【基于物联网和单片机技术的火灾报警系统设计10000字】

第1章引言1.1物联网技术及智能家居基本概述物联网技术是泛指通过利用射频图像识别、红外线图像感应器、全球卫星定位系统、激光图像扫描仪等各种物体信息传感器和装置，按照服务合同中所明确规定的联系方式和服务协议，将任意实体物品或信息服务与国际互联网相连或链接，进行各种数据以及信息直接交流和实时通讯，以及能够实现任意物体信息智能化的自动识别、定位、跟踪、监测和安全管理。智能家居是以综合式网络布线管理技术、网络通讯管理技术、安全信息风险监测防范管理技术、声音以及视频等应用新一代移动互联网信息技术、数字化和移动云计算等应用新一代移动互联网信息技术将与智能家居生活息息相关的配套服务设施信息进行有机整合，构建高效的智能家居生活配套服务设施和对智能家庭正常日程生活事务的实时处理监控系统，提高了智能家居的生活安全性、便捷度、温馨性、美观和修筑艺术性，并且我们可以有效完成一种环保、不浪费的健康智能寓居生活方式。物联网与智能家居都被认为是新互联网时代下的必然产物，是随着我国经济社会的不断发展与进步而逐渐兴起的，提升了人民大众的平常生活品质，改良了人们的平常生活质量。物联网与现代智能家居的紧密结合使得人们的房屋变得越来越智能，人们只要把物联网直接接入到家庭监测和控制的系统中，就已经可以直接实现对电子设备的智能化管理，在实现人们的生活更加舒适、便捷的同时还已经可以大幅度地提高房屋的安全性指数。[[][]王若熙.物联网在智能家居中的应用及发展[J].电脑知识与技术:学术版,2019(7Z):225-226.1.2物联网在智能家居方面发展趋势跟着5G、云计算、大数据、物联网等新兴技术的鼓起和开展，为智能家居的开展奠基了坚实的根底。目前4G、无线WiFi已经为大众所熟悉并且满足日常家庭的需求，但随着更多智能产品进入家庭，家庭连接数的继续扩大必定会对网络及服务提出更高要求。然而，随着人们需求的增加，互联网本身的技术也在不断提高，对应用的规范化和安全性提出了更高的要求。在市面上不同企业有着不同终端类型，使用的协议也各有不同。从这个意义上说，想实现全屋智联这意味，用户可能要下载各种各样的APP或者关注一系列公众号，这大大降低了体验感觉，这也是现在阻碍智能家居开展的一浩劫点。2020年12月，多家行业组织和学术机构共同发起成立了"开放智联联盟"(OLA智联联盟)。OLA本联盟的主要目标也就是为了能够充分发挥国内工业物联网的技术产业整合优势，构建一个完全符合中国国内物联网技术产业独有特色、技术水平世界领先的国内物联网技术系列产品统一产业链路，并连接技术标准与物联产业整合生态圈，并向乃至世界各地公众开放与广泛普及。OLA作为联盟的正式会员成立，让企业之间达成了共识，从这个意义上说，物联网生态正从“企业级”越来越向“工业级”水平发展。1.3物联网在智能家居方面应用智能照明在现代智能家居的场景中，智能光伏照明和控制系统可以被认为是一个很重要的组件。基于物联网技术，我们将会使用移动终端设备，如手机、平板等，实现对物联网的智能化照明和家居服务系统的管理。根据房间照明需求调整照明亮度，根据业主实际情况和爱好调整照明色彩等功能，营造不同的家庭生活氛围，此外用户对灯具进行远程控制和语音控制最大限度的优化。通过使用移动智能设备，让业主对照明灯具进行远程操控，提供一个便捷、智能的照明管理系统。[[][]汪晓帆.论物联网在智能家居方面应用及发展趋势[J].现代营销(经营版),2020(09)_68-69.智能家电智能家居的很大一个组成部分就是由智能家电所综合组成，通过物联网等信息技术的应用，大幅度地提高了我国智能家电产品的智能化和运营水平。智能家电系统中的主要设备有空调、洗衣机和冷冻柜、电视等，借助物联网技术能够实现与移动终端设备之间的无缝互联，用户随时都可以通过物联网监控整个家电的工作运行状况，并根据其不同的使用习惯选择智能家电运行模型。