基于單片機的家庭智能防火防盜系統(tǒng)

張浩

（山東華宇工學(xué)院 山東省德州市 253034）

隨著科學(xué)技術(shù)飛速進步，社會逐步進入信息化時代，智能家居受到更多人的青睞，而家用電器的不斷增多，使得人員更加關(guān)注家庭防火防盜問題，基于此，有必要考慮搭建以單片機為核心的家庭智能防火防盜系統(tǒng)，實現(xiàn)對火災(zāi)、盜竊案件的提前預(yù)知預(yù)警與發(fā)現(xiàn)提醒，并進行針對性的處理，以此來降低損失，保障家庭安全，要做好該項工作，需結(jié)合家庭結(jié)構(gòu)布置、根本所需完成系統(tǒng)建設(shè)。

1 研究目的與意義

1.1 研究目的

伴隨著微電子科技不斷成熟、智能家居時代加速來臨，開始出現(xiàn)一批應(yīng)用效果較好的家庭智能防火防盜報警系統(tǒng)，但就實際而言，市面上流行的智能家居大多價格昂貴，不適宜引入普通家庭。但智能化時代的到來，使更多人了解到智能產(chǎn)品的豐富功能與應(yīng)用必要性，故而有必要設(shè)計一款簡單好用、質(zhì)優(yōu)價廉的家庭智能防火防盜系統(tǒng)，以此來滿足更多人需求。此外在防盜方面來說，普通家庭多依賴防盜門等一般防護技術(shù)，這就使得在火災(zāi)險情、非法闖入現(xiàn)象出現(xiàn)時，難以第一時間發(fā)覺并做出最正確的應(yīng)對，引入智能防火防盜系統(tǒng)是公眾安全意識不斷加深后的必要選擇，這也代表著安防行業(yè)必將朝著智能安防方向發(fā)展。

分析家庭安防系統(tǒng)發(fā)展歷程，包括涵蓋了機械式防盜階段、電子類階段、芯片類階段、網(wǎng)絡(luò)階段等，其中芯片類因其在價格、安全、便利等方面的優(yōu)勢而占據(jù)更多的市場份額，后續(xù)信息化技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，給網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類安防系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境，出現(xiàn)了更加多元化的安防裝置，按裝其功能特征加以分類，主要包括兩種形式：其一是適宜應(yīng)用于個體家庭門戶的獨立報警系統(tǒng)，其二則是適用于區(qū)域防御的互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)報警系統(tǒng)，為搭建舒適安全的工作與生活環(huán)境，減少財產(chǎn)損失、保障公眾安全、維護社會穩(wěn)定、降低資源浪費，克服傳統(tǒng)機械防火、防火應(yīng)用缺陷，有必要研究一種適宜大多數(shù)家庭應(yīng)用的智能防火防盜系統(tǒng)[1]。

1.2 研究意義

本課題研究的基于單片機的家庭智能防火防盜系統(tǒng)，其將單片機采集、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)進行了有機融合，形成了相對可靠、安全的防火防盜報警系統(tǒng)，系統(tǒng)包括單片機模塊、GSM 通信模塊、顯示模塊等。在用戶離家時，可通過4×4 密碼鎖鍵盤將智能系統(tǒng)設(shè)備為布防模式，此時通信模塊、傳感器模塊處于工作狀態(tài)，各類傳感器持續(xù)不間斷搜集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，分析數(shù)據(jù)波動，在數(shù)據(jù)異常并超出限值標準時發(fā)送短信給戶主，并控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)開窗透氣；在系統(tǒng)檢測到家中有人時，可通過4×4 密碼鎖鍵盤將智能系統(tǒng)設(shè)備為撤防模式，傳感器模塊保持工作狀態(tài)，檢測到異常信號時，發(fā)出聲光信號。該系統(tǒng)整體設(shè)計簡單有效、操作方便，最重要的是物美價廉、投入成本低，有著較好的應(yīng)用價值、市場推廣價值等，對保障家庭安全、降低損失來說有著積極的推動意義。

2 基于單片機的家庭智能防火防盜系統(tǒng)設(shè)計探析

2.1 明確家庭智能防火防盜系統(tǒng)設(shè)計要求

社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，大眾生活品質(zhì)直線上升，其對防火防盜系統(tǒng)的根本需求亦在不斷提升，基于單片機的家庭智能防火防盜系統(tǒng)在實際設(shè)計時應(yīng)滿足以下功能需求：

