基于Arduino的家居安全防護控制系統(tǒng)設計

呂微微 贠振剛 李資 張麗玲

摘 要：文章以Arduino為控制器，設計了一款家居安全防護控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由檢測模塊、控制模塊和通信模塊組成。每個模塊之間相互通信，完成數(shù)據(jù)的采集、控制以及網(wǎng)絡通信。該系統(tǒng)主要對家中的一氧化碳濃度、火災、陌生人闖入等安全問題進行監(jiān)測與預防，使用戶無論身處何處都能利用物聯(lián)網(wǎng)通過手機終端設備遠程監(jiān)控家中情況，消除潛在的安全隱患。

關鍵詞：Arduino;智能控制;室內(nèi)安防

0 引言

隨著5G技術的發(fā)展和現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷進步，家居智能化系統(tǒng)正在逐漸成熟和完善，也正在悄無聲息地改變著人們的生產(chǎn)生活方式[1]。室內(nèi)安防控制系統(tǒng)是智能家居領域中不可缺少的重要組成元素，以物聯(lián)網(wǎng)為中心，大力發(fā)展安防控制系統(tǒng)[2]，通過大數(shù)據(jù)計算以及程序分析，實現(xiàn)對未知危險的預警和視頻的實時傳輸，讓居民無論身處何處，都能夠在手機上實時監(jiān)控家中情況并進行及時處理，將潛在的安全隱患消除在萌芽之中[3]。

1 控制系統(tǒng)的總體方案設計

本文主要由檢測模塊、控制模塊和通信模塊組成。其中，檢測模塊主要由煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外傳感器組成?？刂颇K主要由Arduino控制器、水泵、步進電機構成。通信模塊主要由WiFi模塊、手機App和OneNet平臺組成?？傮w方案設計的主要原理是當煙霧傳感器采集到環(huán)境中煙霧的數(shù)值超過設定的閾值時，通過主控制板控制電機旋轉(zhuǎn)打開窗戶;當火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)超過設定的閾值時，主控制板控制水泵打開進行滅火;當人體紅外傳感器采集到數(shù)據(jù)時，通過主控制板控制GSM模塊發(fā)送短信給用戶端，并利用WiFi模塊將Arduino中的傳感器數(shù)據(jù)上傳至OneNet并進行數(shù)據(jù)處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶端?？刂葡到y(tǒng)總體方案如圖1所示。

2?硬件系統(tǒng)設計

本文采用Arduino 作為核心控制器的室內(nèi)安防控制系統(tǒng)，通過傳感器檢測周圍環(huán)境參數(shù)信息，并將檢測結果傳輸?shù)紸rduino mega 2560中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理直接輸送給控制部分執(zhí)行器，再根據(jù)設定的程序進行相應操作。此時由ESP8266將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過WiFi無線傳輸上傳至OneNet，用戶在手機客戶端了解當前室內(nèi)信息。

2.1 ?檢測模塊硬件設計

傳感器的主要作用是實時采集室內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，并且通過電信號傳送回Arduino mega 2560控制板，再根據(jù)設定程序進行相應的動作。

2.1.1 煙霧傳感器

本文采用MQ-2型號的煙霧傳感器監(jiān)測一氧化碳（CO）的濃度，并將檢測值輸送到Arduino控制器，與程序中設定的閾值進行對比，當傳感器檢測到環(huán)境中的CO濃度超過設定的閾值時，Arduino輸出指令啟動步進電機，打開窗戶。

2.1.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

本文采用YS-17型號的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰信號，通過紅外線感知火焰的輻射，紅外火焰?zhèn)鞲衅髂軌驒z測到60度范圍內(nèi)波長為700 nm和1 000 nm之間的火焰輻射，當火焰?zhèn)鞲衅鞯奶筋^發(fā)現(xiàn)了火焰，則紅外光線就會產(chǎn)生一定的變化，通過變化的強弱轉(zhuǎn)化為電流信號，將信號傳輸給Arduino mega 2560控制板，Arduino輸出指令打開水泵。

2.1.3 人體紅外傳感器

本文選用DYP-ME003型號人體紅外傳感器，人體紅外傳感器在無人值守時啟動，當檢測到有人進入時就會發(fā)出報警短信給用戶，用戶遠程就能知道家中情況。

2.2 ?控制模塊硬件設計

傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)輸送給Arduino控制器，Arduino根據(jù)程序中的設定情況對控制模塊傳送指令，并進行相應的操作。

