鄭采薇+劉恒+張靜+劉城洪

摘 要 隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，家中安全問題越來越受到重視。針對現(xiàn)代居家安全需要，對智能家用安全的監(jiān)測方法展開了研究，設計了一種智能家用安全監(jiān)測系統(tǒng)，利用多組溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器和天然氣傳感器實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，并對天然氣泄漏、火災、外人入侵進行提前預警，通過GSM網(wǎng)絡向家人發(fā)送報警信息，完成其監(jiān)測報警功能。

關鍵詞 GSM；傳感器；火災；STM32

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0035-02

生活中火災、天然氣泄漏以及外人非法入侵對人身財產(chǎn)安全構(gòu)成很大威脅，設計一款可自動檢測以上險情并能提前預警的智能家用安全系統(tǒng)可有效降低威脅，避免意外情況的發(fā)生。目前國內(nèi)外對此類智能報警系統(tǒng)研究發(fā)展迅速，市場上有采用有線、藍牙、紅外和zigbee等方式作為家庭自組網(wǎng)，采用IP網(wǎng)關服務器的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，但該類系統(tǒng)成本較高。

本文采用嵌入式網(wǎng)關服務器，通過多組傳感器節(jié)點的感知，將數(shù)字信息傳給中心節(jié)點，經(jīng)中心節(jié)點處理分析后，利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實現(xiàn)對火災、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，通過GSM網(wǎng)絡向預定的手機號發(fā)送報警信息，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、監(jiān)測精準、可靠性高。

1 系統(tǒng)總體設計

智能家用安全監(jiān)測系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。主要包括STM32主控器、多路溫度傳感器DS18B20、多個煙霧傳感器MQ-2、無線通信模塊、紅外監(jiān)測模塊、天然氣監(jiān)測模塊、LCD顯示模塊、聲光報警和電源模塊。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)設置多組溫度傳感器和煙霧傳感器，意為通過多組信息的綜合分析，判斷是否為意外情況。紅外監(jiān)測模塊安裝在窗檐，當感應到非法入侵時，傳送報警信號給MCU。天然氣監(jiān)測模塊用于監(jiān)測家中天然氣管道的泄漏。當STM32收到任何報警，將啟動聲光報警并通過無線通信模塊給預留手機號發(fā)送報警短信，將意外損失降到最小。

2 系統(tǒng)硬件設計

1）通信模塊。nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的單片無線收發(fā)芯片，工作頻率范圍為2.400 GHz～2.525 GHz，電壓工作范圍為1.9 V～3.6 V，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。

nRF24L01的數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)。它支持Text和PDU兩種格式的短信，可通過AT命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復。nRF24L01中IRQ引腳與MCU控制端連接，可控制nRF24L01工作與否。

圖2 無線通信模塊nRF24L01電路圖

2）火災監(jiān)測模塊。該模塊選用1#，2#和3#煙霧傳感器MQ-2和1#，2#和3#溫度傳感器DS18B20共同監(jiān)測室內(nèi)火警情況。其中，MQ-2濃度檢測范圍為227.88 mg/m3～9260 mg/m3，傳感器輸出電壓值范圍為0～5 V，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號送給STM32，再經(jīng)信號傳輸通過LCD顯示。DS18B20集溫度采集和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字信號。DS18B20具有單總線、體積小、分辨率高和抗干擾能力強等特點，其溫度測量范圍為-55℃～+125℃，滿足室內(nèi)溫度監(jiān)測的要求。系統(tǒng)中3組溫度傳感器分別分布在3個房間，與相應的煙霧傳感器配套。

3）入侵檢測模塊。入侵檢測模塊通過多組安裝在窗檐的紅外檢測模塊組成。其主要由紅外線傳感器RE200B和以CS9803GP為核心的信息處理模塊組成。該模塊的工作原理為通過其紅外探頭監(jiān)測、監(jiān)測環(huán)境中紅外線強度信息的變化，再經(jīng)過核心電路的處理分析，若確有外人入侵，則把報警信號發(fā)送給STM32。

