摘要如今，如果不及時發(fā)現(xiàn)室內事故，很可能會造成嚴重的人員傷亡，例如火災、有毒氣體、房屋漏水等，它會對內部造成很大的損壞。為了防止此類事件的發(fā)生，基于STM32的智能室內報警系統(tǒng)非常重要。近年來，不時報道多起室內災害。例如，因煤氣泄漏引起的火災、中毒事件已達290多起，盜竊事件達350多起。其中86%是人為疏忽造成的，可見內部智能的開發(fā)設計還有很大的提升空間。隨著室內報警系統(tǒng)的發(fā)展，室內火災的發(fā)生率下降了60%，入室盜竊的發(fā)生率下降了70%。家庭報警系統(tǒng)在其中起著極其重要的作用。本課題基于STM32F103C8T6單片機設計了一套家用安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括防火模塊、防盜模塊、藍牙模塊、攝像頭探查系統(tǒng)等部分。設計工作分為硬件設計和軟件設計兩部分。在硬件設計中，采用STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的MCU，MQ-2煙霧傳感器和DHT11溫濕傳感器作為防火模塊，熱釋電人體紅外傳感器作為防盜模塊，HC-05藍牙模塊可以實時查看家庭情況并設置報警區(qū)間，通過ESP32-CAM搭載的攝像頭可以遠程查看家庭狀態(tài)，保證戶主及時查看家庭狀態(tài)。根據上述硬件的各功能模塊，分別進行了相應的軟件設計。測試結果表明，該設計能夠完全實現(xiàn)預期的功能目標。

關鍵詞：STM32單片機；防火防盜；紅外傳感器；DHT11；MQ-2；藍牙Nowadays,ifindooraccidentsarenotdetectedintime,itislikelytocauseseriouscasualties,suchasfire,toxicgas,housewaterleakage,etc.,whichwillcausegreatdamagetotheinterior.Inordertopreventsuchincidentsfromhappening,asmartindooralarmsystembasedonSTM32isveryimportant.Inrecentyears,manyindoordisastershavebeenreportedfromtimetotime.Forexample,therehavebeenmorethan290fireandpoisoningincidentscausedbygasleakage,andmorethan350theftincidents.Amongthem,86%arecausedbyhumannegligence,whichshowsthatthereisstillalotofroomforimprovementinthedevelopmentanddesignofinternalintelligence.Withthedevelopmentofindooralarmsystems,theincidenceofindoorfireshasdroppedby60%,andtheincidenceofburglarieshasdroppedby70%.Homealarmsystemsplayanextremelyimportantroleinthis.ThistopicdesignsahomesecuritysystembasedontheSTM32F103C8T6microcontroller.Thesystemmainlyincludesfireprotectionmodule,anti-theftmodule,bluetoothmodule,cameradetectionsystemandotherparts.Thedesignworkisdividedintotwoparts:hardwaredesignandsoftwaredesign.Inthehardwaredesign,STM32F103C8T6isusedastheMCUofthesystem,MQ-2smokesensorandDHT11temperatureandhumiditysensorareusedasthefireprotectionmodule,pyroelectrichumanbodyinfraredsensorisusedastheanti-theftmodule,andtheHC-05Bluetoothmodulecancheckthefamilysituationinrealtimeandsetthealarminterval,ThroughthecameraequippedwithESP32-CAM,thefamilystatuscanbecheckedremotelytoensurethattheheadofthehouseholdcancheckthestatusofthefamilyintime.Accordingtoeachfunctionalmoduleoftheabove-mentionedhardware,thecorrespondingsoftwareisdesignedrespectively.Thetestresultsshowthatthedesigncanfullyrealizetheexpectedfunctionalgoals.Keywords:STM32single-chipmicrocomputer;firepreventionandanti-theft;infraredsensor;DHT11;MQ-2;bluetooth目錄摘要………………………ⅠTOC\o"1-3"\h\uAbstract……………………Ⅱ12435第1章緒論 