摘 要：采用技術成熟且網(wǎng)絡覆蓋領域廣的GSM技術，結合Arduino單片機技術，設計一款可兼顧實現(xiàn)室內(nèi)、室外遠程報警功能的家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，可對居家盜竊、煤氣泄漏、煙霧濃度異常等進行識別并報警。采用Arduino為系統(tǒng)核心，GSM無線通信模塊，結合傳感器技術實現(xiàn)對人體和有害氣體煙霧、煤氣等的監(jiān)控功能。

關鍵詞：Arduino;GSM;家居安防

中圖分類號：TP393

隨著經(jīng)濟的增長，人們生活水平的提高，人們追求更高品質(zhì)的生活。在生活節(jié)奏比較快的今天，人們在家居上更喜歡智能化、人性化，都渴望擁有舒適安全智能的居住環(huán)境[1]。家居生活因為智能家居的出現(xiàn)，變得更富有智慧。將環(huán)境參數(shù)檢測傳感器同開源電子平臺相結合，結合無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)，可滿足智能家居的環(huán)境檢測需求。Arduino作為一款開源平臺，具有易學易用、低成本、開放性高等多種優(yōu)勢。何建華[2]基于Arduino設計開發(fā)了智能環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)。張秋波[3]結合Arduino技術與WiFi無線模塊相連接，實現(xiàn)實時控制家居電器的開關控制。吳思楠[4]以Arduino控制器為核心，通過光照、外圍溫濕度、可燃氣等傳感器組合系統(tǒng)采集家居環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了移動手機端對家居的實時監(jiān)控。朱晨[5]基于低能耗、便操作的設計理念，搭建基于Arduino Mega 2560的智能家居控制系統(tǒng)。

隨著網(wǎng)絡技術的廣泛應用，人們對智能安防系統(tǒng)、智能家電控制系統(tǒng)更趨于利用Arduino易擴展、低成本、使用靈活的優(yōu)勢，并在實際的家居領域進行探索。結合家居安防的舒適安全智能化要求，本設計采用技術成熟且網(wǎng)絡覆蓋領域廣的GSM技術，結合Arduino單片機技術探究Arduino技術在家居安防中的實際應用，促進智能家居進一步發(fā)展。

1 總體設計方案

家居報警系統(tǒng)包含居家參數(shù)檢測功能、雙重報警功能、居家環(huán)境參數(shù)顯示功能、狀態(tài)和參數(shù)設置功能等4個方面。以及Arduino和GSM為核心的家居安防報警系統(tǒng)根據(jù)需要實現(xiàn)的主要功能，系統(tǒng)框架設計如圖1。

1.1 煙霧檢測模塊

煙霧檢測模塊采用MQ-2煙霧檢測和MQ-5煤氣檢測模塊組合而成。MQ-2是氣敏式煙霧傳感器，是常用家庭的氣體泄漏裝置，其作用是將采集到的煙霧信號發(fā)送到Arduino上讓其分析判斷。MQ-5是煤氣傳感器，其作用是將采集到的煤氣信號發(fā)送到Arduino上讓其分析判斷。MQ系列對可燃氣體與其電導率之間的關系，RS/Ro在MQ煙霧傳感器靈敏度圖中表示的是在氫氣濃度為10000ppm時的RO電阻與實時電阻RS的比值，可燃氣體濃度越濃，傳感器的實時阻值會發(fā)生變化，實時減小，通過設計轉換電路后，將阻值的變化轉換成一個與煙霧濃度對應的電信號后，單片機進行采集實現(xiàn)檢測。

1.2 人體檢測模塊

熱釋電紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。主要由多個元件組成，其中包括電晶體、硅窗口、引腳等。在頂端增加帶有濾光功能的鏡片，可以隔斷光線的干擾。人體輻射的紅外線波長約為10μm，而防盜報警系統(tǒng)中的傳感器過濾片厚度為8-14μm。在波長的檢測范圍內(nèi)，熱釋電紅外傳感器可以檢測到人體的輻射。

2 硬件設計

2.1 單機片控制電路

Arduino是一款以AVR單片機為核心的高集成、積木式的嵌入式開發(fā)平臺。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制馬達、燈光和其他的裝置來反饋和影響環(huán)境。本設計中檢測家居溫濕度模塊，通過直接調(diào)用DHT11庫文件，只需要對Arduino的某一個引腳用來接受溫度數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的直接讀取，非常簡單方便。Arduino通過外部結構來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行讀取，并通過GSM與手機進行通信。

2.2 LCD電路設計

LCD1602液晶屏是用于溫度、煙霧和人體等三個檢測傳感器的顯示。Arduino單片機的2到9的8個引腳和LCD的數(shù)據(jù)口B0到B7進行連接，將檢測數(shù)據(jù)處理后發(fā)送到LCD1602液晶屏顯示。Arduino單片機的10到12三個引腳與RS、RW以及EN使能引腳連接，按照數(shù)據(jù)傳送時序對LCD控制，實現(xiàn)顯示功能，同時VO引腳串接一個阻值為2K點陣上拉后，對液晶的顯示亮度進行控制。

2.3 報警電路

如果傳感器檢測到某個參數(shù)有異常，實現(xiàn)的功能是檢測到有異常后在室內(nèi)通過聲音和燈光閃爍的形式報警提示有異常狀況發(fā)生。煙霧濃度異常、溫度異常亦或人體檢測異常時，輸出低電平使驅動管導通，有源蜂鳴器發(fā)出聲音，LED也會跟隨一起閃爍。

