防系统，能可靠的进行日常安全防范工作，及时发现上述险情并通知户主.以便将险情消灭在萌芽状态.使人们能够安心工作，同时也保证了人们的生命财产不受损失.使人们家居环境更加安全化、智能化、便捷化.

本文基于物联网技术，以STM32F107VCT芯片作为中央处理器，构建家居安防系统.其中设计了火灾检测报警模块、煤气泄漏检测模块、漏水检测模块、防盗检测模块、远程通信报警模块、室内室外报警模块、显示触摸屏控制模块.根据楼房的具体结构，合理安排布置相关模块及其传感器终端.从而能实现对应安全项目的检测和报警.

2 系统组成框图及工作原理

2.1 系统组成框图

图2.1 智能家居安防系统框图

本系统以 STM32F107VCT芯片为中央处理单元（MCU），外围电路设有显示、触摸屏模块，摄像头监测、录像模块，火灾检测模块，煤气泄漏检测模块，自来水泄漏检测模块，防盗人体红外检测模块，远程通信报警模块，室内、室外语音报警模块，电源模块.其中中央处理单元（MCU）是系统的核心.负责接收和处理报警模块的报警信息，用户操作指令，驱动远程报警通讯和室内室外报警音响模块；显示、触摸屏模块是人机交互界面，显示器显示系统工作状态，及相关险情报警.接收用户向计算机输入指令及进行初始设定；摄像头监测模块用于用户远程对家庭环境进行监视，和险情确认.其录像功能用于盗窃、火灾保险理赔等信息取证；火灾检测模块，煤气泄漏检测模块，自来水泄漏检测模块，防盗人体红外检测模块这四个模块为传感检测单元.其中每个模块可以有多组传感探头，如火灾检测模块的探头可以布置到卧室、客厅、厨房、书房等易燃物较多的房间，用于检测是否有火灾烟雾、阴燃或明火出现.而煤气泄漏模块可以重点集中在厨房沿入户煤气管道进行进行布置.自来水泄漏模块用于检测室内是否发生漏水，重点布设于卫生间和厨房及暖气管道附近.防盗人体红外检测模块主要用于防盗，防止盗贼非法入侵.主要布置于门窗位置及保险柜，挂画，摆件等贵重物品摆放处附近.人体红外感应探头可以有选择的开启或关闭，当用户在家时，保险柜、挂画、摆件附近的探头可以关闭或缩短感应距离，以防止用户在家来回经过时探头频繁错误报警.当用户外夜晚休息或者离家外出时可以通过触屏操作界面把所有探头全部开启，实现全方位监测非法入侵；远程通信报警模块用于中央处理单元与用户之间的远程通信，险情发生时将报警信息以短信或电话的方式发送给用户，同时将用户远程发送的指令传给中央处理单元，使其驱动报警模块动作.平时将视频监控信号远程发送给用户，以便用户实时了解家庭内部情况；室内、室外语音报警模块用于语音实时报警.当用户在室内时，发生火灾、煤气泄漏、自来水泄漏、非法入侵等，室内语音报警对用户起到报警作用.对于非法入侵，室内报警也同时警告盗贼已被发现，起到警示作用.室外语音报警模块主要用于用户不在家的情形，当用户手机收到报警信息，如火灾、煤气泄漏、自来水泄漏等需要紧急处理的灾情时，用户第一时间不能回来，此时可以选择通过远程通信控制室外语音报警模块进行报警求助.以便小区安防人员第一时间赶到救灾，将险情第一时间内控制.

