多通道智能家居安全监控仪的设计

李兴红 向 茜 杜晓光

成都理工大学工程技术学院

温度和可燃气体浓度作为工业生产、居民生活中最为普遍的要素之一，在社会中承担非常重要的角色。为了实现家居环境中对多房间温度和烟雾浓度的监控，设计了一款以STC89C52RC 作为微控制器，单总线式温度传感器DS18B20 作为多路高精度测温设备，MQ-2 作为可燃气体浓度检测设备，NRF24L01 作为无线信号传输设备，多个房间的温度和烟雾浓度值通过带背光的LM016L 呈现给用户，一旦出现异常同时报警的监控测温仪。该多通道智能数字安全监控仪读数方便，测量监控准确，特别适用于居家等场所。

前言

几乎所有的科研、生产和生活过程都和温度及浓度密切相关，温度检测和浓度检测与控制技术不仅应用于化工、医疗、航空等高科技领域里，而且也应用于人们的日常生活中。如今家庭的经济条件逐步提升，居住空间逐渐扩大，一户多个房间的情况也日益增多，对这些不同空间温度和可燃气体浓度的监控也日益迫切。传统的检测技术和显示系统已经不能满足居家的要求。

传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻的成本低，但需后续信号处理电路，可靠性相对较差，测温准确度低，检测系统也有一定的误差，而且每个空间独立测量和显示，不便于人们的监控，如今这样的温度计已跟不上现代社会的需求，而在国内很多城市的住宅，还没有安装对可燃气体浓度检测的装置。为了实现家居环境中对多点温度和多点可燃气体浓度的监控，这里设计了一款可以将多个房间（8 个房间：编号#1～#8）的温度和烟雾浓度状况通过任何房间的带背光的液晶屏呈现给用户，一旦出现异常启动报警的安全监控仪。

系统方案及硬件设计

安全监控仪的结构框图如图1 所示，模拟温度值经过DS18B20 处理后转换为数字量，可燃气体浓度值经MQ-2 检测后通过ADC0809 转换成数字量，其温度值和烟雾浓度级别两个信息全部送到单片机中进行数据处理，并带背光的LM016L 显示。当任意一个房间的参数出现异常，系统自动启动声光报警装置，同时每户居民的数据通过无线收发模块NRF24L01 发送给小区监控的无线接收模块NRF24L01，并将信息传输到单片机中进行处理。

系统核心控制器

图1 安全监控仪结构框图

系统中采用两片增强型8051 单片机STC89C52RC作为系统核心控制器，该芯片集成度高、体积小、可靠性高，利用每户居民的单片机的P1.1 连接DS18B20，并通过I2C 总线读取DS18B20 的串行数据及经过AD 转换后的MQ-2 的浓度值，同时通过单片机的P0 口将读取的数据送给带背光的LM016L 设备，测量数据的同时还监控数据，当读取的超过系统设定范围，由P3.0 和P3.1 口发出报警控制信号，而无线信号发送和接收由单片机的P2 口进行SPI 的时序模拟来完成。

温度检测电路

温度传感器是数字测温仪中不可缺少的部件，根据技术指标的要求，选用单总线式温度传感器DS18B20，它可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数，所以在一条总线上可挂接任意多个DS18B20 芯片，本系统外接8 个DS18B20 预计测量每户居民8 个房间的温度值，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。

烟雾检测电路

烟雾检测报警器作为的信号采集部分，是系统的核心组成部分之一。本系统采用MQ-2 型电阻式半导体传感器采集烟雾信息，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机的P0 口，进而由其完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

无线收发电路

图2 主程序流程图

图3 nRF24L01 发射部分程序流程图

图4 nRF24L01 无线接收部分主程序流程图

为了使温度和烟雾浓度等级信号能够更加便捷的传输给小区监控端，系统选用无线信号传输模块NRF24L01完成无线信号传输功能。单片机与NRF24L01 连接时，通过LM1117 使单片机输出的5V 转换成NRF24L01 的电源电压3.3V，而P2 口作为数据端口可以通过在每个数据口加一个10K 的下拉电阻，这样就完成CPU 和无线发送模块NRF24L01 之间的电源电压和数据电压之间的转换，而无线接收模块与小区监控的CPU 之间无需电源电压的转换。

报警及显示电路

系统采用经过三极管9013 驱动的蜂鸣器及发光二极管进行声光报警，而声光报警电路的工作状态由单片机的P3.0 和P3.1 口控制。

安全监控仪的所测得的温度值和烟雾浓度级别两个信息由单片机的PO口输出，并通过带背光的LM016L显示，带背光方便用户在夜间或光线不好的状况下清晰读取显示信息。

系统软件设计

任何智能集成硬件电路的实现还需要其灵魂，即软件电路，本系统通过C语言编程实现对硬件电路系统的控制。

主程序流程图如图2 所示，单片机对传感器检测的烟雾浓度信号进行A/D 转换、平均值法滤波、线性化处理后，将浓度值连同测量的温度值与报警限设定值相比较，再判断是否需要报警，同时送入液晶显示器显示烟雾浓度值和测量温度。主程序中还包括按键功能设置，中断子程序等，使报警器功能更加完善，给用户带来便利。

nRF24L01 发射部分程序流程图如图3 所示，在nRF24L01 无线发射部分主程序中，首先进行初始化操作，通过配置模式对nRF24L01 进行设置，主要包括：发送的数据宽度、地址宽度、发送数据的地址以及CRC技术和常用配置等。待初始化完成后，将nRF24L01设置为发射模式，进行发射数据。随后查看状态寄存器TX_DS 是否为1，最后程序返回准备下一次发射。

nRF24L01无线接收部分主程序流程图如图4所示，在nRF24L01 无线接收部分主程序中，首先进行初始化操作，将nRF24L01 设置为接收模式，并通过配置模式对nRF24L01 进行设置，主要包括：接收的数据宽度、地址宽度、接收数据的地址以及CRC 技术和常用配置等，待初始化完成后，延时等待数据包的到来。查看状态寄存器RX_DR 是否为1，然后返回继续等待接收数据。

实验结果

本系统的多通道智能家居安全监控仪由信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成，充分利用了单片机的高速数据处理能力和丰富的片内外设，可以同时进行8 通道的烟雾检测、温度检测、两类数据的显示及危险信号的报警，实现了仪器的小型化和智能化。

结语

智能家居安全监控仪可保障与百姓生活密切相关的安全，避免火灾、爆炸事故以及煤气中毒的发生，是防火、防爆和安全生活所必备的监控仪。该监控仪在四川乐山某高档小区试用期间，其结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点受到小区居民的一致好评，因此，本监控仪具有广阔的市场空间与发展前景。