智能家用安全监测系统设计与研究
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摘 要 随着经济快速发展，家中安全问题越来越受到重视。针对现代居家安全需要，对智能家用安全的监测方法展开了研究，设计了一种智能家用安全监测系统，利用多组温度传感器、烟雾传感器、红外传感器和天然气传感器实现对室内环境的监测，并对天然气泄漏、火灾、外人入侵进行提前预警，通过GSM网络向家人发送报警信息，完成其监测报警功能。
关键词 GSM；传感器；火灾；STM32
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0035-02
生活中火灾、天然气泄漏以及外人非法入侵对人身财产安全构成很大威胁，设计一款可自动检测以上险情并能提前预警的智能家用安全系统可有效降低威胁，避免意外情况的发生。目前国内外对此类智能报警系统研究发展迅速，市场上有采用有线、蓝牙、红外和zigbee等方式作为家庭自组网，采用IP网关服务器的智能安全监控系统，但该类系统成本较高。
本文采用嵌入式网关服务器，通过多组传感器节点的感知，将数字信息传给中心节点，经中心节点处理分析后，利用温湿度传感器、烟雾传感器、天然气传感器和红外传感器实现对火灾、天然气泄漏和外人非法入侵的监测，通过GSM网络向预定的手机号发送报警信息，该系统结构简单、成本低、监测精准、可靠性高。
1 系统总体设计
智能家用安全监测系统整体框图如图1所示。主要包括STM32主控器、多路温度传感器DS18B20、多个烟雾传感器MQ-2、无线通信模块、红外监测模块、天然气监测模块、LCD显示模块、声光报警和电源模块。
图1 系统总体框图
系统设置多组温度传感器和烟雾传感器，意为通过多组信息的综合分析，判断是否为意外情况。红外监测模块安装在窗檐，当感应到非法入侵时，传送报警信号给MCU。天然气监测模块用于监测家中天然气管道的泄漏。当STM32收到任何报警，将启动声光报警并通过无线通信模块给预留手机号发送报警短信，将意外损失降到最小。
2 系统硬件设计
1）通信模块。nRF24L01是NORDIC公司生产的单片无线收发芯片，工作频率范围为2.400 GHz～2.525 GHz，电压工作范围为1.9 V～3.6 V，可传输语音和数据信号，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。
nRF24L01的数据接口通过AT命令可双向传输指令和数据。它支持Text和PDU两种格式的短信，可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。nRF24L01中IRQ引脚与MCU控制端连接，可控制nRF24L01工作与否。
图2 无线通信模块nRF24L01电路图
2）火灾监测模块。该模块选用1#，2#和3#烟雾传感器MQ-2和1#，2#和3#温度传感器DS18B20共同监测室内火警情况。其中，MQ-2浓度检测范围为227.88 mg/m3～9260 mg/m3，传感器输出电压值范围为0～5 V，通过A/D转换模块将数字信号送给STM32，再经信号传输通过LCD显示。DS18B20集温度采集和A/D转换于一体，直接输出数字信号。DS18B20具有单总线、体积小、分辨率高和抗干扰能力强等特点，其温度测量范围为-55℃～+125℃，满足室内温度监测的要求。系统中3组温度传感器分别分布在3个房间，与相应的烟雾传感器配套。
3）入侵检测模块。入侵检测模块通过多组安装在窗檐的红外检测模块组成。其主要由红外线传感器RE200B和以CS9803GP为核心的信息处理模块组成。该模块的工作原理为通过其红外探头监测、监测环境中红外线强度信息的变化，再经过核心电路的处理分析，若确有外人入侵，则把报警信号发送给STM32。
4）天然气监测模块。本系统针对胶管泄漏采用内听音的管线泄漏监测方法。本监测方法原理是利用在管壁破裂时，管内流体自破裂处喷涌，此时管内外会形成气压差并产生频率低于20Hz的声波信号。该信号主要以横波沿管内外管壁传输。管道两端加速度传感器对其进行震动测试，通过两信号到达时间差，可计算出泄漏位置。
图3 管道泄漏定位示意图
对泄漏点定位原理图如图所示，L为已知两传感器间隔距离，X为泄漏点与首端传感器的距离。设泄漏声波传播速度为a，t为首端传感器和末端传感器接收到声波信号的时间差，则X的表达式：
（1）
一旦天然气检测模块检测到管道有泄漏，则将高电平报警信号和计算得的X值以二进制编码的方式传送给给STM32。
5）LCD显示模块。系统选用LCM12864点阵液晶显示器来显示温度、烟雾浓度和天然气管道泄漏位置等信息。LCM12864显示分辨率为128*64，可显示4行*8列中文字符或4行*16列英文字符。系统给LCM12864供5 V电压，采用并口方式与STM32连接。
6）声光报警模块。声光报警由1个LED灯、1个BUZZER蜂鸣器和另外一些基础器件组成。
3 系统软件设计
3.1 无线通信模块
该设计发送短信选用支持中文和英文短信的收发的PUD模式。AT指令可用于终端设备和PC之间的连接和通信，使用命令“AT+CMGF=0”来选择PDU模式。
3.2 火灾监测模块
烟雾传感器和温度传感器都把实时测量数据传送给STM32，STM32根据两种传感器发送的数据综合分析判断。有以下三种情况。
1）三组温度传感器和烟雾传感器监测参数均平稳小幅度上升，此情况判断为天气原因所致，不采取警报行动。
2）某一组温度和烟雾传感器监测参数上升陡峭，与另外两组参数悬殊，可判断为意外情况，将及时采取声光报警和短信报警。
3）同一组烟雾传感器和温度传感器不同步上升，如烟雾浓度上升而温度不上升，则可能为室内抽烟所致；若温度上升而烟雾浓度不上升，则可能是室内取暖所致；遇到此类情况，系统仍然开启声光报警和发送报警短信，若此情况确为人为所致
表1 温度真实值与测量值对比
标称值（℃） 测量值
（℃） 误差值
（℃） 相对误差
（%） 平均误差
（%）
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
而非意外情况，可人为按RESET按键解除警报。
4 测试和分析
针对系统中的温度传感器和烟雾传感器，分别进行了测试。DS18B20测量结果如表1所示。
对MQ-2进行对甲烷气体的浓度测试，测试结果如表2所示。
表2 烟雾浓度真实值和测量值对比
标称值
（%） 测量值
（%） 误差值
（%） 相对误差（%） 平均误差（%）
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
测试表明，DS18B20对温度的测量精度达到0.1℃，平均相对误差为1.15%。MQ-2在对甲烷测验的试验中，测量精度达到0.01%，平均相对误差为0.935%。两传感器的量精度均较高。
5 结论
本系统实现了利用温湿度传感器、烟雾传感器、天然气传感器和红外传感器实现对火灾、天然气泄漏和外人非法入侵的监测，及时通过GSM网络对监测的异常情况进行报警提示。经实验测试，本系统可有效监测温湿度和烟雾浓度等信息，系统性能可靠，结构简单。如何进一步提高监测精度，提升系统性能，完善系统功能将是下一步研究工作的重点。
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作者简介
郑采薇（1993-），女，四川自贡人，西南科技大学，学士，研究方向：嵌入式系统和图像处理。