基于单片机的家庭智能防火防盗系统

张浩

（山东华宇工学院 山东省德州市 253034）

随着科学技术飞速进步，社会逐步进入信息化时代，智能家居受到更多人的青睐，而家用电器的不断增多，使得人员更加关注家庭防火防盗问题，基于此，有必要考虑搭建以单片机为核心的家庭智能防火防盗系统，实现对火灾、盗窃案件的提前预知预警与发现提醒，并进行针对性的处理，以此来降低损失，保障家庭安全，要做好该项工作，需结合家庭结构布置、根本所需完成系统建设。

1 研究目的与意义

1.1 研究目的

伴随着微电子科技不断成熟、智能家居时代加速来临，开始出现一批应用效果较好的家庭智能防火防盗报警系统，但就实际而言，市面上流行的智能家居大多价格昂贵，不适宜引入普通家庭。但智能化时代的到来，使更多人了解到智能产品的丰富功能与应用必要性，故而有必要设计一款简单好用、质优价廉的家庭智能防火防盗系统，以此来满足更多人需求。此外在防盗方面来说，普通家庭多依赖防盗门等一般防护技术，这就使得在火灾险情、非法闯入现象出现时，难以第一时间发觉并做出最正确的应对，引入智能防火防盗系统是公众安全意识不断加深后的必要选择，这也代表着安防行业必将朝着智能安防方向发展。

分析家庭安防系统发展历程，包括涵盖了机械式防盗阶段、电子类阶段、芯片类阶段、网络阶段等，其中芯片类因其在价格、安全、便利等方面的优势而占据更多的市场份额，后续信息化技术、产业的飞速发展，给网络技术类安防系统创造了良好的环境，出现了更加多元化的安防装置，按装其功能特征加以分类，主要包括两种形式：其一是适宜应用于个体家庭门户的独立报警系统，其二则是适用于区域防御的互联网或者局域网报警系统，为搭建舒适安全的工作与生活环境，减少财产损失、保障公众安全、维护社会稳定、降低资源浪费，克服传统机械防火、防火应用缺陷，有必要研究一种适宜大多数家庭应用的智能防火防盗系统[1]。

1.2 研究意义

本课题研究的基于单片机的家庭智能防火防盗系统，其将单片机采集、通信技术、控制技术、传感器技术进行了有机融合，形成了相对可靠、安全的防火防盗报警系统，系统包括单片机模块、GSM 通信模块、显示模块等。在用户离家时，可通过4×4 密码锁键盘将智能系统设备为布防模式，此时通信模块、传感器模块处于工作状态，各类传感器持续不间断搜集相关数据信息，分析数据波动，在数据异常并超出限值标准时发送短信给户主，并控制执行结构开窗透气；在系统检测到家中有人时，可通过4×4 密码锁键盘将智能系统设备为撤防模式，传感器模块保持工作状态，检测到异常信号时，发出声光信号。该系统整体设计简单有效、操作方便，最重要的是物美价廉、投入成本低，有着较好的应用价值、市场推广价值等，对保障家庭安全、降低损失来说有着积极的推动意义。

2 基于单片机的家庭智能防火防盗系统设计探析

2.1 明确家庭智能防火防盗系统设计要求

社会经济迅速发展，大众生活品质直线上升，其对防火防盗系统的根本需求亦在不断提升，基于单片机的家庭智能防火防盗系统在实际设计时应满足以下功能需求：

（1）可灵活检测温度，在室内温度超出限定值时发出告警信息；

（2）可灵活检测烟雾浓度，若室内烟雾浓度超出限定值时发出告警信息；

（3）可通过红外检测装置灵活检测遮挡信号，若检测出非法入侵发出告警信息[2]。

2.2 系统整体方案设计

以STC89C52 单片机和GSM 通信模块为核心的家庭智能防火防盗报警系统，利用传感器和现有的GSM网络，以短信息及预置电话（110、119、主人电话）的形式实现防火、防盗、远程控制等家庭所要求的安全监控和报警功能。采用红外、温度、门磁、气体等传感器实时监测家庭安全情况，如有异常系统会及时发送短信通知主人或是向相关部门报警求助。具体设计框图如图1 所示。

图1： 系统设计总图

2.3 系统硬件模块设计

（1）单片机。微控制器选择的是STC89C52 单片机，是一个低功耗，高性能CMOS8 位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable）的可反复擦写10000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统及80C51 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的ST89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[3]。

