室内智能安防报警系统

蒋青山，李亮亮，李运泽，康煌杰

(常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏 苏州 215500)

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，各式大型家电设备和燃气厨房卫具已经进入了千家万户，这些设备给人们生活带来方便的同时，也存在着一定的安全隐患，家居安防系统就变得更加重要了[1]。系统通过多种采集室内环境信息的检测传感器、WiFi无线网络通信和STM32F103处理器组合配置及电路，可以有效地做到家居安全检测，解决用户的需求问题，实现真正意义上的家居智能化。当前我国智能家居安防系统主要采用无线通信技术组网，完成信息交互。目前使用的无线短距通信技术有：蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、WiFi、Lora等。蓝牙因通信距离近，组网数过少等问题，不适用于安防系统。2003年ZigBee诞生，适用于短距离通信，而且组网数高[2]，已在工业控制中得到广泛应用，但由于很少有手机支持ZigBee，且其普及度没有WiFi广，系统采用WiFi完成数据通信。

1 Wifi技术概述

相比于蓝牙和ZigBee技术而言，WiFi不仅传输速率上大大提升，普及度高，能够与手机无缝对接进行通信，而且还可以直接连接到互联网，传输距离和抗干扰能力也超过了ZigBee。本系统使用的WiFi模块是ESP8266，使用第四代WiFi通信技术,并兼容802.11 b/g/n等多种WiFi通信协议，支持Soft-AP模式，可以自动组网。内置TCP/IP协议栈，为本系统构建了一个良好的通信环境，很适合用于当代的智能家居。

2 系统设计

智能家居安防报警系统是为了能够在有事发状况发生时快速准确地识别并发出警报信息。该智能家居安防报警系统的功能主要包含以下几部分：火焰检测，人员侵入检测，有害气体(主要为燃气泄露)检测，温度和湿度监测等。系统必须具备及时发现突发状况的能力，并根据传感器的数据做出相应的分析和处理。系统主控芯片选用了STM32F1 03C8。意法半导体公司为STM32F1系列芯片的开发应用提供了丰富的库函数和资源，芯片功耗低，适用于嵌入式智能家居设备开发。

由图1和图2分别展示了室内智能安防报警系统的结构与终端结构。系统工作时，可根据实际情况选择接入传感器类型，并且由主控系统可以实时地监测室内的环境状况，利用WiFi无线传输技术，终端可将传感器采集到的数据传至主控。主控系统可将接收到的数据实时在触控屏上显示更新，并与已设定好的报警阈值进行比较，超过阈值，触发声光报警；也可以通过GSM模块直接传送报警短信至用户的手机上，方便用户时刻了解家居情况。

图1 安防报警系统结构图

图2 终端结构图

为了降低功耗，灵活使用，终端节点的传感器可根据实际需求选配。例如安装在厨房的终端，可以选用气体泄漏检测传感器及火焰传感器。硬件电路上设置了最低报警触发阈值。终端在每一次完成信息传输之后会进入休眠模式，当外界环境达到设定阈值时，对应的终端会被唤醒，建立通信，开始工作。终端的供电方式有两种：一种是内部锂电池供电，二是外接电源供电，这样不仅能够使整个系统在有市电的情况下工作，而且能够在断电的情况下由锂电池供电继续工作。同时为了增加系统的可操作性、方便性，每个房间对应的终端都根据类型进行了地址编号，并且每个房间的参数都可通过触摸屏来使户主自己进行环境阈值的设置，显示屏上还可以显示实时的家居情况。

3 系统硬件设计

3.1 主控

3.1.1 GSM模块

主控系统利用GSM模块通过移动网络向用户手机发送短信反馈家中是否发生了紧急情况，比如烟雾过大，出现大量明火或者有人入侵等情况。在用户家中没有紧急情况的时候，用户依然可以通过手机向GSM模块发送短信，查询家中各个房间中的安全信息。

3.1.2 操作装置

主控系统的操作方式有两种：一是遥控装置手机App，如果用户在家中的话，用户也可以通过手机App来操控主控系统，可以手动设置家庭中部分传感器检测的阈值，或者通过手机App进行查询家中各个房间的数据。二是显示屏直接操作，主控制器自带一个4.3英寸的触控屏，向用户展示家中的环境状况，用户可以通过触控屏来点击查询各个房间的信息，直接显示在触控屏上，这样的操作类似于操作手机App，容易操作，用户适应性较好。用户也可以通过触控来对不同的房间设置不同的参数，达到人体最适宜的家庭居住环境。

