STM32在智能家居安全报警系统设计中的应用

台州职业技术学院机电工程学院 蒋 恺 王 凯 张丽萍

针对目前家居安全隐患，提高用户生活安全性和舒适性，设计了一种基于STM32单片机的智能家居安全报警系统，利用传感器实现温湿度检测、气体检测、人体检测，并将检测数据实时发送至手机，通过手机APP可随时查看家居环境监测数据，当检测数据超出设置的阈值范围，系统发出报警信号。经过调试，该系统能够稳定运行，具有设计稳定、操作简单，性价比高的优点。

据统计,人类有80%～90%的时间是在室内度过的，因此智能家居受到越来越多人的关注。在智能家居阵营中智能安防潜力巨大，目前所有消费者都会关心的基本需求是水电煤气这些直接威胁健康和生命的因素，然后就是居住环境中存在的甲醛等有毒物质。家居安全看似简单，实则意义重大。但到目前为止，智能家居的市场占有率依然极低。近年来，智能家居受到各界的高度关注，具有很大的进步空间和广阔的市场前景，随着相关政策出台和人工智能技术的进步，智能家居将到达一个新的高度。

1 总体设计

本系统搭建一个基于STM32的实用智能家居平台，选用稳定且高性价比的传感器模块对环境因素进行监测，通过手机APP和控制板的Wi-Fi模块互联，可随时在手机查看环境监测数据，系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

主控芯片选择基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器STM32F103C8T6。信息采集通过人体红外传感器、温湿度传感器、烟雾传感器实现对家居环境的人体、温湿度、烟雾浓度进行实时检测，采集的模拟量通过模数转换后送给主控电路。独立按键可设置报警上下限阈值，Wi-Fi模块将单片机系统采集到的温度、湿度、人体、烟雾等信息数据发送至手机APP上进行实时显示。

2 硬件电路设计

2.1 最小系统电路

构成STM32的最小系统主要由电源电路、复位电路、时钟电路、调试接口等部分组成。电源采用+3.3V供电，+5V电源通过降压电路和去耦电容转换为3.3V电源电压。复位电路由上电复位和手动复位两部分组成。在上电瞬间，上电复位电路中的电容充电，复位信号RESET出现1ms左右的低电平，使单片机内部模块处于确定的初始状态，实现复位；手动复位电路中按键按下时，RESET和地导通，同样在复位端出现一个低电平，实现复位。外部时钟电路主要由晶振、电容、电阻构成，为单片机提供8MHz时钟信号。主芯片程序下载采用SWD接口电路，供用户进行程序调试和下载。

2.2 人体检测电路

人体检测电路选用HC-SR501热释电红外传感器，传感器探测到人体后输出的信号经信号处理芯片BISS0001放大、滤波后将电压信号经输出口传输给单片机，连接电路如图2所示，VCC工作电压+5V，HC-SR501接至单片机引脚。

图2 HC-SR501与单片机连接电路

2.3 温湿度检测电路

温湿度检测选用单总线协议的DHT11模块，采用以数字信号形式输出的单总线数据格式，仅需1个I/O口即可实现对温度和湿度的同时测量，具有响应快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11与单片机连接电路如图3所示，VCC工作电压+3.3V，DATA单总线接单片机引脚。

图3 DHT11与单片机连接电路

2.4 烟雾检测电路

烟雾检测选用MQ-135气体传感器模块，MQ135对氨气、硫化物、苯系蒸汽、烟雾和其它有害气体的灵敏度高，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。MQ-135模块与单片机连接电路如图4所示，VCC工作电压+5V，MQ135接至单片机模拟口A0上。

图4 MQ-135与单片机连接电路

2.5 WIFI模块

Wi-Fi模块选用专为移动设备和物联网应用而设计的ESP8266EX芯片，内置超低功耗Tensilica处理器，CPU时钟速度最高可达160MHz，标准数字外设接口，能适应各种操作环境，保持稳定的性能。将Wi-Fi模块通过家庭的无线路由器接入网络，模块与单片机连接电路如图5所示，VCC工作电压+3.3V，RX、TX分别接单片机TX(A9)、RX(A10)。

图5 ESP8266与单片机连接电路

3 软件设计

程序软件编写用C语言完成，在Keil uVision5软件中实现程序编写和调试。主程序实现的功能是各模块初始化和信息采集，当热释电红外传感器在检测范围内检测到有人，或温湿度传感器检测值超过设定阈值，或有害气体传感器检测值超过设定阈值，会触发声光报警电路。设置Wi-Fi模块连接家里的路由器实现连接网络服务器，用户手机安装相应APP连接至同一网络服务器，进行物联网的交换数据。

图6所示为手机APP的显示界面，Wi-Fi模块接入网络后，APP中连接状态为已连接，温度、湿度、人体、有害气体检测状态显示在手机APP。

图6 手机APP界面

结论：本项目是针对家居生活的实际所需，选用STM32为主控芯片，使用手机作为控制终端，以“手机+WIFI”的控制模式，搭建的一个简单且便捷的家居环境监测报警控制系统。通过实际测试，能实现对家居环境的正确监测，通过手机APP和控制板的Wi-Fi模块互联，可随时在手机查看环境监测数据；此外，还能通过继电器电路实现对智能家居产品的多样化控制。