基于TMS320的智能房间系统.doc

基于TMS320的环境智能系统The ambient intelligence system based on TMS320本环境智能系统以TMS320作为主控处理核心，通过智能控制调节基于局域无线网络（WLAN）的多种传感器（湿度、温度、红外线、超声波等）和效应器（液晶显示屏、蜂鸣器、继电器等）,并通过移动控制终端（智能手机、遥控器等）来实现多种扩展功能.连大芯片组 陶帅 孙健飞 梁爱明 周云飞 石凯2014/5/21目录一、概述4二、系统硬件组成51控制器51.1主控芯片：TMS320F281251.2协处理器：PIC16F877A61.3终端微型分布式处理器：PIC12F50962传感器与传感模块72.1AMN31111热红外人体检测传感器72.2DS18B20温度传感器82.3DHT11湿度传感器92.4FSR402薄膜压力传感器92.5HC-SR04超声波模块92.6MQ5可燃气体传感器102.7QS-01空气质量传感器103效应器113.1 一路光耦隔离继电器模块（5V控制220V）113.25V有源蜂鸣器123.3BJ-3型220V闪光蜂鸣报警器123.4AD16-22DS/G信号指示灯134其他134.1 5V-2A电源适配器134.2三节五号电池盒134.3PIC3388红外接收头 HT6221遥控器144.4232串口转Wi-Fi模块144.5NRF24L01+无线模块154.6ISD1820语音录放模块15三、系统硬件结构设计171 控制芯片组172传感器192.1AMN31111热红外传感器阵列192.2FSR402薄膜压力传感器阵列192.3温湿度&空气质量检测模块203效应器203.1继电器203.2声音模块（蜂鸣器、录放模块）203.3指示灯21四、程序与算法设计思路221 开发环境221.1单片机程序开发调试环境221.2电脑程序与算法开发调试环境222单片机程序开发思路222.1主控芯片程序开发思路222.2协处理器程序开发思路232.3微型终端处理器程序开发思路243程序流程设计图243.1热红外传感阵列253.2薄膜压力传感阵列253.3环境参数传感器集26五、已取得的成果271.工作基础272.研发条件273.已发表的相关论文（S. Tao为本次参赛负责老师）28六、总结29一、 概述随着科技的发展，人们生活水平的提高，物联网（The Internet of things）作为一种新兴产业也逐渐从无到有、从少到多、从简单到复杂的发展起来。近几年的科技发展已经表明，智能化概念已经逐渐渗透到了人们的日常生活中。无论是智能手机、智能电视，还是智能眼镜，都代表了时代发展的前沿方向。本课题开发的环境智能系统，正是在这样的大背景下，力争使物联网技术走入千家万户，成为生活中不可或缺的一部分。和智能手机一样，智能化将设备在多方面进行优化升级，使其在保持原有功能的基础上拥有更好的操作性、便利性和扩展性。本课题将研究开发智能房间系统，对房间进行优化升级，使其具有方便快捷的操作体验和灵活多变的扩展功能。任何复杂的事物，都是由多个简单的元素组成，智能房间系统也是如此。可将其看比作一个生物体：由温度传感器、湿度传感器、红外线传感器、超声波传感器等一系列“神经末梢”采集数据，通过“神经纤维”数据线、无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）等传送到“神经中枢”主控芯片组和系统板进行分析、归类和处理，操作“神经效应器”显示屏、继电器和扬声器等，实现包括身份验证、动作识别、家电智能控制、温湿度自动调整、自动节电、防火防盗等等一系列扩展功能。设计方面，通过功能区域模块化与无线调控设计，确保由TMS320主控、利用小型PIC单片机做为协处理器的系统的稳定性，其中某个模块的故障不会影响整个系统的其它功能，同时便于进行维修和功能扩展，实现环境智能化。控制方面，利用“弱电控制强电”的设计理念，使用弱电低频数字电子电路（The weak low-frequency digital electronic circuit）实现对功能性电器的控制，将原本房间中已存的，非智能的部分纳入智能控制，这样可以在无需人为干预的情况下，自动对家用电器工作情况进行记录和分析，进而实现智能控制和自动节电等功能，使系统对房间进行智能控制。