对于智能家电器材而言，物联网也是一种可以充分满足当代社会人们关于对智能化、休闲文娱方面的需要。现在经过物联网技术的支持，人们对家庭设备的文化娱乐功能愈来愈多关注，并且人们和其他家居文化娱乐设备的互动性的大大增强，导致物联网技术将会对其他家居文化娱乐设备的功能实行更多的升级和立异，由此物联网更可以充分满足绝大大多数年轻人的文化娱乐需要。[[]陈晓兵.物联网在智能家居中的应用与发展[J].科技创新与应用,2020(09)_195-196.][]陈晓兵.物联网在智能家居中的应用与发展[J].科技创新与应用,2020(09)_195-196.智能监控采用物联网技术对于智能家居而言，它们就是可以给用户提供一种智能化的监视和管理功能，主要涉及监视智能家居装置的运营状态和对用户身边环境的监视等。对于各种智能家居设备，智能化监测管理系统是一个能够随时捕捉到的信息和自动化的监控工作，能够及时地发现各种设备存在的问题,由此我们就可以及时地排除故障，确保各种设备都能够稳定地发挥作用。在我们的智能化监控系统中，还需要一种具有智能化的监视器，它是一种能够实时地截获与入侵检测装置相关数据信息的图像识别技术，避免了智能化家居装置受到不必要的干扰。此外，针对我们的智能家居安全来说，智能化的监控管理系统能够让我们发挥更多的作用。首先表现在一个智能化的监视系统可以对智慧家居环境中的卫生器材和空气中的各种环境介质作出监视，包括空气的温湿度、光照强度以及空气中的污染物含量。其次,智能化的监视管理系统还是可以直接实现智能化的安防监视功能，可以通过对入住者的身份信息进行人像识别和动作的行为辨认，并且它们会与住宅户主之间进行一些人机交互，向其他住宅发送消费信息等，使其能够更加准确地掌握住宅区的具体情况。而是当房间内部出现了异常情况时，监测装置就可以自动发出预警，真正地做到了确保住宅区的安全。NOTEREF_Ref2961\f\h31.4智能家居技术的风险及应对措施1.4.1数据安全方面为了最大限度地提高设备的效率和性能，智能家居需要收集大量有关房屋、电器甚至车辆的数据并收集用户特征和消费方案，这可能导致严重的数据泄漏风险。为了增强数据的安全性，可以加密诸如用户名和密码之类的密钥信息，并且提高网络设备的安全性，可以采用更高级别的密钥系统进行双向身份验证；或者通过添加访问记录等功能来跟踪网络访问情况，并为不同级别的用户制定不同的权限，从而避免不必要的访问来提高安全性。针对程序安全问题，应用程序的设计者应提高安全意识，在设计之初通过利用内置防火墙、防病毒软件等来提高程序的安全性，并通过加密和混淆的方式来增加黑客攻击难度并且需要定期升级应用程序，以弥补安全漏洞。1.4.2易用性和可扩展性家庭成员和智能生态系统的原有设备，需要有一个学习和适应对新加入的智能家居设备的过程。比如，有人买了一个智能电饭锅，他需要安装和连接设备，并在家里连接现有设备，可能需要几个小时才能成功使用智能电饭锅开始煮饭。这一系列工作远比机械按按钮煮饭困难得多。因此，为了让生活更简单，用户必须花一些时间学习相关使用技术。基于以上的问题，通过简化用户的操作，降低消费者的使用门槛，如能够利用语音控制系统，使用用户的语音来设定设备的设置，甚至可以将语音系统应用于日常对产品的控制中。这种对语音控制的兴趣使人们的生活变得更简单，更轻松。例如，对于年龄较大的用户，如果他们说“我想看新闻频道”，他们就可以自动地在智能电视的内置远程操作中进行新闻频道程序。这个“像傻瓜一样”的操作，更容易提升消费者的使用体验。此外，开放式标准的实施对于实现尽可能大限度的兼容性也是十分重要的。确保智能设备之间兼容性和可扩展性，以及不同供应商和不同系统的智能设备，包括智能设备之间、智能设备和非智能设备之间的兼容性。用户对于兼容性和可延伸性的要求还会促使制造商摒弃了生产自己的专用设备，而是采取更加开放化的标准解决方案。