基于物联网的智能家居安防监控系统设计

（华东理工大学 信息学院，上海 201204）

0 引 言

物联网（Internet of Things, IoT）即物与物的互联，它采用计算机技术、无线传感器技术、RFID无线射频识别技术等，以互联网为基础，实现人与物、物与物的“交流”。将物联网技术应用于智能家居安防监测，其目的是将家庭中的电器和生活设施连接在一起，实现视频监控、智能防盗、智能照明、智能电器控制、智能门窗控制、智能影音系统控制等功能[1-4]。用户可以通过计算机、平板电脑、智能手机等实现远程实时控制家中的灯光、窗帘、电器等。物联网技术的应用，将使人们的生活变得更加舒适、智能，为人们提供了更安全、更便捷的家居生活体验[4-7]。

1 系统总体设计

物联网的体系架构可以分为感知层、网络层（传输层）、应用层[8-10]。感知层用于感知、采集物理世界的各类信息，并利用通信模块实现物理实体和网络的连接。本系统采用的Arduino UNO R3开发板上连接红外传感器、温度传感器、烟雾传感器和火焰传感器等，用来采集环境信息。除此之外，还连接蜂鸣器、风扇、灯等电器设备，用来模拟远程控制。当传感器采集的数据大于硬件程序中设定的阈值时，蜂鸣器响铃报警，开发板将传感器采集的数据信息以及电器设备的状态信息通过软串口（12、13）传输。网络层用于完成信息的传递、路由和控制，是感知层和应用层之间的中介，负责接收感知层的数据，并将数据传送给应用层。应用层即为远程终端，例如手机、平板电脑等。本设计采用Android手机作为远程终端，以APP的形式实现远程控制。应用层连接ESP8266 WiFi模块提供的热点，从中获取感知层的数据信息。APP可以显示传感器采集的数据信息，即当前温度、烟雾浓度、是否检测到火焰等。同时APP也可以实现对电器设备，如蜂鸣器、风扇、灯等的远程控制，从而实现家居安全防护管理功能。

系统整体设计如图1所示。系统由供电模块、信号处理模块、信号检测电路、信号执行装置组成。供电模块采用LM2596S DC-DC直流可调降压稳压模块，为方便家用，需先用整流器将交流转直流，采用9 V直流电池为系统供电。信号处理模块采用Arduino开发板作为主控，其核心是ATmega328芯片，用于信号接收、处理和输出。信号检测电路利用传感器进行模拟数据采集，并送至主控电路处理。本系统主要由温湿度传感器、红外火光传感器、RFID射频识别感应器、雨滴传感器和红外避障传感器等采集外界数据信号，传送给主控进行信号处理，并通过Arduino向执行装置（显示屏、蜂鸣器、电风扇、电灯等）发送信息，实现显示信息、自动调温、火灾报警、自动开关门等功能。本设计选用ESP8266芯片作为智能家居安防系统的WiFi模块，实现软件和硬件之间的通信。

图1 系统整体设计

2 系统功能实现

本系统实现了温湿度检测显示及调温、火灾报警、门禁开关、终端APP控制和获取信息的功能。系统实物如图2所示。

图2 系统实物

2.1 温湿度检测及调温功能

温湿度检测电路的核心是DHT11数字温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。其由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件构成，可同时测量采集温度数据和空气湿度数据，向处理器输出数字信息。在通过传感器采集数据后，经过信号处理，将温湿度信息显示在显示屏上。本系统还配备有自动降温装置，当温度高于设定值时，自动开启电风扇进行降温，并随温度的高低调节风扇转速，系统能实时监测室内温湿度并在温度高于26 ℃时启动电风扇降温。当温度高于26 ℃时，风扇为低风速；当温度高于28 ℃时，风扇提速为中风速；当温度高于30 ℃时为高风速，风扇满功率运行降温。温湿度检测及调温模块如图3所示。

图3 温湿度检测及调温模块

2.2 火焰烟雾检测及报警功能

火焰烟雾检测部分由远红外火焰传感器和MQ-2气体烟雾传感器组成。远红外火焰传感器能够探测到波长在700～1 000 nm范围内的红外光，探测角度为60°，其中红外光波长在880 nm附近时，其灵敏度最高。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0～255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。将数值传送至Arduino即可根据设定值报警。本系统的报警装置采用蜂鸣器模拟报警，蜂鸣器采用低电平触发方式，通过程序可设置蜂鸣器鸣响时间和频率，当检测到火焰、煤气泄漏或其他可燃气体时，系统自动报警（蜂鸣器和报警灯）。遇到明火或可燃气体时蜂鸣器鸣响、报警灯闪烁，以有效预警家中煤气泄漏和危险火源，为家居生活带来安全保障。

2.3 RFID门禁功能

RFID射频识别系统是一种非接触式自动识别系统，由电子标签、读写器和计算机网络构成，它通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。RFID射频识别系统以电子标签标识物体，门禁系统采用RFID读写器对电子标签进行识别，若电子标签与设定值匹配，则视为匹配成功，打开门锁；若不能正确匹配，则门锁状态不变。红外检测自动开门功能利用红外避障传感器检测有无人员到来，将数据上传Arduino，控制门的开关。红外避障传感器主要由红外发射器、红外接收器和电位器组成。根据物体的反射特性，若无障碍物，发射的红外线会随着其传播距离而减弱并消失；如果有障碍物，当遇到障碍物时，射线被反射并被红外接收器接收，触发信号改变。

2.4 终端APP数据显示及控制功能

通过无线WiFi、终端APP可以向Arduino发送指令，控制家用电器，如电灯、电视和电子门锁等，也可以实时获取当前天气状况，提醒用户下雨收衣服等。

2.4.1 传感器状态界面

传感器状态界面及其核心代码如图4所示，可以看到显示的温度、烟雾浓度，以及是否有火或者有人，并且还可以在该界面控制蜂鸣器是否报警。

图4 传感器界面与代码

2.4.2 设备控制界面

设备控制界面如图5所示。该界面可以实现对电器设备的远程控制，点击开关按钮后，APP向ESP8266写入指令，Arduino从ESP8266中读取指令，并根据指令完成相关操作。

图5 设备控制界面

APP核心代码如下：

3 结 语

本文基于物联网技术设计与实现了多功能智能家居安防监控系统，其集家庭火灾防范、室内温湿度检测及调节、RFID门禁和无线控制等功能于一体，将为现代家居生活提供更为舒适、便捷、安全的体验。相信随着物联网技术的发展和5G时代的到来，结合云计算、大数据等技术，将完全实现家居系统的智能化，物联网技术也将更好地为现代家居生活提供更为舒适的体验。