2.2 系统工作原理

正常工作时，中央处理单元监测各个传感传感模块是否有报警信号产生，如果发生报警信号，中央处理单元首先判断是哪种报警信号，同时驱动室内报警模块发出语音报警.室内语音报警初始语音可设定为：“有火灾险情，请及时处理！”“煤气发生泄漏，尽快疏散人员！”“自来水泄漏，请及时处理”“有盗贼闯入，已报警110”等，重复播报模式.这种室内语音报警对用户在家的情况报警有效，用户在收到报警后可及时作出反应.在室内语音报警的同时，中央处理单元（MCU）同时驱动远程通信报警模块进行远程通信报警，发报警信息或报警电话到用户手机上.可以设定每隔5秒操作一次信息.直到用户回复“确认收到”或挂掉电话为止.这种远程通信报警针对用户不在家的情况有效.当用户在收到远程报警信息后，可以先打开远程监控界面，通过安装在家里的摄像头进行视频监控确认险情（对火灾、自来水泄漏、盗贼闯入有效.煤气泄漏视频监控无效）.确认无误，可以通过远程控制室外报警求助模块进行室外报警求助.室外报警求助初始语音可以设定为：“房号+发生火灾（或/煤气泄漏/自来水泄漏/有盗贼闯入），请通知物业管理员”，重复播报模式.或者选择拨打电话报火警等其他处理方式.

3 单元电路原理图及实现原理

3.1 中央控制单元模块

中央控制单元模块由STM32F107VCT芯片来实现（如图3.1）.主控芯片STM32F107VCT是意法半导体推出全新STM32互连型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用.另外它拥有32位ARM Cortex-M3内核；72MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz；硬件除法和单周期乘法；快速可嵌套中断，6～12个时钟周期；具有MPU保护设定访问规则；256KB Flash，64KB的 SRAM；16-bit定时器(IC/OC/PWM)，11(28/28/31)，全速 USB（OTG）接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块.此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和安全防盗等多种产品需求.

本单元负责整个系统的控制管理工作.所有的传感器采集的信号均传输到此节点并由此运算单元来处理.并根据程序将控制信号输出到执行单元.完成相应的功能的操作.

图3.2 液晶显示屏

图3.3 无线摄像头

图3.4 煤气泄漏检测模块

图3.5 自来水泄漏传感器

图3.6 红外人体感应模块

图3.7 无线远程通信模块

图3.8 音箱

3.2 显示、触摸屏模块

本模块主要功能是用户对安防系统进行指令操作的输入输出信息显示设备，液晶屏是用户以及报警信息显示的室内输出设备.如（图3.2）.用户可以通过触摸屏操作界面进行指令操作.用户通过此模块设定每个模块的监控时间，报警模式等.可以采用COOLMAY7寸真彩触摸屏PLC一体机作为输出端，开关量最多24入20出，模拟量最多12入8出，可以选装485、232口，网口和音频.

3.3 摄像头监测、录像模块

本模块可以安装在每个独立房间，同时可在入户门外，窗外进行安装.如（图3.3）.室内摄像头主要是火灾，自来水泄漏，盗窃等情况监视、记录功能.当用户不在室内收到报警信息时，可以第一时间通过远程监视功能来打开对应报警的中央屋顶摄像头，观察相应报警房间的具体情况，确认报警是否属实.如果情况属实，可以拨打报警电话求助，或者电话拨通小区安保人员进行求助.户外门窗安装的摄像头主要应对于防止盗窃，本模块可以作为随时远程监视终端，使用户在户外有网络连接的情况下，随时都能监控自己的室内情况.摄像头监测录像还可以作为盗窃证据.

本模块可以采用军视牌摄像头，该摄像头与控制节点采用无线接入方式连接，在实际操作中安装方便快捷，其无阻碍物情况下最远无线距离为100米，隔墙传输距离为30米.图像编码格式H.264标准压缩，实时监控1280*96p分辨率，录像方式有手动/报警/动态监测/定时方式.对于普通用户家庭应用足够.

