【開源免費】基於STM32+uC/OS+阿里雲物聯網平台的家庭安全防控系統

隨着智能家居的發展，家庭安全防控系統成為了現代家庭必不可少的基礎設施。本文將詳細介紹一個基於STM32微控制器、uC/OS實時操作系統以及阿里雲物聯網平台的家庭安全防控系統的設計與實現，從硬件選型、軟件架構到功能實現及優化，全面解析一個完整的物聯網安全解決方案。

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https://blog.csdn.net/weixin_52908342/article/details/155617952

一、項目概述

本項目為“第三階段項目”，目標是構建一個集門鎖管理、火焰監測、環境檢測以及雲端數據管理為一體的家庭安全系統。系統以STM32微控制器為核心，結合uC/OS實時操作系統實現多任務調度，同時利用ESP8266模塊將數據實時上傳至阿里雲物聯網平台，實現遠程監控和管理。

系統主要功能包括：

• 通過Wi-Fi連接阿里雲物聯網平台，實現數據上傳與遠程控制。
• 上傳温濕度、門鎖狀態、管理員狀態等信息到雲平台，實現智能監控。
• 支持鍵盤輸入密碼開鎖，並檢測錯誤次數。
• 支持刷卡開鎖功能，通過RFID卡管理門禁權限。
• 管理員通道，實現密碼修改、權限管理及新卡錄入操作。
• 火焰傳感器監測火災隱患。
• OLED屏實時顯示系統狀態。

系統設計旨在兼顧安全性、可靠性和可擴展性，滿足家庭實際應用需求。

二、硬件模塊設計

1. 核心控制模塊：STM32

本系統選用STM32作為核心控制器，其優點包括：

• 高性能的32位ARM Cortex-M內核，支持多任務處理。
• 豐富的I/O接口，便於連接Wi-Fi、RFID、傳感器等模塊。
• 支持各種通信接口（UART、I2C、SPI、GPIO），滿足多模塊互聯需求。

STM32通過外設接口與各模塊連接，實現傳感器採集、數據處理及控制輸出。

2. 通信模塊：ESP8266-WiFi

ESP8266模塊用於實現系統與阿里雲物聯網平台的通信，功能包括：

• 通過Wi-Fi連接家庭網絡，實現雲端數據上傳。
• 支持MQTT協議與阿里雲物聯網平台交互。
• 處理遠程控制命令，實現門鎖狀態修改及報警觸發。

3. 門禁管理模塊：RFID-RC522 & 薄膜鍵盤

系統支持兩種開鎖方式：刷卡和密碼輸入。

• RFID-RC522模塊：負責識別用户卡信息，實現刷卡開鎖。管理員可以通過系統錄入新卡。
• 薄膜鍵盤：提供密碼輸入接口，支持開鎖、修改密碼及管理員操作功能。系統會檢測錯誤輸入次數，防止暴力破解。

4. 環境監測模塊：火焰傳感器 & 温濕度傳感器

安全防控系統核心功能之一是火災預警和環境監測：

• 火焰傳感器：實時監測火焰信號，當檢測到火焰時，立即觸發報警並上傳至雲端。
• 温濕度傳感器：採集家庭環境數據，並定期上傳至阿里雲，實現遠程監控。

5. 人機交互模塊：0.96寸OLED

OLED屏用於實時顯示系統狀態，包括：

• 門鎖狀態（開/關）
• 管理員狀態（在線/離線）
• 温濕度信息
• 火焰報警狀態

通過OLED顯示，用户可直觀瞭解家庭安全情況。

三、軟件架構設計

本系統的軟件部分採用uC/OS實時操作系統進行任務調度，保證多任務並行處理能力。主要軟件模塊如下：

1. 任務劃分

• 傳感器採集任務：定期讀取温濕度、火焰狀態及RFID卡信息。
• 門禁控制任務：處理鍵盤密碼輸入及刷卡開鎖操作，並記錄錯誤次數。
• 管理員管理任務：支持管理員登錄、密碼修改、新卡錄入等操作。
• OLED顯示任務：實時更新系統狀態信息。
• 雲端通信任務：通過MQTT協議，將數據上傳至阿里雲物聯網平台，並接收遠程指令。

2. 數據通信

系統通過ESP8266與阿里雲物聯網平台通信，採用MQTT協議，流程如下：

1. STM32通過UART向ESP8266發送數據。
2. ESP8266通過Wi-Fi連接阿里雲物聯網平台。
3. 系統將温濕度、門鎖狀態、管理員狀態等信息封裝為JSON格式上傳。
4. 雲端可以下發控制命令，實現遠程開鎖或報警。

3. 安全策略

• 鍵盤密碼錯誤超過限定次數，系統自動鎖定，防止暴力破解。
• 管理員操作受權限控制，普通用户無法修改密碼或錄入新卡。
• 雲端通信採用加密傳輸，保障數據安全。

四、功能實現

1. 門禁管理

系統支持兩種開鎖方式：

• 刷卡開鎖：通過RFID模塊識別有效卡片，成功後打開電控門鎖。
• 密碼開鎖：用户輸入密碼，系統比對後驗證，錯誤次數記錄在uC/OS任務中。
• 管理員通道：管理員可以修改系統密碼或錄入新卡，確保安全性和靈活性。

2. 環境監測與報警

• 火焰檢測：火焰傳感器檢測到異常火焰時，觸發報警任務，同時通過MQTT將警報信息發送到阿里雲。
• 温濕度採集：系統定期上傳温濕度數據，實現遠程環境監控和智能分析。

3. OLED顯示

OLED顯示模塊實時更新系統狀態：

• 顯示門鎖狀態、管理員狀態
• 顯示温濕度信息
• 火焰報警提示

通過直觀顯示，用户可快速瞭解家庭安全狀況。

4. 雲端物聯網功能

通過阿里雲物聯網平台，用户可以：

• 遠程查看家庭門鎖狀態及環境數據
• 接收火焰報警通知
• 遠程開鎖或管理權限（需管理員認證）

實現了家庭安全的可視化和遠程控制功能。

五、系統優化與擴展

1. 多任務優化：通過uC/OS的任務優先級調度，提高火焰報警和門鎖響應速度。
2. 錯誤防護：鍵盤輸入錯誤次數超過限制自動鎖定系統，防止暴力破解。
3. 雲端擴展：未來可增加更多傳感器，如煙霧傳感器、人體紅外探測器，實現更全面的家庭安全防控。
4. 移動端應用：結合阿里雲物聯網平台，可以開發手機App，實現遠程監控和報警推送。

六、項目總結

本系統通過STM32與uC/OS實時操作系統構建了一個多任務並行、功能豐富的家庭安全防控平台。結合ESP8266和阿里雲物聯網平台，實現了門鎖管理、火焰監測、環境採集以及遠程監控。

系統特點：

• 安全可靠：多層權限管理與異常防護機制保障家庭安全。
• 實時性強：uC/OS多任務調度確保各項任務高效執行。
• 遠程可控：雲端通信實現遠程監控和控制，便捷智能。
• 可擴展性好：支持增加新的傳感器和功能模塊，滿足未來智能家居發展需求。

通過本項目，用户不僅能實現基礎的門鎖管理和火焰監控，還可以通過雲平台實現數據可視化和遠程控制，提升家庭智能化水平和安全性。