基于单片机的无线通信报警系统

基于单片机的无线通信报警系统摘要本课题设计了基于STM32F103C6T6单片机为主控核心的无线通信报警系统。为了解决家庭居室的安全监控，通过温湿度芯片SHT30、烟雾传感器MQ-2、天然气传感器MQ-4来获取居室的温湿度、烟雾、天然气含量，使用了一个热释电传感器、菲涅耳透镜、红外传感信号处理器等元件组成的HC-SR501传感器检测是否有人。居室内通过LED灯与蜂鸣器实现室内报警，远端通过ESP8266并结合机智云平台实现手机APP的远程报警，并借助能够发送短信的GSM模块（SIM800L）实现短信途径辅助报警，在居室可以直接观察数据，通过OLED查看环境变量，远端可以通过手机APP查看环境变量及设置相关报警参数。关键词：GSM模块；STM32F103C6T6；ESP8266；机智云

目录TOC\o"1-3"\h\u引言 引言我国现在如今的社会非常快的发展，人民的日常生活也在逐渐的不断的提高。但是随之来到身边的还有逐渐增多的隐患。现代的居室生活中，人们利用各种电器、天然气等工具方便我们的生活。当这些工具带来方便的同时，也带来了居室中许多不安全的因素，例如天然气泄漏、火灾等都会给家庭带来或轻或重的损失。随着小康社会的普及及人口的流动性逐渐增大，入室盗窃的犯罪率逐渐增大，传统防盗门再配置锁有一定的防盗作用，并且作为家庭防盗的第一道有效的保障，是非常有用的，但是在无线通信方面，可以做的更好。近几年物联网也同样发展的很快，随着各种芯片与传感器的飞速发展，给无线通信带来了创新型的保障。以单片机作为保障的大脑，以传感器为感知元件，能够为无线通信提供进一步有效的保障，例如对居室的天然气、烟雾、是否有盗贼进入居室等隐患进行实时监控，若出现问题，能够及时远程通知户主进行处理。近些年来电子技术、传感器技术、计算机技术飞快发展，无线通信报警的相关产品也随着越来越多。国外例如博世、西门子等品牌公司，国内例如海尔、格力、小米等品牌公司研发了成套的智能家居系统，其中也包含了本设计中的无线通信系统。可以看见，无线通信报警系统将成为居室非常重要的组成部分。想要实现各种功能，要用到MCU，还有各种硬件互相沟通的技术，能够检测特定数值的sensor技术，三种技术设计的无线通信报警系统，这里的MCU相当于人类的大脑，每一个sensor负责检测室内环境的各种数值。传感器模块再将自己采集到的连续变化的信号数据通过芯片变为单片机能认识的0或1信号，从而能够准备的做出相应的判断。如果有天然气泄漏或烟雾或非法入侵，则SIM模块将发送报警短信到指定手机上，并且手机APP也可以查看报警信息。居室内也会进行声音与灯光报警。本设计使用STM32F103C6T6作为项目的主控芯片，结合热释电传感器实现防盗检测，结合GSM模块与ESP8266实现远程报警与通知，采用1.3寸OLED及时显示信息。并且本设计具有温度检测、烟雾检测功能。而且还有天然气检测、湿度检测等功能，并可对这些环境变量进行监测，实现天然气泄漏报警与火灾报警。1系统总体设计1.1设计内容和要求本设计有两个大块领域知识组成，关于电子的硬件，关于代码的软件。硬件的设计有STM32F103C6T6单片机最小系统电路、天然气传感电路、烟雾传感器电路、检测人体的传感器电路、GSM短信系统电路、ESP8266电路、温湿度传感器SHT30电路等。因为无线通信报警系统主要由烟雾传感器、天然气传感器、人体感应传感器这三个数据模块来实现安全的检测，所以本设计的无线通信报警系统主要由STM32单片机主控电路、烟雾传感器、天然气传感器、人体检测、报警模块来实现。当室内由火烧起来时候，随着升高的就是烟雾，单片机通过自身所有的ADC功能，读取烟雾传感器的模拟量，并在系统内部通过算法计算当前烟雾浓度含量。当烟雾的含量上升到无线通信报警系统设定的危险数值时，单片机会进行烟雾报警。