（1）可靈活檢測溫度，在室內(nèi)溫度超出限定值時發(fā)出告警信息；

（2）可靈活檢測煙霧濃度，若室內(nèi)煙霧濃度超出限定值時發(fā)出告警信息；

（3）可通過紅外檢測裝置靈活檢測遮擋信號，若檢測出非法入侵發(fā)出告警信息[2]。

2.2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

以STC89C52 單片機和GSM 通信模塊為核心的家庭智能防火防盜報警系統(tǒng)，利用傳感器和現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，以短信息及預(yù)置電話（110、119、主人電話）的形式實現(xiàn)防火、防盜、遠程控制等家庭所要求的安全監(jiān)控和報警功能。采用紅外、溫度、門磁、氣體等傳感器實時監(jiān)測家庭安全情況，如有異常系統(tǒng)會及時發(fā)送短信通知主人或是向相關(guān)部門報警求助。具體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1： 系統(tǒng)設(shè)計總圖

2.3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

（1）單片機。微控制器選擇的是STC89C52 單片機，是一個低功耗，高性能CMOS8 位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable）的可反復(fù)擦寫10000次的Flash 只讀程序存儲器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)及80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8 位中央處理器和ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的ST89C52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案[3]。

（2）GSM 通信模塊。選擇國內(nèi)崇瀚科技4G LTE Modem 系 列 型 號CH-M4G7M7，LTE: B1/ B3 /B5/B8/B34/B38/B39/B40/B41 網(wǎng)絡(luò)，RS232&RS485 接口，支持語音播報，短信通知，實時在線，適用于家庭報警系統(tǒng)，實時在線，小數(shù)據(jù)量，串口設(shè)備無線語音通知，若室外報警，可立即起到GSM 模塊，將室內(nèi)狀況發(fā)送到用戶手機，做出正確合理應(yīng)對。

（3）顯示模塊。選擇TFT 彩色液晶顯示裝置OCM320240T280-1A 系 列，是 采 用RSIC-MCU、ARM+FPGA 等架構(gòu)開發(fā)的一款高性能、低功耗、易使用的64K 色的TFT 真彩顯示器，顯示尺寸：2.8inch-57.6×43.2mm(4:3)，分辨率：320×240，可存儲全屏圖片（幅）：455，可直接和具有UART 或四線SPI 串口、16 位并口接口的MCU（如51 單片機、AVR、PIC、DSP、ARM、工控機等）連接。在部分終端型的產(chǎn)品，用戶只需通過串口向終端發(fā)布命令，便可完成相應(yīng)的操作[4]。

（4）傳感器模塊。包括：①溫度傳感器。選擇Wi-Fi 版大屏溫濕度傳感器，直流供電12-24V、最大功耗0.6W、傳輸接口為標準Wi-Fi 無線(2.4GHZ)、響應(yīng)時間≤15S(1m/s 風速)、溫度長期穩(wěn)定型≤0.1°C/year、溫度范圍40-80℃、通信支持802.11b/g/n 無線標準，應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)在支持DNS 動態(tài)解析、無線傳輸、方便快捷、高精度、穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)可直接傳遞到用戶互聯(lián)網(wǎng)平臺賬號。②人體熱釋感器模塊。選擇S22-P330Y 系列塑封貼片型熱釋電紅外傳感器，輸出數(shù)字信號，窗口尺寸4×4mm；感應(yīng)距離：6M（透鏡SB-SF-01）；感應(yīng)角度：110°（水平方向）；工作電壓：2.2-5.5V；靜態(tài)功耗＜15uA，與STC89C52 單片機在應(yīng)用方式上較為契合，通過監(jiān)測室內(nèi)外紅外信號，傳輸?shù)絾纹瑱C。③煤氣煙霧傳感器。選擇MQ-5 MQ5 煤氣傳感器，可檢測液化氣、煤氣、甲烷等可燃氣體，且MQ-5 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，直接連接在單片機I/OPB1 上發(fā)揮作用。

