多功能家庭安防報警系統研究

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(西安工業大學，西安 710021)

0 引言

伴隨著城市化和工業化的發展，空氣質量急劇下降，2013年世界衛生組織公布了一項調查結果顯示，保護環境，改善空氣質量已經到了刻不容緩的地步。每年大約有700萬人死了有環境污染而引起的疾病?？諝赓|量與人們的生活息息相關，在人類的生產生活中，伴隨中生產規模的不斷擴大，環境污染問題也越來越嚴重，空氣質量急劇下降，傳統的多功能家庭安防報警系統一般需要手動開啟，而有些空氣加濕機又需要安裝在特殊位置，正是由于這種操作的局限性，抑制了多功能家庭安防報警系統的廣泛用，本文研究開發的基于WIFI的多功能家庭安防報警系統結合傳統多功能家庭安防報警系統的已有優點，同時增加環境監測模塊和網絡通信模塊，引入基于Android手機的遠程控制端使得用戶能夠利用手機對多功能家庭安防報警系統參數設置和功能設定，實現便捷控制智能報警監控系統，過濾加濕室內空氣的目的。

1 系統的總體設計方案

基于WIFI的多功能家庭安防報警系統系統設計，采用嵌入式控制系統對多功能家庭安防報警系統硬件進行控制，同時結合物聯網技術，加入遠程控制客戶端，打破傳統多功能家庭安防報警系統操作復雜、實時性差的桎梏，實現家用多功能家庭安防報警系統的智能化發展。

1.1 系統組成

基于WIFI的多功能家庭安防報警系統系統設計的系統由微控制器(STM32F103ZET6)、空氣狀況檢測模塊、OLED顯示模塊、報警模塊、供電電路、信號傳輸模塊和手機終端構成。圖1是基于WIFI的多功能家庭安防報警系統的系統模塊圖。

圖1 基于WIFI的家庭多功能家庭安防報警系統的系統模塊圖

空氣監測模塊有多款傳感器組成，監測空氣狀況并將數據存儲進微控制器，微控制器對這些數據進行進一步整合處理。并通過信號傳輸模塊將數據發送手機客戶端，本文采用基于Android智能手機作為遠程控制平臺，與多功能家庭安防報警系統硬件通過WIFI網絡互連，工作時，用戶登錄客戶端軟件，連接到多功能家庭安防報警系統的指定IP地址，即可就收智能報警監控系統硬件回傳的空氣狀況參數。同時終端發送信號到智能報警監控系統的微處理器上，多功能家庭安防報警系統即開啟加濕模塊進行加濕工作。

1.2 無線網絡組網方案選擇

目前發展比較成熟的無線網路的組網方案主要有WIFI、ZIGBEE和Bluetooth,這三種組網方式各有個的特點。

1)WIFI是由AP和無線網絡組成的無線網絡，AP即為無線接入熱點。他是無線局域網之中的樞紐。WIFI網絡是根據IEEE802.11協議構建的，它主要包括三個層級：邏輯鏈路控制層、媒體訪問控制層和物理層，WIFI技術的突出優點在于可提供較高的數據傳輸速率。另外WIFI組網方案可方便的接入互聯網。易于有遠程客戶端連接。

2)ZIGBEE協議是一種低功耗，近距離、易組網的無線通信標準。ZIGBEE網絡是根據IEEE802.15.4協議構建的。ZIGBEE協議構建的網絡突出優點是低功耗，但相較WIFI而言，ZIGBEE的傳輸距離較短，另外ZIGBEE模塊的市場價格較高。

3)藍牙是工作在全球通用的2.4 GHZ的ISM頻段的一種通信協議，在不加擴展的情況下，他的通信距離是10米左右，具有一定的穿透性，藍牙技術規定了兩種組網方式，一種是微微網，一種是散射網。藍牙是一種低功耗地速率的通信協議，目前市場上出售的一般模塊的通信距離要比WIFI短，另外同時，入網方式不如WIFI靈活

綜上所述，通過比較的三種不同的無線組網方式的有優缺點，本設計最終采用WIFI方式，本設計中采用安信可生產的組網模塊ESP8266作為系統的WIFI通信模塊，通過TCP/IP協議與手機互聯。

1.3 傳感器模塊選型

1.3.1 煙霧傳感器選型

煙霧傳感器屬于氣敏傳感器。將氣體濃度轉化為模擬電壓信號，然后通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機進行邏輯處理，進而通過單片機完成數據傳輸和報警等工作。MQ-5煙霧傳感器可以準確的檢測出空氣中CO，煤氣等可燃性氣體的濃度，同時具有較高的性價比，一次非常適用于家庭多功能家庭安防報警系統設計中。