天然气的原理与烟雾传感器一致，天然气已经是家家户户都在使用的能源，所以天然气泄漏不仅可能造成火灾，还会造成天然气中毒，所以天然气报警检测可以提前预防火灾的发生，也可以防止天然气中毒发生。当人们离开居室，居室的安全没有人保障，无线通信报警系统可以在人走之后，手动或远程激活防盗功能。当有人在居室无人期间偷偷进入居室，人体感应传感器可以检测到人体的存在，并在输出引脚改变数字信号到单片机。单片机会定时读取人体感应传感器的数字信号，发现有人入侵，立即实现防盗功能。具体的实现功能要求在下方列出：（1）检测室内烟雾的浓度，一旦超出设定数值，进行报警处理；（2）检测室内天然气的浓度，一旦超出设定数值，进行报警处理；（3）防盗模式时，检测是否有人非法入侵，一旦发现，进行报警处理；（4）能够通过手机APP及按键设置防盗模式。1.2系统总体设计框图整个系统围绕MCU单片机进行设计，具体的框图如图1-1所示。图1-1系统总体设计框图1.3系统设计的总体思路根据实现的功能，可以看出无线通信报警系统的硬件电路包括了I/O电路、MCU、扩展的传感器模块等组成。该设计包括了HardwareDesign和SoftwareDesign两大部分。根据相关需要，选择能够完成要求的模块。烟雾通过MQ-2传感器检测、天然气通过MQ-4传感器检测、温度与湿度通过将温湿度测量集成于一身的SHT30芯片负责完成任务。对于防盗的检测，采用人体红外检测室内是否有人。为了实现出现安全问题向指定联系人发送短信，采用了SIM800L芯片实现发送短信、打电话等功能。为了实现与手机APP的通信，采用ESP8266结合机智云平台，为ESP8266烧写机智云固件，再在MCU上通过机智云协议与ESP8266通讯，将MCU的串口信号，转换为网络协议传输到机智云平台，有机智云平台转发到手机APP中。为了将数据通过可视化技术，显示到液晶屏上，采用1.3寸的OLED显示屏显示各种数据。所涉及的硬件，从单独模块的设计与调试开始，先设计好每一个芯片的系统，确定每一个最小系统能够正常工作。再根据主控芯片的功能引脚设计整个项目的原理图，分配好STM32丰富的硬件资源。软件应该分为数据监测部分、报警部分、网络通讯部分等多个组成部分。很多程序均是通过中断的方式实现的，以此提高报警的及时性。在软件中，数据的上报与获取程序中，采用了串口中断来及时的快速的处理数据。在报警程序中，GSM短信模块同样采用串口方式发送数据与接收数据。通过对相关因素进行综合的考虑，本文在对软件进行设计的过程中选择了C语言，手机APP方面采用Java语言。C语言属于面向过程语言，所以可移植性不强，但是在C语言中采用结构体编程，可以大大提高C语言的可移植性。安卓APP的开发语言有C语言、JAVA、其他语言，但用的人最多的，还是Java语言，这个语言有着令人惊讶的变化。Java语言属于面向对象语言，虽然Java相比C语言运行速度低，但是多样化开发工具以及各种强大jar包的支持，使Java功能非常强大。1.4主控芯片的选择方案1：采用STM32F103这一类的MCU作为系统的主控芯片。STM32F103它的逻辑处理能力强，可以很好的与其他的模块进行通信，这款设计需要使用到的模块很多，就需要很快的处理速度，与其他模块连接需要更丰富的IO接口，系统的运行能力也需要稳定。在型号上的选择，STM32系列的F103C6T6与F103C8T6型号相比，在价格上，性价比更高，在性能与存储容量上，F103C6T6的FLASH与RAM是F103C8T6的二分之一，定时器减少了一个定时器4，串口减少了一个串口3。对于本设计，F103C6T6型号单片机完全满足本设计需求。方案2：采用STC89C51单片机为系统的主控芯片。51单片机操作简单，但与本此设计所使用的各个模块连接性较差，处理速度较慢，信息处理精度也比较差，IO接口也更少，不适用于作为本系统的控制器。