140571.1課題研究目的及意義 1250961.2國內外研究現(xiàn)狀 1104061.2.1國外研究現(xiàn)狀 1137551.2.2國內研究現(xiàn)狀 2251861.3本設計研究主要內容 315529第2章方案的整體設計 4146692.1整體的方案設計 4236582.2器件的選型 5137392.2.1單片機的選取 5309902.2.2對射式紅外傳感器 6155252.2.3溫濕度傳感器 759022.2.4煙霧傳感器 8278982.2.5藍牙模塊 9321752.2.6攝像頭模塊的選擇 1036692.2.7顯示模塊 11259872.2.8報警模塊 1241702.3本章小結 1323534第3章硬件設計 14159433.1主控STM32F103C8T6單片機 1430343.2顯示模塊電路的設計 15143313.3報警模塊電路的設計 16238033.4藍牙模塊電路的設計 17312313.5檢測模塊電路的設計 1898173.6攝像頭模塊的設計 19247773.7總體電路設計 2022005本章小結 208236第4章系統(tǒng)軟件設計 21160664.1程序下載方式 21153554.2程序整體流程 2118744.4防火模塊程序設計 23129254.5藍牙模塊程序設計 24181374.6攝像頭程序設計 26204444.7本章小結 272944第5章實物制作和調試 2865825.1系統(tǒng)硬件的搭建 2872005.2實物調試與測試 286348第6章工程影響分析 32286756.1設備對環(huán)境的影響 32309496.2設備安全性分析 32144316.3設備對社會的影響 3267886.4設備經濟性分析 32178046.5可持續(xù)性發(fā)展分析 33303346.6法律性分析 3367096.7設備對健康的影響 33259446.8設備對智能家居領域的影響 3349376.9本章小結 33結論………………………34參考文獻………………35致謝………………………37附錄………………………38家居安全無論中外，從古至今是一個比較重要的問題，古人在科技不發(fā)達的情況下，仍用智慧在門墻上大做文章，墻門高筑，門閂結實，很好的抵御著外來侵害。西方土地私有制，個人對住宅有著巨大權力，私闖后果十分嚴重?，F(xiàn)如今，我國絕大部分人的住宅是社區(qū)與單元樓相結合，物業(yè)會為社區(qū)居民提供一定的安保服務，隨著時代發(fā)展，社區(qū)安防也越來越完善，形成了小區(qū)門禁+保安+攝像頭的模式，這基本滿足安防措施，但未來安防還將朝向家庭化與民用化發(fā)展，這點從外國安防形式可以尋得蹤跡，安防需求長期以來正慢慢向個人用戶傾斜，越來越多的個人用戶對家庭安防有更高層次的需求。在國內，中國的經濟正穩(wěn)中向好，逐步發(fā)展，數據顯示，中國中高收入的家庭數量在增長，中國富有階級在形成，他們有一定的購置力，有較高的文化水平，對安防產品有潛在需求，社區(qū)的安保服務并不能解決一切家庭安防問題，盜竊事件近年在逐步減少，但仍達350多起，其中，部分小區(qū)安保系統(tǒng)并不完善，而個人缺乏重視態(tài)度也是發(fā)生盜竊的重要原因。而例如火災、有毒氣體、房屋漏水等室內事故，它會對內部造成很大的損壞，如果不及時發(fā)現(xiàn)室內事故，很可能更嚴重，會造成人員的傷亡。因此，更有效的安防手段是人們迫切需要的，針對個人用戶的安防市場正初步形成。如今，在新的時代背景下，科技作為生產力映入人們的生活，在方方面面便利著人們，基于STM32單片機的家用安防系統(tǒng)可以作為人們家用安防的一種選擇。我國一些大城市有些人已經在使用一些昂貴的家庭監(jiān)控產品了，但面向廣大用戶，基于STM32單片機的家用安防系統(tǒng)有著低功耗，低成本，運行可靠，操作簡單等特點，可以完全勝任絕大多數普通住宅家用安防需求，給廣大人民的居家安全帶來保障。1.2.1國外研究現(xiàn)狀在美國，家庭安防產品絕大多數都是由比較專業(yè)的安防報警公司安裝并監(jiān)控，一旦家庭出現(xiàn)異常事件發(fā)出報警信號，隨時都有人來接受通知，處理相應的家庭安全事件。這種人為的監(jiān)控處理機制，讓消費者感受到自己時刻被人保護，只要發(fā)生意外事件，警察可以第一時間達到現(xiàn)場進行救援。對于消費者來說，他們只需要每個月付費即可。但是，隨著低功耗物聯(lián)網和AI技術應用愈發(fā)成熟，從當前國際家庭安防產品的發(fā)展布局來看，AI自我監(jiān)控防御系統(tǒng)正在替代采用傳統(tǒng)人力監(jiān)控的系統(tǒng)成為發(fā)展主流。如果從入門安防的角度，智能門鈴、智能攝像機、智能門鎖，正在構筑家庭安防最重要的第一道防線，而這道防御網絡集成低功耗物聯(lián)網和AI人工智能之后，節(jié)省了巨大的人力成本支出，且相較而言效率更高！因此，自從1984年美國建成第一棟智能建筑以來，歐美，澳大利亞等經濟發(fā)達地區(qū)采用各種智能方案解決家用安防問題。此后，智能安防在美國，德國，日本等國家和地區(qū)得到廣泛應用。