李鑫 任安虎 陳沐萱 周方宇

摘 要：針對家中無人時(shí)存在的安全隱患，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于家中的安全監(jiān)測系統(tǒng)—智能巡邏管家。該系統(tǒng)以GSM為通信方式，STM32為主控制器，搭載煙霧傳感器、溫濕度傳感器、攝像頭等組成一個(gè)智能巡邏小車，實(shí)時(shí)監(jiān)測是否有明火、天然氣或煤氣泄露等安全隱患，將監(jiān)測到的信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至用戶，用戶可通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制小車行走，隨時(shí)隨地了解家中各個(gè)點(diǎn)的情況，從而有效地保證家庭的安全性。

關(guān)鍵詞：家庭安防;數(shù)據(jù)采集;GSM 通信;智能監(jiān)控;傳感器;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP271文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

隨著生活節(jié)奏的加快，人們的工作時(shí)間逐漸加長，如何避免家庭常見明火、天然氣或煤氣泄漏等安全隱患成為人們關(guān)注的關(guān)鍵問題。

因此，能夠隨時(shí)隨地了解到家里的安全情況顯得尤為重要。本文以STM32為主控制器，利用GSM無線網(wǎng)絡(luò)、視頻采集、溫濕度、火焰?zhèn)鞲衅骷皻怏w采集等模塊相互配合，制作一款智能遠(yuǎn)程安全報(bào)警小車。當(dāng)用戶不在家時(shí)仍然可以了解家中情況，對出現(xiàn)的問題及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)措施。利用循跡和避障等功能在家中進(jìn)行巡邏檢查，并將檢查到的信號傳給用戶終端，用戶根據(jù)出現(xiàn)的問題發(fā)出相應(yīng)指令（如可控制小車?yán)脭z像頭查看家中畫面），全面掌握家中各個(gè)位置的安全問題，對家庭安全起到有效保證的作用。

1 系統(tǒng)功能需求

智能巡邏管家系統(tǒng)分為自主控制和用戶自定義兩種工作模式。

1.1 自主控制模式

小車自動按照設(shè)定好的路線行走，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能。

（1）超聲波和人體紅外模塊可以避開所要監(jiān)控路徑上的障礙物，對小車以及別的物品起到一定的保護(hù)作用。

（2）氣體泄漏報(bào)警，利用煙霧傳感器監(jiān)測房間內(nèi)甲烷等氣體是否超標(biāo)。

（3）家庭安全隱患主要以火災(zāi)造成的損失最為嚴(yán)重，智能巡邏管家主要通過火焰檢測、溫度檢測、煙霧檢測、攝像頭確定是否發(fā)生火災(zāi)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，智能巡邏管家能夠迅速告知用戶，以保證將用戶的損失降到最低。溫度檢測用來判斷是否有可能發(fā)生火災(zāi);煙霧檢測通過煙霧濃度判斷是否已經(jīng)發(fā)生火災(zāi);攝像模組能實(shí)時(shí)反饋用戶現(xiàn)場圖像。

1.2 用戶自定義模式

用戶可以遠(yuǎn)程遙控小車到指定地方，利用小車裝配的攝像頭查看家中實(shí)時(shí)圖像。為了節(jié)省資源，攝像頭只在用戶自定義模式下打開。

2 智能巡邏管家的組成與原理

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

智能巡邏管家主要分為外部傳感器模塊、無線通信模塊、智能避障行駛模塊及遠(yuǎn)程操控APP四個(gè)子模塊。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括中央處理器、攝像頭、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、控制器件、GSM無線網(wǎng)絡(luò)模塊和電源模塊等。

處理器可對外部傳感器所采集的信息進(jìn)行處理，并通過GSM模塊發(fā)送到手機(jī)APP。手機(jī)APP也可操縱智能巡邏管家對房間其他部位進(jìn)行監(jiān)測。人體紅外熱釋傳感器和超聲波傳感器協(xié)助智能巡邏管家避開障礙物行走。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.2.2 攝像頭

本文系統(tǒng)使用OV7670攝像頭模塊、CMOS器件、標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，其兼容I2C接口，工作電壓低至2.5～3 V，能夠提供影像處理器的所有功能。系統(tǒng)內(nèi)置感光陣列、時(shí)序發(fā)生器，A/D轉(zhuǎn)換器、模擬信號處理、數(shù)字信號處理器。采用的廣角鏡頭視角可達(dá)150°，該攝像頭圖像最高可達(dá)到30幀。STM32與OV7670接線原理如圖3所示。

2.2.3 煙霧傳感器

MQ-2型煙霧傳感器屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。工作電壓為直流5伏，支持雙路信號輸出、模擬量輸出及TTL電平輸出。煙霧濃度越大、導(dǎo)電率越大、輸出的電阻越低，輸出的模擬信號越大。工作電壓為DC 5 V，支持雙路信號輸出、模擬量輸出及TTL電平輸出。MQ-2型煙霧傳感器接線如圖4所示。

2.2.4 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y火焰發(fā)出的短波近紅外線（SW-NIR），通過電信號（電壓信號）進(jìn)行輸出，探測角度為60°。

遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過A/D轉(zhuǎn)換器反映為0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小;紅外光越弱，數(shù)值越大。傳感器的輸出接口可與單片機(jī)直接相連。火焰?zhèn)鞲衅髟砣鐖D5所示。

2.2.5 HC-SR04超聲波模塊

采用HC-SR04超聲波模塊實(shí)現(xiàn)小車避障，采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，模塊自動發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，檢測是否有信號返回;若有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

式中：L為距離;t為高電平時(shí)間;s為聲速（340 m/s）。

2.2.6 HC-SR501人體感應(yīng)

系統(tǒng)采用人體感應(yīng)模塊，使小車能夠避開人與寵物。若檢測到人，則輸出高電平;反之，則輸出低電平。感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?。HC-SR501部分參數(shù)見表1所列。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 軟件設(shè)計(jì)總流程

系統(tǒng)初始化后，控制子程序控制小車自主巡邏，逐個(gè)檢測是否有火焰、煙霧、甲烷等氣體，以及溫濕度是否超標(biāo)等。若發(fā)現(xiàn)異常則啟動GSM模塊，將所采集到的信息經(jīng)過處理后發(fā)送報(bào)警信息給用戶。用戶可使用手機(jī)操作APP，控制小車行駛到指定位置監(jiān)測并拍攝所需視頻，以便查看家中實(shí)時(shí)情況。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總框圖如圖6所示。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)子系統(tǒng)流程

小車自主行走時(shí)，舵機(jī)和電機(jī)均采用增量式PID進(jìn)行閉環(huán)控制，應(yīng)用程序?yàn)镻WM_Steer_mian（）;和 Speed_pid（）;小車自主控制子程序軟件流程如圖7所示。

用戶自定義查看流程如圖8所示。中斷服務(wù)程序查詢到用戶指令后，初始化打開攝像頭，檢測攝像頭是否采集到圖像，若未采集到圖像，則再次初始化攝像頭，將采集到的圖像編碼后發(fā)送到手機(jī)APP。

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了融合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動控制、無線通信等先進(jìn)技術(shù)的智能巡邏管家。通過搭載各類傳感器，使家庭各種安全隱患得以有效監(jiān)測。未來，隨著圖像識別技術(shù)的提高，可利用攝像頭進(jìn)行更復(fù)雜情況的識別。

參 考 文 獻(xiàn)

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