【《基于单片机的家庭防火防盗系统设计》16000字】

基于单片机的家庭防火防盗系统设计摘要当前时代背景下，智能家居电子系统围绕用户的人身安全和财产安全，发展出了许多分支。在互联网技术的影响下，其内容和形式越来越丰富。围绕用户居住的舒适度和安全度，监测火情和防止非法闯入演变成了两个基本需求。本毕业设计主要设计了一种基于STM32单片机平台的家庭防火防盗智能系统，按照系统功能分为传感器模块、蓝牙模块和GSM2G通信模块。在单片机部分，MCU（MicrocontrollerUnit）微控制单元负责数据的处理，OLED显示屏幕负责数据的显示。其中软件部分的设计均由Keil编译器进行编写实现，包括单片机串口初始化驱动、外设使用、传感器驱动等功能。传感器模块的主要功能是检测室内温湿度数据、烟雾浓度和人体热感应信号并设置阈值，室内温湿度和烟雾浓度数据超过阈值后发送信号到单片机，人体检测模块负责检测人体信号。蓝牙模块与移动终端相连，传输数据，进一步增加住宅密码输入、系统门锁开关等功能，实现用户在移动终端上监测住宅并实时操作。GSM模块采用GSM800A的2G短信功能，负责火灾报警和非法闯入报警，接收到单片机的火情预警信号和非法闯入信号后，通过短信报警。本系统实现了实时监测室内环境，并且将室内温湿度、烟雾浓度、门锁状态显示在OLED屏幕上。同时支持移动终端通过蓝牙透传模式，实现对本系统的无线操作和数据交互。GSM短信通信模块实现了短信报警功能，起到了防火防盗的作用。关键词：STM32F103ZET6；实时监测；SIM800A；智能家居目录1引言 12概述 22.1家庭防火防盗系统概述 22.2国内外研究现状与发展趋势 32.3选题依据及意义 43总体设计 53.1环境数据的采集 53.2数据显示功能 63.3数据通信功能 63.4关键技术 64硬件设计 84.1STM32单片机电路 84.2系统电源电路 94.3传感器采集电路 104.3.1温湿度传感器 104.3.2HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器 114.3.3MQ-2气体传感器 124.4蓝牙模块电路 134.5GSM通讯模块 144.6DS3231时钟模块 155软件设计 175.1总体方案 175.2系统总程序流图 175.3系统程序设计 185.3.1温湿度模块程序设计 185.3.2MQ-2气体传感器软件设计 195.3.3人体热释传感器软件设计 215.3.4蓝牙模块程序设计 215.3.5GSM短信报警模块程序设计 235.3.6OLED显示模块程序设计 246制作与调试 276.1实物制作 276.1.1总体特点 276.1.2电路连接 276.2调试 277结论 31参考文献 331引言当代社会网络技术发展迅速,伴随着人们生活水平的大幅度提高，家居系统的安全性和智能性要求逐步上升。人们的生活寻求个性化、主动化,寻求快节拍,寻求充溢兴趣的生活方法。生活家居人性化、智能化的要求使智能家居技术在智能家居电子产品中获得了普遍使用,伴随着智能家居的疾速开展,线路被堵截和恶意占线问题在传统家居系统中愈演愈烈,而且必须消耗较高的资源,系统很不稳定,而且没法完成精确监控。在这种情况下,基于单片机的家庭防火防盗系统需要做出一定的创新设计,家庭室内安全的监控需要有一定的准确性。本毕业设计是一个基于STM32单片机的家庭防火防盗电子系统。该系统检测室内数据模块采用了温湿度传感器、烟雾气体传感器和人体热释传感器，通讯模块则采用简易的GSM模块2G短信功能向用户发送报警短信,伴随单片机的声光报警。采取单片机系统芯片对室内电源插座开关、窗户电灯开关施行集成控制,检测室内温度、湿度和烟雾密度数据形态,检测异常经过短信来实现报警。测试后果标明该系统各项功能运转稳定,成功完成防火、防盗功能。跟随着国际互联网经济的迅速开展和人们智能化生活需求的日趋增加,新技术作为创新性技术需要努力的与各类已有技术实行交融,在已知领域去不断拓宽，比如物联网大数据、云计算、5G通讯技术等新技术都可以使用到智能家居的设计中来,这样有助于扩宽家居使用范畴,从而完成智能家居功能的多样化。总之,智能家居的大范围开展是以后时代的必定趋向,其在改良人们的生活质量和生活情况方面有着极其关键的增进用处,在将来智能家居有着极其很大的开展空间。因此，家庭防火防盗系统作为智能家居类产品的一个分支，功能性要求逐步增加,同时要求开发者重视用户体验度。日常生活中，既在重视系统安全性、私密性不断提高的同时，对这类新型智能系统的运用也有着严格的标准。2概述2.1家庭防火防盗系统概述普通家庭使用家庭装修的方法，例如安装防盗窗、防盗门等预防室内盗窃，以保证家庭安全问题。然而，作为家庭安全问题的另一大类，对于火灾的防范问题中，对室内防火装置安装和研究较少。少数家庭采用安装原始消防栓等手段。所以每当发生室内着火或者非法闯入危险时，无法及时采取措施，造成人身安全和财产损失等伤害。本毕业设计本着联络生活实践的初衷,首要是对一个基于STM32单片机和GSM网络的家庭防火防盗系统的设计。本毕业设计采用C言语编程完成单片机的编程，从而对各个模块的进行控制，继而完成所需的功能。本系统的主要功能首先是要求系统能够直接显示室内的温度与湿度、烟雾浓度，从而使客户与系统完成人机交互，继而判别家庭安全状况。当室内出现温度过高、湿度过低、烟雾浓度过高的情况，系统能够自行预判火警而且主动报警。