[[][]王玮.智能家居技术的发展现状及风险应对措施[J].科技创新与应用,2020(31)118-119.第2章硬件电路设计2.1系统硬件原理图本次设计采用的是LED1602液晶显示器，它能自动显示采集得到的环境温度、湿度和烟雾气体浓度值，单片机型号为STM32F103，温湿度传感器用于及时检测当前环境温度和湿度，烟雾传感器可以时刻检测当前环境烟雾气体浓度的情况。按键用来设定温湿度报警上限值和烟雾浓度报警上限值，AD0832数模转换将采集到的烟雾值模拟值转换为数字量，并传输给单片机进行计算。ESP8266无线模块用于单片机和手机之间的通信，将采集到的数据无线发送到手机端进行展示。图中包含3个按键，用来设置烟雾和温湿度报警上限值。蜂鸣器用于报警，当检测到的温度或者湿度，或者烟雾浓度值大于设置的上限时，单片机驱动三极管控制蜂鸣器进行报警。本次单片机系统采用5V直流电源进行供电，图2.1是其硬件电路原理图：图2.1硬件电路原理图2.2STM32F103概述STM32F103是一款以ARMCortex-M为设计核心的32位微控制器,单片式电机最小控制系统主要由一个复位控制电路、晶振转换电路和一个多功能化的电源电路组成。通过对其进行I/O扩展、通信扩展，从而使单片机完成较复杂的功能。[[]赵强,徐小发,张洋,郭益铮,王青云.基于物联网的远程火灾报警系统的设计[J].信息与电脑(理论版),2020,32(14):114-116.[]赵强,徐小发,张洋,郭益铮,王青云.基于物联网的远程火灾报警系统的设计[J].信息与电脑(理论版),2020,32(14):114-116.对于本次设计，我们选择的单片机是STM32F103C8T6单片机。此单片机与51系列产品相比增加了许多功能，不但运行效率比51单片机还要快很多，自带2个AD转换，方便我们在设计烟雾和CO的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便。STM32有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。因为51单片机只有1个串口进行通信，而32单片机具有5个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地。STM32实物图如图2.2所示：图2.1STM32F103C8T6实物图1、电源指示灯LED(PWR通常为红色):如果电源指示灯亮亮说明单片机正常运行，如果较暗或者闪烁，表示此单片机可能存在故障。2、用户LED(PC13):这个功能的使用大大的方便了我们进行一些比较简单的功能测试，如单片机的运行状态等，方便初学者进行更好的测试。3、单片机上采用了跳帽的方式，我们可以对stm32进行3种编程方式。如用户的SARM、闪存和系统的存储器。4、为单片机的复位电路。5、8M晶振：主要是用于设置单片机系统的频率为72MHZ。6、32.768KHz晶振：可供内置RTC使用，避免了需要专门的时钟芯片进行定时器处理等。2.3按键控制电路单片机的开关按键并联控制电路主要原理是由3个控制微动机对开关按键进行并联控制组成的按键控制电路，按键的一端是连接电源到一个单片机双向键的I/O口，另一端则是电源接地。当用户按动上下开关按键时或开关门窗处于强制张开启动状态时，I/O引脚和地断开，此时该I/O引脚处于高电平状态。例如，当按下一个按键时，I/O引脚被连接地，此时将高电平设置为低电平，并返回一个较小的低电平信号给相应的单片机。按键开关检测它们的工作原理是进行高低电平检测。按键开关由于其拨动时间，难免产生误差，所以在编写按键函数时，要额外写一个去抖函数，提高精确性。本次设计烟雾和温湿度报警上限值就是通过按键设置的。按键1代表增，按键2代表减，按键3确定设定的值。