为确保系统运行的稳定性，更好的实现所需的功能，信息处理能力更强，综合考虑我们选用了功能更为强大的STM32F103单片机为系统的主控芯片。这款模块的数据处理能力强大，并且它拥有很完善的扩展输入输出接口，与很多的外围设备兼容性较好，它可以连接到两个APB总线[2]。2系统的硬件设计2.1硬件总体设计方案硬件部分由STM32F103C6T6单片机作为主控芯片，围绕着主控芯片模块，我们根据要求选取功能更强，兼容性更好的模块来实现功能，采用模块化设计的硬件系统。整体硬件框图如图2-1所示。图2-1硬件框图2.2电源电路的设计本设计的电源需要5V、2A的直流电源输入，目前手机的适配器均可为该设计供电，保障了电源的通用性。电源接头采用USB的Type-A接口，插接方便。外部的5V供电经过电源开关，直接为5V供电模块供电。图2-2电源电路对于3.3V供电的模块，例如ESP8266模块。采用ME6211电源芯片进行降压处理，ME6211系列是有高精度，高PSRR，低dB，超快响应这些优点，很好的低压差线性稳压器。能够为ESP8266模块提供合适的电压。图2-33.3V电源电路2.3按键电路设计按键电路器件非常少，在单个按键电路中，只需要一个按键，一端接单片机引脚，一端接地即可完成。这得益于STM32F103C6T6单片机的IO引脚上拉功能，可以为按键电路减少了外部上拉电路。当按键按下，单片机引脚接地，电平变化，由之前的高电平变为低电平。图2-4按键电路根据本设计的具体需求，设计了6个按键，分别为防盗按键、功能按键、上按键、下按键、取消按键、配网/确认按键。防盗按键：共为两种状态，警戒状态和安全状态。警戒状态，即家内无人时进行防盗侦察，一旦有人，进行报警；安全状态，即房主在家，不进行防盗报警。通过点击该按键可以切换两种状态；功能按键：用于选择各种功能，例如设置报警数值，显示当前时间，显示温湿度等功能，通过点击该按键切换各种状态；上按键、下按键：用于设置数值时的数值增加与减小；取消按键：当你在设置数值向退出设置时，点击该按键，返回主界面；配网/确认按键：当在首页时，点击该按键进行配网操作，当在设置界面时，用于确认设置。2.4烟雾与天然气检测电路设计在无线通信报警系统设计中，我们采用了型号为MQ-2的烟雾传感器，这款传感器使用的是二氧化锡（SnO2），这款气敏型的材料在污染程度低的空气中，具有很好的绝缘性。当在所检测的环境中，存在可燃的气体时，这款传感器的电导率也会随之增大，并且成正比例。在系统设计中，采用这款模块可以很好的满足对烟雾浓度测量功能，当传感器检测到烟雾浓度时，就会将传感器内的电导率信号变化转换为与测量浓度有关的信号MQ-2气体传感器对烟雾的灵敏度高，MQ-4气体传感器对甲烷灵敏度高。MQ系列传感器在电路设计中，原理一致。H、H是加热电极，通电后会使中间过电流的部分加热。有对应的检测气体出现，电阻变化。根据这个原理，测量居室中烟雾及天然气浓度的大小。图2-5烟雾与天然气电路2.5WIFI模块设计WIFI模块的目的是能够连接云服务器，进行数据传输，考虑到稳定性，选择了安信可的8266串口转WIFI模块，该款WIFI模块板载了ESP-01模块，可靠性非常高。图2-6ESP8266电路与MCU通信方面，采用TTL电平标准进行串口通信，由于MCU具有2个串口，接口资源丰富，为WIFI模块选择了串口2进行数据传输。图2-7WIFI电路该模块共有6个引脚，分别为VCC、GND、TXD、RXD、RST、IO-0。VCC引脚即电源引脚，3.3V~5V范围内的电压都可以，由于本设计的主电源为5V，所以采用5V电压为其供电。TXD、RXD引脚即串口通信引脚。通过与MCU的串口引脚相连进行数据传输，在本设计中，采用单片机的串口2与ESP8266连结，模块的TXD要与控制器的RXD相接，所以模块的RXD接MCU的PA2引脚，TXD接MCU的PA3引脚。RST引脚为WIFI模块的复位引脚，本引脚低电平有效，本次未使用。