1.3.2 溫濕度傳感器選型

本設計要求測試空氣中的溫度和濕度作為用戶調控室內空氣質量的參數依據，因此從檢查靈敏度、通信方式和成本等多方面考慮，最終確定采用AM2302溫濕度傳感器作為本系統檢測空氣溫度和濕度的傳感器。

該傳感器就有功耗低，傳輸距離遠，通信方便、穩定等幾大亮點，下面是針對該傳感器做的幾項性能測試。

AM2302采用典型的單總線協議與處理器通信，這種通信協議具有通信距離長、占用系統資源少等特點。具體的數據讀取流程和方法請參閱第四章軟件設計。

表1 AM2302相對濕度性能表

表2 AM2302 相對溫度性能表

圖2 25℃時 AM2302 的相對濕度最大誤差

2 系統硬件電路設計

2.1 系統整體電路概述

微控制器(STM32F103ZET6)、空氣狀況檢測模塊、OLED顯示模塊、報警模塊、供電電路、信號傳輸模塊和手機終端構成。

2.2 高壓靜電路設計

在本系統中高壓靜電路和環境檢測與控制電路的在設計上采用完全分離的方案,控制模塊僅通過繼電器控制除塵電路的開啟與關閉這樣有利于系統的模塊化設計,便于分模塊進行調試,簡化了設計與調試過程,具體電路圖如圖3所示。

圖3 溫度傳感器的溫度最大誤差

本模塊的主要設計思路是交流220 V電源經過整流變為直流200 V,然后利用全橋逆變電路將直流電源逆變為高頻交流。本模塊中DBB2和B772三極管實現對PWM脈沖的調制與解調從而獲得較高的驅動能力，PWM脈沖通過51單片機產生，采用zn41185bb隔離變壓器實現對脈沖產生電路的保護，從而避免高頻電源產生一側對脈沖電路的沖擊和影響。另外本模塊中給單片機供電采用的是檢控模塊中的5 V電壓，同時本模塊自帶12 V交流電源用于對高頻MOSFET的驅動，以及200 V直流電源產生電路用于高頻電源的逆變源。

3 系統軟件設計

3.1 STM32軟件設計

3.1.1 軟件模塊組成總覽

本文使用的STM32作為本系統的微控制器，開發環境采用Keil4，本系統的的軟件設計包括以下幾個模塊：系統初始化、外設、傳感器初始化、中斷服務子函數、傳感器數據處理、報警觸發、串口數據接收與處理、除塵器控制程序等。圖4為本系統的程序流程圖。

圖4 總程序流程圖

3.2.2 主控界面設計

主控界面的外觀設計如圖5所示。

圖5 主控界面

主控界面是本客戶端軟件的主要功能界面,在該界面下主要實現以下幾個功能：

通過點擊“連接”按鈕，使用設置好的IP和PORT 通過網絡遠程鏈接智能報警監控系統硬件上的ESP8266 WiFi模塊。

1)數據接收顯示，接收多功能家庭安防報警系統硬件發送的傳感器參數幀，應顯示在Android客戶端界面上。

2)發送控制命令幀，通過點擊“除塵”、“加濕”、“排氣”按鈕發送響應的控制命令給智能報警監控系統硬件。

3)點擊“設置”按鈕，與設置界面進行數據交互，并進入下一界面。

4)點擊“退出按鈕可退出主控界面”

以下是該功能界面的程序設計流程圖以及部分主要源代碼的分析：

class MyThread extends Thread {

public String IP; //定義需要連接設備的IP地址，port端口號

public int port;

public MyThread(String IP,int port) { //實例化本線程

this.IP=IP; //IP port 參數傳遞

this.port=port;

}

public void run() {

try {

SocketClient.connect(new InetSocketAddress(IP, port), 50000); //給實例化的SOCKET連接傳遞IP、port、//以及timeout

connect_flag=true; //連接成功則置標志位

co=1;

new MyThread_receive().start(); //連接成功則開啟數據接收線程

} catch (Exception aa) {

co=2;

} }

}

class MyThread_send extends Thread {

public String msg;

public MyThread_send(String msg)

{

this.msg=msg;

}

public void run() {

try { //獲取輸出流

dos=new PrintWriter(SocketClient.getOutputStream(), true);

dos.print(msg);//發送給服務器

dos.flush();

} catch (SocketTimeoutException aa) {

// Toast.makeText(MainActivity.this, "發送失敗", 1000).show();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