图2.3为按键控制电路原理图：图2.3按键控制电路2.4电源电路单片机的直流电源模块通常为直接采取直流5v电源来实行供电，此中的直流电源模块由一个3脚的直流电源开关座子和一个6脚的电源开关座子构成。电源开关座子指的是一种用来用作衔接外部的一个小型电源插头，并且这个电源开关则指的是可以用来直接把持全部外部单片机的各类有源电路板的启动和开关闭。电源开关座子的2口引脚与连接电源开关相连,3口引脚仅仅只是能够直接起到固定器的作用,没有特殊的器件使用电路处理,1口引脚与连接电源开关的3口引脚,电源开关的1、3口引脚和4、6口引脚的作用相同,用于电源的正极输出。电源开关的2、5口引脚作为单片机的接地引脚,在使用时采取相对的选择,即选择1、3口引脚作为输出,那么就要选择5口引脚作为接地引脚,选择4、6引脚作为输出端口,2口引脚则作为接地引脚。本次单片机的传感器和无线传输芯片的电压都在5V内,所以5V的电压足够满足。若有12V或者其他电压的传感器,则可以采取升压模块将5V提升到更高的电压,进行供电。本次设计的电源电路如图2.4所示：图2.4电源电路2.5报警电路本次设计的报警模块采用蜂鸣器进行报警，采用一个蜂鸣器对其接口进行烟雾报警，当DHT11温湿度传感器在其中需要检测到所得到的一定温度、湿度或者可能是微量烟雾时，当超过设定的温湿度或烟雾报警上限值时，STM32F103单片机控制三极管驱动蜂鸣器进行蜂鸣，起到报警的作用。蜂鸣器电路如图2.5所示，蜂鸣器的一端为连接三极管引脚，另外一端为接地。三极管采用了PNP三极管，其主要功能之一就是为了提供放大驱动电流和输出的电平特性，因为单片机控制电路的输出电路很小，无法向蜂鸣器提供输出需要的电流，经过三极管后放大输出驱动电流后，电流可以放大200倍，驱动蜂鸣器自行报警。同时对于三极管上拉的电阻也能够起到限流的效果，防止电流太大从而使蜂鸣器击穿。图2.5蜂鸣器报警电路2.6LCD1602液晶显示电路本次设计中所采取的LCD1602液晶显示屏可以作为输出显示器,LCD1602液晶显示屏可以实现除了数字以外的各种汉字和其他文本,它们还能够同时显示32个字符。显示的原理是利用液晶的化学和物理性质,通过控制显示电压等方式来实现所要控制的区域。这类显示屏在设计中具有系统功能稳定,性价比高,显示明白等优势。[[][]陶益.基于单片机的火灾烟雾温度报警器的设计与制作[J].计算机产品与流通,2019(09)126.图2.6是LCD1602液晶屏的引脚示意图，从这张图中我们可以清楚地看出，引脚1是一个电源接地的引脚，和单片机的GND联通。引脚2是VCC电源输入引脚，其工作电压为5V。引脚3—VO的引脚用于自动调节显示屏的显示光谱和亮度，引脚4—RS的引脚主要是作用于指令寄存器的状态选择，高电平常作为指令数据写入寄存器，低到高电平常作为指令寄存器，引脚5是RW的数据读取和写信号,用于数据的读写。引脚6—EN引脚为使能端，高电平读取信息，低电平执行指令。引脚7~14是8位双向数据段口，引脚15和引脚16是背景灯的电源引脚。在和单片机进行通信时，和P0口进行连接，中间要有上拉电阻进行连接。本次在LCD1602液晶显示屏上展现了检测得到的气体温度、湿度及烟雾浓度上限值,并展现了温湿度及烟雾浓度上限值设定的操作流程。其引脚连接图如图2.6所示：图2.6LCD1602液晶显示电路图2.7ESP8266模块电路2.7.1ESP8266模块电路的工作模式1、Station模式：Station就像一个接收器，可以接收其他接收器的的信号，而我们的手机、笔记本等就像是一个个的Station，可以接收路由器发出的信号。2、AP基本模式：AP模型是WirelessAccessPoint的一个英文名字缩写，中文名字：无线网络接入点；AP基本模式即为无线网络接入点的基本模型。