對于家用安防系統(tǒng)的開發(fā)也納入進程，如美國的IBM為代表的高科技產業(yè)公司投資大價錢為國內社區(qū)提供安全和信息服務[8]，以卡內基梅隆大學為首眾多高校參與進行VSAM項目研究監(jiān)控系統(tǒng)中的自動視頻理解技術以及如法國CitiLong等企業(yè)積極致力于研究開發(fā)智能視頻監(jiān)控安防技術和產品。這些花大價錢研究的安防監(jiān)控設備功能強，環(huán)境適應能力好，擁有領先的技術優(yōu)勢。1.2.2國內研究現(xiàn)狀同國外相比，我國對家用安防相關產品的研制起步較晚。但是政府部門在政策和標準等方面不斷加大扶持力度，指導行業(yè)發(fā)展。城市是人類文明與創(chuàng)新的核心載體，安全是現(xiàn)代化城市的第一要素，城市安全是城市可持續(xù)戰(zhàn)略的重要組成部分，而城市的主體則是千千萬萬的居民小區(qū)。目前我國處于經濟轉型期和經濟迅速發(fā)展的時期，公共安全形勢日益嚴峻，我國城市對公共安全體系的建設已經十分緊迫；國家對公共安全非常重視，全國公共安全支出逐年穩(wěn)步增長，為公共安全相關行業(yè)發(fā)展提供了基礎保障。我國將住宅小區(qū)智能化定義為：利用4C（計算機、通訊與網絡、自控、IC卡）技術，通過有效的有線和無線傳輸網絡，集成物業(yè)管理與安防系統(tǒng)、多元信息服務管理系統(tǒng)、家居智能化系統(tǒng)等，給居民住宅小區(qū)的管理和服務提供高智能化手段，以期望實現(xiàn)高效快捷的超值管理和服務，為居民提供更安全、舒適的家居生活環(huán)境[10]。在視頻監(jiān)控研究與應用方面通過引進和創(chuàng)新也取得了較快發(fā)展，如中國科學院自動化研究所圖像模式識別國家重點實驗室的視覺監(jiān)控研究組采用了一種基于三維模型的交通監(jiān)控系統(tǒng)，用來解決交通管理中存在大量物力和人力資源浪費的問題；清華大學的視頻與智能監(jiān)控實驗室目前正在進行研究在一定場景下的高質量監(jiān)控圖像壓縮算法和跟蹤與定位目標算法。此外，國內其他高校以及相關企業(yè)研發(fā)機構也在進行這方面的研究，如北京理工大學、上海交通大學等。目前，國內智能化比較高的是一些基于嵌入式的安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是國內對嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究大都是基于國外現(xiàn)有的技術來進行的，在產品設備上大唐電信，思科科技有限公司等出產的系列產品都是具有代表性的產品。這些產品性能比較優(yōu)秀，功能也很完善，有些產品的質量和性能可以與國外的先進產品相媲美。隨著無線網絡的普及以及智能手機的出現(xiàn)，Android、IOS平臺的不斷擴大，目前基于Android、IOS平臺的智能監(jiān)控安防系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展壯大，未來在小型私企、個體戶、普通家庭等方面有很廣泛的應用市場，前景光明[11]。本文依據普通住宅的實際需求，以STM32單片機為核心，從實際出發(fā)設計并制作了一套家用防火防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了全自動的火災報警，非法入侵報警，可燃氣及溫濕度預警以及遠程監(jiān)控，遠程調節(jié)等功能。整個系統(tǒng)體積輕便，所需功耗低，只需5V電壓供電即可，節(jié)能減排且程序的穩(wěn)定性強，能夠滿足絕大多數住宅的家用安防需求。本設計的主要內容是根據單片機控制，進行家用安防系統(tǒng)的設計，家用安防系統(tǒng)最基本的功能就是防火和防盜功能，在此基礎上本系統(tǒng)還要實現(xiàn)數據的實時顯示以及遠程監(jiān)控的功能。因為系統(tǒng)需要具有穩(wěn)定電壓和穩(wěn)定電流的電源，并且需要長時間穩(wěn)定的工作，故用電池來提供動力來源?？刂葡到y(tǒng)，顯示模塊，紅外模塊等通過最常見的miniusb5V來給供電。在待機狀態(tài)下，各傳感器實時不斷的接收數據并顯示在OLED屏幕上，每當有人通過紅外模塊進出房屋或當溫度、濕度超過安全范圍，報警系統(tǒng)就會提示戶主有相應的潛在風險。當戶主不在房屋內，也可通過連接藍牙實時獲得家庭內的各項數據，一旦發(fā)現(xiàn)異常，便可接入室內攝像頭的wifi進行查看是否有相應風險以便戶主及時做出反應，防止危害發(fā)生。報警模塊人體紅外傳感器STM32報警模塊人體紅外傳感器STM32單片機顯示模塊DHT11顯示模塊DHT11MQ-2藍牙模塊MQ-2藍牙模塊圖2-1整體方案框圖畢設的基本功能及要求如下：實時性實時性就是系統(tǒng)在規(guī)定的時間內完成指定動作。防火防盜的系統(tǒng)對實時性有很高的要求，傳感器能不能及時將各項數據傳遞給處理器，處理器能不能及時報告警情，對整個系統(tǒng)的性能有很大影響。從檢測信號到完成響應，用時越短，系統(tǒng)實時性就越好。穩(wěn)定性穩(wěn)定性對防火防盜系統(tǒng)很重要。穩(wěn)定性要求系統(tǒng)在有干擾的情況下依然能快速且準確的進行判斷，穩(wěn)定性高，一來能防止誤判，不造成不必要的困擾，二來可以在系統(tǒng)硬件被破壞前完成報警動作，進行報警。經濟性家用安防系統(tǒng)面向絕大多數普通住宅，因此不但要性能良好，也必須有很高的性價比。