中北大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)報(bào)告

1、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)報(bào)告基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 范宇聰 學(xué)號(hào)： 1306024132 合作成員姓名： 劉圣宇 學(xué)號(hào)： 1306024117 合作成員姓名： 劉丹 學(xué)號(hào)： 1306024102 分 組 編 號(hào)： 1601.08 指 導(dǎo) 教 師： 鄭永秋 日 期： 2016.6.28 1 任務(wù)要求1.1基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目要求：某戶人家的房子結(jié)構(gòu)如圖1所示，位于1層，主人希望布置一套電子監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到如下監(jiān)控目的：圖1 房屋結(jié)構(gòu)圖用戶需求：1）防盜功能：窗戶、門等位置是否有人活動(dòng)；2）有害氣體監(jiān)測(cè)功能：比如廚房、衛(wèi)生間燃?xì)庑孤?，雜物間異常氣體監(jiān)測(cè)，隨時(shí)報(bào)警；3）

2、溫濕度監(jiān)測(cè)：起居室、臥室的溫濕度24小時(shí)監(jiān)測(cè)；4）煙霧報(bào)警：房屋可能是火災(zāi)產(chǎn)生的異常煙霧，要有警報(bào)；5）電子監(jiān)控系統(tǒng)的中央控制與顯示放置在臥室。6）如果有1路視頻監(jiān)控，請(qǐng)選擇合適的位置安放在臥室以外的房間；為了達(dá)到以上監(jiān)測(cè)目的，你可以采用一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)把所有功能實(shí)現(xiàn)，也可以采用多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)然后把信息匯總到中央監(jiān)控顯示節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間通過有線或無線方法與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸。主控節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及報(bào)警處理?；疽螅?）撰寫一個(gè)簡(jiǎn)明的方案設(shè)計(jì)報(bào)告，根據(jù)房間的面積和布局，設(shè)計(jì)布置每一個(gè)監(jiān)控設(shè)備，并說明布置理由以及每一個(gè)監(jiān)控設(shè)備或模塊的選型與指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求

3、，并估算你的方案的實(shí)現(xiàn)成本；2）最多三個(gè)學(xué)生一組，最少兩個(gè)學(xué)生一組，互相協(xié)商好各自的分工，在后續(xù)過程中將有針對(duì)性地加以分別考核；3）選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有模塊，實(shí)現(xiàn)以上用戶需求15的功能。4）要充分考慮實(shí)際環(huán)境布局，采用更少的資源實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)的方案。5）項(xiàng)目完成，小組集體進(jìn)行實(shí)物演示和驗(yàn)收，但每個(gè)人要單獨(dú)完成自己的設(shè)計(jì)報(bào)告，并通過指導(dǎo)老師的答辯。設(shè)計(jì)報(bào)告不能突出自己不同于他人的工作部分的，不予通過。發(fā)揮部分：1）選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有模塊，實(shí)現(xiàn)用戶需求6的視頻監(jiān)控功能。2）不僅采用簡(jiǎn)單的有線傳輸，還使用了CAN、Wifi、ZigBee模塊進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介1.通過人體熱釋電

4、紅外傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)窗戶，門等位置是否有人活動(dòng)。2.通過MQ5天然氣傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房，衛(wèi)生間的天然氣泄漏的檢測(cè)。3.通過GP2Y1010AU煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)雜物間，房屋的火災(zāi)煙霧報(bào)警。4.通過DHT-22溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)臥室，客廳的溫度，濕度監(jiān)控。5.當(dāng)人體熱釋電紅外傳感器，煙霧傳感器，天然氣傳感器檢測(cè)到異常時(shí)（煙霧及天然氣濃度超過設(shè)定閾值或人體熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到人體活動(dòng)）可通過LED燈和蜂鳴器報(bào)警。正常時(shí)，綠色LED燈長(zhǎng)亮；異常時(shí)，紅色LED燈長(zhǎng)亮，并伴隨蜂鳴器持續(xù)報(bào)警。6.通過RS485總線實(shí)現(xiàn)多機(jī)（一主多從）通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)向主機(jī)傳送采集到的數(shù)據(jù)。7.通過WIFI