其首要工作任务功能之一就是将各个具有无线网络的各个客户端都全部连接在一起，然后将所有各个无线网络都一同接入以太网（并且这也正是AccessPoint这个网络名字的根本含义意思），我们家里的无线路由器就已经开始工作在这个网络模式下，说简单一点，就好好一点像一个无线基站，将所有的各个无线网络都转换成了一个无线网络一并发射发送出去，这样我们的手机、电脑等就可以连接扩展出来的无线网络上网了。3、AP+Station模式：模块支持一个AP接口，一个Station接口。即可接受AP的无线，自身也可发送无线。本次系统设计首要采取的是AP模式，ESP8266模块组都可以直接作为本次设计的无线热点，实现了智能手机或者是笔记本电脑直接和这个模块的无线通信,实现了对整个局域网的无线网络监视。2.7.2ESP8266模块电路原理本次设计无线通信部分采用ESP8266无线串口模块作为数据发送模块。ESP8266模块组这是一款超低频高功耗的基于UART-WiFi的透传通讯模块，功能非常强大，通信产品距离很远，价格低，体积小，方便使用去直接封装嵌入任何通信产品，功能强大内部模块可以自动奔走lwip通信协议，支持AP、STA、AP+STA三种通信模式，简练高效的完成AT指令。ESP8266无线模块工作电压是3.3V，单片机5V电压满足其工作电压要求，而且体积很小，价格非常便宜。在本次设计中用于单片机和手机之间的无线通信，通过WIFI模块，单片机将温湿度和烟雾浓度值发送给手机端，最后显示在APP上。图2.7是ESP8266模块电路图，从这张结构图中我们已经可以清楚地充分看出，2号引脚、4号和8号引脚分别指的是电路接地，1号引脚分别是用于单片控主机中的A10引脚，5号引脚分别是用于单片控主机中的A9引脚。图2.7sim800模块电路2.8温湿度传感器模块电路此次采取的是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器——DHT11温湿度传感器模块，用来可以实现自动检测室内空气温度的异常波动变化。[[]黄修力.基于STC89C52及GSM的家用智慧火灾报警系统设计与实现[J].电子测试,2020(05)25-27.][]黄修力.基于STC89C52及GSM的家用智慧火灾报警系统设计与实现[J].电子测试,2020(05)25-27.DHT11采用单总线双线串行通信协议，采集过程首先是STC32单片机发起开始信号，通过I/O引脚发送给DHT11，之后DHT11反向单片机发送响应，并将采集到的数据按照40位数据帧格式输出，单片机将检测到的数据解析，得出温度和湿度的具体数值，最终显示在液晶屏上。温湿度传感器模块电路图如图2.8所示：图2.8温度传感器电路2.9烟雾传感器模块电路监视信号及其控制的整个报警系统起初都是由烟雾报警器来进行完成。烟雾式传感器的主要功能之一就是进行信号的采集。监测和报警功能的实现主要是通过利用环境中的各种可燃性气体的类型及其含量等“谍报”将其转化成电信号，依照这些可燃性电信号的强弱，才能取得一份与环境中待测气体情况有关"谍报"。而且在整个报警仪器系统中，烟雾传感器自身也是一个不可或缺的核心元件。[[][]谭淑梅.基于单片机的烟雾报警系统的设计与实现[J].大庆师范学院学报,2018,38(06)40-41本次设计中主要采用的传感器就是常见的气敏式烟雾传感器，其工作原理主要为传感器采用了干净的空气中电导率相对较低的二氧化锡，当传感器所在的环境中含有可燃性放射性气体时，传感器的电导率和放射性气体的浓度构成线性化比，通过AD0832数模转换后的控制模块，即可以把信号量转换成一个数字量，输出到相应的单片机，最终将其展现在LCD1602液晶显示屏上。其电路原理框图如图2.9所示：图2.9烟雾传感器电路