另外，基于多种传感器节点，对用户行为数据进行采集、分析和处理，实现用户行为识别、身份验证及健康监测等功能。试想，在你走入房间之前，它已经为你准备好了适宜的温度和湿度；你坐上沙发，面前的电视机自动打开并切换到你喜欢的频道；坐在电脑桌前时，不需要输入复杂的密码，因为在你坐下的一瞬间它已经知道了你是谁；你准备入睡时，不需要挨个屋子检查水电煤气，因为它们的信息早已经出现在你的手上；哪怕出门在外，房间里的任何风吹草动也都会第一时间传达给你。这就是环境智能，让你在不知不觉的举手投足之间感受到科技的美好。二、 系统硬件组成1 控制器1.1 主控芯片：TMS320F2812图1 TMS320F2812单片机TMS320F2812芯片是德州仪器推出的C2000平台上的定点32位DSP芯片，性能优异，功能强大，是在物联网设计中作为主控核心被广泛使用的DSP高速处理器。与普通单片机相比，F2812具有更快的时钟频率（150MHz，单条指令6.67ns）、更高的运算主频（低功耗状态下可达135MHz）和相对更大容量的内部FLASH储存（128KB*16）。在实际使用时，面对不同的设计要求，F2812丰富又强大的功能和充足的IO口配置，可以让它在各种情况下都能完美的贴合系统设计。芯片内部，高性能静态CMOS技术和JTAG边界扫描支持可以极大地发挥出32位单片机的强大运算处理能力，哈佛（Harvard）总线结构和简洁高效的开发环境（C&C+/汇编），极大的降低了高级单片机的开发难度，明显的缩短了工程项目的开发周期。内置的128位独立安全密钥，可以有效防止固件的非法逆向操作，极大程度上降低了科研成果被不法分子盗用的可能。图2 TMS320F2812系统板TMS320F2812芯片因具有如上述说明的包括功能强大、低功耗、可靠性高和开发周期短等优点，因此被选为此套智能房间系统的主控芯片。1.2 协处理器：PIC16F877A图3 PIC16F877A单片机PIC系列单片机（Peripheral Interface Controller）作为低端单片机的代表品牌之一，向来以模块化设计、多功能性、较短的开发周期和低廉的价格著称。其中，PIC16F877A更是其中的代表产品。图4 PIC16F877A系统板与其他相同价位的低端单片机（如AVR和80C51）相比，PIC16F877A所具有的简单指令集和内部振荡器以及由不同寄存器控制的独立功能模块使得它的开发难度大大减小，明显缩短了整个项目的研发周期。极其适合用于实验教学、作为简单项目的主控芯片和复杂项目中的协处理器。在此套基于TMS320F2812的智能房间系统中使用若干个PIC16F877A作为系统协处理器，可以降低主控芯片的工作量，提高系统的整体反应速度，同时，也可以缩短产品研发周期，降低实际成本。1.3 终端微型分布式处理器：PIC12F509图5 PIC12F509单片机终端微型处理器作为在系统终端直接调控传感器和效应器的处理器，其应该具备的特点有：足够小，能耗低，开发简单。PIC12F509无疑是完成这项工作的最佳选择。首先，体积小：只有8个引脚，其中包含5个I/O口和一个只输入口，两个电源引脚，无需像一般的单片机那样需要外接晶振电路和复位电路即可完成相应的工作。第二，能耗低。第三，开发难度小。第四，也是对于终端微型处理器来说最重要的，足够廉价。图6 PIC12F509开发板作为终端微型处理器，它可以在系统的终端识别并完成由主控芯片和协处理芯片发来的各项指令如继电器吸合、蜂鸣器鸣叫，同时也可以将传感器采集到的数据经过简单加工之后发送给上位机进行处理。终端微型控制器的存在，可以极大的提高整个系统的稳定性，提高系统功能的执行效率，明显增强系统的反馈能力和逆变能力。2 传感器与传感模块2.1 AMN31111热红外人体检测传感器图7 AMN31111热红外人体检测传感器AMN31111是一款性能优越的微型热红外人体检测传感器。它具有灵敏度高、性能优越、工作温度区间极大（-20C60C均可正常工作）和抗干扰能力强等许多优点。在此套智能房间系统中，该传感器作为基本传感器，用来对整个房间进行监测。通过由AMN31111传感器组成的热红外感应阵列确定人物位置和动作等，从而实现动作行为分析、光源智能控制、门窗智能控制、家电智能控制和防盗监控等一系列功能。