5、模塊實(shí)現(xiàn)用無線傳輸?shù)姆绞綄⒅鳈C(jī)接收到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦并顯示。2.2 系統(tǒng)組成及原理STM32從機(jī)3天然氣/液化氣傳感器天然氣/液化氣傳感器溫濕度傳感器STM32從機(jī)2煙霧傳感器溫濕度傳感器STM32從機(jī)1煙霧傳感器LCD 顯示屏RS485STM32主機(jī)RS485RS485RS485人體熱釋電紅外傳感器2.2.1 天然氣/液化氣傳感器功能：家庭或工業(yè)上對(duì)液化氣，天然氣和煤氣的監(jiān)測(cè)裝置原理： MQ-5 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧 化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣 中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。 MQ-5 氣體傳感器對(duì)丁烷、丙

6、烷、甲烷的靈敏 度高，對(duì)甲烷和丙烷可較好的兼顧。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，特 別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。2.2.2 煙霧傳感器功能：檢測(cè)空氣中灰塵濃度，用于空氣凈化器、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀、 PM2.5 檢測(cè)儀等。原理：本模塊是以夏普 GP2Y1010AU0F 為核心的灰塵傳感器。傳感器內(nèi)部的紅外二極管，可以輸出一個(gè)跟灰塵濃度成線性關(guān)系的電壓值。通過該電壓值即可計(jì)算出空氣中的灰塵和煙塵含量2。2.2.3溫濕度傳感器功能：AM2302 濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。檢測(cè)空氣中的溫濕度，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)

7、品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。原理：用戶主機(jī)（MCU）發(fā)送一次起始信號(hào)（把數(shù)據(jù)總線 SDA 拉低至少 800µs）后， AM2302 從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式。待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后， AM2302 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，從數(shù)據(jù)總線 SDA 串行送出 40Bit的數(shù)據(jù)，先發(fā)送字節(jié)的高位；發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高位、 濕度低位、 溫度高位、 溫度低位、 校驗(yàn)位1。2.2.4人體熱釋電紅外傳感器功能1.全自動(dòng)感應(yīng):人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平， 人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電 平，輸出低電平。 2、 光敏控制（可選擇，出廠時(shí)未設(shè)）可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。 3、 溫度補(bǔ)償(可選

8、擇，出廠時(shí)未設(shè))：在夏天當(dāng)環(huán)境溫度升高至 3032，探測(cè)距離稍變 短，溫度補(bǔ)償可作一定的性能補(bǔ)償。 4、 兩種觸發(fā)方式：（可跳線選擇） a、 不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后， 延時(shí)時(shí)間段一結(jié)束， 輸出將自動(dòng)從高電 平變成低電平； b、 可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng) 范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢 測(cè)到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí) 時(shí)間的起始點(diǎn))。 5、 具有感應(yīng)封鎖時(shí)間(默認(rèn)設(shè)置:2.5S 封鎖時(shí)間)： 感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（ 高電平 變成低電

9、平）， 可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段， 在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信 號(hào)。 此功能可以實(shí)現(xiàn)“感應(yīng)輸出時(shí)間”和“封鎖時(shí)間”兩者的間隔工作， 可應(yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn) 品；同時(shí)此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾4。原理：應(yīng)模塊采用雙元探頭， 探頭的窗口為長(zhǎng)方形， 雙元（ A 元 B 元）位于較長(zhǎng)方向的兩 端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時(shí),紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越 大， 感應(yīng)越靈敏， 當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時(shí)， 雙元檢測(cè)不 到紅外光譜距離的變化， 無差值， 因此感應(yīng)不靈敏或不工作； 所以安裝感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使探頭 雙元的方向與人體活動(dòng)最多的方向盡量相

