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一、摘要

能系统成为了人们的日常生活中的新选择。然而现代化的生活方式也注定了新的智能安防系统已经渐渐出现，为了加强家庭环境安全系数的智能安防系统。本文设计了一种基于STM32的家庭智能安防系统，方便人们家中常用。
本文首先对家庭安防系统在国内外的发展状况进行了比较，明确了本研究的主要内容和设计指标。本文提出了基于STM32的嵌入式系统，采用OV2640摄像头对实时家庭环境进行实时监控，采用火焰传感器、MQ-2烟雾传感器、红外传感器模块实现了实时烟雾浓度，可燃性气体浓度采集并显示、火焰检测、红外检测的功能，其次结合APP的设计实现远程显示监控出现异常报警提醒的功能。
本文通过阐明对家庭智能安防系统的硬件构成、软件设计、测试方案设计等，并自主搭建了系统的测试平台。测试结果表明：手机App可以远程获取摄像头采集的视频监控信息，接收室内传感器采集的各种信息，有异常情况可以实现报警提醒。经过测试系统的一系列测试，顺利的验证了本文基于STM32的多功能家庭智能安防系统设计的可行性和安全性。

二、研究内容

本文主要研究了在基于STM32单片机上实现了多功能家庭智能安防系统设计，以STM32芯片为基础，主要设计了传感器采集数据模块、WIFI物联网通信模块、视频监控模块等。该设计总体目标是采用STM32驱动ESP8266控制通过传感器采集所需要的环境数据，经网络将MCU采集到的数据上传到云端服务器，家庭人员能够通过手机APP端实时监测家庭内部环境状况以及实时视频监控图像。MCU能够及时的感知到家庭内部的安防预警信息，并进行声光报警以及在用户APP的安防消息接收窗口能够及时的收到突发的预警消息。形成一个实时性好、部署简单、低成本的家庭安防与环境监测系统。整体实现了随时警惕人们居家环境是否异常，有效保护家庭环境安全的功能。
本文基于嵌入式系统、传感器实时检测、物联网远程通讯等理论基础对基于STM32的多功能家庭智能安防系统设计展开研究，本文主要是以STM32F103芯片为基础，主要研究了传感器采集数据模块、WIFI物联网通信模块、视频监控模块等。从而实现下列功能:
(1)通过火焰传感器监测家中是否有明火危险。
(2)通过人体红外传感器进行人体红外检测。
(3)通过烟雾传感器监测家中烟雾情况。
(4)通过ESP8266WIFI模块MQTT协议连接物联网平台将接收到的监测数据发送至云平台，然后云平台将接收到的各种实时数据显示在物主手机上，实时警惕并且有异常情况发出警报，并且告知相关人员以达到防范目的。
(5)通过摄像头视频监控模块拍摄实景显示在物主特制APP屏幕上观测家中是否有异常情况，并且判断家中发生异常情况是否发生错误报警等。

三、系统硬件设计

本文设计的基于STM32的多功能家庭智能安防系统硬件部分主要完成实时数据采集、实时数据显示、实时摄像监控的功能，主要有传感器采集采集模块、视频摄像监控模块、OLED显示模块，其设计方案框图如2-3所示。