} } }

3.2.3 參數設置界面設計

設置界面的外觀設計如圖6所示。

圖6 參數設置界面

本界面主要進行參數的設定，主要完成以下功能：

1)對SOCKERT網絡連接所需要的IP、port等參數的設定。

2)對煙霧濃度報警上限、溫濕度報警上限、風塵濃度報警上限進行設置。

3)報警短信號碼進行設置。

4)對本地報警、短信報警、人體檢測能功能的執行狀態進行設置，選擇性開啟這些功能。

以下是該功能界面的程序設計流程圖以及部分主要源代碼的分析：

ip_s=bundle.getString("IP"); //從中控界面的交互中獲取IP信息.

port_s=bundle.getString("PORT"); //從中控界面的交互中獲取port信息.

phone_s=bundle.getString("PHONE"); //從中控界面的交互中獲取port信息.

update();

public void onClick(View v) { //進入按鍵響應函數

int tag = (Integer) v.getTag();

switch (tag)

{

case 1: //判斷是否為保存按鍵

Bundle bundle = new Bundle();

bundle.putInt("WENDU", wendu); //將設置信息與中控界面交互

bundle.putInt("SHIDU", shidu);

bundle.putInt("YANWU", yanwu);

bundle.putInt("FENCHEN", fenchen);

bundle.putInt("infrared", infrared_flag);

bundle.putInt("warning", warning_flag);

bundle.putInt("message", message_flag);

bundle.putString("IP", IP.getText().toString());

bundle.putString("PORT", PORT.getText().toString());

bundle.putString("PHONE", PHONE.getText().toString());

Setting.this.setResult(RESULT_OK, Setting.this.getIntent().putExtras(bundle));

Setting.this.finish();

break;

case 2: //如果觸發取消按鍵則不進行數據交互直接退出

Setting.this.setResult(RESULT_CANCELED);

Setting.this.finish();

break;

}

}

4 實驗結果

系統采用遠程客戶端實現隨多功能家庭安防報警系統進行設置和控制，比起傳統的多功能家庭安防報警系統的操作更加人性化，這也是本系統與傳統多功能家庭安防報警系統控制系統較，最明顯的優勢所在。但是本系統在人機交互、系統的整體性能方面仍然具有許多改進的地方，本系統雖然屬于智能家居類別，但本系統設計的智能算法比較少，例如目前比較流行的大數據、指紋識別、人臉識別等均沒有過多的體現，但是，系統智能化是智能家居發展的必然趨勢.因此，后續的工作可以在以下幾個方面深入研究。

1)提供系統的整體性能，增強實時性，尤其是要保證報警設備的實時性觸發，因此在以后的改進過程中有必要加入實時操作系統，例如ucosii。

2)可為本系統增加語音識別功能，就目前而言，語音識別技術仍處于瓶頸期，語言分辨與語音采集仍然是技術難題。在以后的設計過程中可以加深對語音識別算法的研究。本系統提供更好的人機交互系統。

3)由于時間關系以及作者水平有限，本系統中采用的傳感器大多為成品模塊，這樣就不可避免的降低了系統的穩定性。因此在以后的研究中可以考慮對多款傳感器進行集成，從而提高系統的整體穩定性，

4)目前該系統只能在局域網內實現數據收發，無法接入外網(缺少公網服務器支持)這極大的限制了用戶的使用范圍，因此在后續的設計過程中將該系統增加外網接入功能，使用戶能夠脫離局域網的限制，真正意義上實現遠程控制。

5 總結

多功能家庭安防報警系統在百姓的人常生活中起著非常重要的作用，直接關系到居民的身體健康。本文完成了基于WIFI的家用多功能家庭安防報警系統系統的開發。包括系統的硬件設計、軟件編寫，Android上位機開發和系統整體調試，在論文的完成過程中主要做的工作有：

(1)以意法半導體(ST)公司的STM32單片機為核心進行系統硬件設計，結合溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電紅外感應開關、粉塵傳感器等檢測模塊為系統提供環境的參考數據，通過PWM脈寬調節控制散熱扇的工作

(2)采用Android平臺作為多功能家庭安防報警系統系統的遠程監控客戶端,采用Eclipise作為Android軟件的開發平臺，包括Android開發環境的搭建、軟件開發以及調試

(3)采用C語言對系統進行軟件編程，在開發過程中使用JTAG仿真器大大縮短了軟件的開發周期，另外結合本設計的實際需要，軟件的編寫采用模塊化的設計方法，便于系統功能模塊的修改和增刪。

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