智能家居防火防盗系统

北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192

一、引言

随着计算机和通信技术的不断发展、芯片制造工艺的大幅度提高、互联网络行业的兴起，人民物质和精神生活得到了很大改善，高科技智能化的设备己经步入我们的生活，人们对所处的环境也提出了更高的要求[1]。

现代家庭的防盗方式主要以安装防盗门、防盗锁为主，但是这类设备主要以增加盗贼入室的难度来达到防盗目的。这种单纯的机械装置在较长时间无人在场的情况下，防盗效果往往不尽如人意。

本设计从解决家庭防火防盗出发，通过分析传统安防系统的不足，研究一种更加可靠、智能、高效的防火防盗系统。系统是基于单片机控制，以红外传感器、烟雾传感器、温度传感器为检测手段的家居智能报警系统，强化系统识别外围环境实现智能判断的能力，有限补充传统安防系统的不足，为千万个家庭用户制造一个更加安全、放心的环境。

二、系统硬件设计及选择

1、系统硬件结构设计方法

本次设计的智能家居防火防盗系统结构图如图1所示。该报警系统的硬件是将传感器探测、单片机控制和远程无线通信技术相结合，采用红外传感器模块、烟雾传感器模块以及温度传感器模块来检测家中是否发生煤气泄漏、火灾和有人闯入的信息，利用无线发射模块将各个传感器收集到的信息发射给单片机进行分析综合[2]，然后做出判断，若需要报警，则单片机控制蜂鸣器警报发出声音、控制LED灯管闪烁，控制GSM模块发送报警信息到用户，通知用户做出正确的措施。

2、主要功能模块

（1）主控单元

控制中心模块以STC90C51单片机[3]为核心，主控电路如图2所示，以DS1302为实时时钟芯片，以LCD1602为液晶显示器。普通51单片机已广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，功能强大。STC90C51单片机是增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统的8051。工作电压：5.5～3.3V(5V单片机)/3.6～2.0V(3V单片机)；工作频率范围：0MHz～40MHz，相当于普通8051的0MHz～80MHz，实际工作频率可达48MHz。STC90C51芯片上片上集成1280字节，通用I/O口，复位后P1/P2/P3/P4是准双向口，P0口是开源输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

复位电路：在单片机启动0.1s后，电容C1两端的电压持续充电为5V，这是时候R1两端的电压接近于0V，RST处于低电平，所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的过程中，电容开始释放之前充的电量在0.1s内，从5V释放到1.5V，甚至更小[4]。这个时候10kΩ电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

晶振电路的作用是给单片机提供合格的时钟信号流，晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生谐波[5]。谐波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见，ATMEL公司建议在晶振的两引脚处接入两个10pF～50pF的瓷片电容接地来削减谐波对电路的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在10pF～50pF之间。

双电压比较器LM393（品牌MT）主要特点如下：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2～36V，双电源：±1～±18V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门。

（2）烟雾传感器

MQ-2气体传感器通过对烟雾的浓度检测来实现火灾的防范，感应电路包括光敏传感电路和气敏传感电路，原理图如图3所示。

所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡[6]。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

（3）人体红外传感器

采用TELESKY公司的HC-SR501人体红外感应模块，如图4所示。其特点是：

全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平；

光敏控制(可选）：模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻；

工作电压范围：5V～20VDC；

微功耗：静态电流65μA，适合干电池供电的电器产品，可方便与各类电路实现对接；

两种触发方式：L不可重复，H可重复。可跳线选择，默认为H。

不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平[7]；

可重复触发方式 ：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）。

（4）GSM无线通信报警模块

采用SIMCom公司的紧凑型、高可靠性无线通信模块SIM900A，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，采用功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，支持电压范围3.4V～4.5V，休眠状态功耗1.5mA，支持用户定制的MMI和键盘/LCD，SPI/I2C/GPIO/PWM/ADC接口，支持RTC（Real-Time Clock），全功能UART接口，天线连接器和天线焊盘，内嵌强大的TCP/IP协议栈，支持多IP连接，低功耗正常操作温度：-30°C ～ +80°C。图5是GSM模块连线图。

三、系统软件程序设计

1、系统软件主流程

主程序主要完成：检测屋内环境温湿度，有没有陌生人进入，发生险情声光和短信及时通知家主，短信控制部分，实现远程控制家中的电气设备，进行家居智能安防系统报警。主流程如图6。给设备连接上电测试之后，主控芯片单片机对系统进行初始化，烟雾传感器、人体红外传感器等检测外界环境，若环境指标超过传感器设定值，将产生振荡电路反馈至单片机，单片机触发报警装置，否则，继续检测信号。

软件采用C语言，程序的调试比较繁琐，根据控制系统的要求编写软件后，经下载线将程序加载到电路板的单片机与硬件进行调试[8]。

2、系统软件子程序

系统软件子程序设计包括LED驱动模块、SD卡驱动模块、实时时钟驱动模块，底层硬件驱动子程序设计包含烟雾监控模块、GSM模块、温湿度监控模块，系统开机之后首先对系统硬件模块进行初始化[9]；然后检测SD卡是否存在，存在加载SD卡的问题；最后是查找系统文件。在本次系统设计中，系统分为多个子程序，而它的主控制程序通过调用各个子模块的相关函数，从而实现整个系统的功能。

四、系统测试

智能家居防火防盗系统测试结果达到预期设定的要求，将手机卡绑定通知对象模拟报警平台，首先在JB35G上的SIM卡座内括入一张号码为18612651566的SIM卡。给JB35G上电开机，进入待机状态。然后将计算机的COMI串口通过随JB35G附带的串口电缆，连到JB35G的RS232串口上，打开串口调试助手。在串口调试助手中的“串口选择”选中的COMI、“波特率”=9600、“奇偶校验”=无NONE、“数据位”=8、“停止位”=1。单击串口调试助手的“打开串口”按钮，串口调试助手上一个红色的指示灯亮了，说明JB35G己成功的连接到计算机的COM1上。

在串口调试助手的发送区输入" 233133373636383 43933313123"，再按“手动发送”按钮。这时我们能在号码为18612651566手机上收到JB35G发来的短信，这说明可以通过串行口成功的控制JB35G发送短信息，结果如图7所示。

五、结论

本次设计的智能家居防火防盗系统达到了预期的要求，可以在发生险情的时候能够以短信、电话这种直观的方式进行报警，报警部分通过单片机串口中断外加延时的方法来判断接受的信号是否为发射端出来的信号，以此来触发GSM模块，该报警系统设计合理可靠，性能稳定，且实现灯管闪烁、声音、短信多种方式报警，以此确保住户的人身和财产安全，系统体积小，灵敏度高，价格低廉，可以广泛地应用实现。