本毕业设计所设计的家庭防火系统其首要功能主要有：（1）家庭室内火情的判断及报警实时检测环境内的温度、烟雾浓度和湿度，并对是否着火这一事件进行判断。当判定为有火情时，通过GSM模块发送短信至移动终端。另外，传感器读取该三类数据后，通过OLED实时显示并且通过蓝牙通讯模块实时传输至移动终端（移动终端），并在移动终端上进行显示，从而与用户完成人机交互；（2）家庭室内防盗功能用户可通过移动终端对单片机的数据进行读取和完成对模块的操作，如系统和门锁（通过输入相应密码进行）的开关等。其中，用户对模块进行操控时，首先对用户在移动终端输入的“打开门锁”密码进行检测，若密码错误或者未输入密码且强行打开门锁则发送信号至单片机，从而令人体热释传感器对室内是否有人进行检测。若判断为有人则判定有陌生人强行入户，则利用GSM短信模块对所设定的移动终端进行自动报警。根据以上要求提出如下方案：家庭防火防盗系统主要包括温湿度传感模块、烟雾传感模块、人体热释传感模块、OLED显示模块、GSM短信模块、蓝牙通讯模块、移动终端人机交互部分。其中，室内温湿度通过温湿度传感器实时监测，利用MQ-2煤气传感器对室内烟雾浓度进行监测以数据的形式发送至主站设备上并进行显示。利用单片机上的OLED屏对上述数据实时显示，并同时进行数据的检测，当发现温湿度、烟雾浓度可以判断达到火灾预警时自动报警。防盗功能部分则主要通过人体热释感应模块对室内进行检测，从而完成上文所述功能。防火与防盗的报警信息将通过GSM模块将室内实时信息第一时间发送至预设移动终端用户。2.2国内外研究现状与发展趋势经过多年的智能化创新技术的发展，目前对于家庭防火防盗系统方面的技术已有多项成果。对于该系统，国内外学者对其主要的研究成果为以下几项。首先是监测火情和防止非法闯入这两个功能，二者在此类系统中属于基础功能，国内学者在此方面研究主要有大连海洋大学应用技术学院的苗百春、于军等设计的楼宇安防系统,这一系统在烟雾检测方面使用JA-60S烟雾传感器、无线烟雾探测器，其中UC280接收机负责火情数据的接收。而防盗系统设计则主要集中在人体红外信号的检测，选用了JA-60P被动红外探测器同时与接收机相互通信，从而完成了楼宇安防系统的基础功能[1]。另外，漳州职业技术学院建筑工程系的洪长平等，使用STC89C52单片机，配合烟雾检测模块和温度检测模块，根据室内检测到的信号判断火灾和入侵信号，报警模块则采用声光报警的形式确定火灾点。国外的研究动态主要是智能家居系统ADT（安达泰）公司，其作为安全与自动化解决方案的领先供应商，在家庭安全系统领域于美国和加拿大众多家庭客户中深受好评。其家庭安全系统包括数字面板、入口联系人检测、无线钥匙链遥控器、动作感应器和24小时监控，通过指尖控制数字安全面板，可通过对家居系统设备的控制来武装或解除智能家居系统，配备门和窗口感应器检测进入者是否为用户联系人，监控设备实时录像，若为非法闯入则有高分贝警笛提示。同时该公司还提供更大的监测范围，如动作感应等，极大的保护了人身安全和财产安全。当今社会对于人民住宅的智能化要求越来越高，上述的国内外的发展动态由于国情的不同也略有不同，其发展趋势也有略微区别。目前国产的智能家居安保系统在我国还在初步发展阶段中，智能安保功能是智能家居系统发展的重要方向。在我国已经有一些房地产开发商开始为智能安保系统的开发和建设做出贡献。在这方面，其统一的形式仍然相对单一。国内一些公司为智能家居开发了一个水平平台，具有系统构建，多媒体管理，物理信息咨询和即时消息传递等功能，对于智能安保系统的开发有一定的启发。基于此，它还具有某些家庭常用功能，例如处境和谐和家用电器和谐。兼容的电子设备（如可用系统和温度控制）均受到远程控制，为用户远程监察家庭的安全情况提供了一定的技术启发。在我国，智能家居行业的主流是上述家用电子系统，但在智能安保领域如家庭的防火防盗系统仍然鲜有涉及，但是其对于中国的智能家居系统来说是不可或缺的[2]。国外智慧城市建设的大规模兴起，越来越多的安防企业涉足智能安保系统在这个互联网、大数据、云计算等技术交织的时代背景下已经不出奇。近年，在该领域，新兴软件和硬件智能化设备越来越多，掀起了浪潮。国外很多著名安防系统公司将视线转到庞大的中国市场，比如说全球首屈一指的智能锁和安防解决方案供应商、北美和南美市场的领导者亚萨合莱（ASSAABLOY），它在前线员工、众多专家和技师的大量投入也提升了集团在市场上和消费者中的信赖度和口碑，同时用户对家居安保系统自动化的无线解决方案和绿色解决方案的需求也持续上升。2.3选题依据及意义近年来，家庭防火防盗系统的功能性要求逐渐增加，人们在要求基本功能的同时要求开发者注重用户体验度。市场上智能家居系统中的这一重要功能也一直是热门话题，有很高的投资与研究价值。首先随着对居住场所的需求增加，有必要在确保便利性和舒适性的同时确保安全性的提高。因此，加强防火防盗需求备受关注。该设计的目的首先是检测被检测区域中的温度、湿度和烟雾。紧急情况发生后，及时进行对用户的报警。以单片机为核心的火灾报警控制器是可以发送和接收火灾报警信号的设备，是整个系统的核心。该装置中，每个传感器负责监视和响应周围环境数据的变化，类比人体感官的存在。它使用作为核心的单片机实时监视每个传感器及其串行端口，检测和处理警报信号，并采用通信警报的方式，将火情报告至移动终端。为了进一步提高防火防盗性能，本毕业设计将应用较为先进的开发技术，加强对火灾报警控制装置的研究，促进火灾报警器的正常运行，同时加入防盗系统的研究，这对于整个家庭的安保系统来说是必须的[3]。所以，本毕业设计研究的智能家居系统虽然已经不是时代新奇的应用技术。但在人口越来越多的当今社会，家庭智能安保的问题仍没有解决，这就为家庭防火防盗系统的研究提供了必要性。提升智能家居领域的安保系统功能，也是在进一步提高人民生活水平，促进社会和谐发展，进一步朝着社会主义迈进。