4）天然氣監(jiān)測模塊。本系統(tǒng)針對膠管泄漏采用內(nèi)聽音的管線泄漏監(jiān)測方法。本監(jiān)測方法原理是利用在管壁破裂時，管內(nèi)流體自破裂處噴涌，此時管內(nèi)外會形成氣壓差并產(chǎn)生頻率低于20Hz的聲波信號。該信號主要以橫波沿管內(nèi)外管壁傳輸。管道兩端加速度傳感器對其進行震動測試，通過兩信號到達時間差，可計算出泄漏位置。

圖3 管道泄漏定位示意圖

對泄漏點定位原理圖如圖所示，L為已知兩傳感器間隔距離，X為泄漏點與首端傳感器的距離。設泄漏聲波傳播速度為a，t為首端傳感器和末端傳感器接收到聲波信號的時間差，則X的表達式：

（1）

一旦天然氣檢測模塊檢測到管道有泄漏，則將高電平報警信號和計算得的X值以二進制編碼的方式傳送給給STM32。

5）LCD顯示模塊。系統(tǒng)選用LCM12864點陣液晶顯示器來顯示溫度、煙霧濃度和天然氣管道泄漏位置等信息。LCM12864顯示分辨率為128*64，可顯示4行*8列中文字符或4行*16列英文字符。系統(tǒng)給LCM12864供5 V電壓，采用并口方式與STM32連接。

6）聲光報警模塊。聲光報警由1個LED燈、1個BUZZER蜂鳴器和另外一些基礎器件組成。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 無線通信模塊

該設計發(fā)送短信選用支持中文和英文短信的收發(fā)的PUD模式。AT指令可用于終端設備和PC之間的連接和通信，使用命令“AT+CMGF=0”來選擇PDU模式。

3.2 火災監(jiān)測模塊

煙霧傳感器和溫度傳感器都把實時測量數(shù)據(jù)傳送給STM32，STM32根據(jù)兩種傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)綜合分析判斷。有以下三種情況。

1）三組溫度傳感器和煙霧傳感器監(jiān)測參數(shù)均平穩(wěn)小幅度上升，此情況判斷為天氣原因所致，不采取警報行動。

2）某一組溫度和煙霧傳感器監(jiān)測參數(shù)上升陡峭，與另外兩組參數(shù)懸殊，可判斷為意外情況，將及時采取聲光報警和短信報警。

3）同一組煙霧傳感器和溫度傳感器不同步上升，如煙霧濃度上升而溫度不上升，則可能為室內(nèi)抽煙所致；若溫度上升而煙霧濃度不上升，則可能是室內(nèi)取暖所致；遇到此類情況，系統(tǒng)仍然開啟聲光報警和發(fā)送報警短信，若此情況確為人為所致endprint

表1 溫度真實值與測量值對比

標稱值（℃） 測量值

（℃） 誤差值

（℃） 相對誤差

（%） 平均誤差

（%）

10 10.2 0.2 2.00 1.15

15 14.9 -0.2 1.33

20 20.2 0.2 1.00

25 25.1 0.1 0.40

30 30.3 0.3 1.00

而非意外情況，可人為按RESET按鍵解除警報。

4 測試和分析

針對系統(tǒng)中的溫度傳感器和煙霧傳感器，分別進行了測試。DS18B20測量結(jié)果如表1所示。

對MQ-2進行對甲烷氣體的濃度測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧濃度真實值和測量值對比

