基于单片机的智能家居防火防盗系统

发布时间：2021-12-07

　　摘要：在日常生活领域，人们对于现在生活、工作环境的安全防患意识逐渐加强，但国内许多研究开发都集中在大型灾后警报上。因此，有必要开发一种结构简单且经济的家用报警系统。此设计利用STC89S51芯片，传感器和报警器作为其核心部件。传感器选用烟雾传感器和红外探测传感器，防火部分通过MQ-2半导体可燃气体传感器模块采集火灾信息，防盗部分通过E18-D80NK红外探测传感器模块采集贼情信息。当MCU接收到来自传感器的报警信号时，MCU控制报警电路向外部发送报警信息。近程警报信息由声光报警电路通过发出警报笛声和警报灯光实现，远程警报信息通过GPRS短信模块以无线通信的方式向户主手机发送警报短信息。系统的硬件电路主要包括供电电路、MCU核心电路、烟雾探测模块电路、红外检测模块电路、声光警报电路和GPRS短信警报电路。系统的软件部分是利用C语言编程设计，通过程序逻辑判断，对传感器回传的数据进行逻辑分析，并通过控制单片机IO口输出的方式控制各个报警器的工作，进而达到遇到紧急情况就会发出声、光和无线信号的报警效果。

　　关键词：单片机;传感器;报警器

　　在中国现代社会高速发展的背景下，人们的安全意识也逐渐得到提高，火灾无情，盗贼可恶，大家深知于心。火灾的防范牵涉到千千万万人们的家庭幸福，是防灾的重中之重。但是现在人们的防灾减灾手段仍然比较原始，而且效率低下、成本较高。这种防盗模式也不再能够实现我们想要的目的。同样，人工防火也会因为及时性差而被逐渐淘汰。智能控制在防火和防盗方面的应用逐渐受到了人们的关注。本文讨论的报警系统当传感器检测到异常信息的时候需要将信息发送到相关人员与设备上，这样就可以使相关人员快速的处理危险避免对人的损害与财产的损失。

　　1设计思路

　　1.1任务分析

　　随着经济的发展和人民生活的提高，居民家中物品趋于贵重，而火灾和盗窃是两种对财产损失危害最大且最难防范的情况。对于传统的防范手段，我们只能通过派遣专门人员发现贼情以及人为发现火情，这样不但工作效率低下，而且严重耗费人力物力。所以，人们亟需一种既能防火又能防盗的智能家居火灾报警系统，本课题设计即基于以上背景。

　　1.2设计方案

　　本系统为特种设备，通常处于设防状态，当有意外情况而发挥其关键作用。但我们知道，在发生意外状况时，往往面临市电供电电路损毁、事态恶化速度迅速和设备可能被损毁等情况，因此我们要着重提高系统对突发状况的稳定性和反应速度。

　　供电电路是一切电子设备的基础，没有供电电路，基于各个模块的系统便无法正常工作。面对外部环境的不确定性，比如火灾导致的供电线路损坏以及盗贼的强制性断电，就要求设备在特殊状况下，具备自身供电的功能，也就需要内置电池供电以增强该系统的稳定性。对于系统的反应速度而言，我们通常通过优化电路设计结构以及单片机内部的程序设计即可达到该目的。

　　基于单片机开发的此系统硬件设备主要有主控芯片、传感器模块、报警模块、电源组成。主控芯片采用STC89S51单片机，传感器需要用到两种，一种是红外探测传感器，另一种是烟雾传感器，当外围环境中的某一变量超出传感器的设定阈值时，传感器通过有线电路将特定信号发送回主控制芯片，当主控芯片接收到传感器发来的报警信号后，主控芯片即根据相应指令控制、调用相应模块，启动声光报警电路和GPRS短信报警电路发出警报。

　　1.3系统组成部分

　　根据本系统的功能要求，各主要组成部分如下：

　　主控单片机芯片采用STC89S51芯片;

　　红外传感器采用E18-D80NK模块;

　　烟雾传感器采用MQ-2模块;

　　声光报警电路采用12V电笛和12V警报灯;

　　GPRS短信报警采用安信可-A7模块。

　　1.4系统总体框图

　　2硬件电路设计

　　2.1E18-D80NK红外传感器模块

　　E18-D80NK有三根外部电线，两条电源线(VCC和GND)和一条数据线(DATA)。通过开关SW2设置是否将设备处于布防状态，若SW2闭合，设备处于布防状态，若SW2断开，设备处于解除布放状态。红外传感器模块通过INFR端将检测到的信号传至单片机，INFR端通过一个1K的电阻接VCC。见图2。

　　2.2MQ-2烟雾传感器模块

　　给电路提供5V直流电，若选择DO，发出的信号是TTL电平信号若被测的气体浓度在设置的阈值内，传感器DO端子发出高电平信号。由于芯片自身因素，由于传感器工作工作在高温环境，所以需加热后才能使用。

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　　若选择AO端，输出信号为模拟信号，如果需要将此信号输送给STC89S51单片机，还需要接入AD转换。在正常环境中，当没有待测气体时，AO端子的电压输出通常约为1V。当探测到对应气态物体时，浓度每增加200ppm，电压上升0.1V。见图2。

　　2.3声光报警电路

　　单片机通过P0.1(电喇叭端口)和P0.2(报警灯端口)输出声光控制信号。将控制电喇叭的信号和控制警报灯的信号通过ULN2003驱动连接到继电器。使电动或报警灯进入工作状态，并发出声光报警信号。见图2。

　　2.4GPRS短信模块

　　单片机通过RXD(P3.0)和TXD(P3.1)和GPRS短信模块进行串口收发通信，RXD和TXD分别接在GPRS短信模块的UART_TXD和UART_RXD。见图2。

　　2.5供电电路部分

　　通过分析任务需求发现，此系统需要两种电压供电，分别是5V电源和12V电源。12V电源供应有两种方式，一种是选用220V转12V电源适配器提供，另一种是选择3块18650电池(4V)串联提供。5V电源选自12V至5V降压模块，降压芯片选用MP1470GJ型芯片。见图2。

　　3结论

　　本论文设计的智能家居防火防盗系统主要由红外传感器、烟雾传感器采集数据，通过单片机系统控制声光报警和GPRS模块进行报警和通知，实现监测、报警、通知的功能。根据任务要求，使用场景，开发成本等因素，烟雾传感器采用MQ-2型传感器，红外传感器采用E18-D80NK红外探测传感器。传感器作为本系统的主要探测器件，为MCU的数据处理提供了数据支撑，是本系统的核心器件。报警器作为警报信息的主要产生源，起到了传输信息的重要作用，为人们提早发现意外情况提供了可能条件。一套成熟的系统设备，需要具备稳定的性能，此设备通讯体系完备，受外界信号干扰较小。在GPRS通信方面，本系统积极借鉴前人的研究方法和思路，为本系统的顺利开发提供了前进方向，也赋予了本系统在技术层面的领先优势。智能家居系统是互联网发展的基础支撑，有了智能家居设备，不但可以采集有用的环境信息，还可以执行终端发出的行动指令。只有通过现代化的预防手段之后才可以让人们的生活变得更加的安全、放心、舒心，给人们带来的良好体验也会越来越多，让我们与全世界一道见证智能家居系统带来的福利。——论文作者：张洪坤