3.4 火灾检测模块

火灾检测模块主要安装在具有易燃物的厅室，如卧室、客厅、厨房、储物间等.分别采用温度传感器，光传感器，和烟雾传感器三种传感器联合检测是否发生火灾.具备两种报警信号或多于两种的情况下，触发报警操作.即触发室内声音报警模块发出声音报警，同时驱动发光二极管闪烁发出光报警信号，光报警这种方式对于室内听力不好的老年人有效.同时驱动远程报警信号，向户主手机发出报警信息或报警电话.每隔5秒发送一次，直至用户确认或挂断电话为止.这种报警方式主要针对户主人不在室内的情况有效.当用户在室外收到火灾信息时可以通过远程监视系统打开家里的视频监控进行确认.如果情况属实，可以第一时间报火警，或者通过手机控制户外报警模块发出火灾报警.求助小区安保人员第一时间赶到处理火灾现场.

3.5 煤气泄漏检测模块

本模块主要安装于厨房，可以同时安装三到四个这样的模块.如（图3.4）.分布于煤气管道及煤气灶周围.煤气灶周围的在安装过程中要注意位置及距离调整，以免在正常使用煤气灶时报警器发生报警现象.对于封闭式厨房，应在厨房门口处安装一至两个这样的气体检测模块.对于开放式厨房，应根据开窗时气流的流向，在气流流通量较大的地方安装一至两个这样的气体检测模块.

本模块所采用的主要芯片有：LM393、ZYMQ-2气体传感器.工作电压为直流5v.其特点有：（1）具有信号输出指示.（2）双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）.（3）TTL输出有效信号为低电平.当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机.（4）模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高.（5）对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度（适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置）.（6）具有长期的使用寿命和可靠的稳定性.（7）快速的响应恢复特性.

3.6 自来水泄漏检测模块

自来水泄漏检测模块主要安装在入户自来水管分布的通道周围.如（图3.5）.重点是卫生间、厨房等有水龙头的地方.本模块可以采用活动插头连接到中央控制单元.当用户不使用本模块时可以拔掉插头.当用户长时间外出需要本模块正常工作，此时可以将本模块接入到系统中.将探头放在检测地面上，调整好监测的水位高度，当有漏水流过探头两金属电极之间时，电路接通，产生报警信号.

本模块可以采用历高牌隔离式水位探测器，本探测器根据探测电极浸水后阻抗发生变化，通过专用集成芯片对水浸输入信号进行信号放大、整形、比较，输出干接点或高低电平变化信号，指示变送器所在位置是否有水.该探测器结构采用一体化全密封塑料外壳设计，保证了产品的高可靠性.同时还具有一体化全密封设计；电源，输入，输出全隔离；高可靠性；抗干扰性强等特点.可选择高低电平或继电器多种输出报警信号方式.本模块工作电压为DC12V.

3.7 防盗人体红外检测模块

本模块主要应用于门窗入口处防盗报警.当用户不在家或者晚上休息时进行开启工作.同时本模块也可以安装于室内贵重物品处，如名画或贵重摆件附近，可以起到防盗作用.模块如（图3.6）.实际应用中本模块设为重复触发方式.即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点).

3.8 远程通信报警模块

远程通信报警模块主要负责向用户进行远程通信报警，当对应报警模块监测到有报警信号发生时，由中央处理单元驱动本模块通过远程通信方式向用户发出报警信息.主要针对用户不在室内的情形.本模块可以采用短信开发板SIM800A来实现.如（图3.7）.它可以发射GSM/GPRS无线数据.实现向用户短信通知或者打电话的功能.

3.9 室内报警模块

室内报警模块，可以配备多种模式报警电路，如扬声器如（图3.8），蜂鸣器，震动提醒器或者不同颜色的发光二极管发光报警电路等.

本模块的功能主要是分为以下几种情况：（1）室内有人的情况下，发生的危险状况报警以声音的形式进行告警与提醒.比如火警，煤气泄漏，自来水泄漏等.此时可选用扬声器及发光电路共同提醒.扬声器发出预置声音如：“有火灾险情，请及时处理！”“煤气发生泄漏，尽快疏散人员！”“自来水泄漏，请及时处理”“有盗贼闯入，已报警110”等.发光二极管闪烁报警电路主要对于听力障碍的老年人有效.对于聋哑人可以配备振动提醒器来发出告警.（2）室内无人时，主要针对盗窃报警.扬声器的语音警报功能可以起到警告盗贼已经被发现的作用.