图2-3 基于STM32的多功能家庭智能安防系统硬件方案设计框图
本文选用的硬件模块各部分应该具有处理能力强、可编程性强、成本低以及可外接摄像头的功能，对比多个系列的处理器性能、功耗和成本，考虑到社会、健康、安全、法律、文化及环境等多种因素的影响，最终本文选择基于STM32F103为主控的开发平台。该器件价格实惠，是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，频率为72MHz。包括多个UART、SPI、I2C接口以及USB2.0全速设备接口。12位ADC，转换速率为1Msps。需要电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C。STM32F103C8T6具有强大的处理能力和丰富的外设资源，可以广泛应用于各种嵌入式系统中，如智能家居、工业自动化、机器人控制等领域[41]。同时，该芯片也有相对较低的价格和易于开发的特点，备受广大用户的喜爱和推崇。符合本次系统的设计要求以及成本预算。
(1)火焰传感器模块：该模块可用于检测火焰或波长为760nm至1100nm的光源。在打火机测试中，该模块可以测出火焰距离为80cm。当火焰越大时，测试距离也会相应增加。此外，该模块的探测角度约为60度，对火焰光谱特别敏感。其工作电压在3.3V至5V之间，可输出数字开关量和模拟电压[42]。此外，小板输出接口可直接连接至单片机IO口。各综合数据功能良好符合本次设计的要求。
(2)烟雾传感器模块需要实现用户所处环境的实时烟雾浓度、可燃性气体浓度的采集功能，本文采用MQ-2烟雾传感器获取环境中的烟雾浓度和可燃性气体浓度数据。经过查阅得到这种传感器对可燃性气体的浓度变化具有极其高的敏感度，尤其是对烷类烟雾浓度变化更为敏感，同时具有非常出色的抗干扰能力，这样以来就能够准确排除有刺激性但非可燃性的烟雾干扰信息。其检测范围可达100-10000ppm，适用于可燃气体和烟雾的检测。符合本次系统设计的功能定义。
(3)人体红外传感器模块主要配合视频监控实现检测家中异常情况，是否有陌生人闯入的功能。人体红外传感器是一种能够检测人或动物身体所发射的红外线，并通过输出电信号进行反馈的传感器。该传感器的工作电压为3～5V，静态电流为50μA，工作温度范围为0℃～＋70℃，电平输出为4V，感应角度为110度，感应距离为7米。它主要应用于红外线防盗报警器、高速公路车辆车流计数器、公共安防等场景中[43-44]，具有稳定性高、准确度高等优点。
(4)ESP8266是一种高性能的WIFI串口模块，内部集成了MCU，可以实现单片机之间的串口通信。它是目前使用最广泛的WIFI模块之一，支持单AP模式、单STA模式和混合模式（可以在两种模式之间切换）。在AP模式下，ESP8266可以产生热点，提供无线接入服务，允许其他无线设备连接并提供数据访问。一般的无线路由器/网桥工作在该模式下，对应TCP传输协议中的服务端（TCP Server）。在STA模式下，ESP8266作为连接到无线网络的终端（站点），可以连接到AP。一般的无线网卡工作在该模式下，对应TCP传输协议中的客户端（TCP Client）。简单的说，当ESP8266处于AP模式下，那么就可以将ESP8266作为热点，让其他设备连接上它；当处于STA模式时，就可以连接上当前环境下的WIFI热点。透传（透明传输）指的是不需要关心WIFI协议的实现方式，只需要通过串口发送和接收数据。ESP8266主要负责将传感器数据上传云端，并返回显示的功能。
(5)ESP-CAM模块主要实现远程实时摄像监控的功能，安信可公司推出的最新的ESP32-CAM摄像头模块，它是一款小型化的模组，可独立工作，并仅占据2740.54.5mm的空间，深度睡眠电流可低至6mA。该模块广泛适用于各种物联网场景，例如家庭智能设备、工业无线控制、无线监控、无线QR识别、定位系统和其他物联网应用。作为物联网应用的解决方案，ESP32-CAM采用低功耗双核32位CPU，主频率高达240MHz，运算能力达到600 DMIPS；内置520 KB SRAM和外置8MB PSRAM；还支持众多接口，例如UART、SPI、I2C、PWM、ADC和DAC，同时也支持OV2640和OV7670摄像头，以及内置闪光灯，并支持图片WiFI上传等功能。完全符合本次基于STM32的多功能家庭智能安防系统的设计要求。

四、效果图

五 、目录

目 录
摘 要 1
ABSTRACT 2
目 录 4
第1章 绪论 6
1.1 研究背景及意义 6
1.2 国内外研究现状 7
1.2.1国外研究现状 7
1.2.2国内研究现状 8
1.3 论文主要研究内容与章节安排 9
第2章 家庭智能安防系统的功能与参数指标及总体方案设计 11
2.1 家庭智能安防系统的功能定义与参数指标 11
2.2 多功能家庭智能安防系统的总体方案设计 12
2.2.1硬件方案设计 13
2.2.2软件方案设计 15
2.2.3测试方案设计 18
2.3 本章小结 18
第3章 多功能家庭智能安防系统硬件构成 19
3.1 多功能家庭智能安防系统硬件概述 19
3.2 多功能家庭智能安防系统硬件电路 20
3.2.1 STM32F103C8T6芯片的GPIO扩展接口电路 20
3.2.2 STM32F103C8T6与系统其它子模块的硬件电路连接 21
3.3 系统硬件电路搭建与实物展示 26
3.4 本章小结 27
第4章 多功能家庭智能安防系统软件设计 28
4.1 家庭智能安防系统软件设计概述 28
4.2 多功能家庭智能安防系统软件程序设计 29
4.2.1主程序设计 29
4.2.2硬件驱动程序设计 30
4.2.3实时视频监控系统程序设计 35
4.2.4 APP用户端程序设计 38
4.3 本章小结 40
第5章 多功能家庭智能安防系统测试 41
5.1 测试目的与内容 41
5.2 测试过程与结果 41
5.2.1 MQ-2烟雾传感器模块测试 41
5.2.2火焰传感器模块测试 44
5.2.3红外检测模块测试 46
5.2.4摄像监控模块测试 48
5.2.5系统各模块综合测试 49
5.3 本章小结 50
第6章 总结与展望 51
6.1 总结 51
6.2 展望 51
参考文献 54
致 谢 59
诚信声明 61