2.2器件的選型2.2.1單片機的選取本設計在開始之前，進行不同方案和技術路線的選取，通過對比選擇一種較為符合使用標準且經濟實惠的方案進行，主控芯片作為一個系統(tǒng)的核心器件，它的性能強弱決定了整個系統(tǒng)的性能。我們既要考慮功能上的需求，也要兼顧成本上的要求。所以單片機作為系統(tǒng)的主控最為合適。單片機即單片微型計算機，相較于普通計算機，它將計算機內部各部構造集成于一片芯片上。更方便嵌入其他外設，對其進行計算機編程，就是嵌入式系統(tǒng)的核心應用。STMicroelectronicsSTM3232ARM?Cortex?-MMCU基于Arm?Cortex?-M處理器打造[12]，給開發(fā)者帶來廣闊的開發(fā)與應用空間。這一系列32位單片機具有強力性能，實時處理功能強悍，較低功耗，可在安全電壓下操作全部流程，同時還保持了很高的集成度，并且非常易于新手上手開發(fā)的優(yōu)點。眾多的STM32器件基于行業(yè)標準的內核Cortex-M3/M4，官方和許多開發(fā)者創(chuàng)立了許多論壇并提供了豐富的開發(fā)學習資料和大量的軟件選項，使STM32系列產品成為大學生的小型課程設計項目畢業(yè)設計和工業(yè)完整平臺的首選。STM32產品組合具有多種不同的選擇方案，現(xiàn)在包括ArmCortex-M內核（M0、M0+M3、M4和M7）。STM32系列基于專為嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M3內核。STM32是一種擴展性強，頻率高，功耗低，功能強勁的配套設備豐富的單片機。它和STM8最大的不同是，STM32有很強的架構優(yōu)勢，執(zhí)行速度快，不但可以使用寄存器，還可以使用庫文件進行編程,使得代碼編寫效率和執(zhí)行效率更加高效，可以非常方便的進行驅動等配置文件的移植。圖2-2STM32最小系統(tǒng)板2.2.2對射式紅外傳感器對射式紅外傳感器是用紅外線的物理性質進行測量的傳感器。傳感器工作電壓為電器設備常用的3-5V。對射傳感器的工作原理是發(fā)射端發(fā)出紅光或紅外，接收端接收。有物體經過光線切斷，便輸出信號的電子設備。對射式光電傳感器是基于sep8506紅外發(fā)光管，sdp8406光電三極管和sdp8106光電達林頓管。接收器輸出由一施密特觸發(fā)電路緩沖以保證與現(xiàn)行的數字電路匹配?？梢鸾邮掌鳡顟B(tài)改變的發(fā)光管電流最大值為20ma，輸出級為發(fā)射極接地的npn三極管。光電傳感器的構成光電開關是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為:發(fā)送器，接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(led)和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電傳感器的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的反射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。本次設計的家用安防系統(tǒng)中，防盜系統(tǒng)傳感器主要布控在門窗附近，可用的傳感器類型包括對射式紅外傳感器，超聲波傳感器，激光測距傳感器以及24GHZ雷達傳感器。綜合比較，激光測距傳感器容易發(fā)生誤測，精準度不足，而24GHZ雷達傳感器價格昂貴，性價比不高，對射式紅外傳感器和超聲波傳感器都能較好完成任務，綜合比較，選擇在正常家庭條件下穩(wěn)定性更好的對射式紅外傳感器。圖2-3對射式紅外傳感器實物圖2.2.3溫濕度傳感器溫濕度傳感器是將溫度和濕度轉換成電信號的裝置，可以方便地測量溫度和濕度。溫濕度變送器一般是測量空氣中的溫度和相對濕度的量，并按照一定的規(guī)則將其轉換成電信號或其他信號形式輸出到儀表或軟件中，以滿足用戶環(huán)境監(jiān)測的需要。溫濕度傳感器模塊的元器件主要包括濕敏電容和轉換電路。其工作原理就是濕敏電容由玻璃基板、下電極、濕敏材料和上電極組成。濕敏材料是一種高分子聚合物，其介電常數隨環(huán)境的相對濕度而變化。當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕度敏感元件的電容量也相應發(fā)生變化。即當相對濕度增加時，濕敏電容也增加，反之亦然。傳感器的轉換電路將濕敏電容的變化轉換成電壓的變化，對應0~100%RH的相對濕度變化。傳感器的輸出顯示0到1v的線性變化。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。.圖2-4溫濕度傳感器DHT112.2.4煙霧傳感器MQ2氣體傳感器是一種用于感測空氣中液化石油氣、丙烷、甲烷、氫氣、酒精、煙霧和一氧化碳等氣體濃度的電子傳感器。MQ2氣體傳感器也稱為化學電阻器。它包含一種傳感材料，當它與氣體接觸時，其電阻會發(fā)生變化。這種電阻值的變化用于檢測氣體。MQ2是\t"/an-introduction-to-mq2-gas-sensor/_blank"金屬氧化物半導體型氣體傳感器。使用傳感器中存在的\t"/an-introduction-to-mq2-gas-sensor/_blank"分壓器網絡測量氣體中的氣體濃度。