IO-0是控制模块进入固件烧写模式（低电平有效）或运行模式（高电平有效），由于模块内部自带上拉，其实为高电平，与运行模式，所以该引脚也未用到。2.6LED显示模块设计可视化数据是设计必不可少的一项功能，它可以直观的显示数据数值，观察方便，极具人性化。在本设计中采用一个0.96寸的OLED屏幕来显示各种数据，价格低，显示性能好。可视角度较大是OLED屏幕的优点。0.96寸OLED的分辨率是128*64，屏幕所用的驱动IC是SSD1306,所以5V与3.3V供电都可以。图2-8OLED电路数据传输通过IIC通信协议，使用IO口资源少，速度可达到3.4Mbit/s。两个IIC引脚为SDA和SCL，SDA为数据管脚，SCL为时钟管脚。VCC引脚即电源引脚，3.3V~5V范围内的电压都可以，由于本设计的主电源为5V，所以采用5V电压为其供电。2.7温湿度模块设计温度与湿度的测量选择了SHT30集成温湿度于一体的传感器。这款芯片体积小，供电电压宽，性价比高。SHT30的外围电路非常简单，只需要2个电容于3个电阻即可组成稳定的最小系统。再加上芯片本身体积非常小，所以SHT30温湿度模块相比于DHT11温湿度模块体积减小了数倍，并且SHT30的精度非常高，完全满足安全检测使用，湿度的精度为±3%RH，温度的精度为±0.3°C。图2-9SHT30电路在与单片机进行通信的电路中，SHT30使用IIC协议传输数据，虽然STM32系列单片机内部有硬件IIC，但是考虑到单片机引脚的耦合性，采用软件模拟IIC减小引脚的耦合性。图2-10温湿度电路在供电方面，SHT30支持宽电压输入，所以3.3V与5V供电都可以。AL引脚为报警标志位，超出设定阈值会被置高，本设计并未用到该管脚所以悬空。AD引脚为地址引脚，在SHT30最小系统中默认已经下拉，所以在于单片机相连接时，悬空即可。2.8GSM模块设计为了实现短信报警功能，需要能够支持发送短信的模块，为此采用SIM800L芯片而设计的GA6-B模块。图2-11SIM800L电路与MCU通信方面，采用TTL电平标准进行串口通信，由于MCU具有2个串口，接口资源丰富，串口2已经用于WIFI模块，所以为GSM模块选择了串口1进行数据传输。2.9人体感应模块设计人体感应传感器采用BISS0001芯片，用于自动检测。还有LHI778探头设计的HC-SR501模块。热释电红外能检测一定范围内有没有人，它能配合其他传感器构成很多用途的工具。HC-SR501是自动红外控制单元，使用了最新的LHI778检测器。HC-SR501具有不错的灵敏度高，并且工作电压低和可靠性高的特点。由于这个特性，它被用于许多自动传感器中，尤其是HC-SR501，后者通常在电池供电的设备中使用。打开模块后的开始时间为1分钟。此时，模块工作0-3次，并且处于待机模式。使用时，避免阳光直射在模块上。为避免错误，需要将模块放置在无风的地方。2.10报警电路设计居室报警电路采用声光结合的方式进行设计，LED灯加蜂鸣器的组合满足本设计的需求。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，只要在外部供上点之后，内部电路就会工作，从而发出声响。驱动电路采用NPN型三极管，在这里的作用是一个开关，驱动蜂鸣器是否接通电源。不能将蜂鸣器接到发射极，如果串接在发射级上，蜂鸣器会产生负反馈，这有可能会导致三极管不能进入饱和导通状态，影响蜂鸣器正常鸣响。R4电阻起到了限流作用。R6电阻起到了下拉作用，目的是防止上电时存在异响问题。其实在蜂鸣器里边是有一个线圈的，相当于一个电感，当蜂鸣器关闭的时候，会在线圈的两端产生一个反向电动势，这个二极管在蜂鸣器关闭的时候，可以给线圈进行电的释放。图2-12蜂鸣器电路LED灯电路中，为了防止过大的电流经过LED灯导致LED烧坏，在LED回路中添加了一个1K的限流电阻。