2.2.1 ?Arduino mega 2560控制器

本文選擇Arduino mega 2560作為室內(nèi)安防控制系統(tǒng)的控制器，Arduino mega 2560是帶有ATmega 2560的微開發(fā)控制面板，具有啟動加載程序功能，用于控制硬件設備，用戶可以使用Arduino IDE軟件編寫程序代碼，再通過USB端口直接下載到計算機。

2.2.2 水泵

本文采用Arduino繼電器進行驅(qū)動，控制5V電壓的水泵啟停。

2.2.3 步進電機

本文使用ULN2003型號的步進電機驅(qū)動板，驅(qū)動28BYJ-48-5V型號的步進電機。通過Arduino mega 2560的控制命令讓步進電機進行順時針和逆時針轉(zhuǎn)動，進行開窗和關窗。

2.3 ?通信模塊硬件設計

2.3.1 Sim800a模塊

Sim模塊也叫GSM/GPRS模塊，有通信、定位、發(fā)短信、打電話等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在低功耗的條件下進行數(shù)據(jù)的傳輸。Sim800a模塊接線時需要外接5V/2A的電源，單獨進行供電，在連接Arduino后通過軟串口進行編譯，軟件的波特率設置為115 200，并插入一張支持發(fā)送短信的Sim卡。

2.3.2 WiFi模塊

本文采用型號為ESP8266-01s的WiFi模塊，ESP8266網(wǎng)絡通信模塊支持STA和AP兩種工作模式，STA模式的運行原理是ESP8266模塊通過路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)端，手機通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)控。而AP模式是將ESP8266作為一個橋梁，實現(xiàn)手機直接與模塊通信。本設計采用STA模式，將模塊連接手機開啟的熱點，通過手機熱點連接物聯(lián)網(wǎng)，將OneNet平臺和Arduino mega 2560對接使傳感器數(shù)據(jù)上傳到OneNet所創(chuàng)建的設備中。實物如圖2所示。

3 軟件系統(tǒng)設計

本設計采用Arduino IDE編程軟件進行編程，能夠使用USB進行燒錄程序。

3.1 程序設計

程序設計思想為以Arduino mega 2560為控制中心，傳感器將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到Arduino mega 2560，Arduino mega 2560對收到的數(shù)據(jù)進行判斷，若未達到閾值則返回傳感器繼續(xù)進行檢測，若傳感器檢測到的數(shù)據(jù)超過閾值，Arduino mega 2560控制板則會發(fā)出相應的執(zhí)行指令給控制設備，控制設備接收到指令再進行相應的動作，直到傳感器檢測到的數(shù)據(jù)低于規(guī)定閾值，控制板發(fā)送停止指令后控制設備停止動作。與此同時，通過WiFi模塊不間斷地將Arduino mega 2560的數(shù)據(jù)上傳到云平臺，云平臺將數(shù)據(jù)傳送到手機App中顯現(xiàn)，用戶在手機端能夠?qū)崟r查看數(shù)據(jù)。部分程序如圖3所示。

3.2 程序調(diào)試

室內(nèi)安防控制系統(tǒng)軟件部分主要分為自動控制和手動控制。在手動控制時，通過手機App手動控制窗戶的開關、水泵的啟停。自動控制時，當CO濃度超過設定閾值時，自動開啟步進電機使窗戶打開;當火焰值超過設定閾值時，水泵開始運行;當檢測到有人員進入室內(nèi)時，給用戶發(fā)送報警短息。所有檢測數(shù)據(jù)均可通過OneNet的手機版App查看。檢測數(shù)值如表1所示。

從表中可以看出，當煙霧傳感器檢測的數(shù)值大于220時，電機啟動打開窗戶;當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到的數(shù)值小于900時，Arduino控制繼電器打開水泵。

4?結語

本文設計了一款基于Arduino的室內(nèi)安防控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對室內(nèi)的一氧化碳濃度、火災、陌生人闖入的安全問題進行預防和控制，并且通過手機App遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了無論何時何地都能對家中情況了如指掌，具有一定的實用性。

[參考文獻]

[1]趙洋洋，陳國維，郭震邦，等.一種基于Arduino的智能家居安防系統(tǒng)設計[J].中國科技信息，2020（5）：98-99.

[2]張偉，胡雄強，王明倩，等.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計[J].信息技術，2019（3）：48-51.

[3]王瑞祥，楊定成.基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)地設計與制作[J].科學技術創(chuàng)新，2020（2）：88-89.

（編輯 王雪芬）