（1）使用ESP8266连接温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、人体红外传感器、超声波测距传感器，实时收集家庭环境，相关数据显示在屏幕上。 （2）ESP8266可以与云连接，数据可以实时上传到云。 （3）能够及时、快速地对监测到的家庭环境异常信息进行当地声光报警，警告周围人，并在手机微信上的特殊窗口远程接收家庭实时报警信息。 (4)用户可以通过微信小程序端查看家庭中的实时环境状况和门外视频监控的实时画面，无需在家。

系统整体架构图：

系统功能框图：

????该系统的总体目标是采用ESP8266-NodeMCU通过传感器采集所需的环境数据，通过网络控制核心MCU收集到的数据上传到云服务器，家庭成员可以通过微信小程序实时监控家庭内部环境和门外实时视频监控图像。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微信的安防消息接收窗口能够及时的收到突发的预警消息。形成实时性好、部署简单、成本低的家庭安全和环境监测系统。

????该系统的控制核心是ESP为方便开发和使用8266芯片ESP8266-NodeMCU开发板作为系统的控制板，也用于系统ESP32-CAM模块作为远程监控摄像头模块，ESP32-CAM模块的核心是ESP32芯片。其中ESP8266-NodeMCU负责收集和上传家庭环境数据、声光报警和OLED屏幕显示，ESP32-CAM开发板主要负责实现远程监控功能。

???ESP8266-NodeMCU开发板的主控芯片是ESP8266。它是32位的微型MCU，主频支持80，精简模式16位 MHz和160MHz，集成了WiFi功能。 ????ESP8266处理器加上WiFi天线等ESP12-F WiFi模块，ESP8266-NodeMCU在开发板上ESP12-F WiFi扩展基于模块。ESP8266可通过GPIO口连接传感器及其他应用的特定设备，这依赖于其强大的存储能力和片上处理能力，大大地降低了前期开发的成本。ESP-12F WiFi模块的原理图如图所示 4 所示：

????ESP8266-NodeMCU是开源的IoT因为它支持物联网开发板，WIFI功能且与Arduino开发板的使用方法非常相似，可以直接使用Arduino IDE开发软件，大大简化了开发过程。从大的角度来看，这个项目的设计是物联网项目的使用ESP8266-NodeMCU开发板的成本不高，比树莓派和Arduino家族的IoT平台等更有优势。

ESP8266-NodeMCU引脚图：

选用的火焰传感器实物图如上图9所示。原理图如图10所示 该传感器的主要参数如下：

    在现代家居生活中，天然气等可燃气体很大程度上方便了人们的生活，如果一旦发生泄漏可能会带来严重的危害。这些泄露的气体若再遇到明火，就会产生火灾爆炸等可怕的后果。为了检测家庭中的可燃气是否泄露，选择MQ-2烟雾传感器检测家庭环境中天然气烟雾浓度，对家庭室内安全的保障具有重要意义。

    MQ-2型气体传感器采用二氧化锡（SnO2）作为可燃气气敏材料，二氧化锡在洁净的空气中具有较小的导电性，在接触到易燃性气体时，其导电性与空气中的可燃性气体浓度呈正相关关系，随着烟气浓度和导电性的增大，其输出值也会随之增大。MQ-2型气体传感器对液化气、烷烃、氢气等可燃气体的敏感性高，能有效地探测到周围空气中弥漫的可燃气体，具有很好的抗干扰性。该传感器具有测量各种易燃气体的能力，是一种低成本的传感器，适用于多种场合。

MQ-2传感器参数：

    在安全情况下，家庭中的烟雾浓度是维持在一个正常的数值范围，因此，可以对家庭中的烟雾浓度设定一个上限值，当MQ-2烟雾传感器检测到的烟雾浓度超过了这个上限值，则会触发报警系统的工作，向人们传达对应的报警信息。

MQ-2模块的原理图如下图12：

    在这个系统中，MQ-2气体传感器的使用中只用到了三个引脚，VCC接电源正极，GND接地，模拟接口AOUT接ESP8266的A0接口。ESP8266-NodeMCU通过读取MQ-2模拟口的数值大小来判断家中的天然气是否泄露。

