基于STC89C52 的智能家庭安防报警系统设计与研究

杨磊，张凤霞

（江西软件职业技术大学，江西南昌，330000）

随着国民经济的飞速发展，人口流动性逐渐增大，居住安全问题已成为社会热点问题。居住安全来自各个方面，除人身与财产安全，室内空气质量同样也关乎生命安全。因此，防止外来人员非法入侵，防止有害气体泄漏等是各家庭均较为关注的安全防范问题。目前多数安防系统是作为独立单元出现，仅有空气质量监测或单一报警功能，并未发展成全面化的智能家居产品。STC89C52 是一款低功耗、高性能的51 内核的CMOS 8 位单片机，具有在线编程功能，无需像传统单片机的VPP 编程高压，使用简单且价格低廉[1]。鉴于此，为了保障居住安全，设计出一种基于STC89C52 单片机的智能家庭安防报警系统，该系统不仅有传统意义上的防止入侵功能，还可兼顾有害气体检测与火焰监控。当出现问题时，传感器感应后及时将测量信息反馈给单片机，判定后即刻开启报警，同时通过APP 将信息发送至用户移动端，能够为人们提供更为安全的保障。

1 结构设计

基于STC89C52 的智能家庭安防报警系统由防盗报警与远程控制两部分组成，是一款功能多样的安防系统。防盗报警由核心控制单元与传感器构成，KDS209 负责感知室外是否有异常活动并识别室内气体，这些信息实时传输至单片机进行数值分析，当数值超出阈值时，单片机传递指令利用无线传输技术快速报警。远程传输使用通讯模块，当系统进入报警程序时，单片机向该模块发送指令，该模块将预设好的信息发送至APP 进行报警。用户也可通过APP 向该模块发送信息，控制室内电器开闭。本系统整体结构如图1 所示。

图1 系统整体结构

2 硬件设计

基于STC89C52 的智能家庭安防报警系统硬件主要包括主控模块、传感器模块、转换模块、GSM 模块、报警模块，实现了防火、防盗以及远程报警的功能。

2.1 主控模块

单片机既是接收智能防护报警系统传感器信息的核心部位，也是将所收集到的信息与预设值进行比较评判是否发出报警信息的判断模块。系统主控选用STC89C52 单片机，其是一种低功耗、高性能的CMOS8 位单片机，使用简单且价格低廉。为保证系统的运转效率与效果，单片机选择时应强化对数据运算速度的关注，确保能够及时发现系统故障，并在快速反应后报警处理。在单芯片上，STC89C52 拥有良好的CPU 与在线编程功能，使其能够为诸多嵌入式控制系统提供更为高效的解决方案[2]。图2 为本系统中STC89C52单片机管脚电路图。

2.2 传感模块

传感器用于检测收集室内外的环境信息，并将信息发送至STC89C52，确保单片机将信息与预设值比较后给出是否报警的反馈，以便信息处理与系统功能的实现[3]。本系统选用传感器KDS209，具有反应迅速、灵敏度高、电路设置简单等优点。如图3 所示，通过电压比较器TLV2702ID 运转，比较管脚运行电压。当管脚2 大于管脚3 时，管脚1 输出低电平；当管脚2 小于管脚3 时，管脚1 输出高电平，从而实现传感器内部电压的匹配。当温度增加时，传感器电阻值减小，管脚2 输出电压值增大，管脚1 输出低电平，系统某端口输出高电压，控制蜂鸣器发出报警声，同时发送到APP 报警信息。

图3 KDS209 电路设计

2.3 转换模块

在系统运行过程中，因传感器检测到的数据信息在输出时以模拟信号输出，单片机中转系统无法对其直接处理，所以需要转换器进行转换。在该过程中，系统使用传感器类型多样，不同传感器运行电压参考值也存在差异，所以不可选择多通道对转换器统一处理，也就需选择对应传感器数量的单通道转换芯片进行模拟信号与数字信号的转换。此时，传感器检测收集到的模拟信号从一侧端口输入，处理后的数字信号从其他端口输出，同时传至单片机。

2.4 GSM 模块

GMS 模块选用GU900 模块，该模块接口丰富、功能完善，适用于智能家居、智能监控等众多领域，可满足系统工作需求。图4 为GU900 模块的电路设计，管脚1 连接LED 灯D，用于指示GSM 模块的工作状态。管脚3、4 分别与单片机相连，用于传输报警数据。

图4 GU900 模块电路图

2.5 报警模块

选用蜂鸣器与LED 灯进行报警，当空间存在非法进入、烟雾、有害气体时，蜂鸣器与LED 灯根据GMS 模块所接收到的信息参数，比较系统预设值后，向报警系统输出信号，报警系统接收后立刻进行声光报警[4]。

3 软件设计

在硬件设计的基础上，对系统进行软件设计。软件设计采用流程化设计，由信息整合、分类处理、信息定位、特征检测以及安全检测等主程序组成，具体设计如图5 所示。

图5 软件设计流程

3.1 信息整合

首先需要做好信息整合，该步骤的目的在于将室内外信息按照一定标准显示到系统中。整合前，应对室内外信息进行归一处理，并将其存储于系统内，可用公式表示为：

在公式中，δ表示信息整合参数，表示归一因子，Bmin表示室外信息特征，Rmax表示室内信息特征。基于此，对室内外信息进行定义，设置信息表（如表1 所示），以此提高响应效率，为信息分类提供依据。

