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第2章 总体设计方案

2.1基于STM32的家居安防系统设计
2.1.1系统功能需求
（1）温湿度检测功能
家居环境温湿度是直接影响居住环境舒适度的一个重要因素，冬天人体适宜温湿度为：温度18℃_{25℃，湿度30%}80%;夏天人体适宜温湿度为：温度23℃_{28℃，湿度30%}60%。本系统为确保家居环境的温湿度温湿度情况满足人体适宜温湿度的需要，提高居住环境的舒适性，必须配备温湿度检测功能，通过温湿度传感器，检测家居温湿度情况。
（2）气体检测功能
家居环境中的有害气体问题不可忽视，厨房的煤气泄漏如果不被及时发现，会严重威胁到住户的人身安全甚至酿成惨剧，住所的甲醛的释放周期长，如果不做深层除醛，房屋内的甲醛释放周期可以达到10年，人体长期处于甲醛环境中容易诱发疾病，因此，本系统需要配置气体检测功能，控制器通过气体传感器实时采集家居环境气体浓度，将采集到的数据与系统程序设定的域值参数进行对比分析，若实时检测的数据超过域值，则系统迅速做出响应。
（3）火灾烟雾检测功能
火灾防范是家居安全防范无法避开的重点。火灾对于一个家庭甚至社会带来的危害是巨大，轻则造成财产损失，重则造成重大的人员伤亡。火灾发生的原因是多样化的，但在火灾的初期一般会有一个普遍且明显的特征，即环境烟雾浓度的不断升高。因此，火灾烟雾检测是家居安防系统必不可少的模块。控制器可以通过烟雾传感器实时采集家居环境烟雾浓度，将采集到的数据与系统程序设定的域值参数进行对比分析，若实时检测的数据超过域值，则系统迅速做出响应。
（4）远程监测和控制功能
在互联网发展依旧迅猛，移动端设备蓬勃向上的当下，人们想要远程监控，以随时查看居家环境状况的需求也越发强烈。控制系统将采集到的家居环境数据实时上传到指定的云服务器，并通过手机APP实现人机交互。
2.1.2系统组成与总体流程
基于STM32的家居安防系统分为硬件和软件两部分。硬件由核心传感器模块和其他外设模块组成，主要通过不同功能的传感器采集周围环境数据，可用到传感器有DHT11温湿度传感器，烟雾传感器GP2Y1051AU0F，MS1100甲醛传感器，其他外设模块有蜂鸣器，TFT-LCD液晶显示屏，按键模块和WiFi串口模块；软件由环境检测和无线报警模块和显示模块组成，主要检测传感器采集到的数据，若为异常信号则传输高电平，启动蜂鸣器并触动报警机制，执行预先设定好的应对方案，若为正常信号则将数据正常显示出来。

图2.1 系统组成
第3章 系统硬件设计
3.1主要模块的选用方案和功能指标
3.1.1主控制器模块
本文选用STM32F103C8T6为本系统的核心操控芯片，STM32F103C8T6芯片。该芯片是由意法半导体（ST）公司推出的微控制器，是基于Cortex-M3内核的32位微型控制器。该芯片工作的电压是2V~3.6V，工作温度是零下40摄氏度到85摄氏度之间。STM32的主要优点有：
（1）内核利用了架构优化性较好的Cortex-M3
（2） 实时性能表现非常出色
（3） 功耗水平非常优秀
（4） 外设美观符合时代审美
（5） 提供了高度的集成性能
（6） 开发便捷化，能够迅速商用并形成一定生产规模
因此多项目同平台这种目前较为常见的开发场景与模式，STM32具有极高的适用性，通常只要具备少量闪存和管脚就能够通过平台拓展与集成性能扩大到更多存储与管脚；原本利用要求更好的性能表现，而现在却只需要提供充足的电池供电；从原来的经济性较差且结构与性能都较为简单，进化到高端应用；同时全系列管脚都能够实现兼容利用，此外外设及软件等也提供了更高的兼容可能性，使得该芯片灵活度极高，不需要进行原始框架等进行针对性调整与重新编译，就能够实现应用优化，让其存储空间变化更为灵活，同时封装规格也可以进行调整或改变。
STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图如下图所示。
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图3.1 STM32单片机核心板接口原理图
STM32单片机实物图如下图所示。

图3.2 STM32单片机核心板实物图

第4章 系统软件设计

4.1 设计所需软件
4.1.1编程软件
本次方案设计中对于编程软件选择，考虑到单片机兼容等问题，确定为Keil，该软件是当前市面上一种基于C语言的，同时又能够适用单片机开发环境的一种开发系统，其由于利用的是C语言，因此具有突出的结构性优势，在可读与维护等方面都具有更大发展空间，且掌握难度较低，Keil包括了一个完成开发环境，里面有C编译器、库管理、仿真调试器等内容，几乎覆盖了所有开发的主流功能需求，基于一个集成开发平台，将这些复杂且多样的组件都联系起来。keil能够适应各种操作系统，如各个版本windows和NT等等，因此如果开发是基于C语言，那么几乎没有比Keil更合适的。其优点如下：
（1）支持市面上主流操作系统，库函数非常多样几乎能够满足所有基本开发需求，提供了具有强大拓展性的开发工具。
（2）支持整套开发流程，从编辑到调试等。

4.1.2画图软件
本文设计中运用Altium Designer软件绘制了各模块的电路图。该软件推出者是Altium公司，主要操作系统更为适合win环境，具有高度集成性，能够实现原理图设计、自动布线、电路仿真等等功能，主要功能有原理图设计、印刷电路板设计、嵌入式开发、3D PCB设计、封装库设计。
本文方案在绘图过程中还利用了Microsoft Visio，其是windowsi系统自带的一个绘图软件，该软件操作简单、使用方便，且门槛低，本文流程图绘制主要就是通过该软件完成。

4.2环境检测与报警
4.2.1 DHT11
温湿度传感器连接MCU的I/O口为PA4口。首先初始化I/O口参数；初始化之后读取8bit的温度整数数数据、温度小数数据、湿度整数数据、湿度小数数据，若输入为低电平则进入下一位数据接收，若不为低电平则继续读取8bit数据；之后读取传感器内部得到的温度和湿度值的40bit数据，若先前读取的4组8bit数据之和与温度和湿度值之和相等则读取成功，否则为读取失败，失败则再次读取直到成功为止，读取成后进入下一步；最后得到温度和湿度值。其程序流程如下图所示：

图4.1 DHT11模块流程图
第5章 系统实现与测试
5.1传感器的安装与环境检测
在完成整体设计后，整个系统外观如下图所示

图5.1 DHT11系统外观图
5.1.3烟雾传感器实测
GP2Y1051AU0F传感器对PM2.5颗粒非常敏感，可以将纸巾点燃，释放出烟雾，模拟火灾初期的状态，将PM2.5的阈值设定为100；若实时采集到的数据超出阈值，则LCD显示屏上的PM2.5数值标红，蜂鸣器报警启动，显示状态“开”。如下图所示：

图5.3 烟雾传感器实测图
APP与无线模块相连后的实时界面如下图所示：

图5.6 APP界面
在APP上能实现硬件上的所有功能，达到远程监控的目的。

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