該傳感器在5V直流電壓下工作。它可以檢測濃度范圍為200至10000ppm的氣體。該傳感器包含一個傳感元件，主要是氧化鋁基陶瓷，涂有二氧化錫，封裝在不銹鋼網中。傳感元件有六個連接腿。兩條引線負責加熱傳感元件，另外四條用于輸出信號。氧氣在高溫空氣中加熱時吸附在傳感材料表面。然后存在于氧化錫中的供體電子被吸引到這種氧氣中，從而阻止電流流動。當存在還原氣體時，這些氧原子與還原氣體反應，從而降低吸附氧的表面密度?，F(xiàn)在電流可以流過傳感器，從而產生模擬電壓值。測量這些電壓值以了解氣體的濃度。當氣體濃度高時，電壓值更高。這些傳感器用于檢測空氣中是否存在甲烷、丁烷、液化石油氣和煙霧等氣體，但它們無法區(qū)分氣體。因此，他們無法分辨它是哪種氣體。\t"/an-introduction-to-mq2-gas-sensor/_blank"該傳感器的模塊版本可以在不連接任何微控制器的情況下使用，并且在僅檢測一種特定氣體時非常有用。這只能檢測氣體。但是，如果必須計算ppm，則應在沒有模塊的情況下使用傳感器。該傳感器還用于空氣質量監(jiān)測、氣體泄漏報警以及維持醫(yī)院的環(huán)境標準。在工業(yè)中，這些用于檢測有害氣體的泄漏。圖2-5煙霧傳感器實物圖MQ-22.2.5藍牙模塊HC-05是一款藍牙轉串口轉換器，可連接微控制器其他設備，允許他們無線通信。模塊本身可以在主模式和從模式下運行，HC-05模塊有很多的優(yōu)勢，該模塊體積小巧，價格便宜，性能優(yōu)良，所以在實際產品應用領域中應用廣泛，在科研中常用于機器人的遠程控制，并且可以用于各種場景，例如智能家居應用，遠程控制，機器人以及本次設計的監(jiān)控系統(tǒng)等。HC-05的主要工作是為項目添加全雙工無線功能。它可用于兩個具有串行功能的微控制器（如STM32和Arduinos）之間的通信，亦可用于通過微控制器控制各種藍牙設備。HC-05通過TX和RX引腳，支持使用標準AT命令。因此，用戶必須在設備啟動時進入特殊命令模式。在完成波特率，密碼等初始設置后正常使用。模塊啟動后，任何藍牙設備（例如智能手機）都應該可以發(fā)現(xiàn)它。然后，通過設置的密碼連接到設備。建立連接后，數據通過HC-05傳輸并轉換為串行流。然后由模塊連接的微控制器讀取串行流，從微控制器發(fā)送的數據方式相反。本設計需要藍牙模塊來進行遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計，通過該系統(tǒng)讓戶主在一定范圍內對房屋的溫濕度和入戶次數進行了解，從而在戶外也能對家庭的安全隱患做出反應，通過標準AT命令完成初始設置后，全雙工通信允許戶主通過智能手機獲取系統(tǒng)數據，更改程序初始設置，使其更符合家庭需要。圖2-6藍牙模塊實物圖HC-052.2.6攝像頭模塊的選擇OV2640是OV(OmniVision)公司生產的--顆1/4寸的CMOSUXGA(1632*1232)圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、縮放和取窗口等方式的各種分辨率8/10位影像數據。該產品UXGA圖像最高達到15幀/秒(SVGA可達30幀，CIF可達60幀)。用戶可以完全控制圖像質量、數據格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、對比度、色度等都可以通過SCCB接口編程。OmmiVision圖像傳感器應用獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、拖尾、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。OV2640有高靈敏度，低電壓適合嵌入式應用的優(yōu)點，它有著標準的SCCB接口，并兼容IIC接口，同時支持RawRGB等主流輸出格式，且可按比例縮放到任意尺寸，支持圖像壓縮可以輸出JPEG圖像數據，并且自帶嵌入式微處理器，可完美滿足設計需求。圖2-7OV2640攝像頭模塊但OV2640所需引腳數目多，占用進程大，直接接入STM32F1系列單片機會使得單片機運算負荷過大，且攝像頭模塊不需要實時運行，僅在需要時可以啟用即可，因此這里引用ESP32-CAM微型模組，ESP32-CAM是一款基于ESP32-S2

芯片，具有攝像功能的微型模組。同時配備了OV2640攝像頭、連接外設的GPIO，以及用于存儲拍攝圖像的microSD卡。ESP32-CAM可廣泛應用于各種物聯(lián)網場合，適用于家庭智能設備、工業(yè)無線控制、無線監(jiān)控、QR無線識別，無線定位系統(tǒng)信號以及其它物聯(lián)網應用，是物聯(lián)網應用的理想解決方案。本次設計中，使用OV2640攝像頭功能輔助系統(tǒng)進行無線監(jiān)控，只需完成對ESP32-CAM的配置即可，配置好后的ESP32-CAM可進行WIFI遠程連接，在主系統(tǒng)進行報警后，戶主便可接入攝像頭實時查看情況，使用該模組，既優(yōu)化了STM32的程序設計，使得主程序運行更加穩(wěn)定，又節(jié)能減排，在不需要的時候可以關閉節(jié)能。圖2-8ESP32-CAM實物圖2.2.7顯示模塊OLED作為一種性能優(yōu)異的新型顯示器，具有功耗低、響應速度快、寬視角以及輕薄柔韌等特點。