图2-13LED灯电路3系统软件设计3.1软件系统整体设计在开发软件时，基于模块化设计的概念，同时考虑每个模块功能之间的总体协调。系统软件分化为多个子程序，每个子程序基本上对应于硬件模块。在进行软件系统的开发设计时，保证系统整体化的同时，逐级来实现所需要的功能，基于主控系统的数据处理，采用模块化编程。把系统的要求进行细分，保证每个部分的功能实现，有个整体的主程序流程，在主程序下还有子级程序，由每一部分的子程序将总体的功能实现，这样就由一系列功能单元组成了此次设计的系统。这种设计方式也会减少程序复杂度，使得后期修改程序时，能直观明了看懂编写的程序。本系统功能模块包括多个功能模块，主要包括：温湿度传感器模块、烟雾传感器模块、天然气传感器模块、声光报警模块、GSM模块、按键模块、显示屏模块等。具体的功能设计如图3-1。图3-1软件框架图3.2机智云机智云支持通过MCU读取设备的信息，然后通过WIFI模块与机智云服务器传输数据，如图3-2所示。图3-2机智云MCU工作框图对于机智云的接入流程，官方已经提供了非常完善的流程图，如图3-3。图3-3机智云接入流程3.2.1MCU快速开发机智云为我们开发者设计了一套自助接入流程，操作非常简单。在官网，查看相关的开发手册，查阅相关资料，跟着教程一步一步操作。假如之前没有开发过任何物联设备，也可以快速上手。3.2.2注册机智云开发者在使用机智云平台前，第一步要做的就是先申请一个开发账号，其中分为个人账号与企业账号。这个具体看使用者的情况。对于本次设计，是个人毕业设计用，所以使用个人账号即可。3.2.3创建产品注册成功，我们就可以创建一个产品了，点击创建图标后，输入产品名字以及产品对应的方案，即可完成产品的创建。3.2.4设备数据点设备创建完成后，还需要对数据点进行定义，数据点是产品定义的功能对象。拥有不同的数据类型，列如最简单的开关，具备位开启和关闭，可以将其抽象成只有0和1两个数字。3.2.5自动生成设备云端协议在创建好数据节点后，按开发向导，可以看到有一个MCU的开发资源，找到我们使用的控制器型号即可生成对应的协议代码。3.3WIFI模块软件设计WIFI模块使用的ESP8266。该款产品资源多，教程多，十分方便使用。要进行软件编程，除了搭建好硬件，ESP8266的固件也要按照机智云平台的要求烧写。打开ESP8266固件烧写工具：ESPFlashDownloadTool，根据所使用的芯片型号，选择对应的固件，并用固件烧写工具打开。图3-4ESP8266烧写工具连接ESP8266，进行固件烧写。烧写成功后，可以通过机智云提供的APP进行配网操作。最终需要的还是ESP8266与STM32F103C6T6进行通信，硬件连接好智斗，就需要软件中的协议处理，机智云已经根据开发者设置的数据点，自动生成了MCU的源码。将机智云生成的MCU源码移植到本设计源码中，即可实现MCU与ESP8266的通信。具体的移植步骤分为如下几步：（1）实现与模组通信串口驱动（中断收数据写入环形缓冲区；实现uartWrite()串口发送函数）；（2）实现串口打印函数printf（）；（3）实现ms定时器，gizTimerMs()维护系统时间；（4）实现MCU复位函数，模组可请求MCU复位；（5）实现配置入网功能，调用gizwitsSetMode()函数实现模组配网功能；（6）实现userHandle()数据的采集（上行逻辑）；（7）实现gizwitsEventProcess()控制命令的具体执行（下行逻辑）；（8）实现mcuRestart()复位函数。经过以上的移植操作，MCU就可以发送数据到机智云了，经过机智云再到手机APP进行数据的查看与修改。3.4按键模块的软件设计在本设计中，采用了6个按键，所以采用了软件消抖的方式。首先是按键IO引脚的初始化，IO引脚配置为上拉输入模式。上拉是为了让它一般状态为高电平，输入是为了能够使STM32读取该IO引脚的电平变化。