3总体设计本家庭防火防盗系统是一种基于STM32单片机的智能家居系统，主要有硬件设计和软件设计两个方面。在整个系统中，以STM32F103ZET6单片机作为整个系统的控制核心，烟雾传感器模块MQ-2、温湿度传感器模块、人体热释传感器模块作为系统的感应部分，对数据进行采集；系统通过蓝牙通讯模块对数据进行传输，OLED显示模块进行数据的显示，以及通过GSM短信模块完成报警功能。另外，通过设置DS3231时钟模块对数据采集时间间隔进行控制，从而由上述各部分组成家庭防火防盗系统。单片机使用串口采集温、湿度数据，煤气传感器和人体热释传感器使用外部中断控制，上述数据中，温度、湿度、烟雾浓度数据将显示在单片机附带的OLED屏幕上，并通过蓝牙传输至移动终端，从而使用户进行数据实时监测，极大地提高了装置的灵活性。通过GSM模块报警起到了一个对于家居中非安全因素的及时报警的作用。该智能家居防火防盗系统结构的组成框图如图3-1所示：图3-1系统架构简易框图3.1环境数据的采集本毕业设计所设计的系统主要测量的环境数据为温度、湿度和烟雾浓度。主要通过单片机串口采集温湿度传感器和气体浓度传感器的数据，通过ADC将测量到的信号转换为数字信号。对于烟雾浓度的检测，本毕业设计所使用的烟雾传感器模块主要适宜于测量液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，通过气敏电阻主要感应烟雾的浓度值，能够满足本系统的功能要求。对于温湿度的检测本毕业设计采用的是DHT11温湿度检测模块，能够完成精度为±1℃的温度检测和±5%RH的湿度测量，同样可以满足本系统的功能需要。另外，考虑到系统的防盗功能需要检测室内是否非法闯入，因此本毕业设计采用人体热释传感器模块检测是否有人体热释信号从而完成系统需要。3.2数据显示功能本毕业设计使用外设OLED屏幕来显示当前室内各种烟雾气体浓度的实时数据、环境温湿度、时间日期等。屏幕使用单片机支持的FSMC来驱动以降低代码编写难度，提高效率和刷新频率。在移动终端处的页面显示，主要是对蓝牙配对后接受到的传感器检测数据即室内温度、室内湿度、烟雾浓度；另外，对门的开关和密码输入情况进行显示。通过输入正确密码在页面的密码输入框后即可通过程序查看室内基本情况，同时配备有系统开关、门锁开关、系统时间（设置延迟）按钮起到监控调试本系统的作用。串口传输的波特率及其协议将在文章后续中介绍。3.3数据通信功能数据的通信功能主要通过蓝牙模块和GSM800A短信模块实现，两个模块均与移动终端即预设用户手机进行通信。传感器检测到的数据保存在单片机内，数据通过串口传输到蓝牙模块，当蓝牙模块初始化,，利用AT指令配置蓝牙波特率为115200，配置密码为123456。同时打开手机蓝牙进行连接，从传感器传输到单片机的数据从而能通过蓝牙发送到手机终端上。移动终端上页面设计分别显示接收数据包和发送数据包，接受数据包有门的开关信号、室内温湿度、错误密码输入次数和烟雾浓度；发送数据包有系统开关信号、开关门锁信号、系统设置开关、设置时间数据。通信模式设置为仅操作控件时才发送数据信号，发送间隔设置为50ms。GSM短信模块则通过程序设置，在温湿度和烟雾浓度升高达到报警阈值时将火灾预警短信发送到预设移动终端用户，移动终端页面上密码输入错误或者未输入密码后仍强行设置打开门锁时，人体检测模块开始检测人体，若监测到人体热释信号则视为有人闯入，GSM短信模块则发送非法闯入的报警预警短信至用户移动终端。3.4关键技术本毕业设计所需技术如下：（1）串口初始化使用、串口通讯技术的使用；（2）时钟初始化、驱动及其使用；（3）传感器监测数据的处理运算；（4）OLED屏幕显示的驱动、屏幕设计；（5）蓝牙模块的驱动、使用；（6）GSM模块2G短信通讯功能（7）移动终端显示界面设计。4硬件设计4.1STM32单片机电路对于本系统所使用的单芯片微处理器，其余学者对于防火防盗系统多采用STC89C52这类8051内核，然而对于本毕业设计而言，其自带的串口、ADC等设置显然不能满足需求。因此，考虑到外设所需和相应的功耗和成本需求，在综合考虑了各个厂商的单片机开发板的情况之下。本毕业设计采用的单片机型号为洋桃派系列开发板STM32F103C8T6最小系统，其使用了高性能的Cortex-M332位的RISC内核，拥有3种程序下载方式，其长度和宽度为90x60mm，仅有名片大小，设计紧凑，所有接口在同一侧，方便安装在外壳面板。另外，其拥有高品质电源，由多组钽电容滤波稳定提供输出。相对于其他开发板型号，该板具有很多优势，这些优势主要体现在：更为先进的内核、更多的硬件资源、增强的外设功能、更高的性能、更低的功耗、更低的成本。此开发板的ASP功能是指洋桃派M1开发板特有的ISP自动下载功能，ASP功能由监测芯片、ASP指示灯、MODE按键组成。