本設計中主要輸出數據較多，顯示模塊如果用以往的兩行l(wèi)ed屏即不能滿足各數據有充分美觀的表現(xiàn)，同時占用大量接口，而選擇的0.96寸OLED12864顯示屏，小巧玲瓏，占用接口少，簡單易用，僅僅占用兩個接口，即可完成4×16方格內的數據輸出，將家庭內部的溫濕度，可燃氣體濃度等美觀的表現(xiàn)出來。圖2-9OLED12864實物圖2.2.8報警模塊蜂鳴器是一種我們常用的發(fā)聲裝置，其主要的作用是對于音箱的音樂播放使用和電路報警使用，其主要的優(yōu)點是能夠識別不同的信號，發(fā)出不同的聲音，并且可以像播放音樂一樣進行連續(xù)聲音的播放。本系統(tǒng)采用蜂鳴器報警，通過控制連接蜂鳴器接口的高低電平，對不同類型的風險給予不同的蜂鳴器聲音報警，起到震懾入侵者，提醒戶主的功能。圖2-10蜂鳴器LED即發(fā)光二極管,燈珠本體用環(huán)氧樹脂塑半球型封裝，該種材質滿足環(huán)保產品認證，抗干撓能力強，受到劇烈的沖擊，也不容易損壞。即使損壞，風化老化后也可回收利用，不會對環(huán)境造成污染。LED燈珠的顆粒均勻布局，所產生的光一般都是散射，并不會產生光污染。由于LED的能耗特別低，可以延長裝置的電池一次充電的使用時間，并且LED燈珠有很高的穩(wěn)定性，可以節(jié)省由于燈珠損壞而更換燈珠的投入，因而降低綜合使用成本。本設計中，配置三個LED燈，兩個為報警燈，一個為模式提示燈，在兩種不同模式下，模式提示燈分別為點亮和熄滅狀態(tài)，以便于用戶的調節(jié)。而兩個報警燈則在有火災風險和有入侵風險時點亮，用以提醒有相應風險。圖2-11LED燈珠2.3本章小結本章以設計要求為基礎，通過對整個系統(tǒng)的分析，對控制系統(tǒng)的流程進行分解，了解所需功能的可實現(xiàn)性，并在了解了眾多可實現(xiàn)相應功能的硬件后，在一眾硬件中選擇出性價比高，性能優(yōu)良，契合要求的主控及電路元件，為整個控制系統(tǒng)的實現(xiàn)打下堅實基礎。在完成了系統(tǒng)的整體的方案設計以及硬件電路的選型之后，接下來就要對系統(tǒng)的各個硬件電路進行細致的規(guī)劃和設計。硬件對于整個系統(tǒng)來說是非常重要的，它是各個功能實現(xiàn)的支撐和前提條件，所以在設計電路的時候要進行認真細致的考慮。將各個硬件參數都研究透徹，防止出現(xiàn)硬件的錯誤和器件的損毀。3.1主控STM32F103C8T6單片機STM32F系列屬于意法半導體公司出品的中低端的32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3。該芯片內集成定時器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種外設功能[13]。本次選用的STM32F103C8T6,本次課題中不需要外部的硬件擴展，功耗方面控制得比較好，實時性強。并且集成了非常豐富的接口與豐富的功能模塊，內核使用的是用途非常廣泛的arm架構內核[14]。圖3-1STM32網絡標號圖因為本設計選用的STM32系列單片機采用的都是3.3V供電，而USB協(xié)議能提供的都是5V電壓，故采用一塊AMS117-3.3V穩(wěn)壓芯片將5V降壓到3.3V，供單片機及其他模塊來使用[15]。圖3-2單片機的供電電路本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6的引腳如表3.1所示。表3-1I/O口使用情況3.2顯示模塊電路的設計顯示屏通過排針插入面包板中，按接口接入stm32單片機中，并將兩根電源接口分別接入正負極即可完成顯示屏模塊的硬件配置。系統(tǒng)運行過程中需要實時顯示溫濕度，可燃氣濃度以及紅外線的檢測次數，顯示屏模塊既可以在制作系統(tǒng)時檢測程序是否正常工作，同時也是作為家用安防控制系統(tǒng)中必不可少的檢測模塊，它將家庭內部各種信息可視化的提供給戶主，對家庭安防起著必不可少的預警作用。圖3-3OLED和最小系統(tǒng)板連接的網絡標號3.3報警模塊電路的設計報警模塊分為消防報警及防盜報警兩種模塊，通過不同LED燈的點亮以及蜂鳴器不同形式的報警來體現(xiàn)，兩種報警模塊使用場景不一樣，需要按鍵模塊進行控制兩種不同的報警模式。其中LED燈選用低電平觸發(fā)的方式，其一腳接入穩(wěn)定高電平中，另外一腳接入單片機進行控制，而按鍵模塊觸發(fā)原理與LED燈相似，不過是低電平觸發(fā)，其一腳接入低電平，一腳接入單片機，蜂鳴器需要一端接VCC，一端接地，由接入單片機的引腳控制發(fā)聲。圖3-4LED燈珠的排列方式圖3-5獨立按鍵和最小系統(tǒng)板連接的網絡標號圖3-6蜂鳴器和最小系統(tǒng)板連接的網絡標號3.4藍牙模塊電路的設計HC-05藍牙模塊是一種基于藍牙協(xié)議的簡單無線通信設備。該模塊基于BC417單芯片藍牙IC，符合藍牙v2.0標準，支持UART和USB接口。HC-05具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。在命令響應工作模式下配置好藍牙數據后，接入STM32片上資源中對應的USART串口通信口（TXD：PA9，RXD：PA10）中，上電后即可正常使用藍牙模塊進行數據傳輸。本設計中需要系統(tǒng)有遠程控制功能，在戶主離開家內也能對家庭有一定的了解及掌控，對藍牙模塊的應用就顯得至關重要了。圖3-7藍牙模塊網絡標號3.5檢測模塊電路的設計本次設計中主要針對的是在家庭環(huán)境下常見的安全威脅，在基礎的調研后，防火方面，可燃氣濃度超標及室內溫度過高是作為火災的主要誘因，在過往的火災經歷中總結經驗，家庭防火主要防煤氣，天然氣著火，MQ2就可檢測絕大多數可燃氣的濃度。