2.2 DS18B20温度传感器图8 DS18B20温度传感器Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。“一线总线”接口可以使基于该传感器的电路设计与相关开发变得更加简易高效。相对低廉的价格和小巧的外形也使得这款温度传感器备受大家所欢迎，绝大多数的单片机学习板和开发板上配备的温度传感器都是DS18B20。它可以由程序来调节分辨率，温度误差较小（0.5C），因此很适合用于各种物联网项目开发。此套智能房间系统利用此传感器来获取房间的温度信息，进而由此通过控制空调等电器来智能调节房间内的温度。2.3 DHT11湿度传感器图9 DHT11湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款数字信号输出的温湿度混合传感器。它应用符合数字模块采集技术，确保了其卓越的稳定性和可靠性，以及较快的响应速度与较强的抗干扰能力。产品使用4脚封装，安装调试方便、快捷。其相对较小的体积，也适合用于项目设计。在此智能房间系统中，通过采集AHT11传感器的数据来判断房间内的湿度，从而通过控制加湿器的工作与否来智能调节房间内的湿度。2.4 FSR402薄膜压力传感器图10 FSR402薄膜压力传感器这是一款相对精度和灵敏度较高的薄膜压力传感器，施加在FSR402传感器受力部分的压力会引起其电阻值的线性变化，通过PIC协处理器的DA转换功能将其转换为数字量压力信息并进行处理。在此套智能房间系统中，通过将此压力传感器均匀分布在沙发、椅子等家具上，即可在人员坐在或躺在传感区域时，进行数据采集和分析，实现用户身份识别和家电智能控制等操作。2.5 HC-SR04超声波模块图11 HC-SR04超声波模块高效且廉价的HC-SR04超声波测距模块，利用超声波反射时间差原理测距。HC-SR04是同类模块中性价比很高的一款，同时性能表现较好，经常用于各类避障模块。在此套智能房间系统中，该模块用来配合热红外传感阵列进行人员定位。2.6 MQ5可燃气体传感器图12 MQ5可燃气体传感器MQ5可燃气体传感器所使用的气敏材料是电导率较低的二氧化锡（SnO2），当传感器检测到可燃性气体（如沼气、液化石油气、天然气与城市煤气等等）时，电敏传感器的电导率随着可燃性气体浓度的增大而增大，利用简单的转换电路即可将其转换为有关气体浓度的数字信息。在此智能房间系统中，该传感器用来监测煤气是否泄漏。当经过确认煤气泄漏后，系统会自动报警，同时启动通风风扇将有毒易燃易爆气体排出室外，减少人员伤亡。2.7 QS-01空气质量传感器图13 QS-01空气质量传感器与MQ5可燃气体传感器传感器类似，QS-01空气质量传感器同样采用二氧化锡作为气敏材料。只不过，它的检测目标是空气的质量（灰尘、香烟和异味等等）。当他检测的空气质量不达标时，系统会自动采取开启通风风扇或开窗、启动空气净化器等措施，自动改善室内空气状况。3 效应器3.1 一路光耦隔离继电器模块（5V控制220V）图14 继电器模块为实现家电智能控制功能所必须的最基本的控制单元。每个继电器模块由一个终端微型处理器（PIC12F509）单独控制，主控芯片和协处理芯片不直接控制继电器模块，这样可以有效的避免干扰、提高整个系统运行的稳定性。在继电器模块内部，集成的光耦隔离器和防逆变二极管可以极大的提高模块的安全性和使用寿命。3.2 5V有源蜂鸣器图15 蜂鸣器此套系统中使用小型有源蜂鸣器鸣叫作为主要提示方式。每个有源蜂鸣器由一个终端微型处理器单独控制，可以在用户进行一些操作或动作时由系统控制发出提示音，也可以在一些非正常状态（如系统自检时发现某功能模块故障）时发出故障提示，便于用户检查和修理。3.3 BJ-3型220V闪光蜂鸣报警器图16 闪光蜂鸣报警器220V闪光蜂鸣报警器，可以发出高达110分贝的报警声，同时顶端的高亮LED灯闪烁。此报警器由终端微型处理器控制的继电器控制，可以在发现险情（如系统检测到失火或煤气泄漏等）时进行报警提醒，以及在防盗等功能中发挥相应作用。3.4 AD16-22DS/G信号指示灯图17 彩色信号灯由终端微型处理器控制的继电器控制的高亮指示灯，可以配合提示蜂鸣器和报警蜂鸣器进行工作。