3.10 室外报警求助模块

室外报警电路主要用扬声器来实现.其功能主要是起到求助社区保安人员的作用.尤其是当用户离家距离较远，不能第一时间赶回，而室内又发生火灾，自来水泄漏，煤气泄漏等危险情况时，室外报警作用效果较大.可以求助于外部救援，将危险损害降低到最小，或者将之消灭在萌芽状态.

室外安装时要注意选择适宜的安装位置，做好防晒、防雨雪、防风、防漏电等措施.使扬声器能更长时间，更好的工作.

3.11 电源模块

电源模块负责整个系统的电源供给，其功能是实现将家用220V低压交流电源变换成直流电源3.3V和5V.其中3.3V电压供中央处理单元使用，而5V电压供部分外围传感电路使用.其电路图（如图3.9）.对于部分电路需要直接应用220V交流电源供电，如监视模块的摄像头电路.

图3.9 电源电路

4 程序流程图

5 总结

本文从系统应用层面对智能家居安防系统进行了整体设计，给出了本安防系统组成结构及个单元电路的实现.并对每部分模块电路具体工作方案作出详细的说明.本系统设计的出发点是及时发现安防隐患，并及时处理已发生的安防险情.针对设计检测的隐患就包括家庭出现概率较大的火灾、煤气泄漏、自来水泄漏、盗窃等.分别针对每种安防隐患安装了对应的传感器，全时段监测隐患是否发生，发生隐患时生成相应的报警电信号，传输到中央控制单元进行处理.对于隐患的处理，首先是全时段监控隐患是否发生，其次是发现险情后多方面报警通知用户.报警过程考虑到了用户在室内和远离室内的两种情况.硬件电路相应的也设计了室内报警，室外报警，远程通信报警.室内报警在传统的声音报警基础上还加入了闪光报警电路及携带振动器报警，主要是考虑到了使用者为听力障碍的老年用户情况.再次是对隐患的处理过程，本系统也考虑到用户在家和不在家的两种情况.对于不在家时，本系统加入了室外报警模块，可以第一时间求助现场小区安保人员来处理.对于火灾，盗窃等尤为有效.

本系统的优点是设计监测内容比较全面，多方位的实现了安防监控和报警功能.各种实现电路价格较为低廉，便于普及和推广.不足是本文系统硬件构建方面有待进一步完善，对于系统模块电路所列举的器件只做了功能阐述，未与同类产品进行详细价格对比.在实际使用时还需要考虑其性价比，产品维护升级等方面因素.这样才能使系统总造价达到最优.

〔1〕刘波文.ARM Cortex-M3应用开发实例详解[M].北京：电子工业出版社，2011.6.

〔2〕智能家居系统分类——尼科智能家居系统[J].电脑知识与技术(学术交流),2006(06).

〔3〕李春丽.智能家居产品体系及核心技术[J].建设科技,2009 (09).

〔4〕陈鹏.完整意义的智能家居系统——LonWorks智能家居系统[J].电脑知识与技术(学术交流),2006.

〔5〕张鼎盛.看看专业服务商眼中的智能家居系统[J].建材与装修情报,2007(04).

〔6〕瑞典PPD智能家居系统——E-PowerSecurity[J].IB智能建筑与城市信息,2004(10).

〔7〕邓增绍.智能家居DIY方案[J].数字社区 &智能家居, 2008(09).

〔8〕陈鹏.Nico智能家居系统特点浅析[J].数字社区&智能家居,2008(12).

〔9〕杨浩杰.智能家居远程监控系统的研究与实现[D].东华大学,2011.

TN402

A

1673-260X（2017）06-0023-04

2017-04-06

本文系内蒙古电大科研基金项目（IMRTVU-YSR1601）课题研究成果之一