10、平行，保證人體經(jīng)過時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng)3。2.2.5 RS485模塊功能：RS485 是一種基于差分信號(hào)傳送的串行通信鏈路層協(xié)議。它解決了 RS-232 協(xié)議傳輸距離太近(15m)的缺陷，是工業(yè)上廣泛采用的較長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信鏈路層協(xié)議。由于它使用一對(duì)雙絞線傳送差分信號(hào)，屬半雙工通信，所以需要進(jìn)行接收和發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。原理：RS485 芯片通常處于接收狀態(tài)。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)：1) 由程序控制 RSE 變?yōu)楦唠娖健?) UART 單元發(fā)送數(shù)據(jù)。3) 程序等待發(fā)送完畢后，控制 RS485 芯片轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)。4) 發(fā)送完畢的標(biāo)志一般由 UART 的特定寄存器提供狀態(tài)指示，程序需要去查詢2.26功能：X

11、PT2046 是一款 4 線制電阻式觸摸屏控制器，內(nèi)含 12 位分辨率 125KHz 轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器。XPT2046 支持從 1.5V 到 5.25V 的低電壓 I/O 接口。XPT2046 能通過執(zhí)行兩次 A/D 轉(zhuǎn)換查出被按的屏幕位置， 除此之外，還可以測(cè)量加在觸摸屏上的壓力。內(nèi)部自帶 2.5V 參考電壓，可以作為輔助輸入、溫度測(cè)量和電池監(jiān)測(cè)之用，電池監(jiān)測(cè)的電壓范圍可以從 0V 到 5V。XPT2046 片內(nèi)集成有一個(gè)溫度傳感器。在 2.7V 的典型工作狀態(tài)下，關(guān)閉參考電壓，功耗可小于 0.75mW。 XPT2046 采用微小的封裝形式： TSSOP-16,QFN-16

12、和 VFBGA48。 工作溫度范圍為-40+85。與 ADS7846、 TSC2046、原理：2.2inch 320x240 Touch LCD (A)引出了 SPI 模式的 SCK 和 MISO；只能寫數(shù)據(jù)，不能讀數(shù)據(jù)， SPI 的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過 EPM3032（ EPM3032 是一個(gè) CPLD，內(nèi)部已經(jīng)寫好程序）轉(zhuǎn)換成 8位的并口傳輸?shù)?BD663474，BD663474是工作在 80-series 8-bit bus interface(Big-endien)模式； WR 和 RD 已經(jīng)通過了硬件處理，只能寫數(shù)據(jù)，不能讀數(shù)據(jù)。如表2.2.1所示。表2.2.1 CSLCD 片選信號(hào)RS命令/

13、數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫命令； 1，讀寫數(shù)據(jù)）WR向 LCD 寫入數(shù)據(jù)RD從 LCD 讀取數(shù)據(jù)D17： 108 位雙向數(shù)據(jù)線2.3 方案中對(duì)社會(huì)、法律、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)成本、環(huán)境等因素的考慮考慮到我們的產(chǎn)品多用于普通家庭，所以我們要考慮到成本的因素以及是否便于安裝和使用的因素。在成本方面，我們使用RS485總線進(jìn)行主控和傳感器的連接，主控使用性價(jià)比較高的STM32芯片。在安裝和使用方面，我們的傳感器都是以模塊的形式安裝，不需要額外的安裝工作。數(shù)據(jù)顯示采用LCD顯示，直觀方便。3 系統(tǒng)模塊劃分與分工3.1 系統(tǒng)模塊劃分劉圣宇：負(fù)責(zé)RS485總線的基本數(shù)據(jù)收發(fā)以及多機(jī)（一主多從）通信的程序設(shè)計(jì)以及硬件連接。范