（5）4×4 密碼鎖。4×4 鍵盤包括8 根引線，每個按鍵對應(yīng)一個行值和列值，通過定義一個二維數(shù)組就可確定按的是哪個鍵，該模塊連接單片機I/O 接口PB8-PB15，在通過密碼鎖進行信息驗證時，共計3 次機會，一旦3 次密碼均輸入錯誤，則直接將人員判定為非法入侵，啟動報警系統(tǒng)、發(fā)出告警信息[5]。

2.4 軟件設(shè)計

（1）主程序任務(wù)。①系統(tǒng)初始化。設(shè)置密碼鎖、煙霧濃度、溫度初始值，設(shè)置定時器、中斷標準。②密碼鎖檢測。首先對4×4 密碼鎖鍵盤執(zhí)行常規(guī)案件操作，再通過STM32 控制器完成數(shù)據(jù)采集、分析、整合，在TFT 彩色液晶顯示屏上顯示相關(guān)參數(shù)值。③溫度檢測。將Wi-Fi 版大屏溫濕度傳感器裝置在室內(nèi)適宜位置，可結(jié)合室內(nèi)空間大小、溫度波動規(guī)律等選擇若干個傳感器，進行室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)絾纹瑱C處理中心。④煙霧濃度檢測。在安裝MQ-5 MQ5 煤氣傳感器時，需結(jié)合其作用機制，選擇安裝位置，確保燃氣報警器安裝在距離氣源1.5m 范圍內(nèi)且通風良好，可選擇廚房洗菜盆上方的墻壁處，亦可結(jié)合實際情況選擇最佳位置，采集室內(nèi)煙霧濃度，傳輸?shù)絾纹瑱C再加以處理。⑤室內(nèi)非法入侵檢測?？蛇M行非法入侵演練，通過人體熱釋感器模塊檢測意外情況出現(xiàn)時系統(tǒng)能否及時作出反應(yīng)，并結(jié)合實際情況加以調(diào)整。⑥啟動報警系統(tǒng)。在智能系統(tǒng)感應(yīng)到密碼輸入錯誤、非法入侵、煙霧濃度、溫度過高時，啟動報警系統(tǒng)、發(fā)出告警信息，并以GSM 模塊發(fā)送短信到戶主手機[6]。

（2）軟件體系設(shè)計。系統(tǒng)由硬件、軟件兩部分組成，在防火防盜系統(tǒng)初始化后，進行檢測布防按鍵狀態(tài)檢測、煙霧檢測、溫度檢測，在溫度傳感器檢測到家庭內(nèi)部環(huán)境溫度后，會直接傳輸給STC89C52 單片機，由單片機負責進一步處理，通過顯示模塊記錄、顯示各階段溫度，判定溫度是否超過設(shè)定標準值，若是超出標準值，發(fā)出告警信息、啟動聲光報警電路，向用戶發(fā)送報警短信，短信內(nèi)容包括報警時間、報警模塊、火災(zāi)類型等信息；在煙霧檢測傳感器檢測到家庭內(nèi)部環(huán)境煙霧濃度后，會直接傳輸給STC89C52 單片機，由單片機負責進一步處理，通過顯示模塊記錄、顯示各階段煙霧濃度，判定煙霧濃度是否超過設(shè)定標準值，若是超出標準值，發(fā)出告警信息、啟動煙霧報警電路，向用戶發(fā)送報警短信，短信內(nèi)容包括報警時間、報警模塊、煙霧分布等信息；在點擊布防按鈕后，等待10s，會在顯示裝置提示布防成功，再通過人體熱釋感器模塊檢測狀態(tài)，若是檢測到有人入侵，發(fā)出短信報警、聲光報警，若是誤操作，點擊撤防按鈕，系統(tǒng)直接停止報警[7]。