在按键状态的扫描中，采用了软件消抖的方法消除按键抖动，采用10ms的延时消抖，完全满足本设计按键的消抖要求。图3-5按键功能工作原理示意图3.5报警系统软件设计单片机在main函数中不停的检测各项数据，当出现无线通信（入室盗窃、火灾、天然气泄漏等）问题时，进行安全报警。功能框图如下：图3-6报警功能工作示意图4系统调试4.1硬件系统调试进行完硬件的选购后，开始用AltiumDesigner软件绘制原理图。检查没有问题后，继续用该软件绘制出PCB进行板子的制作。经过5天的等待，收到中国PCB工厂制作好的PCB。下一步就可以进行焊接元器件，测试各功能模块的硬件是否正常供电，线路是否正常联通，有无短接情况。将PCB板与电子元件焊接完成后进行通电测试。图4-1硬件上电图上图展示了实物打开电源开关的上电状态，LED灯正常工作。4.2软件系统调试4.2.1程序的烧写硬件正常运行，必须有软件的支持，烧写程序是编程的第一步。Kei软件的MDK版本提供了STM32系列单片机的程序烧写功能。下载器可以选择J-Link或者ST-Link，本设计采用STM官方的ST-Link下载程序。首先配置好Keil的下载器选择。图4-2烧写软件配置图配置好烧写软件的配置，才可以实现程序的烧写。电脑使用USB连接ST-Link下载器，由于主控芯片采用USB电源供电，所以ST-Link上的3.3V电源引脚就不需要用杜邦线和下载口的电源线连接了。最终下载器只需要使用3根线（GND、SWDIO、SWCLK）与STM32F103C6T6对应引脚相接。使用Keil软件先进行编译源码，然后点击Download按钮进行烧写程序。4.2.2温湿度显示调试目标是实现使用MCU读取SHT30的数据，在MCU内进行转换再通过OLED显示出来。首先使用SHT30提供的库函数读取SHT30的温度与湿度数据。测试中使用串口将数据打印到电脑的串口接收助手中，这样可以直观的观察数据。确认数据显示正常后，可以将数据在OLED中显示，显示效果如图4-3所示。图4-3OLED显示温湿度值4.2.3烟雾与天然气调试烟雾与天然气的检测需要使用到AD检测，使用STM32F103的内部ADC+DMA传输，可以提高ADC效率，减轻主函数的工作量。还要初始化DMA，在初始化代码中可以看出DMA将ADC结果存放到ADC_TransVoltage数组当中，在读取数据时，只需要读取数组内的数据即可得到ADC数值。在主程序中，将数组中的数值进行转换，并通过OLED显示。将数组中的数值转换为电压值，再将带你呀值转换为百分比，最终在OLED中显示小数点前两位及小数点后一位。显示效果如图4-4所示。图4-4烟雾、天然气的OLED显示5总结经过老师的指导,我按照计划有条不紊的完成了该设计。通过此次课程设计，我重新认识到了自学对我的重要性，以及学以致用的道理。同时也认识到了图书馆的重要作用。该课题的主要任务是开发一个以STM32F103单片机为核心的无线通信报警系统，在设计上有硬件设计，和软件设计。硬件设计就是选择合适的元器件和绘制原理图与PCB，在会画PCB过程中要确保连线的空隙，线的宽度，元件的构造，不仅要实现功能，还要将PCB设计的雅观。软件采用了运行速度最快的C语言，用来对实现本设计的要求。通过实验证明本次设计符合设计的要求，能实现对句是安全的控制，功能性较强，具有一定的实践意义，将会在许多局面应用。。本次毕设，将在大学所学的四年的知识进行了汇总，无论是在设计资料的收集中，还是确定方案的过程中，还是最终的制作实物，学到许多知识，也弄懂了搞清楚了许多以前不是很清楚的问题。在做毕业设计的过程中，是人生的一种锻炼，进入社会之前的一种锻炼，将之前的学习的理论知识，运用到了实际当中，可以对知识理解的更深。

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