一、系統(tǒng)需求分析和總體設計??
1.1 系統(tǒng)功能需求分析
（1）使用ESP8266連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⑷梭w紅外感應傳感器、超聲波測距傳感器，對家庭環(huán)境進行實時采集，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示到屏幕上。
（2）ESP8266能夠與云端建立連接，可以將數(shù)據(jù)實時上傳到云端。
（3）能夠?qū)ΡO(jiān)測到的家庭環(huán)境異常信息及時快速的做出本地聲光報警，對周邊人們發(fā)出警示，并且能夠在手機微信上的專門窗口遠程的接收到家中實時報警信息。
（4）用戶不用在家就能通過微信小程序端查看家庭中實時的環(huán)境狀況以及門外視頻監(jiān)控的實時畫面。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設計
系統(tǒng)整體架構(gòu)圖：
系統(tǒng)功能框圖：
????該系統(tǒng)的總體目標是采用ESP8266-NodeMCU控制核心通過傳感器采集所需要的環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡將MCU采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端服務器，家庭人員能夠通過微信小程序端實時監(jiān)測家庭內(nèi)部環(huán)境狀況以及門外實時視頻監(jiān)控圖像。MCU能夠及時的感知到家庭內(nèi)部的安防預警信息，并進行聲光報警以及在用戶微信的安防消息接收窗口能夠及時的收到突發(fā)的預警消息。形成一個實時性好、部署簡單、低成本的家庭安防與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)的硬件設計??
2.1系統(tǒng)硬件總體設計
????在本系統(tǒng)中的硬件部分主要包括兩大部分，一是數(shù)據(jù)采集部分，二是家庭安防部分。其中數(shù)據(jù)采集是本次系統(tǒng)中很重要的部分，它的主要作用是為了采集環(huán)境中環(huán)境參數(shù)；家庭安防部分，該部分主要作用是對家庭的一些危險狀況進行報警以及家庭門外視頻監(jiān)控的遠程查看。
????數(shù)據(jù)采集模塊主要是是對家庭當中的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，采集的數(shù)據(jù)主要包括溫濕度、可燃氣煙霧濃度、房門與超聲波測距傳感器距離、火焰、人體紅外，可以對家庭環(huán)境的安全狀況進行實時的監(jiān)測。整個硬件的控制核心是ESP8266控制器，由于ESP8266本身就兼具數(shù)據(jù)處理和WiFi無線功能，所以ESP8266連接WiFi后能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行實時上傳到云端。
????家庭安防模塊中通過蜂鳴器和LED燈這兩個硬件進行本地聲光報警，還通過微信通知的方式進行報警消息的實時推送；實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控的硬件是ESP32-CAM模塊，該模塊包括一個OV2640攝像頭，在整個系統(tǒng)中并沒有和ESP8266開發(fā)板有硬件上的直接連接，僅ESP32-CAM開發(fā)板和一個攝像頭模組就構(gòu)成了遠程監(jiān)控的硬件部分。
????在硬件設計中還包括了一個OLED顯示屏，該顯示屏主要是為了對采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)和部分報警信息進行顯示。家庭安防與環(huán)境監(jiān)測的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示。
2.2 主控芯片的選型及介紹