当开启ASP自动下载功能时，用户只要点击电脑软件中的“开始编程”，ASP就能自动监测信号、复位单片机、设置BOOTLOADER选项并完成下载。使用方法：（1）每次上电后，ASP功能默认为开启。（2）单击MODE按键，单片机复位一次，ASP指示灯熄灭0.5秒后点亮。（3）双击MODE按键，关闭ASP功能，ASP指示灯变暗。再次双击或重新上电可开启ASP（4）长时间按MODE按键，切换到RAMISP模式（不建议初学者使用），ASP指示灯闪烁2次。再次长时间按或重新上电可切换回FLASHISP模式（标准模式），ASP指示灯闪烁1次。（5）当不确定ASP处于什么状态时，可重新上电使ASP回到默认状态（开启自动下载，FLASHISP模式）。本毕设开发板有三种程序下载方式：USB下载，RS232下载，JTAG/SWD下载。本次毕业设计采用JTAG下载仿真，使用ST-LINK仿真器连接到USB接口，另一端连接到洋桃派工作室M1开发板，同时需要DC2.1、排针或USB接口给开发板供电（输入电压5V）。此下载方法有利于程序代码的正确烧录，减小错误，配置好开发环境后，方便了后续的调试。开发板工作原理图如图4-1所示。图4-1STM32F103C8T6最小系统结构4.2系统电源电路本STM32单片机电路结构较为全面，具有JTAG下载电路、电源电路、复位电路和时钟电路等。STM32的工作电压(VDD)为2.0～3.6V。通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。该单片机最小系统的电源分为两种，分别是是需要5V电压作为数据监测传感器的供电电压和3.3V电压为单片机、LCD屏幕和外部FLASH进行供电。查询使用手册可知USB的供电电压为5V电压，故加上电容后可滤波使用供电。3.3V电压则经过AMS1117-3.3芯片转换后才能实现。芯片电路如图4-2。图4-2USB供电电源电路本毕业设计主控芯片和DHT11温湿度传感器是3.3V供电，HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器和MQ-2烟雾传感器模块则需5V供电。AMS1117系列固定输出版本很多，内部具有集成热保护和限流电路，经过对比能够满足设计需求并提供稳定电压。电源电路中的集电极和地级之前安置了很多普通贴片电容和大电解电容用来进行电路滤波，起到抗干扰稳定输入的作用。大大提高了单片机程序运行的稳定性和传感器数据监测采集的稳定性。图4-3供电电源电路4.3传感器采集电路本系统使用到的传感器具体有：DHT11温湿度传感器、HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器和MQ-2烟雾传感器模块。4.3.1温湿度传感器本毕业设计使用市场上较为流行的DHT11温湿度模块来检测家庭环境中的温度和湿度。DHT11同时兼具测量温度和湿度数字量输出两种数据，是将温度和湿度传感器与校正后的数字信号输出结合在一起的传感器。在数字模块采集技术和温湿度传输过程中使用专用的数字模块采集数字量及其变化，温度和湿度检测技术检测精度范围内产品的量程。生产商经过一系列产品的测试，证明该产品非常可靠，并具有出色的长期稳定性。该传感器包括一个电阻湿度检测元件和一个NTC温度测量元件，可以直接连接到单片机十分方便。同时该传感器具有质量优良，响应速度快，抗干扰能力强，性价比高的优点。经过出厂前在高精度湿度校准室中的校准，校准系数将会以程序的形式存储在OTP存储器中，并且在处理传感器中的检测信号时会调出这些校准系数以便后续观察研究。另外，单线串行接口使系统集成变得容易和快速。它使用具有一个空引脚和一个数据输出端口的4引脚单行引脚封装。精密湿度为±5％RH，温度为±2°C，范围湿度为5到95％RH，温度为0到+50°C。该系统主要使用传感器数据来估计室内环境并设置阈值。传感器数据通过串行端口发送到STM32F103单片机进行对数据的进一步分析，继而在OLED屏幕上显示以进行实时数据交互。下面的两幅图分别为DHT11温湿度传感器的实物图和电路原理图：图4-4DHT11温湿度传感器图4-5DHT11电路原理图4.3.2HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器该传感器基于红外线技术来进行自动控制：在传感器工作时，有人进入红外感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平，人不离开感应范围活动，将持续输出高电平；人离开后，开关延时自动关闭负载。优点是输出可靠，灵敏度调节方便，在安防装置中使用广泛。它的延迟时间默认为30s，可根据用户要求定做，范围为零点几秒到三十分钟，灵活性较大。默认为可连续触发，其特点是具有感应封锁时间，感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。本系统中，该传感器使用时配有防闯入功能，检测人体，当用户用蓝牙输入密码开门时，检测到人体也视为非闯入不报警。若为输入密码强行开门时，视为有人闯入。如图5所示为该传感器电路图，该器件主要探测人体体温与环境温度的差值的变化量，所以探测效果会受环境温度、人所穿衣服、人行走的速度及行走方向等因素的一定影响。下图为HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器电路原理图。