第3章软件电路设计3.1软件主程序架构当硬件端设计调试完成后，就要针对单片机和外设传感器进行软件设计。系统设计首先要构思清楚，首先画一个流程图，按照传感器先后顺序，进行系统设计。首先各个硬件开始初始化，之后各个模块开始工作，实时检测温湿度度和烟雾浓度值，并进行相应的报警操作。启动的具体步骤如下是：ESP8266wifi模块自动进行系统初始化，温湿度传感器自动检测当前的室内温度和空气湿度，烟雾浓度传感器自动检测当前的正在烟雾中和浓度，按键自动分别设置当前温湿度和当前正在烟雾中的浓度以及报警器数值的温度上限。当超出温度或湿度或者烟雾报警上限值时，单片机驱动三极管控制蜂鸣器进行报警。整个主流程图如图3.1所示：图3.1系统流程图3.2LCD1602显示流程图 LCD1602液晶显示屏在安装上板通电后，首先对其安装进行了初始自动化的安装操作，屏幕清零，内部存储清空。之后和单片机进行双向通信，单片机可以控制显示屏的亮度和显示内容，延时一定的时间后,将检测得到的温度、湿度和烟雾浓度数值显示在液晶显示屏上。在设置温湿度和烟雾报警值上限时，根据按键操作，实时变换数值。单片机操控写入引脚写入要显示内容的命令。之后显示屏执行指令，将内容显示出来。LCD1602显示流程图如如3.2所示：图3.2LCD1602初始化流程图3.3ESP8266无线通信流程图当ESP8266模块和单片机连接好后，给无线模块供电，按下ESP8266模块的开关，电源指示灯亮起。首先是对串口进行了初始化，这主要是在LCD1602液晶显示屏上直接显示ESP8266INIT，之后由于单片机自动开启总中断，当有信号输出后，进入总中断，然后再自动开启一个串口总中断，当单片机需要接收或者发送数据时，进入一个串口总中断。之后启动定时器1，一定的时间后给出温湿度和烟雾浓度值信息，然后再设置一个串口的工作模式，这里是设置1，最后再给定时器一个设置的初值，整个流程进行完毕。串口的作用是单片机和ESP8266无线模块之间进行通信，将检测到的温湿度和烟雾值发送给手机，并在手机App上实时动态变换。ESP8266无线通信流程图如图3.3所示：图3.3ESP8266无线通信流程图3.4温湿度度检测流程图开启开关电源后，温湿度传感器自动开始工作，采集信号过程首先由一个STM32单片机向每个传感器主机发起一个信号开始采集信号，通过一个I/O引脚向每个传感器发送到一个DHT11温湿度响应传感器，之后由一个dht11温湿度响应传感器反向驱动单片的主机向其发出数据响应，并将每个数据采集过程得到的响应数据按40位的一个数据帧排序格式依次进行顺序输出。温湿度传感器启动后开始工作,把室内空气中的温度经过一定的检测设备,在测量得到一定的温度后,按一定规律地变换为无线电信号或其它所需各种形式的信息进行输出,用以充分满足设计的需求。市场上的温湿度传感器通常为测量温湿度量，常见的大气温湿度度量测定方法主要包括有:各种动态测定法(双流测压法、双流测温法、分流测定法),静态测定法(如高饱和硫酸盐测定法、硫酸法),露点法,和各种形形色色的电子式温度传感器测定法。DHT11温湿度传感器将检测到的温湿度值以数字量的方式输出给单片机，直接得出此时的检测空气中气体温度,之后再将其数字显示在lcd1602的大型液晶数字显示器上。温湿度检测流程图如图3.4所示：图3.4温度检测流程图3.5按键子程序本次设计按键电路功能不多，分别是设置温度、湿度和烟雾浓度报警上限值。单片机的按键具有4个引脚，相同的一侧是连接的，3个按键并联在一起，只要将相同的引脚连接一起即可。按键的工作原理就是对低电平信号的检测，在主程序中，循环执行检测，一旦检测到按键低电平信号，单片机产生信号中断，进入按键子程序中。3个按键分别表示加、减、确定、返回。在不同页面表示不同的功能。分别用3个函数执行不同的操作，注意进行延时操作，防止误差。流程图如下：流程图如3.5所示：设置设置按键是否按下子程序入口返回加减N