????本系統(tǒng)的控制核心是ESP8266芯片，為了開發(fā)方便，使用ESP8266-NodeMCU開發(fā)板作為系統(tǒng)的控制板，系統(tǒng)中還使用了ESP32-CAM模塊作為遠程監(jiān)控的攝像頭模組，ESP32-CAM模塊的核心是ESP32芯片。其中ESP8266-NodeMCU負責家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與上傳、聲光報警和OLED屏幕顯示，ESP32-CAM開發(fā)板主要負責遠程監(jiān)控功能的實現(xiàn)。
2.2.1 ESP8266-NodeMCU開發(fā)板
????ESP8266-NodeMCU開發(fā)板的主控芯片是ESP8266。它是32位的微型MCU，并帶有16位精簡模式，主頻支持80 MHz和160MHz，集成了WiFi功能。
????ESP8266處理器加上WiFi天線等組成了ESP12-F WiFi模塊，ESP8266-NodeMCU開發(fā)板就是在ESP12-F WiFi模塊基礎上進行擴展的。ESP8266可通過GPIO口連接傳感器及其他應用的特定設備，這依賴于其強大的存儲能力和片上處理能力，大大地降低了前期開發(fā)的成本。ESP-12F WiFi模塊的原理圖如圖 4 所示：
????ESP8266-NodeMCU是一個開源的IoT物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，由于它支持WIFI功能且與Arduino開發(fā)板的使用方法非常類似，可以直接使用Arduino IDE軟件進行開發(fā)，大大簡化了開發(fā)流程。本次課題設計從大的方面來說是一個物聯(lián)網(wǎng)的項目，使用ESP8266-NodeMCU開發(fā)板的成本不高，比樹莓派以及Arduino家族的IoT平臺等更具優(yōu)勢。
ESP8266-NodeMCU引腳圖：
2.2.2 ESP32-CAM模塊
????由于攝像頭的數(shù)據(jù)流超出了ESP8266微控制器的運算能力，所以本系統(tǒng)的視頻監(jiān)控功能采用ESP32-CAM模塊來完成。該模塊是安信可公司推出的小型攝像頭模組。
ESP32-CAM主要特性：
- 采用32位低功耗雙核CPU
- 主頻最高能夠達到240MHz，運算能力最高能夠達到600 DMIPS
- 外置有8MB PSRAM，內(nèi)置有520KB SRAM
- 支持的接口類型有SPI/UART/PWM/ADC/I2C/DAC
- 支持的攝像頭類型有OV2640和OV7670
- 支持TF卡
- 支持STA/AP/STA+AP工作模式
- 支持Smart Config/AirKiss一鍵配網(wǎng)，等等…
2.3 傳感器選型及控制介紹
2.3.1 溫濕度傳感器
方案一：
????選擇DS18B20溫度傳感器，體積較小，在空間狹小的的設備中有較多應用。微處理器與DS18B20溫度傳感器可實現(xiàn)雙向通訊且傳感器與MCU連接時僅需要一條IO線，測量結(jié)果以9-12為數(shù)字量方式串行傳送。但由于它只能檢測溫度，功能單一，所以不采用此方案。
方案二：
????選擇DHT11傳感器，該傳感器是一款已校準數(shù)字信號輸出的傳感器，只占用一個IO口，方便編程，重要的是節(jié)省MCU的IO資源。DHT11內(nèi)部有電阻式感濕元件和NTC測溫元件，結(jié)合溫濕度傳感技術(shù)和專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)，使其可靠性與穩(wěn)定性得到大大的提高，它對測量數(shù)據(jù)已經(jīng)進行了完全校準，可以直接數(shù)字輸出。自身的4個引腳即可實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸而無需額外的部件連接，還有功耗低、性價比高的特點。
????從多方面考慮，選用DHT11作為測量環(huán)境溫度和濕度的傳感器比較合適。
DHT11溫濕度傳感器相關(guān)參數(shù)如下表3.1所示：
| 類型 | 參數(shù) |
|---|---|
| 工作電壓 | 3.3V-5V |
| 溫度測量范圍 | -20℃~+60℃ |
| 溫度測量誤差 | ±2℃ |
| 濕度測量范圍 | 20% ~ 95%（0~50℃） |
| 濕度測量誤差 | ±5% |
DHT11溫濕度傳感器模塊實物圖如圖 7 所示，內(nèi)部的電路原理圖如圖 8 所示：