图4-6HC-SR501RD-624（人体红外感应电子模块）传感器电路图4.3.3MQ-2气体传感器关于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等易燃易爆气体的监测装置则选用此传感器，该传感器具有TTL信号输出和模拟电压输出两个端口，考虑到在气体浓度很高时，模拟量输出时的电压会超过3.3V，容易对单片机电路造成烧毁，故选择使用TTL输出表示烟雾浓度偏高时信号输出。下图为MQ-2烟雾浓度传感器电路原理图：图4-7MQ-2可燃气体传感器电路原理图对TTL输出灵敏度进行调节时只需要调节模块背后的电位器，顺时针调灵敏度提高，逆时针则降低。参考实际情况，设定烟雾浓度阈值，超过数据阈值时，单片机IO口输出低电平，同时点亮P1信号灯。其优势在于对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，快速的响应恢复特性使其相较于其他气体传感器在灵敏度方面有着无法超越的优势。下图为MQ-2烟雾传感器实物图。图4-8MQ-2可燃气体传感器实物图MQ-2传感器具体技术指标如下表所示：表4-1MQ-2传感器技术指标产品型号MQ-6产品类型半导体气体传感器标准封装胶木、金属罩检测气体液化气、甲烷检测浓度300~10000ppm回路电压≤24VDC灵敏度Rs(inair)/Rs(in2000ppmC3H8)≥5输出电压2.5V~4.5V浓度斜率≤0.64.4蓝牙模块电路本毕业设计采用DX-BT05-A4.0CC2541低功率蓝牙模块，属于深圳大夏龙雀科技有限公司智能无线数据产品，遵循V4.0BLE蓝牙规范，支持AT指令，所用用户可以实际操作需求，设定波特率等参数，灵活配合项目。同时配有UART串口，支持蓝牙数据透传，外围设备虽少但功能齐全，采用美国TI公司CC2541芯片兼顾性能的同时成本低廉，适宜大规模生产销售。同时查询资料，通过该模块与移动终端连接操作指南，进行APP蓝牙调试。在该毕设中单片机串口将数据信息发送给蓝牙，蓝牙再通过程序与移动终端连接进入传输模式，将消息传输给移动终端。配置自己设定的波特率和密码即可使用，操作简单方便。该蓝牙模块工作在2.4G无线频段，根据技术手册得知使用时应尽量避免一些对无线首发具有影响的因素如：（1）由于金属的干扰作用，模块的天线部分远离金属，而包围蓝牙模块的外壳避免使用金属。（2）产品内部金属连线或者金属螺钉，也应尽量避免蓝牙模块收发天线部分，理由同上所述。（3）收发天线部分靠近载板PCB四周防止，可直接把天线部分露出载板。进制直接放置在载板中央，且天线周围及下侧（包括天线平行方向），禁止铺铜或者走线，避免金属干扰。图4-9CC2541蓝牙模块示意图4.5GSM通讯模块GSM模块具有独立的操作系统，同时集成GSM射频芯片，存储器，基带处理芯片，功放器件等设备。具备GSM射频处理，基带处理和标准接口。根据提供的数据传输速率，GSM模块可以分为GPRS模块，EDGE模块和纯短消息模块。经过实验室检测GPRS具有更快的数据通信速度。SMS模块仅支持语音和SMS服务。GPRS是GSM的延续。有时称为“2.5G”。这意味着该技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通信技术之间。GPRS的传输速度从56K到114Kbps不等，理论速度可达171k。GPRS技术还具有您始终可以随时随地在线连接并为流量付费的功能。EDGE技术将把数据传输速率进一步提高到GPRS数据传输速率的两倍，大约在384K-473K。当前，国内的GSM网络通常具有GPRS通信功能，中国移动和中国联通的网络均支持GPRS，而EDGE在某些省市提供网络覆盖。GPRS模块具有GPRS数据传输功能。GPRS模块是移动终端的简化版本，将GSM通信的主要功能集成到电路板中，并具有发送短消息，拨打电话和发送数据的功能。GPRS模块在电子设备中相当于是核心模块，添加键盘和屏幕就可以类比为一个简易版本的移动终端。该毕业项目将使用由高性能工业GSM/GPRS模块SIMCOM发布的SIM800A模块。该开发板配备了工业级双频，并具有900/1800MHz双频的工作频带。基本功能是低功耗，可实现语音，DTMF，SMS（SMS/MMS）和GPRS数据的输出。其超高的性价比使得此开发板在双频市场上占有很大份额。同时，基本版本具有两个升级版本，即TTS（本地音频广播）和Bluetooth3.0，这大大增强了性能优势。外围硬件电路设计提高了电源保护和信号干扰预防能力。电源使用开关模块供电。使用率足够高，但也可以直接用电源使能引脚来控制模块的电源或者从USB提供。SIM卡插槽使用市场上流行的MICRO卡插槽，考虑到质量，可以将其用于小型卡，配备的ESD电路用于保护电路。该评估板支持RS232和TTL串行端口，并且电源支持5-18V的宽电源范围。连接微控制器非常方便。它还提供语音呼叫，短信和文本广播等功能。（TTS）和基站位置。内置TCP/IP协议，TCP/UDP通讯支持，FTP/HTTP服务支持，不支持TTS默认中文，UCS2编码，ASIIC代码和用于输入文本的书面汉字GBK编码。图4-10GSM模块电路示意图SIM800A基本都是通过串口发送AT指令来实现控制，与本毕业设计32单片机串口相连，调试方式多种多样，可通过USB转TTL模块调试，也可通过USB转232模块调试，普通的232九针串口需要加上电源线。