14、宇聰：負(fù)責(zé)LCD調(diào)試和連接；人體熱釋電紅外傳感器，煙霧傳感器的程序編寫。劉丹：負(fù)責(zé)溫度、濕度傳感器以及天然氣傳感器的程序編寫和調(diào)試；報(bào)警電路的設(shè)計(jì)和焊接。圖3.1.1 多機(jī)通訊分工合作：首先，范宇聰和劉丹進(jìn)行四種傳感器調(diào)試和使用，編寫程序；劉圣宇進(jìn)行RS485兩機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸。范宇聰和劉丹將四種傳感器的程序編寫好，并且能夠采集回正確的數(shù)值，將四種傳感器的程序匯總到一個(gè)程序中，劉圣宇加入RS485程序，實(shí)現(xiàn)從機(jī)采集四個(gè)傳感器數(shù)據(jù)通過RS485總線傳到主機(jī)，主機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)顯示到PC上。范宇聰編寫LCD的程序，劉丹進(jìn)行報(bào)警電路的設(shè)計(jì)和焊接，劉圣宇編寫RS485（一主三從）的程序。最終，將LCD的

15、程序加入到主機(jī)程序中，每個(gè)從機(jī)上接兩個(gè)傳感器，報(bào)警電路接入主機(jī)上。見圖3.1.1和圖3.1.2。 圖3.1.2 LCD數(shù)據(jù)顯示3.2 項(xiàng)目分工與管理1）五月上旬底實(shí)現(xiàn)四種傳感器基本功能。2）五月中旬實(shí)現(xiàn)RS485總線通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集接收。3）五月下旬實(shí)現(xiàn)四種傳感器功能及數(shù)據(jù)顯示，能將其掛在總線上傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)RS485兩機(jī)之間互傳數(shù)據(jù)。4）六月上旬能夠通過RS485總線實(shí)現(xiàn)一主三從，三個(gè)從機(jī)采集數(shù)據(jù)，通過總線傳到主機(jī)，主機(jī)采會(huì)數(shù)據(jù)由LCD顯示。4 模塊設(shè)計(jì)4.1 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試設(shè)計(jì)原理：LCD模塊提供SPI模式的SCK和MISO,SPI的數(shù)據(jù)經(jīng)過EPM3023芯片轉(zhuǎn)換

16、成8位的并口傳輸?shù)紹D663474（BD663474是工作在Big-endien模式）。要顯示在LCD屏上的數(shù)據(jù)通過SPI總線傳到LCD。實(shí)現(xiàn)方法：在LCD屏上顯示數(shù)據(jù)主要用到了以下幾個(gè)函數(shù)：void lcd_display_GB2312( unsigned char gb, unsigned int color_font, unsigned int color_back, unsigned char postion_x, unsigned char postion_y );該函數(shù)用來顯示漢字。void lcd_display_char( unsigned char ch_asc, unsig

17、ned int color_front, unsigned int color_background, unsigned char postion_x, unsigned char postion_y);該函數(shù)用來顯示字符。void lcd_display_number(unsigned int x, unsigned int y,unsigned int color_font,unsigned int color_back, unsigned long num, unsigned char num_len );該函數(shù)用來顯示數(shù)字。測(cè)試步驟：1.用取模軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù) 2.用相應(yīng)的函

18、數(shù)將數(shù)據(jù)顯示在LCD上測(cè)試結(jié)果：正常顯示，如圖2所示。程序流程圖：如圖4.1.1所示。 圖4.1.1總的來說，這些函數(shù)功能的實(shí)現(xiàn)都是源于畫點(diǎn)函數(shù)，即在LCD屏上畫出一個(gè)點(diǎn)。我們用取模軟件將所要用的數(shù)字和字符轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)字并根據(jù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類型的顯示函數(shù)中所確定的畫點(diǎn)坐標(biāo)，使用畫點(diǎn)函數(shù)將這些數(shù)據(jù)在LCD屏上顯示出來。4.2 人體紅外傳感器模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試設(shè)計(jì)原理：該傳感器模塊使用雙元探頭，當(dāng)人體走過時(shí)，紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏。當(dāng)有感應(yīng)時(shí)，傳感器則向外輸出高電平。實(shí)現(xiàn)方法：GPIO_ReadInputDataBit(GPIOX,GPIO_Pin_x)；我們將傳感器與