????從原理圖中看出DHT11傳感器與MCU的連接方法：1引腳與VCC接，2引腳接DATA，3引腳為NC引腳，懸空，4引腳接GND，在電源和DATA引腳之間加一個上拉電阻提高穩(wěn)定性。在此次設計中將DHT11傳感器模塊的DATA引腳連接ESP8266-NodeMCU的D0（GPIO16）引腳進行數(shù)據(jù)的傳輸。
3.3.2 火焰?zhèn)鞲衅?/h4>
選用的火焰?zhèn)鞲衅鲗嵨飯D如上圖9所示。原理圖如圖10所示
該傳感器的主要參數(shù)如下：
- 能夠檢測的火焰波長范圍為760納米~1100納米
- 探測角度60度左右
- 對于靈敏度可以調(diào)節(jié)
- 工作電壓為3.3~5V
- 以數(shù)字開關(guān)量（0或1）輸出
????在此次設計中將火焰?zhèn)鞲衅髂K的D0引腳連接ESP8266-NodeMCU的D3（GPIO0）引腳進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過D0引腳輸出的電平高低來判斷是否檢測到火焰。
2.3.3 煙霧傳感器
????在現(xiàn)代家居生活中，天然氣等可燃氣體很大程度上方便了人們的生活，如果一旦發(fā)生泄漏可能會帶來嚴重的危害。這些泄露的氣體若再遇到明火，就會產(chǎn)生火災爆炸等可怕的后果。為了檢測家庭中的可燃氣是否泄露，選擇MQ-2煙霧傳感器檢測家庭環(huán)境中天然氣煙霧濃度，對家庭室內(nèi)安全的保障具有重要意義。
????MQ-2型氣體傳感器采用二氧化錫（SnO2）作為可燃氣氣敏材料，二氧化錫在潔凈的空氣中具有較小的導電性，在接觸到易燃性氣體時，其導電性與空氣中的可燃性氣體濃度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著煙氣濃度和導電性的增大，其輸出值也會隨之增大。MQ-2型氣體傳感器對液化氣、烷烴、氫氣等可燃氣體的敏感性高，能有效地探測到周圍空氣中彌漫的可燃氣體，具有很好的抗干擾性。該傳感器具有測量各種易燃氣體的能力，是一種低成本的傳感器，適用于多種場合。
MQ-2傳感器參數(shù)：
| 類型 | 參數(shù) |
|---|---|
| 檢測氣體 | 可燃氣體、煙霧 |
| 工作電壓 | 2.5V-5V |
| 加熱功率 | ≤900mW |
| 探測范圍 | 3000-10000ppm |
????在安全情況下，家庭中的煙霧濃度是維持在一個正常的數(shù)值范圍，因此，可以對家庭中的煙霧濃度設定一個上限值，當MQ-2煙霧傳感器檢測到的煙霧濃度超過了這個上限值，則會觸發(fā)報警系統(tǒng)的工作，向人們傳達對應的報警信息。
MQ-2模塊的原理圖如下圖12：
????在這個系統(tǒng)中，MQ-2氣體傳感器的使用中只用到了三個引腳，VCC接電源正極，GND接地，模擬接口AOUT接ESP8266的A0接口。ESP8266-NodeMCU通過讀取MQ-2模擬口的數(shù)值大小來判斷家中的天然氣是否泄露。
2.3.4 人體紅外傳感器
????為了防止入室盜竊，采用熱釋電紅外傳感器進行監(jiān)測，熱釋電紅外傳感器具有較高的性價比，靈敏且抗干擾，可以有效的提示人們檢測到附近有人，能夠起到家庭防盜的作用。
????結(jié)合在本設計中選用的ESP8266-NodeMCU輸出電壓為3.3V，選用在該電壓下能夠正常工作的熱釋電紅外傳感器，HC-SR312人體感應模塊符合這一要求，圖3.11為其實物圖。該模塊能實現(xiàn)自動感應，當有人進入感應區(qū)域時HC-SR312的輸出引腳輸出高電平，離開感應區(qū)間或感應區(qū)域內(nèi)無人進入時輸出低電平。
HC-SR312人體感應模塊參數(shù)列表：
| 類型 | 參數(shù) |
|---|---|
| 工作電壓 | 2.7-12V |
| 延時時間 | 2秒 |
| 封鎖時間 | 2秒 |
| 觸發(fā)方式 | 可重復 |
| 感應范圍 | ≤ 100度錐角，3-5米 |
| 工作溫度 | -20℃~+60℃ |
| 外形尺寸 | 10mm×8mm |
功能特點：
（1）具有良好的抗干擾性能。它的內(nèi)部是由數(shù)字信號進行處理的，可以將高、低的電平直接從外部輸出；
（2）可重復觸發(fā)方式。感應到人體活動輸出高電平后，在一定的延時時間段內(nèi)，如果還有其的感知范圍之內(nèi)活動，那么它的輸出就會一直維持在高電平，直到人離開感應范圍且延時結(jié)束，才會變成低電平。