2.4 煙霧和煤氣檢測電路設計

煙霧和煤氣檢測都是用的MQ系列傳感器，檢測原理和電路一樣。最為核心的為處于2腳和5腳之間相連接的一根電阻絲，在不同類型氣體以及濃度值作用下，半導體材料構成的電阻值會發(fā)生改變來輸出與濃度值對應的電壓。

本設計采用一款在Arduino自帶AD模塊，直接讀取煙霧模擬電信號，實現(xiàn)廚房煤氣數(shù)據(jù)讀取，采用A3模擬引腳一根單片機引腳線即可實現(xiàn)，對于節(jié)省引腳資源也意義重大。

D采樣值=V輸出電壓值5×（210-1）

2.5 人體檢測電路

選擇的熱釋電人體檢測電路，其內(nèi)部的感應模塊感應到有人后，輸出一個3.3到5V的電壓。當沒有人移動的時候，輸出為0V，讀取對應引腳的狀態(tài)就可以直接實現(xiàn)對盜竊是否異常進行判斷。

2.6 GSM無線電路

選擇的GSMSIM800C無線模塊，Arduinod單片機接收到數(shù)據(jù)集后，在內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行判斷有異常時，通過GSM的電話卡直接發(fā)送短信手到機上，實現(xiàn)無線報警功能。Arduino單片機的串口發(fā)送TXD引腳與SIM800C的RXD接收引腳連接，Arduino單片機的串口接收引腳RXD與SIM800C的TXD發(fā)送引腳連接，通過串口對SIM800進行發(fā)送指令以及接受指令控制，SIM800通過內(nèi)部設置好的電話卡進行短信發(fā)送和接受。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

在程序設計中主要包括系統(tǒng)運行的控制主程序以及調(diào)用的其他子程序，防火防盜上電后，主程序開始運行，實現(xiàn)對引腳，顯示參數(shù)，報警界限值進行初始化等功能，然后循環(huán)進行執(zhí)行掃描按鍵程序，調(diào)用顯示程序，檢測參數(shù)數(shù)值是否異常程序，如圖2。

先進行初始化操作，主要時單片機引腳、設備和相關參數(shù)的初始化，設置初始煙霧報警界限值，將數(shù)據(jù)寫入單片機對應的存儲器中，設置GSM短信電話號碼，對其分配變量名稱后，按照順序存在對應的寄存器中。初始化完成后，根據(jù)讀取的按鍵值對寄存器內(nèi)部初始化存儲的數(shù)據(jù)修改。實時讀取檢測火災的煙霧和溫度數(shù)值以及與熱釋電連接的引腳狀態(tài)，對家庭火災和盜竊異常狀況進行檢測，如果檢測到三個參數(shù)中的最少一個發(fā)生異常就進行報警。

3.2 顯示子程序設計

LCD1602顯示的主要控制原理就是根據(jù)圖3的讀寫時序，三個控制RS和RW以及EN的引腳按照時序圖控制后，8個數(shù)據(jù)引腳完成對顯示數(shù)據(jù)的讀取，實時顯示三個檢測參數(shù)值以及設定值，如圖4。

3.3 無線報警設計

無線報警主要是以串口中斷的形式進行控制的，當煙霧傳感器、溫度傳感器以及人體傳感器檢測到有異常之后，Arduino單片機將發(fā)送標志位置1，給GSM發(fā)送一個指令，調(diào)取在內(nèi)存中設置好的電話號碼和短信內(nèi)容后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給對應電話號碼的手機，實現(xiàn)無線提醒功能，見圖5。

4 系統(tǒng)測試

接通電源給系統(tǒng)上電，GSM模塊得電后會有一個閃爍，LCD會顯示初始化過后的值。測試火災檢測報警功能，采用打火機對溫度傳感器加熱，同時通過點燃紙片等增加煙霧濃度，液晶顯示屏顯示的溫度和煙霧數(shù)值上升，如果超過界限則進行報警。測試盜竊檢測報警，按下布防按鍵，人體接近的時候，LCD會顯示有人以及進行報警。

對實現(xiàn)的功能進行驗證，根據(jù)檢測到的煙霧傳感器、溫度傳感器以及熱釋電傳感器的數(shù)值，對火災和盜竊進行判斷。通過聲音、LED燈以及GSM的工作情況，還有傳感器工作靈敏度，系統(tǒng)工作可靠性等。

5 結論

經(jīng)過對Arduino、傳感器模塊、GSM等系統(tǒng)部件的組裝調(diào)試，本系統(tǒng)可達到室內(nèi)煙霧報警、煤氣泄漏報警和防盜的設計要求，實現(xiàn)預期功能效果。

參考文獻：

[1]黃利紅.基于Arduino的智能家居遠程控制系統(tǒng)設計[J].數(shù)字技術與應用，2019，37（12）：161+163.

[2]何建華，吳燕峰.基于Arduino的智能環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設計開發(fā)[J].信息與電腦（理論版），2019，31（24）：64-65.

[3]張秋波.基于Android手機和WiFi的網(wǎng)絡定時開關的設計與實現(xiàn)[D].吉林大學，2015.

[4]吳思楠.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].揚州大學，2016.

[5]朱晨.基于Arduino Mega 2560的智能家居控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].武漢郵電科學研究院，2018.

基金項目：廣西高校科學技術研究項目（基于Android的嵌入式智能家居系統(tǒng)的研究與設計，項目編號：KY2015LX480）;廣西高校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201711838128）

作者簡介：鄧忠惠（1980-），男，廣西橫縣人，本科，講師，嵌入式與智能控制。