19、主控芯片的一個(gè)引腳連接，并用此函數(shù)檢測(cè)該引腳的電平高低。當(dāng)紅外傳感器被觸發(fā)輸出高電平并被系統(tǒng)檢測(cè)到，系統(tǒng)便可以作出相應(yīng)的動(dòng)作。如報(bào)警等。如圖4.2.1所示，示波器檢測(cè)到高低電平變化6。圖4.2.1測(cè)試步驟：1.將傳感器與主控芯片連接2.程序中設(shè)置若檢測(cè)到高電平，則相應(yīng)LED燈亮3.使人在傳感器前走動(dòng)測(cè)試結(jié)果：傳感器可以較靈敏的檢測(cè)到人體活動(dòng)，并在檢測(cè)到人體活動(dòng)時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的LED并且通過串口顯示數(shù)據(jù)。如圖4.2.2所示。圖4.2.2程序流程圖：如圖4.2.3所示5。圖4.2.34.3 煙霧傳感器模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試設(shè)計(jì)原理：煙霧傳感器是以夏普GP2Y1010AU為核心的傳感器。傳感器內(nèi)部有一個(gè)紅外二極

20、管，當(dāng)煙霧進(jìn)入傳感器內(nèi)部時(shí)，使光散射并使感光材料接收到紅外光。由此傳感器可以輸出一個(gè)跟煙霧濃度成線性關(guān)系的電壓值。實(shí)現(xiàn)方法：1.設(shè)置模塊的I（led）引腳為高電平，打開內(nèi)部的紅外二極管。2.程序延時(shí)等待0.28ms，使輸出波形穩(wěn)定。通過主控芯片采集A（out）引腳的電壓值，并通過內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量8。3.傳感器輸出電壓與灰塵濃度關(guān)系在0到0.5mg/m3范圍內(nèi)成線性關(guān)系，通過采集到的電壓值即可計(jì)算出空氣中的灰塵和煙霧含量。如圖4.3.1所示。 圖4.3.1測(cè)試步驟：1.將熄滅的煙頭放置在傳感器附近，使煙霧進(jìn)入傳感器內(nèi)部2.用萬用表測(cè)試傳感器電壓輸出端的電壓值變化測(cè)試結(jié)果：傳感器的輸出電壓隨

21、著煙霧濃度的增加而變大。對(duì)應(yīng)電壓與實(shí)際煙霧濃度的關(guān)系：Temp = (3300 / 4096.0) * Value * 11;由于傳感器內(nèi)部設(shè)有分壓電路，所有實(shí)際電壓是所測(cè)電壓的11倍7。煙霧傳感器與主控線片的連接圖，如圖4.3.2所示。圖4.3.2程序流程圖：如圖4.3.3所示。圖4.3.35系統(tǒng)集成及測(cè)試5.1 系統(tǒng)集成1.我負(fù)責(zé)兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集工作，我需要將兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)通過劉圣宇負(fù)責(zé)的RS485總線進(jìn)行傳輸。2.最終所有通過RS485總線傳回來的傳感器數(shù)據(jù)都要在我負(fù)責(zé)的LCD上顯示。這些功能的實(shí)現(xiàn)，都需要我和劉圣宇以及劉丹一起合作對(duì)程序進(jìn)行改動(dòng)。5.2 系統(tǒng)集成測(cè)試測(cè)試步驟：1.單獨(dú)測(cè)試人體熱釋電紅外傳感器是否可以正常工作。如圖4.2.2所示。2.單獨(dú)測(cè)試LCD顯示屏是否可以正常穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。如圖3.1.2所示。3.單獨(dú)測(cè)試煙霧傳感器是否可以正常工作。4.將我所負(fù)責(zé)的模塊通過劉圣宇負(fù)責(zé)的RS485總線與劉丹負(fù)責(zé)的模塊連接，并與對(duì)應(yīng)的主控芯片連接。最終將采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。如圖3.1.2，圖4