基于物联网技术的智能家居安防系统设计
来源:用户上传
作者:
摘 要：如今，盗窃和危害人身安全事件时有发生，人们也越来越重视生命财产安全，因此，降低危害社会行为的发生率，构建智能化的家居安全防范系统非常必要。文中基于物联网技术设计了一种智能家居安防系统，该系统以单片机为控制核心，传感器检测安防信号，通过SIM900A通信模块发送信息实现远程报警，以达到保障家庭安全，减少家庭经济损失的目的。系统通过软硬件调试，其运行可靠、成本低廉，实现了家居安防的远程化、智能化。
关键词：安防系统;传感器;SIM900A;STC单片机;物联网技术;智能家居
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）07-00-03
0 引 言
智能家居从20世纪末开始发展，到如今已经得到大规模普及，其蓬勃发展的势头，已成为挖掘的内在潜力，受到业界广泛关注。许多企业在产品研发、技术创新等方面展开了激烈的竞争，并通过相关产品的展示吸引消费者关注[1-4]。在智能化建筑中，智能家居将不同的智能信息和楼宇环境信息综合分析应用，具有监测、传输、储存、判断和控制的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境三位一体的格局，为人们提供安全、舒适、便捷及可持续发展功能环境的建筑[5-6]。智能安防系统一方面保障了用户自身的家庭财产安全，另一方面也保障了建筑楼宇本身的安全性。智能家居安全防范系统通过单片机智能控制中心，采用有线与无线相结合的方式，将各个模块结合起来，形成一个具有防盗、防火、防有害气体泄漏的智能安防系统，实现对紧急情况的监测和进行有效报警功能[7-8]。
1 系统设计与实现
1.1 系统设计方案
智能家居安防系统主要由安防信号检测、单片机控制中心以及报警模块等组成。通过在住户室内安装传感器等装置监测是否有危险情况发生，并采用有线与无线相结合的方式将数据实时传送到单片机控制中心，针对相应的情况，通过无线通信模块向用户发送报警信息，其结构组成如图1所示。
安防信号检测由烟雾传感器、火焰传感器、人体红外感应传感器组成。单片机控制中心全天候处于扫描状态，当出现火灾、有毒气体泄漏或外来人员非法入侵等，系统中相应传感器的信号通过单片机处理后与预先设置参数进行比较，当满足报警条件时，进行现场和远程报警[9-10]。
1.2 系统硬件设计
智能家居安防系统中信号检测传感器采用MQ-2烟雾传感器、HC-SR501人体感应红外传感器、红外光敏构成的火焰传感器。控制采用STC89C52单片机，报警部分使用SIM900无线通信模块远程报警以及现场声光报警和液晶显示。
1.2.1 烟雾检测模块
MQ-2烟雾传感器是一款应用广泛且低成本的高性能传感器，根据传感器中气敏材料电导率随检测到气体浓度大小的变化而进行输出[11]。对于大多数易燃气体，MQ-2气体传感器的灵敏度较高。检测电路与控制系统接口如图2所示，比较器U1A根据阈值设置电位器Rp的值和烟雾浓度高低输出模拟和数字报警信號。
1.2.2 火焰检测模块
火焰检测通过红外线器件D0检测火焰，红外接收管在60°角度范围内将火焰的亮度转换成高低变化的电信号，通过LM393比较器与设定值比较后将信号送入控制单元，控制处理单元根据火焰强度做出响应[12]，火焰检测及接口电路如图3（a）所示。
1.2.3 无线通信模块
SIM900A是一款数据收发通信模块，嵌入功能强大的处理器ARM9216EJ-S内核，除了可以进行电话语音、发送短信/彩信，进行数据传输功能外，还可以进行DTMF解码、识别对方按键和本地语音播报，该芯片还有全功能UART接口[13]。模块中的硬件设计采用高效开关电源优化，SIM卡采用微卡主流，模块有电源控制引脚，休眠状态功耗1.5 mA，支持串口升级模块中的固件，当模块崩溃时，允许程序重新启动，模块电路如图3（b）所示。
1.2.4 人体感应模块
HC-SR501是一种通过红外控制的感应模块，工作原理如图4所示。当非法入侵时，传感模块输出高电平，否则输出低电平。具有强光干扰补偿和温度补偿，感应模块在通电后会有一定的初始化时间，在此期间，感应模块会在短时间内以一定的频率输出多次，之后才能进入侦测状态。在启动模块前需要设置合适的延时时间，其中RT1和CY1决定延迟时间。芯片的“A”引脚接高电平，模块设置为可重复触发。
1.2.5 单片机控制中心
STC89C52单片机完成控制功能，根据烟雾、火焰、人体传感器检测，判断异常情况后蜂鸣器报警并显示，同时通过串口P3.0，P3.1驱动SIM900A进行远程短信息报警。单片机的P1.1，P1.2检测烟雾，其中P1.2检测烟雾的模拟信号，能够精确测定烟雾的浓度大小。P1.4通过火焰传感模块检测火灾情况，由烟雾和火焰共同决定火灾事故。P1.5检测非法入侵者信号。控制电路及接口如图5所示。