而防盜方面，破門破窗，撬門還是盜竊的主要手段，偷竊者往往還是以高層入門，底層入窗進行家庭盜竊，而近幾年盜竊成功的家庭往往是無任何家用安防裝置的用戶，裝入高級安防系統(tǒng)，或檢測及遠程報警的家庭，往往被盜風險大幅下降，讓很多盜竊從入門這一步就破滅了，因此，檢測加報警是防盜的主要手段，對射式紅外傳感器能靈敏準確，長時間運行，耗電量低，可用于防盜檢測。DHT11是集成了溫濕度測量為一體的檢測裝置，在防火防高溫以及對提高家庭環(huán)境方面都有很大作用，可以輔助防火，檢測溫濕度，讓用戶對家庭環(huán)境了解的更加詳細。MQ2模塊一腳接VCC，一腳接地，在本項目中，要對空氣中可燃氣濃度有較精準的把控，因此要將A口接入單片機中。對射式紅外傳感器及DHT11溫濕度傳感器則接電后，將數據口接入單片機中即可。圖3-9MQ2網絡標號圖3-10對射式紅外傳感器網絡標號圖3-11DHT11網絡標號3.6攝像頭模塊的設計ESP32-CAM模塊基于ESP32-S2

芯片，自帶OV2640攝像頭及連接外設的GPIO口。獨立供電，按指定方式連接攝像頭及芯片板即可。圖3-12攝像頭塊的電路3.7總體電路設計系統(tǒng)的總體電路圖的連接方式如下圖。圖3-13系統(tǒng)電氣連接圖這一章主要通過分析來確定統(tǒng)需要使用的硬件。并將各種硬件進行了一個詳細的調查和設計。確定了裝置運行的程序框圖，對硬件的選型分析以及電路的設計做了一個非常系統(tǒng)性的規(guī)劃。其中包括單片機的最小系統(tǒng)電路、顯示模塊電路的設計、報警模塊電路的設計、藍牙模塊電路設計、檢測模塊的設計等。這個章節(jié)在本文中起著骨骼的作用，是不可缺少的一部分。4.1程序下載方式單片機中常用的下載電路有串口下載、J-LINK下載和SWD下載等類型。ARM芯片有兩種常用的調試模式（接線方式），一種是JTAG，一種是SWD，并且二種調試方式在管腳上都有針腳復用。傳統(tǒng)的20腳J-TAG下載，占用的PCB面積大，接線方式復雜需要20腳，選用SWD模式下載，只需要三個引腳，即可實現(xiàn)串口之間的通信，實現(xiàn)程序的下載，調試功能，除了不能檢測目標板的電壓，無法給目標板進行供電，下載速度略有降低以外，與JLINK功能一樣。所以采用SWD實現(xiàn)程序的下載。JTAG模式在高速模式下遠不如SWD模式穩(wěn)定可靠。在大數據量的情況下，SWD模式有很小的可能性會程序下載失敗，而JTAG下載程序有很大可能會失敗。而基本使用JTAG仿真模式的情況下是可以直接使用SWD模式的，而且SWD不需要任何的額外配置，只要在仿真器支持的情況下，即可使用SWD模式。圖4-1SWD下載的網絡標號4.2程序整體流程本系統(tǒng)包括OLED顯示屏、DHT11溫濕度傳感器、MQ2煙霧傳感器、對射式紅外傳感器、攝像頭、藍牙燈模塊?？傮w程序流程如下圖4.2所示。圖4.2系統(tǒng)流程圖如圖4.2所示，系統(tǒng)上電后，先對各個模塊初始化，在各個模塊收集到數據后，立刻顯示在OLED屏幕上，實時更新。系統(tǒng)第一次上電下默認為戶外模式，在此模式下，戶主通過藍牙模塊獲取家庭信息，此時戶主不在戶內，當有火災風險可以通過藍牙數據判斷，做出反應，如果此時有人入戶盜竊，系統(tǒng)發(fā)出警報，恐嚇入侵者停止入侵，并提供藍牙向戶主發(fā)送短信報警。在按下模式轉換按鈕，可轉換家庭模式和戶外模式。在家庭模式下，防盜系統(tǒng)關閉，僅記錄入戶次數，而在此時，如果戶內有火災風險，，火災警報響起，短促有力，提醒戶主檢查風險。4.3防盜模塊程序設計系統(tǒng)上電初始化后，選用防盜模式（即戶外模式），在入戶門及窗口布置的對射式紅外傳感器工作，實時監(jiān)控門窗情況，一旦檢測到有人出入，外部中斷觸發(fā)，報警系統(tǒng)啟動，在人通過傳感器時，蜂鳴器持續(xù)鳴叫，門口警戒燈閃，恐嚇入侵者，使其放棄入侵意圖，在戶主連接藍牙模塊情況下，只需將軟件置于后臺，有人入侵時，會向戶主發(fā)送短信提醒，此時，戶主可以連接室內攝像頭WIFI，察看家庭情況，視情況忽視警報或返回家中并報警。圖4.3防盜報警流程4.4防火模塊程序設計防火檢測模塊包括兩個傳感器：MQ-2和DHT11。MQ-2煙霧傳感器選用模擬量接口接在單片機上，STM32通過A/D轉換讀取MQ-2獲得的模擬量，并在單片機內部將電壓值計算并轉換成可燃氣體濃度，將采集數據與預設值進行比較，超出預設值即發(fā)出防火警報。DHT11則是通過一根數據總線與單片機連接，單片機多次上下拉數據總線，獲得溫濕度的一組數據，也是通過比對一組戶主可改變的閾值，如若超出，即刻報警。戶主可通過藍牙更改閾值并提供手機實時獲取房屋環(huán)境信息。圖4.4MQ-2觸發(fā)報警流程4.5藍牙模塊程序設計藍牙模塊作為用戶最直接接觸的模塊，要對系統(tǒng)數據實時匯總，并可以方便的改變如溫度等可實時更變的數據閾值，其功能要全面，界面要美觀，作為第二個系統(tǒng)分擔單片機的一部分功能，該藍牙在單片機中實時上傳溫濕度，氣體濃度以及溫度閾值等信息，并在外部中斷中接收手機發(fā)送的信息以改變程序內容，而手機客戶端則實時接收單片機發(fā)送信息，可發(fā)送報警短信并改變報警閾值。