    为了防止入室盗窃，采用热释电红外传感器进行监测，热释电红外传感器具有较高的性价比，灵敏且抗干扰，可以有效的提示人们检测到附近有人，能够起到家庭防盗的作用。     结合在本设计中选用的ESP8266-NodeMCU输出电压为3.3V，选用在该电压下能够正常工作的热释电红外传感器，HC-SR312人体感应模块符合这一要求，图3.11为其实物图。该模块能实现自动感应，当有人进入感应区域时HC-SR312的输出引脚输出高电平，离开感应区间或感应区域内无人进入时输出低电平。

HC-SR312人体感应模块参数列表：

功能特点：

（1）具有良好的抗干扰性能。它的内部是由数字信号进行处理的，可以将高、低的电平直接从外部输出； （2）可重复触发方式。感应到人体活动输出高电平后，在一定的延时时间段内，如果还有其的感知范围之内活动，那么它的输出就会一直维持在高电平，直到人离开感应范围且延时结束，才会变成低电平。

    在此次设计中将HC-SR312人体感应模块的OUT引脚连接ESP8266-NodeMCU的D5（GPIO14）引脚进行数据的传输。与前面的火焰传感器检测火焰方法一样，通过判断OUT引脚的电平高低来判断当前感应区域内是否有人活动。

在本次系统设计中选用的超声波测距传感器型号为HC-SR04，实物图如图14 所示。

工作原理： （1）采用10us的高电平信号触发测距； （2）该模块对外发出超声波，并能自动探测到有无回波； （3）检测到有超声波信号弹回，会立即通过I/O引脚输出高电平，超声波从发射到返回的时间就是高电平所持续的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

工作参数：

• 工作电压：3.3V-5V
• 静态电流：小于2mA
• 探测角度：不大于15°
• 探测距离：2cm-450cm
• 最高精度：可达0.3cm
• 工作温度：-20℃~80℃

    在电子设计领域，显示屏常用来进行对数据和重要消息的显示。常见的屏幕显示有LED数码管显示，OLED显示和TFT-LCD屏显示，在此进行一个简要的分析： （1）LED数码管显示     LED数码管只能显示出数字或者字符，并且占用的I/O资源偏多，不能显示出我们想要的汉字或图片等。 （2）TFT-LCD屏     TFT-LCD为市面上主流的显示屏，这类屏幕能够支持较高位数的色深，还可以支持RGB彩色模式，有的还可以支持触摸，功能齐全。所有的设计需求在TFT-LCD屏上均可以实现课题要求，但是考虑到功耗及大小外观等因素，不如功耗更低且小巧轻便的OLED屏更适合此次的设计。 （3）OLED屏显示

    市面上比较主流的OLED屏为0.96寸的OLED显示屏（如图16）和1.3寸的OLED显示屏，这种显示屏采用的是有机二极管发光原理，所需的材料少，可以耐低温，功耗低等，这两款OLED屏均能满足显示图片、汉字、英文及其他字符，分辨率也是能够达到需求的，屏幕界面风格简单，小巧轻便，非常适合作为本次课题的显示模块。

其原理图如下图17所示：

    OLED的SCL和SDA引脚分别连接ESP8266-NodeMCU的D1（GPIO5）和D2（GPIO4）引脚，进行IIC通信。

    （1）蜂鸣器作为一种电子设计中常用的发声元件，广泛应用于电子设备当中。在本次课题系统设计中，蜂鸣器主要是用来进行对相关的异常进行声音报警。蜂鸣器主要有两种类型，一种是有源蜂鸣器，另一种是无源蜂鸣器。     有源蜂鸣器内部带有震荡源，只需通入直流电就可使其发声；无源蜂鸣器内部不带有震荡源，直流不能使其发声，需要PWM驱动发声。

    在程序不过于复杂又能达到声音报警效果的前提下，选择有源蜂鸣器作为此次设计中的报警器比较合适。其I/O引脚连接ESP8266-NodeMCU的D6（GPIO12）引脚，对其写入低电平即可发声。     （2）声光报警的光部分选用红色LED作为发光源。只需在需要报警时对其通电即可。

    结合原理图在立创EDA软件中进行PCB设计，各个元件之间的线路连接如下图21所示。

设置泪滴及铺铜：

PCB设计完后的3D预览图：

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