模块电源带有使能引脚带上拉，默认使能输出电源，低电源时默认关闭电源。此设计考虑到SIM800A工作异常时，可以关断模块电源重新使其复位。TTL串口使用3.3V电压输入为最佳，如果使用5V则为了安全保障需串口几十欧姆电阻保护电路，长期使用中模块异常也可使用软关机“AT+CPOWD=1”关闭模块。右侧部分为天线部分，需要进一步扩大范围只需添加在模块板上。图4-11GSM800A示意图4.6DS3231时钟模块本系统采用低成本、高精度I2C实时时钟（RTC）DS3231M，该器件优势在于拥有电池输入端，断开主电源时仍可保持精确计时，符合该系统使用要求。集成微机电系统（MEMS）提高了器件的长期精确度，RTC保存了年、月份、日期、星期、时、分和秒时间信息，包括闰年修正功能在内，时期不满31天时，自动调整为月末的日期，时钟的格式可以是24小时制也可以是AM或者PM的12小时制。可设置闹钟和1Hz输出，提供复位输出的同时对电源进行检查，监测电源故障，地址等数据经过双向总线传输，确保了传输的正确率。为连续计时提供电池备份，计时精度大约保持在±5ppm（±0.432秒/天）。该实时时钟16引脚（300mil）封装的同时通过了美国保险商实验室（UL）认证。精度为±3℃的数字温度传感器经过温度补偿的电压基准和比较电路可以用来监视Vcc状态。下图为DS3231时钟模块电路原理图：图4-12DS3231时钟模块电路原理图5软件设计5.1总体方案该家庭防火防盗系统涉及到的软件部分有：MQ-2气体传感器的程序编写、DHT11温湿度传感器程序编写、串口通信、单片机外设TTL串口输出识别、蓝牙模块APP程序设计、GSM短信通信模块编写。基于大学的C语言基础，在编译软件KeiluVision5的调试下实现程序下载，通过ST-LINK仿真器下载至单片机运行。总体方案为，STM32芯片作为主控系统，集成三个传感器模块数据进行命令下达，利用自身数据运算能力保证传输的稳定性，其中数据保存在外部FLASH电路中，蓝牙模块和GSM模块通过单片机串口进行数据传输，模块需进行初始化后驱动，代码实现传感器对外部数据的收集，通过数据转换传入单片机后蓝牙和GSM模块进一步通信。5.2系统总程序流图本毕业设计的系统主程序设计思路为：（1）单片机上电后，首先对整个系统进行初始化，设置好终端和定时时钟，根据预先估计的环境火情温湿度和烟雾浓度设置阈值；（2）紧接着初始化单片机的各个串口和模块，包括OLED显示模块。各个传感器检测模块初始化结束后，进入采集数据阶段，同时单片机接收到数据后在OLED屏幕上实时显示；（3）蓝牙模块初始化后进入配对模式，与移动终端蓝牙连接后进行数据的交互。传感器采集的数据以数据包的形式发送至移动终端的蓝牙调试器，用户通过操作移动终端的蓝牙调试器返回发送操作信号给单片机；（4）GSM短信模块初始化后进入等待模式，当单片机接收到火灾信号和非法闯入信号，将发送至GSM模块，模块接收到信号后判别火情和非法闯入，发送短信至预设手机号码。系统的软件设计流程图如下图所示：图5-1软件设计流图5.3系统程序设计主程序初始化后，按照系统流程，应该进入各个模块的初始化。传感器模块作为数据检测处理部分，分不同的传感器进入初始化后程序运行。蓝牙模块和GSM短信模块作为通信部分，初始化后，通过串口接收单片机传输的数据进一步预处理和判别数据再进行下一步操作。各个模块任务软件设计如下一一介绍。5.3.1温湿度模块程序设计温湿度模块检测程序设计主要核心是在于温湿度数据的监测、处理和判断，与单片机相连，通过串口传送数据，使用杜邦线连接数据口和单片机PG9端口，模块运行程序流程如下。主函数进行一系列串口和模块初始化后，如果DHT11初始化成功，那么每隔100ms读取一次转换数据并发送至串口，串口再发送OLED屏幕显示和蓝牙模块透传至移动终端。该部分代码就是根据单总线操作时序来读取DHT11的温湿度值的，DHT11的温湿度值通过DHT11_Read_Data函数读取，如果返回0，则说明读取成功，返回1，则说明读取失败。程序逻辑是首先由主机（单片机）发送起始信号：（1）主机先拉高data；（2）拉低data延迟18ms；（3）将单片机引脚设置为输入再次拉高data。而后从机（DHT11）收到起始信号后进行应答：（1）从机拉低data，主机读取到data线被拉低持续80us后从机拉高data线，持续80us，直到高电平结束，意味着主机可以开始接受数据；（2）主机开始接收数据时，则主机先把data线拉高（io设置为输入），从机把data线拉低，主机读取data线电平，直到低电平结束（大约50us）；（3）从机拉高data线后，延迟40us左右（28~70us之间）主机再次读取data线电平，如果为低电平，则为“0”，如果为高电平，则为“1”。图5-2DHT11通信过程图继续重复上述步骤一和步骤二，累计40次。程序成功后，每隔设定时间间隔后数据将显示在液晶上。5.3.2MQ-2气体传感器软件设计MQ-2传感器可以输出模拟量和TTL高低电平，想要得到浓度数据需要对AD值模拟量进行转化。本毕业设计使用ADC1号通道进行采集，采集程序流图如下。图5-3MQ-2气体传感器采集流图首先进行对ADC和GPIO的初始化，判断当前是否转化结束，是则进入转化过程，将AD值转化为电压值保存等待下一步操作。