????在此次設計中將HC-SR312人體感應模塊的OUT引腳連接ESP8266-NodeMCU的D5（GPIO14）引腳進行數(shù)據(jù)的傳輸。與前面的火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰方法一樣，通過判斷OUT引腳的電平高低來判斷當前感應區(qū)域內(nèi)是否有人活動。
2.3.5 超聲波測距傳感模塊
在本次系統(tǒng)設計中選用的超聲波測距傳感器型號為HC-SR04，實物圖如圖14 所示。
工作原理：
（1）采用10us的高電平信號觸發(fā)測距；
（2）該模塊對外發(fā)出超聲波，并能自動探測到有無回波；
（3）檢測到有超聲波信號彈回，會立即通過I/O引腳輸出高電平，超聲波從發(fā)射到返回的時間就是高電平所持續(xù)的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。
工作參數(shù)：
- 工作電壓：3.3V-5V
- 靜態(tài)電流：小于2mA
- 探測角度：不大于15°
- 探測距離：2cm-450cm
- 最高精度：可達0.3cm
- 工作溫度：-20℃~80℃
2.4 顯示模塊的選型及控制介紹
????在電子設計領(lǐng)域，顯示屏常用來進行對數(shù)據(jù)和重要消息的顯示。常見的屏幕顯示有LED數(shù)碼管顯示，OLED顯示和TFT-LCD屏顯示，在此進行一個簡要的分析：
（1）LED數(shù)碼管顯示
????LED數(shù)碼管只能顯示出數(shù)字或者字符，并且占用的I/O資源偏多，不能顯示出我們想要的漢字或圖片等。
（2）TFT-LCD屏
????TFT-LCD為市面上主流的顯示屏，這類屏幕能夠支持較高位數(shù)的色深，還可以支持RGB彩色模式，有的還可以支持觸摸，功能齊全。所有的設計需求在TFT-LCD屏上均可以實現(xiàn)課題要求，但是考慮到功耗及大小外觀等因素，不如功耗更低且小巧輕便的OLED屏更適合此次的設計。
（3）OLED屏顯示
????市面上比較主流的OLED屏為0.96寸的OLED顯示屏（如圖16）和1.3寸的OLED顯示屏，這種顯示屏采用的是有機二極管發(fā)光原理，所需的材料少，可以耐低溫，功耗低等，這兩款OLED屏均能滿足顯示圖片、漢字、英文及其他字符，分辨率也是能夠達到需求的，屏幕界面風格簡單，小巧輕便，非常適合作為本次課題的顯示模塊。
其原理圖如下圖17所示：
????OLED的SCL和SDA引腳分別連接ESP8266-NodeMCU的D1（GPIO5）和D2（GPIO4）引腳，進行IIC通信。
2.5 聲光報警硬件設計
????（1）蜂鳴器作為一種電子設計中常用的發(fā)聲元件，廣泛應用于電子設備當中。在本次課題系統(tǒng)設計中，蜂鳴器主要是用來進行對相關(guān)的異常進行聲音報警。蜂鳴器主要有兩種類型，一種是有源蜂鳴器，另一種是無源蜂鳴器。
????有源蜂鳴器內(nèi)部帶有震蕩源，只需通入直流電就可使其發(fā)聲；無源蜂鳴器內(nèi)部不帶有震蕩源，直流不能使其發(fā)聲，需要PWM驅(qū)動發(fā)聲。
????在程序不過于復雜又能達到聲音報警效果的前提下，選擇有源蜂鳴器作為此次設計中的報警器比較合適。其I/O引腳連接ESP8266-NodeMCU的D6（GPIO12）引腳，對其寫入低電平即可發(fā)聲。
????（2）聲光報警的光部分選用紅色LED作為發(fā)光源。只需在需要報警時對其通電即可。
2.6 PCB繪制
2.6.1 原理圖繪制
2.6.2 PCB制作
????結(jié)合原理圖在立創(chuàng)EDA軟件中進行PCB設計，各個元件之間的線路連接如下圖21所示。
設置淚滴及鋪銅：
PCB設計完后的3D預覽圖：
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-462737.html
三、系統(tǒng)的軟件設計??
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到了這里，關(guān)于實現(xiàn)一個家庭安防與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（一）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