標稱值

（%） 測量值

（%） 誤差值

（%） 相對誤差（%） 平均誤差（%）

0.00 0.00 0.00 0.000 0.935

10.00 10.02 0.02 0.200

15.00 14.98 -0.02 0.133

20.00 20.05 0.05 0.250

25.00 25.00 0.00 0.000

30.00 29.86 -0.14 0.467

35.00 34.55 -0.45 1.286

40.00 39.26 -0.74 1.850

50.00 48.20 -1.80 3.600

60.00 59.18 -0.82 1.367

70.00 70.78 0.78 1.114

80.00 81.22 1.22 1.525

90.00 91.14 1.14 1.267

100.00 99.97 -0.03 0.030

測試表明，DS18B20對溫度的測量精度達到0.1℃，平均相對誤差為1.15%。MQ-2在對甲烷測驗的試驗中，測量精度達到0.01%，平均相對誤差為0.935%。兩傳感器的量精度均較高。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實現(xiàn)對火災、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，及時通過GSM網(wǎng)絡對監(jiān)測的異常情況進行報警提示。經(jīng)實驗測試，本系統(tǒng)可有效監(jiān)測溫濕度和煙霧濃度等信息，系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單。如何進一步提高監(jiān)測精度，提升系統(tǒng)性能，完善系統(tǒng)功能將是下一步研究工作的重點。

參考文獻

[1]孫英.短信收發(fā)中的PDU編碼分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2007（01）.

[2]楊成菊.家居紅外防盜報警器的系統(tǒng)設計探討[J].中國科技投資，2013（26）.

[3]楊理踐，李佳奇，高松巍，張祿.基于內(nèi)聽音的天然氣管線泄漏監(jiān)測方法[J].沈陽工業(yè)大學學報，2011（1）.

[4]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報警系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2014（01）.

[5]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報警系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（3）.

[6]Anton V.Uzunov and Eduardo B. Fernandez.An extensible pattern-based library and taxonomy of security threats for distributed systems[J].Computer Standard & Interfaces，2014（4）：734-747.

[7]Cesare Guariniello and Daniel Delaurentis.Communications，Information，and Cyber Security in Systems-of-Systems： Assessing the Impact of Attacks through Interdependency Analysis[J].Procedia Computer Science，2014，3：720-727.

作者簡介

鄭采薇（1993-），女，四川自貢人，西南科技大學，學士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和圖像處理。endprint

表1 溫度真實值與測量值對比

標稱值（℃） 測量值

（℃） 誤差值

（℃） 相對誤差

（%） 平均誤差

（%）

10 10.2 0.2 2.00 1.15

15 14.9 -0.2 1.33

20 20.2 0.2 1.00

25 25.1 0.1 0.40

30 30.3 0.3 1.00

而非意外情況，可人為按RESET按鍵解除警報。

4 測試和分析

針對系統(tǒng)中的溫度傳感器和煙霧傳感器，分別進行了測試。DS18B20測量結(jié)果如表1所示。

對MQ-2進行對甲烷氣體的濃度測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧濃度真實值和測量值對比

標稱值

（%） 測量值

（%） 誤差值

（%） 相對誤差（%） 平均誤差（%）

0.00 0.00 0.00 0.000 0.935

10.00 10.02 0.02 0.200

15.00 14.98 -0.02 0.133

20.00 20.05 0.05 0.250

25.00 25.00 0.00 0.000

30.00 29.86 -0.14 0.467

35.00 34.55 -0.45 1.286

40.00 39.26 -0.74 1.850

50.00 48.20 -1.80 3.600

60.00 59.18 -0.82 1.367

70.00 70.78 0.78 1.114

80.00 81.22 1.22 1.525

90.00 91.14 1.14 1.267

100.00 99.97 -0.03 0.030

測試表明，DS18B20對溫度的測量精度達到0.1℃，平均相對誤差為1.15%。MQ-2在對甲烷測驗的試驗中，測量精度達到0.01%，平均相對誤差為0.935%。兩傳感器的量精度均較高。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實現(xiàn)對火災、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，及時通過GSM網(wǎng)絡對監(jiān)測的異常情況進行報警提示。經(jīng)實驗測試，本系統(tǒng)可有效監(jiān)測溫濕度和煙霧濃度等信息，系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單。如何進一步提高監(jiān)測精度，提升系統(tǒng)性能，完善系統(tǒng)功能將是下一步研究工作的重點。

參考文獻

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[5]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報警系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（3）.