3.2 终端

3.2.1 传感器装置

室内温湿度的采集使用的传感器是SHT11，它是数字信号输出，可以直接接到终端，更加的方便[3]。SHT11相比于传统的湿敏电阻型DHT11，它的稳定度、精度、测量范围方面都表现的更好。SHT11是利用CMOS技术制造，湿度的测量精度是3.5%，温度的测量精度是0.5%，并且测量时还可以对温湿度进行自动校准，所以测量的准确度更高。

气体泄漏的检测使用的传感器是MQ135，它对有害气体具有良好的灵敏度，价格便宜，寿命长，易操作。MQ135所使用的导体材料是在室内空气中电导率较低的二氧化锡。当房间内存在监测范围内的有害气体时，传感器的电导率随室内空气终端的有害气体浓度的增加而增大[4]。通过已设计好的电路可将已采集到的数据通过电导率的变化经过LM358传输给终端，使其变成开关量来确定电路是否开启，最终由终端将已处理好的数据传输给主控，主控通过对比已设定好的阈值来判断是否报警。

火焰的检测使用的是红外火焰传感器，该传感器灵敏度高且可以调节，使得在不同情况下都可检测，是利用红外接收二极管将红外线光信号变成电信号的器件，没有火光时，二极管PN结反相偏置，致使反相电流很小，随着火光的增强，电流也就随之变大[5]。通过电流的变化，来改变节点电压的高低，随之将电信号传输给终端，终端将处理之后的数据通过WiFi传输给主控，由主控进行判断是否报警。

图3 MQ135原理图

图4 红外火焰传感器原理图

红外人体传感器是一种利用红外线来进行数据采集的传感器。由于物体本身(高于绝对温度)会放射出不同波长的红外线[6]，内部是由两个敏感元件反相连接组成，当检测不到人体经过时，两个元件极性相反，互相抵消。当检测到人体经过时，两个元件的极性不平衡，进而发出交流小信号，通过放大器和比较器就会输出不同的高低电平信号，驱动报警装置报警。并且，它具有低功耗、宽电压、体积小和高灵敏度的特点，检测范围高达7米，非常适合于人体入侵的检测和报警系统。

3.2.2 警报装置

警报装置主要有两种：蜂鸣器和LED灯。LED灯在终端上，当传感器采集到的数据异常时，红色LED灯点亮，同时，终端将数据传输至主控，催动主控中的蜂鸣器发出警报，以便户主及时地采取措施，避免事故的发生。

3.3 WiFi模块

本系统WiFi模块使用的是ESP8266，主要是用来进行数据的传输。当终端或者主控开机以后会进行初始化的参数配置，进而转到路由器，开始建立WiFi通信。主控系统建立服务器端，检测到各终端(客户端)连接请求，进行链接参数配置，配置正常后开始进行各模块间的信息传输，最终由主控通过与已设定的阈值进行比较。若超出设定值，则通知声光报警单元或发送警报信息至用户手机。

4 系统软件设计

本系统使用的是STM32F1设计开发环境，利用ESP8266WiFi模块进行沟通。首先是各终端和主控系统进行初始化操作，路由器建立网络成功后，主控系统和终端通过WiFi进行连接。加入网络成功后，终端节点会进行休眠状态，直到传感器的测量值达到外接硬件电路设置的最低报警阈值，终端系统将传感器采集到的数据通过WiFi传输至主控，主控系统根据不同地址对应的阈值不同来进行数据的比较，当条件符合报警时，主控系统将直接发送信号给声光报警单元通知其报警，或者直接通过GSM发送信息给户主，当一次的报警信息发送成功后，终端系统将在五分钟以后再一次更新传感器的数据，当数据正常以后，终端系统将再一次进入休眠，直到下一次传感器采集到的数据有异常才会重新唤醒终端。系统程序执行流程如图5，图6。

图5 主控系统流程图

图6 终端流程图

5 结语

基于STM32F1和WiFi通信网络的室内智能安防报警系统可以实现真正意义上的家居的智能化，能够有效地解决家居安防问题，具有较高的实用价值。与此同时，系统也有很多要改进的地方：通过优化硬件电路，进一步加强各节点的稳定性，提高整个系统的抗干扰能力；解决有线供电问题。相信随着物联网技术的不断发展，未来智能家居会朝着更加智能化的方向发展。