对于采集到的电压值转成浓度值后，根据火灾实情数据设置阈值，浓度超过阈值时发送报警信号至串口。烟雾传感器的满量程为5V，浓度标准按常理来说要求不用很精确，因此本毕业设计浓度所显示数据由下列公式得到：GC=Vout上式中，Vout为测量得到的电压值，GC关于MQ-2气体传感器的采集数据处理程序流图如下：图5-4MQ-2气体传感器采集数据处理程序流图5.3.3人体热释传感器软件设计防闯入功能设计逻辑在于人体检测传感器开启后，程序设定检测人体，密码错误后仍然监测到人体视为有人非法闯入室内。模块设计在规定范围内监测到人体，便会输出高电平（3.3V），用纸箱盖住模块，使探头检测不到人体体温，便输出低电平（0V）。同气体传感器类似，由于是TTL高低电平简单输出，首先GPIO按键初始化，所以程序思路如下：（1）初始化（除了HC-SR501模块程序）其他外设及单片机程序；（2）延时10秒；（3）蜂鸣器响1秒；（4）初始化HC-SR501模块程序；（5）开启中断（因人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。所以设置上升沿中断或双边沿中断）。5.3.4蓝牙模块程序设计首先本毕业设计对于蓝牙模块所需要完成的功能主要包含以下几个部分：（1）蓝牙外设需要被设备检测到，并且能够成功配对；（2）在主设备扫描时要给出蓝牙配对提示；（3）主设备发起连接时，其可以要求密码配对，而也可以选择无需密码验证；（4）蓝牙外设连接成功后才会开启透传通信服务；（5）蓝牙连接交换数据时允许一定的蓝牙连接范围。因此，为完成上述系统所需功能，首先需要使用程序编写添加GATT服务，在读回调写回调后，设置并获取属性值。接着进行主动传输设置，程序的串口波特率与CC2541设置一致为115200，如果想要获取到BLE从设备的返回值，还需要设置Notification，然后调用BluetoothGatt的readCharacteristic(characteristic)方法进行数据的读取。移动终端传输控制数据至蓝牙模块，对该部分数据处理需要使用串口回调函数，发送至单片机处理，同时蓝牙模块接收的传感器监测数据也需要通过数据打包函数发送至移动终端显示。具体程序流图如下。图5-5蓝牙模块数据接收程序流图接收到的传感器数据有室内温湿度和烟雾浓度，另外还有门锁状态（0为关门，1为开门）和密码输入错误次数，除门锁状态以逻辑值设置，其余均以字节值设置。

图5-6蓝牙传输控制数据处理程序流图对蓝牙传输回的控制数据进行处理和分析，先判定系统开关和门锁是否打开，若均打开则需要验证用户身份，输入密码验证，若密码验证未输入或者错误则系统判定为非法闯入，将闯入信号发送至GSM模块，由该模块接收到信号后报警。5.3.5GSM短信报警模块程序设计GSM短信模块主要使用AT指令进行短信内容和发送用户手机号码的设置。其具体设置内容和方式主要是，首先+CMGW将消息写入内存(WriteMessagetoMemory)，并返回保存在内存中的位置，输入的“消息文本”或PDU可以被发送消息的指令+CMSS使用。再+CMSS发送存储的消息。测试完当前工作状态后，进入连接，设置字长字位，while循环读取字节后存储。期中需要一个定时时间，产生定时中断，接收字节时，需要利用到GBK转换函数，将字符串转换（uni2gbk时为gbk内码，gbk2uni时，为unicode字符串），汉字占两个字节。对于子程序的模块化，应明确多任务分级后的结果，多任务进行时可以禁止执行中断，等完成后再开启中断。另外，对于具体的模块使用，GSM模块需要注册到网络，短信功能以MT，MO，Text和PDU模式，存储设备为MICROSIM卡。AT指令控制GSM模块发送信息，当有人在蓝牙APP输入错误密码时，发送短信：“主人，有人正在破解咱家密码，密码错误次数：XX”；当温湿度传感器和烟雾传感器接收数据超过阈值时，给预设移动终端号用户发送短信：“主人，咱家失火了，赶紧报警呀！！！烟雾浓度：实时数据%室内温度：实时数据℃”；当有人密码错误后人体热释传感器仍多次检测到人体时，发送短信：“主人，咱家的门被异常打开，怀疑有人闯入，请报警！！！”通过以上的短信功能，简单实现了对室内安全情况的一个实时反馈。该模块程序设计流程如图5-7所示：图5-7GSM短信报警程序流程图由上图中可知，首先进行串口和该GSM通信模块的初始化，完成后发送AT指令测试模块AT通讯是否正常，未返回OK则延时200ms重新发送。接着进入数据接受过程，通过串口接收单片机数据和移动终端通过蓝牙透传的信号，当接收到报警信号时，启动报警功能。5.3.6OLED显示模块程序设计首先进行OLED模块的初始化，设置相连的IO口为输出引脚，由于OLED没有显存，与TFTLCD不同，所以它的显存依赖于SSD1306，初始化的同时复位1306，清零显存后开始显示。具体流程如下图所示：图5-8OLED显示程序流程图由时序图分析可知，在RD的上升沿进行读取数据操作，在WR的上升沿写入数据。均在上升沿进行数据的采集，OLED写操作将数据存入SSD1306，而数据锁存则在数据线D[7:0]。具体时序图如下：图5-98080写时序图图5-108080读时序图OLED屏幕的使用，主要使用了3个函数：首先是Init_OLED_GUI()该函数的功能为初始化OLED，初始化相关的GPIO口和读写时序等。