表1 室内外信息表

3.2 分类处理

因收集到的信息类型较为多样，所以在管理任务前对原始信息进行分类处理，确定分类主题并构建分类器。分类器运行原理为KNN 算法，以室内气体信息为例，经收集、过滤以及处理之后，将数据导入分类器中，设定输入数据集为a，a1，a2均为函数序列，并设置期望输出值b，在约束条件下求解最优权重β，将待分类的数据信息代入到如下公式：

将计算结果与分类阈值进行比较，从而确定室内气体信息收集信息的属类。

3.3 信息定位

在分类处理的基础上进行信息检索，实现智能安防管理。因系统具有海量数据，其中也包括诸多数据交换，在定位中会消耗大量资源，所以利用GMS 模块进行信息定位。信息定位包括清理与规范，首先对信息进行清理，可用公式表示为：

在公式中，P为定位流程，f表示信息维度，i表示规范特征，λ表示清理因子。通过计算，对异常或重复数据进行清理。由于在数据挖掘过程中涉及的数据源较多，且格式存在差异，所以对分类后的信息进行规范化处理，可用公式表示为：

在公式中，h表示处理参数，β表示规范因子，t表示信息类型，d表示不确定内容，x表示变化参数。在规范后剔除列中值，减少空值、冗值等情况。

3.4 特征检测

家庭安防信息管理提取了多尺度结构信息，同时根据使用效果需求检测显示边缘结构特征。通过重构方法重新构建显示传达，从而提升界面表达能力。将远程传输引入到特征检测中可得出：

在公式中，If表示界面特征，x1与x2分别表示适应函数，通过上述处理有效提升了表达效果。在远程传输APP的基础上，得到适应函数，同时通过形状检测出界面特征。

3.5 安全检测

安全检测的作用是对新引入系统的各类安防信息进行分析，通过预先识别清除潜在风险信息。在该项目中，基于KNN 算法对信息安全状态IS进行评估，具体可通过如下公式加以实现：

在公式中，I1、I2分别表示路径延迟与延迟变化两个变量。系统会自动设置安全阈值，并将计算结果与阈值进行对比，如果结果高于阈值，那么表明不存在危险因素，反之则存在危险因素，并根据相应信息对其处理。根据上述过程，完成软件设计，从而使安防信息更为准确。

4 仿真与实物测试

4.1 防止入侵

当传感器检测到辐射信号时，传感器OUT 端口电平出现负跳变，触发单片机外部中断，LED 灯闪烁3s。单片机检测到中断后的报警信息，LED 灯亮起，单片机发送指令控制报警模块发送报警信息。系统发送信息：“已进入警戒范围！”到APP，LED 灯熄灭，信息发送后蜂鸣器开始发出报警声。此时按下报警停止键，蜂鸣器报警关闭。当再次按下布防（撤防）键，LED 等闪烁4s，系统开始撤防。

4.2 有害气体检测

如果选择高低电平，输出信号可接I/O 口，电位器在此用于调控输出电平跳变阈值。如果选择模拟量输出，直接转换输入端即可。根据测试数据，正常没有特殊气体的环境，设定传感器输出电压为参考电压值，此时端口电压在1V 左右，当传感器检测到特殊气体时，电压每升高0.1V 浓度便增加200ppm，根据该参数就可在单片机中将测得的模拟电压转化为相应浓度。特殊气体传感器发热属于正常现象，其内部的电热丝在工作时会发出热量。由图6 可知，气体检测误差较小，浓度会随时间推移而上下波动，并最终减小到一定数值范围。

图6 传感器测算数据

4.3 火焰监控

收集20 组不同数据取均值，经火焰闪烁分析，可知5mµ波长能够较好识别红外线，所以先将5mµ主探测通道收集并处理后的数据均值记为x，数据特征为Q1。再取2段与5mµ相似的波长，并对数据进行滤波，得出均值x1、x2，数据特征表示为Q2、Q3。随后进行火焰闪烁分析，设定临界值p，将收集到的数据y依次与p进行比较，如果y＞p，给出高电平信号，反之给出低电平信号。火焰识别阈值为q1、q2、q3。当传感器发出报警信号的条件分别是Q1＞q1,Q2＞q2，Q3＞q3，只有满足全部条件时方可判断报警信号，这样能够有效降低误报率。表2 为具体测试结果，10 组没有火焰的情况下，未出现报警9 次；10 组有火焰的情况下，提示报警10 次，可知本系统的实用性较为良好。

表2 火焰识别比较

5 结语

综上所述，基于STC89C52 的智能家庭安防报警系统将嵌入式技术与物联网相结合，实现了系统设计初的自动检测是否有人入侵、自动检测是否存在有害气体泄漏、自动检测是否存在火源、出现问题时报警后自动通过APP 向用户发送信息的功能，能够在意外发生后第一时间通知用户，从而将损失降至最低。本系统利用STC89C52 单片机作为主控器，传感器采用KDS209，报警器采用蜂鸣器与LED 灯组合，无需过多外围电路，对复杂环境有着良好的应用效果。系统自身具有远程通信功能，配合设计的低耗电路，可实现居住环境24h 不间断防护。通过仿真与实物验证，本系统运行稳定、监控及时有效、操作便捷性价比较高，基本实现了对居住空间的实时检测，为智能家居提供了有力支撑。