（2）GSM 通信模块。选择国内崇瀚科技4G LTE Modem 系 列 型 号CH-M4G7M7，LTE: B1/ B3 /B5/B8/B34/B38/B39/B40/B41 网络，RS232&RS485 接口，支持语音播报，短信通知，实时在线，适用于家庭报警系统，实时在线，小数据量，串口设备无线语音通知，若室外报警，可立即起到GSM 模块，将室内状况发送到用户手机，做出正确合理应对。

（3）显示模块。选择TFT 彩色液晶显示装置OCM320240T280-1A 系 列，是 采 用RSIC-MCU、ARM+FPGA 等架构开发的一款高性能、低功耗、易使用的64K 色的TFT 真彩显示器，显示尺寸：2.8inch-57.6×43.2mm(4:3)，分辨率：320×240，可存储全屏图片（幅）：455，可直接和具有UART 或四线SPI 串口、16 位并口接口的MCU（如51 单片机、AVR、PIC、DSP、ARM、工控机等）连接。在部分终端型的产品，用户只需通过串口向终端发布命令，便可完成相应的操作[4]。

（4）传感器模块。包括：①温度传感器。选择Wi-Fi 版大屏温湿度传感器，直流供电12-24V、最大功耗0.6W、传输接口为标准Wi-Fi 无线(2.4GHZ)、响应时间≤15S(1m/s 风速)、温度长期稳定型≤0.1°C/year、温度范围40-80℃、通信支持802.11b/g/n 无线标准，应用优势体现在支持DNS 动态解析、无线传输、方便快捷、高精度、稳定性，数据可直接传递到用户互联网平台账号。②人体热释感器模块。选择S22-P330Y 系列塑封贴片型热释电红外传感器，输出数字信号，窗口尺寸4×4mm；感应距离：6M（透镜SB-SF-01）；感应角度：110°（水平方向）；工作电压：2.2-5.5V；静态功耗＜15uA，与STC89C52 单片机在应用方式上较为契合，通过监测室内外红外信号，传输到单片机。③煤气烟雾传感器。选择MQ-5 MQ5 煤气传感器，可检测液化气、煤气、甲烷等可燃气体，且MQ-5 气体传感器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（SnO2)。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，直接连接在单片机I/OPB1 上发挥作用。

（5）4×4 密码锁。4×4 键盘包括8 根引线，每个按键对应一个行值和列值，通过定义一个二维数组就可确定按的是哪个键，该模块连接单片机I/O 接口PB8-PB15，在通过密码锁进行信息验证时，共计3 次机会，一旦3 次密码均输入错误，则直接将人员判定为非法入侵，启动报警系统、发出告警信息[5]。

2.4 软件设计

（1）主程序任务。①系统初始化。设置密码锁、烟雾浓度、温度初始值，设置定时器、中断标准。②密码锁检测。首先对4×4 密码锁键盘执行常规案件操作，再通过STM32 控制器完成数据采集、分析、整合，在TFT 彩色液晶显示屏上显示相关参数值。③温度检测。将Wi-Fi 版大屏温湿度传感器装置在室内适宜位置，可结合室内空间大小、温度波动规律等选择若干个传感器，进行室内温度数据采集，传输到单片机处理中心。④烟雾浓度检测。在安装MQ-5 MQ5 煤气传感器时，需结合其作用机制，选择安装位置，确保燃气报警器安装在距离气源1.5m 范围内且通风良好，可选择厨房洗菜盆上方的墙壁处，亦可结合实际情况选择最佳位置，采集室内烟雾浓度，传输到单片机再加以处理。⑤室内非法入侵检测。可进行非法入侵演练，通过人体热释感器模块检测意外情况出现时系统能否及时作出反应，并结合实际情况加以调整。⑥启动报警系统。在智能系统感应到密码输入错误、非法入侵、烟雾浓度、温度过高时，启动报警系统、发出告警信息，并以GSM 模块发送短信到户主手机[6]。