初始化的过程直接调用集成的函数，如GUI_Init()，GUI_Clear()等；接着是数据打包函数，SendDataToMobilePhone()其输入参数有send_doorstate_dat，表示门锁状态，0为关门，1为开门；send_temp_dat为室内温度；send_humi_dat为室内湿度；send_err_num_dat代表密码输入错误次数；send_smoke_dat的值为烟雾浓度。最后是OLED屏显示函数，OLED_Display_function()在该函数中设置了字体的颜色和字号，并在屏幕的相应位置显示日期、时间、温湿度、烟雾浓度数据和门的开关状态。 6制作与调试6.1实物制作6.1.1总体特点本系统是一个基于单片机的简单系统，所选用的模块皆封装好，故不需要硬件电路板PCB设计，单片机和模块原理图前文已给出。所有模块插线在此最小系统板上使用，采用杜邦线连接数据接口和模块数据输出口。经过实践，接口足够使用，电压转换在安全范围内。6.1.2电路连接图6-1实物连接图各模块数据接口如下：（1）DHT11数据引脚通过杜邦线连接到A8；（2）MQ-2烟雾传感器AO端口连接到A0；（3）人体热释传感器数据端口连接到PB9；（4）蓝牙模块RXD连接到A9TXD接到A10；（5）GSM短信模块TXD连接到A2RXD接到A4；（6）时钟模块DS3231SCL连接到A7SDA接到A6。6.2调试（1）开发板程序的下载使用ST-LINK下载仿真器使用SWD接口，复位产生脉冲，调试时程序通过仿真器烧录进单片机。也可通过USB或者电脑串口下载，由于32单片机电脑串口下载程序速度过慢，避免电脑USB口占用太多，仿真器下载最为方便。调试复位电路，使复位时间延长，稳定复位信号，基本未出现复位错误的情况。由于是最小系统板，延时程序需要自主编写，调用延时时间，比较多次结果，确定最终程序所需的延时时间。（2）传感器模块调试DHT11温湿度传感器的调试，主要是在单片机上电后，程序下载、烧录完毕后，模块上指示灯亮起，证明模块正常工作，可以通过串口与单片机进行数据的传输。经调试该模块精度可达到本毕业设计所需要的的精度要求，本毕业设计所需要的对室内温湿度测量功能，能够使用其较好地实现。MQ-2烟雾浓度传感器与DHT11温湿度传感器类似，同样在单片机下载程序后，指示灯亮起时正常工作。经调试，能够达到本毕业设计的需求。人体热释传感器模块板背后设有灵敏度和延时电位器，在一直检测到高电平后，无法正确的在范围内没人进入时输出低电平。调节灵敏度和延时电位器旋钮到中间部分，用纸盒封闭传感器，等待大约一分半钟后输出低电平。最终各个传感器所采集到的数据能够显示在OLED屏和移动终端上，恰如下图所示：图6-2移动终端APP实验图使用打火机和香烟模拟室内火情，打火机靠近烟雾传感器时烟雾浓度大幅度升高，点燃香烟后烟头对准传感器烟雾浓度同样大幅度升高。如下图6-3、图6-4和图6-5所示：图6-3火情模拟前室内检测图6-4火情模拟室内检测图6-5火情时室内数据接收（3）通信模块调试使用串行端口上的AT命令控制GSM模块，首先需要先查询AT命令手册，导入开发板字体库，然后将其复制到SD卡中。比如发送的警报消息是中文短信，因此返回的数据将与其他英语或数字短信完全不同。所有英文或数字短信，返回的短信内容均可通过串口直接读取。但是，对于中文和英文SMS，返回的内容是UNICODE编码的组合（也就是说，所有汉字/字符均使用UNICODE编码）。通过工具将UNICODE转化为汉字就可以达到本毕业设计的要求。卖方提供了UNICODE转换工具，并且过程相对顺利。首先，发送AT+CMGF=1并将其设置为文本模式。然后发送AT+CSMP=17,167,2,25来设置文本模式参数。最后，发送AT+CSCS=“UCS2”来设置以UCS2编码的字符集。此时，可以发送AT+CMGS命令以发送中文和英文短消息，但是由于UCS2字符集，所有字符/数字/汉字必须使用UNICODE编码。用汉字UNICODE交换tool.exe软件，然后将发送AT+CMGS=“转换后的字符串”。这时候无需发送空格，即回车。用十六进制（HEX）格式最后发送内容（不添加回车符）：1A（即0X1A），开始发送短消息。提交模块后，它将返回：+CMGS：移动电话号码的前三位数字表示消息已成功发送。蓝牙模块同样使用AT指令进行设置，首先烧录进程序后，蓝牙模块指示灯闪烁代表进入配对模块，AT指令配置蓝牙波特率为115200，配置密码为123456.通过移动终端上的蓝牙调试器，二者蓝牙连接后进行接收和发送数据包。本毕业设计蓝牙模块使用的AT指令如下表6-1所示：表6-1蓝牙模块使用AT指令指令响应参数ATOK无AT+PIN<Param>+PIN-<Param>OKParam:6位配对码默认值：“000000”AT+PIN+PIN-<Param>AT+BAUD<Param>OKParam:波特率（bit/s）取值如下（十进制）：1——12002——24003——4800AT+BAUD+BAUD-<Param>OK火情模拟时，通信模块发送短信如下图所示：图6-6火情时通信模块报警短信室内非法闯入时，通信模块发送短信如下图所示：图6-7非法闯入时通信模块报警短信

传感器监测数据通过单片机串口传送给蓝牙模块，蓝牙模块在经过透传模块发送数据包至移动终端页面，同时返回操作数据。移动终端的调试器页面设计如6-3所示：图6-8移动终端调试器实验图7