1.3 系统软件设计
软件设计是在硬件设计完成的基础上进行，运用Keil μVision2开发平台编译。包括安全检测程序、SIM模块初始化程序、发送短信程序、按键控制程序等。
1.3.1 人体检测模块程序设计
在启动安防系统状态下，通电约1 min的初始化时间，调用延时抗干扰程序，之后进入安全监控扫描。因为系统采用可重复触发方式，所以当单片机P1.5口扫描到高电平时，报警灯亮触发蜂鸣器报警并显示，之后延时大约3 s，短信模块检测到短信控制命令，进行远程报警，流程如图6（a）所示。
1.3.2 烟雾/火焰传感模块程序设计
在启动安防系统状态下，模块通电调用延时抗干扰程序，之后进入安全监控扫描状态，当扫描到烟雾传感模块输出端DOUT为低电平或火焰检测模块输出高电平时，说明此时出现异常情况，立即执行条件函数，启动蜂鸣器报警，延时大约3 s，短信模块检测到短信控制命令，发送短信息进行远程报警，流程如图6（b）所示。 1.3.3 通信模块程序设计
图6（c）为安防系统通信模块发送短信流程图。在程序初始化完成后，当出现烟雾浓度过高或火灾发生或非法入侵等情况，探头前端传感器检测到异常信息，打开报警系统，并将预先配置好的信息发送给用户，告知异常情况。程序中使用unicon编码对象的号码，并存放到SIM卡中短信返回的index中。当系统初始化之后，执行延时抗干扰程序，大约15 s模块注册到网络，之后模块指示灯亮1 s灭3 s表示已经连接到网络，进入延时信号扫描。当检测到控制中心发送的短信控制指令之后则向用户发送信息，延时20 s提示短信发送完毕，若没有检测到控制指令，则返回执行延时循环。
2 系统调试
系统工作中有布防模式和撤防模式两种，两个模式主要是为防止用户在家的情况下误触发警报。打开电源给系统供电，当家中没人的状况下按下布控按钮，整个系统进入延时扫描状态，实时检测各传感器的信号。
当室内有人入侵时，人体红外感应传感器的红外探头检测到信号，输出高电平，由于采用的是可重复触发方式，只有当人体离开时才会从高电平变为低电平，此时报警系统工作，蜂鸣器响起。大约3 s之后，SIM900A模块检测到单片机的短信控制指令后，立即向用户发送“室内有人”的短信息，告知家里有人入侵。
同样的，当家中出现火灾时，烟雾传感器和火焰传感器采集到信号，与预先设定好的烟雾浓度值和光敏值作比较，高于设定值之后，此时触发报警系统，蜂鸣器响起，大约3 s之后，SIM900A模块检测到短信控制指令之后，向用户发送“烟雾警报”和“火灾警报”的短信息，告知家里发生火灾。
3 结 语
智能家居安防系统针对当前家庭的需求开发设计，主要实现防盗报警、防火报警、防有害气体泄漏等功能。以STC89C52单片机为智能控制中心，采用有线与无线相结合的工作方式，将各个模块融合在一起，构成一个具备防火、防盗、防有害气体泄露的智能家居安防系统，实现对家居环境进行监测，实现现场和远程报警。
注：本文通讯作者为姚有峰。
参考文献
[1]白永祥，阴国富.基于物联网的家庭安防系统设计与实现[J].电子设计工程，2015，23（18）：20-23.
[2]袁凯烽，何涛.基于物联网家居安防系统的设计[J].物联网技术，2015，5（11）：79-81.
[3]陆秋俊.物联网智能家居应用方案[J].物联网技术，2014，4（11）：60-61.
[4]王鸿铭，赵敏.物联网技术在智能家居安防系统中的应用[J].计算机应用技术，2014（6）：191-193.
[5]吴卫博.智能建筑中楼宇电气自动化系统问题与策略探究[J].科技尚品，2016（6）：21.
[6]殷际英，李玎一.楼宇设备自动化技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
[7]毛静.基于单片机的智能家用报警系统设计[J].电子设计工程，2015，23（15）：112-114.
[8]陈淑春，白日欣，王文忠.基于物联网的无线智能家居安防系统研究与分析[J].佳木斯职业学院学报，2017（10）：374-375.
[9]文枰.智能家居安防系统设计[J].计算机测量与控制，2018，26（8）：290-293.
[10]侯立功.基于物联网技术的智能家居系統构想[J].数字通信，2011，38（6）：33-35.
[11]顾玲玲，倪超.基于STC单片机的家庭安全防护报警系统设计[J].木工机床，2014（4）：13-16.
[12]孔育琴.基于STC89C52的家庭智能安防系统设计[J].自动化技术与应用，2017，36（10）：135-139.
[13]何孟凡，高国伟，王世峰，等.智能家居防火防盗系统[J].传感器世界，2017，23（2）：12-15.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15280190.htm