（2）软件体系设计。系统由硬件、软件两部分组成，在防火防盗系统初始化后，进行检测布防按键状态检测、烟雾检测、温度检测，在温度传感器检测到家庭内部环境温度后，会直接传输给STC89C52 单片机，由单片机负责进一步处理，通过显示模块记录、显示各阶段温度，判定温度是否超过设定标准值，若是超出标准值，发出告警信息、启动声光报警电路，向用户发送报警短信，短信内容包括报警时间、报警模块、火灾类型等信息；在烟雾检测传感器检测到家庭内部环境烟雾浓度后，会直接传输给STC89C52 单片机，由单片机负责进一步处理，通过显示模块记录、显示各阶段烟雾浓度，判定烟雾浓度是否超过设定标准值，若是超出标准值，发出告警信息、启动烟雾报警电路，向用户发送报警短信，短信内容包括报警时间、报警模块、烟雾分布等信息；在点击布防按钮后，等待10s，会在显示装置提示布防成功，再通过人体热释感器模块检测状态，若是检测到有人入侵，发出短信报警、声光报警，若是误操作，点击撤防按钮，系统直接停止报警[7]。

（3）各模块功能设计。①用户权限模块。用户通过账号、密码登录系统控制平台，设定三个控制接口，其中一个主接口、两个副接口，权限不一，具备的系统功能操作权限不一，以此来避免功能操作冲突。②温度采集模块。因WiFi 版大屏温湿度传感器高度集成，故而不需再进行A/D 转换，只需完成系统初始化设置，写入控制字，设定报警温度50°，读取室内温度值传输到单片机，在温度超限时发出告警信息即可。③烟雾采集模块。通过传感器中布置的芯片完成信号转换，将采集到的烟雾信号转换为电信号，再由单片机接收并处理后输入到指定存储单元，每次转换都需等待外部中断0，若是中断到来，代表已完成转换，再由中断服务程序读取完成转换的数据信号。④显示模块。显示模块进行初始化设置后，等待10s 延时，第一行预先设置“温度”相关信息、第二行设置“烟雾浓度”相关信息，在每次执行相关指令前都需确认模块此时标志，若是“忙”，代表处于低电平状态，若是“不忙”，代表指令失效，重新检查系统软硬件，保证其可用性；在显示字符时，需提前输入显示字符地址，并在输入地址填写相关数据，实现后续地址自动加载。⑤数据管理模块。用于存储单片机传输而来的各项数据，根据数据特征、应用方向、接收时间等对其加以分类，为后续各功能模块完善、相关数据调研等提供完整、丰富的数据信息，以此来保障智能系统的先进性。

2.5 系统调试

结合基于单片机的家庭智能防火防盗系统方案设计标准，通过SketchBook 软件绘出智能系统设计原理图，遵循原理图连接各个软硬件部分，检查电路确保无误，将SketchBook 软件中的程序图烧录到STC89C52 单片机中，下载程序，对整体电路展开功能测试，准备两个电源接口，分别给GSM 模块、STC89C52 单片机供电，测试功能包括：

（1）系统开启通知。通过开机系统向户主手机发送“系统已开启”短信，观察户主是否能正常接收短信，以此来判断户主对智能系统的控制能力。

（2）温度烟雾报警值设置。借助三个设置按键完成烟雾、温度报警值设置，直接在显示屏上全过程显示烟雾、温度浓度值与变化曲线图，室内温度、烟雾浓度一目了然，辅助户主针对性地调整系列参数值。

（3）温度告警模块调试。用于观察在温度传感器检测到温度异常后，能否对温度数据进行收集，并发送到户主手机报警，提示户主及时做出应对。

（4）烟雾告警模块调试。用于观察在温度传感器检测到温度异常后，能否对温度数据进行收集，发送到户主手机报警，提示户主及时做出应对[8]。

（5）非法入侵报警模块调试。设置人体感应模块布防状态，检测能否全方位检测室内人体红外信号，超出限定标准后发出声光报警信息，发送到户主手机报警，提示户主及时做出应对。

（6）结合以上检测结果，对家庭智能防火防盗系统展开定向调试，包括更换设备、线路、进行功能结构调整等。

3 结语

综上，文章就基于单片机的家庭智能防火防盗系统展开了综合论述与分析，简单介绍了研究背景与意义，强调了该项研究工作的重要性与必要性，后续确定系统功能需求，完成系统软硬件设计，最后进行系统调控，以此来保证系统可用性、有效性。建议给予该项研究工作足够的重视，分析以上研究进程的优势与不足，发扬优势、弥补不足，积累经验，推进技术优化、系统完善，以此来保证智能防火防盗系统适用于家庭实际，在关键时刻发挥作用，以此来家庭安全加一层保障。