（3）各模塊功能設(shè)計。①用戶權(quán)限模塊。用戶通過賬號、密碼登錄系統(tǒng)控制平臺，設(shè)定三個控制接口，其中一個主接口、兩個副接口，權(quán)限不一，具備的系統(tǒng)功能操作權(quán)限不一，以此來避免功能操作沖突。②溫度采集模塊。因WiFi 版大屏溫濕度傳感器高度集成，故而不需再進行A/D 轉(zhuǎn)換，只需完成系統(tǒng)初始化設(shè)置，寫入控制字，設(shè)定報警溫度50°，讀取室內(nèi)溫度值傳輸?shù)絾纹瑱C，在溫度超限時發(fā)出告警信息即可。③煙霧采集模塊。通過傳感器中布置的芯片完成信號轉(zhuǎn)換，將采集到的煙霧信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由單片機接收并處理后輸入到指定存儲單元，每次轉(zhuǎn)換都需等待外部中斷0，若是中斷到來，代表已完成轉(zhuǎn)換，再由中斷服務(wù)程序讀取完成轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信號。④顯示模塊。顯示模塊進行初始化設(shè)置后，等待10s 延時，第一行預(yù)先設(shè)置“溫度”相關(guān)信息、第二行設(shè)置“煙霧濃度”相關(guān)信息，在每次執(zhí)行相關(guān)指令前都需確認模塊此時標志，若是“忙”，代表處于低電平狀態(tài)，若是“不忙”，代表指令失效，重新檢查系統(tǒng)軟硬件，保證其可用性；在顯示字符時，需提前輸入顯示字符地址，并在輸入地址填寫相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)后續(xù)地址自動加載。⑤數(shù)據(jù)管理模塊。用于存儲單片機傳輸而來的各項數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)特征、應(yīng)用方向、接收時間等對其加以分類，為后續(xù)各功能模塊完善、相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)研等提供完整、豐富的數(shù)據(jù)信息，以此來保障智能系統(tǒng)的先進性。

2.5 系統(tǒng)調(diào)試

結(jié)合基于單片機的家庭智能防火防盜系統(tǒng)方案設(shè)計標準，通過SketchBook 軟件繪出智能系統(tǒng)設(shè)計原理圖，遵循原理圖連接各個軟硬件部分，檢查電路確保無誤，將SketchBook 軟件中的程序圖燒錄到STC89C52 單片機中，下載程序，對整體電路展開功能測試，準備兩個電源接口，分別給GSM 模塊、STC89C52 單片機供電，測試功能包括：

（1）系統(tǒng)開啟通知。通過開機系統(tǒng)向戶主手機發(fā)送“系統(tǒng)已開啟”短信，觀察戶主是否能正常接收短信，以此來判斷戶主對智能系統(tǒng)的控制能力。

（2）溫度煙霧報警值設(shè)置。借助三個設(shè)置按鍵完成煙霧、溫度報警值設(shè)置，直接在顯示屏上全過程顯示煙霧、溫度濃度值與變化曲線圖，室內(nèi)溫度、煙霧濃度一目了然，輔助戶主針對性地調(diào)整系列參數(shù)值。

（3）溫度告警模塊調(diào)試。用于觀察在溫度傳感器檢測到溫度異常后，能否對溫度數(shù)據(jù)進行收集，并發(fā)送到戶主手機報警，提示戶主及時做出應(yīng)對。

（4）煙霧告警模塊調(diào)試。用于觀察在溫度傳感器檢測到溫度異常后，能否對溫度數(shù)據(jù)進行收集，發(fā)送到戶主手機報警，提示戶主及時做出應(yīng)對[8]。

（5）非法入侵報警模塊調(diào)試。設(shè)置人體感應(yīng)模塊布防狀態(tài)，檢測能否全方位檢測室內(nèi)人體紅外信號，超出限定標準后發(fā)出聲光報警信息，發(fā)送到戶主手機報警，提示戶主及時做出應(yīng)對。

（6）結(jié)合以上檢測結(jié)果，對家庭智能防火防盜系統(tǒng)展開定向調(diào)試，包括更換設(shè)備、線路、進行功能結(jié)構(gòu)調(diào)整等。

3 結(jié)語

綜上，文章就基于單片機的家庭智能防火防盜系統(tǒng)展開了綜合論述與分析，簡單介紹了研究背景與意義，強調(diào)了該項研究工作的重要性與必要性，后續(xù)確定系統(tǒng)功能需求，完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，最后進行系統(tǒng)調(diào)控，以此來保證系統(tǒng)可用性、有效性。建議給予該項研究工作足夠的重視，分析以上研究進程的優(yōu)勢與不足，發(fā)揚優(yōu)勢、彌補不足，積累經(jīng)驗，推進技術(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)完善，以此來保證智能防火防盜系統(tǒng)適用于家庭實際，在關(guān)鍵時刻發(fā)揮作用，以此來家庭安全加一層保障。