圖4.5單片機藍牙模塊接收數據圖4.6單片機藍牙模塊發(fā)送數據圖4.7手機藍牙組件設計圖4.8手機藍牙程序設計4.6攝像頭程序設計攝像頭模塊作為有人入侵時查看家庭狀態(tài)或留存作案人信息的模塊，在多數時候不必接入主程序增加耗電量，選用esp32-cam板載攝像頭，可使其獨立供電，其內例程豐富，可以選擇多種多樣的接入方式，并不局限于WIFI連接，而且攝像頭功能強大，可調節(jié)多種分辨率，尺寸，并且攝像頭既可以長時間攝像頭觀察，同時也可以內置sd存儲卡拍照，本次設計，選用可長時間觀測模式，方便戶主對戶內情況進行充分了解。圖4.9攝像頭程序設計4.7本章小結在本次系統(tǒng)設計中，因為C語言編譯的代碼可移植性強、執(zhí)行效率高，選擇使用C語言進行編程，并使用STM32自帶的SWD模塊進行程序下載，程序邏輯基于家用安防的具體場景，通過對室內與室外兩種情況的模擬，做出了不同情況下防火防盜在兩種情況下的兩套防御系統(tǒng)，獨立設計攝像頭模塊，簡化主程序邏輯，使得主程序更加精煉，可維護性及穩(wěn)定性更強，主程序也在此基礎上有更長的待機時間，更快的響應速度，可移植性也大大加強。5.1系統(tǒng)硬件的搭建本次程序設計選擇在面包板上進行搭建，面包板內部有固定接線，共兩組正負極，四根長導線分別橫置在面包板兩側，將單片機供電口分別連接進入即可。中間10行以abcdefghij英文字符表示，每5行如abcde通過短縱導線連接，大大節(jié)約接線成本，將單片機插入cg兩線合適位置即可方便的搭建電路。圖5.1面包板的接線5.2實物調試與測試在各元器件接入單片機后，程序上電，即可按程序邏輯運行，逐一測試各模塊是否能正常運行。圖5-2實物接線圖首先，在程序上電初始化后，各傳感器應正常收集數據，同時顯示在OLED顯示屏中。圖5-3采集數據并顯示默認情況下，第一次上電后程序進入戶外模式，藍色模式轉換燈滅，當對射式紅外傳感器采集到有人進入，蜂鳴器響，綠色警戒燈亮，在手機接入藍牙模塊時，會收到報警短信。圖5-4防盜模塊報警圖5-5藍牙接收報警短信按下模式轉換按鈕，切換模式，在戶內模式下，溫濕度及可燃氣濃度實時監(jiān)控，一旦超出設定閾值，蜂鳴器響，紅色防火報警燈亮，可通過手機藍牙實時獲取信息并更改閾值范圍。圖5-6火警報警圖5-7藍牙界面6.1設備對環(huán)境的影響本裝置采用的是市面上常見的各種電器元件，各種模塊均是淘寶或者其他網上商場均有售賣，洗手液使用的市面上均有售賣的，均符合國標要求的綠色環(huán)保的指標。底板是最常見的聚苯乙烯泡沫塑料，是一種新型的塑料材料，并且是可降解材料。6.2裝置采用的單片機供電模塊是最常見的低壓直流供電，對人體和動物都沒有傷害，即使在系統(tǒng)空載的情況下，最大電流不會超過0.1毫安.是遠低于人體安全電流，是絕對安全的，即使放置在家中對寵物也是絕對安全的。裝置的單片機采用的是miniusb5v來供電,模塊的電壓與通常說的安全電壓（36V以下的電壓）和絕對安全電壓（12V電壓稱為絕對安全電壓）還有很大的距離，可以在任何場景下都放心使用。本產品的設計初衷是在我國經濟飛速增長的社會背景下，人們的資產和支付能力大大提高，對居住環(huán)境的安全性有更高層次的要求，在低成本的情況下，安裝合適的家庭安防系統(tǒng)，有益于城市治安的維護，降低火災和盜竊風險，有利于城市的長治久安。1)價值分析：本課題的設計采用使用STM32單片機作為控制器具有控制功能齊全、性能可靠、價格不貴，功能也能滿足需求，同時也具有物美價廉的特點。2)成本估算：經網上查找課題所需STM32最小系統(tǒng)板單片機價格在12-40元之間，對射式紅外傳感器價格大約在2元，MQ-2傳感器的價格大約在5元，DHT11溫濕度傳感器價格大約在8元，面包板大約15元，藍牙模塊單個大約在10元，攝像頭大約在40元，0.96寸OLED屏幕的價格大約在10元左右，考慮到一些不可控因素，成本估算在100-130元之間。3)經濟效益：提高家庭安全系數，降低家庭災害風險。6.5可持續(xù)性發(fā)展分析電氣設備對健康的影響主要有電磁污染和噪聲污染。而本裝置在工作時會產生低分貝的噪音，但只有在報警時才會產生噪音，待機時并不會產生任何噪音，并且報警時的噪聲范圍在相對可以接受的范圍內，用以提醒戶主注意風險，且裝置設備如單片機，傳感器，蜂鳴器，攝像頭均可反復利用，是符合可持續(xù)性發(fā)展的要求的，不會有過多的不利影響。本次設計的各項參數要求都符合國家的標準，并且全程都是自己開發(fā)制造，不會涉及到侵權違法，并且生產制造都遵守國家的安全規(guī)范?？刂葡到y(tǒng)的硬件設計符合行業(yè)規(guī)范情況，選用的各類元器件的標準符合法律法規(guī)對安全、環(huán)境及其他情況的規(guī)定，并不會違反各類法律、法規(guī)的規(guī)范與標準。該設備不與人員進行直接接觸，對人體健康無不利影響。家用安防系統(tǒng)作為智能家居領域的重要一環(huán)，對目前紛繁復雜的智能家居市場有一定的補充，由于該產品精確定位，可以直接填補市面上該需求的產品的空白，精準滿足垂類需求，豐富了智能家居領域。6.9本章小結本章主要對所設計的家用安防控制系統(tǒng)的硬件進行社會、健康、安全、法律等方面進行分析和評價，該控制系統(tǒng)硬件的設計符合當今社會發(fā)展要求，如能夠實際投產中，將會帶來很好的收益和社會價值。本系統(tǒng)硬件結構精簡,便于集成,適合制成并大規(guī)模投產。結論本文依據當下國民經濟正逐步向好的國內大形勢，發(fā)現(xiàn)人民對于自身財產正逐漸重視，家庭安防系統(tǒng)的市場也逐漸面向大眾，進入主流市場當中。