[6]Anton V.Uzunov and Eduardo B. Fernandez.An extensible pattern-based library and taxonomy of security threats for distributed systems[J].Computer Standard & Interfaces，2014（4）：734-747.

[7]Cesare Guariniello and Daniel Delaurentis.Communications，Information，and Cyber Security in Systems-of-Systems： Assessing the Impact of Attacks through Interdependency Analysis[J].Procedia Computer Science，2014，3：720-727.

作者簡介

鄭采薇（1993-），女，四川自貢人，西南科技大學，學士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和圖像處理。endprint

表1 溫度真實值與測量值對比

標稱值（℃） 測量值

（℃） 誤差值

（℃） 相對誤差

（%） 平均誤差

（%）

10 10.2 0.2 2.00 1.15

15 14.9 -0.2 1.33

20 20.2 0.2 1.00

25 25.1 0.1 0.40

30 30.3 0.3 1.00

而非意外情況，可人為按RESET按鍵解除警報。

4 測試和分析

針對系統(tǒng)中的溫度傳感器和煙霧傳感器，分別進行了測試。DS18B20測量結(jié)果如表1所示。

對MQ-2進行對甲烷氣體的濃度測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧濃度真實值和測量值對比

標稱值

（%） 測量值

（%） 誤差值

（%） 相對誤差（%） 平均誤差（%）

0.00 0.00 0.00 0.000 0.935

10.00 10.02 0.02 0.200

15.00 14.98 -0.02 0.133

20.00 20.05 0.05 0.250

25.00 25.00 0.00 0.000

30.00 29.86 -0.14 0.467

35.00 34.55 -0.45 1.286

40.00 39.26 -0.74 1.850

50.00 48.20 -1.80 3.600

60.00 59.18 -0.82 1.367

70.00 70.78 0.78 1.114

80.00 81.22 1.22 1.525

90.00 91.14 1.14 1.267

100.00 99.97 -0.03 0.030

測試表明，DS18B20對溫度的測量精度達到0.1℃，平均相對誤差為1.15%。MQ-2在對甲烷測驗的試驗中，測量精度達到0.01%，平均相對誤差為0.935%。兩傳感器的量精度均較高。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了利用溫濕度傳感器、煙霧傳感器、天然氣傳感器和紅外傳感器實現(xiàn)對火災、天然氣泄漏和外人非法入侵的監(jiān)測，及時通過GSM網(wǎng)絡對監(jiān)測的異常情況進行報警提示。經(jīng)實驗測試，本系統(tǒng)可有效監(jiān)測溫濕度和煙霧濃度等信息，系統(tǒng)性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單。如何進一步提高監(jiān)測精度，提升系統(tǒng)性能，完善系統(tǒng)功能將是下一步研究工作的重點。

參考文獻

[1]孫英.短信收發(fā)中的PDU編碼分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2007（01）.

[2]楊成菊.家居紅外防盜報警器的系統(tǒng)設計探討[J].中國科技投資，2013（26）.

[3]楊理踐，李佳奇，高松巍，張祿.基于內(nèi)聽音的天然氣管線泄漏監(jiān)測方法[J].沈陽工業(yè)大學學報，2011（1）.

[4]江杰，宋宏龍.基于GSM短信的煙霧傳感報警系統(tǒng)[J].測控技術(shù)，2014（01）.

[5]湯鍇杰，栗燦，王迪，張琴.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報警系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（3）.

[6]Anton V.Uzunov and Eduardo B. Fernandez.An extensible pattern-based library and taxonomy of security threats for distributed systems[J].Computer Standard & Interfaces，2014（4）：734-747.

[7]Cesare Guariniello and Daniel Delaurentis.Communications，Information，and Cyber Security in Systems-of-Systems： Assessing the Impact of Attacks through Interdependency Analysis[J].Procedia Computer Science，2014，3：720-727.

作者簡介

鄭采薇（1993-），女，四川自貢人，西南科技大學，學士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和圖像處理。endprint