4 其他4.1 5V-2A电源适配器图18 电源适配器用于为主控部分提供5V-2A直流电源，支持系统正常运行。4.2 三节五号电池盒图19 电池盒可装入3节5号电池，为系统中的那些不方便由电网直接供电的组成单元（如天花板的热红外传感器阵列）供电。4.3 PIC3388红外接收头 HT6221遥控器图20 红外接收头 图21 红外遥控器红外接头设置于TMS320F2812主控系统板上，用户可以使用遥控器来对整个系统进行操作和设置。4.4 232串口转Wi-Fi模块图22 串口转Wi-Fi模块将该模块与TMS320F2812主控芯片相连，通过此无线模块，使整套智能房间系统接入以太网络，以实现超远程智能家居控制和自动报警等高级智能化操作。4.5 NRF24L01+无线模块图23 NRF24L01+无线模块NRF24L01+无线模块是一款工作在世界通用ISM频段（2.4GHz-2.5GHz）内的单片无线收发模块。作为一款经常被用于学习实验和项目开发的著名无线模块，它具有整体所占空间较小、通信稳定、抗干扰能力强以及功耗低、开发难度小等诸多优点。在此套智能房间系统中，该无线模块安装于主控芯片与协处理芯片之上，用于在不便布线的情况下进行数据交换，从而实现相应功能。4.6 ISD1820语音录放模块图24 ISD1820语音录放模块由终端微型处理器或协处理器控制的语音录放模块，可以录制10秒的语音，并可以手动或由系统控制实现不同的功能。属于用于提高用户体验和使产品更加人性化的扩展性功能模块。三、 系统硬件结构设计1 控制芯片组控制芯片组是整个系统的控制部分，主要由主控核心（TMS320F2812）、协处理器（PIC16F877A）与微型终端处理器（PIC12F509）三部分构成，在它们之间和它们与传感器、效应器以及其它组件之间根据实际情况选用有线和无线的不同连接方式，使整个系统能够稳定高效的工作。图25 系统功能控制结构图如图，整个控制部分采用星型拓扑结构，由一个核心向外分散，通过不同的方式（有线方案和无线方案）彼此相连接，整个系统结构合理，可以保证在主控核心正常运作的状态下，某一个分支的故障不会引起整个系统的大范围故障，同时这样的控制结构设计也便于对系统进行维修、调试和升级。在控制部分的数据处理部分，整体采用由一个主控核心进行最高级别数据处理，协处理器和微型终端处理器直接或间接的受主控核心的控制，独立对数据进行采集和整理。各个协处理器可以根据实际使用情况，拥有一定的自主处理数据的系统调控能力，即整个系统的最高级别控制权位于主控部分，而每个协处理部分在受主控控制的前提下，可以自行对数据进行分析和处理，饼根据预定设计执行相应的操作。这样的控制部分分散的系统设计，可以有效的提高整个系统运行的稳定性和流畅性。因为较为简单的数据处理并不需要主控核心来亲自控制，因此主控核心可以独立执行进行更加高级和复杂的功能（如学习记忆功能等），进而提高整个系统的实用性，同样也为系统升级提供了足够的空间。图26 系统信息处理机制示意图由此图我们可以看到，在此控制系统的设计中，大多数的终端设备（由微型终端控制器控制的传感器与效应器）是由协处理器控制，在接收到传感器采集到的信息时，一方面在协处理器内部进行信息的分析和处理，另一方面向控制核心发送信号，在得到控制核心的反馈信号之后，协处理器即按照既定的程序进行操作。这个过程有如下几个特点：执行效率高。由协处理处理简单的操作，不需要经过控制核心的运算和处理，可以大大提高整个系统的反应速度。核心的工作较为轻松。比较简单的操作和运算不需要控制核心来处理，控制核心收到的仅仅是协处理器发来的请求信号，而不会获得从终端设备收集到的信号数据，这样就大大减轻了控制核心的压力，从而最大程度上避免因控制核心的处理量过大导致整个系统崩溃的情况。可以实现高级调控。在未经控制核心同意时，即协处理器未收到来自控制核心的反馈数据时，协处理器不会擅自执行任何操作。这样一来，只需要对控制核心进行控制，就可以轻易的实现对整个系统的控制。协处理器仅仅智能应付简单的条件反射型信息处理，在面对需要大容量存储和高难度复杂计算时就会显得力不从心。在这时，协处理器仅作为一个桥梁，将这些无法处理的数据发送给控制核心进行处理，处理的结果和控制指令经过协处理器进行传输，而协处理器本身并不参与数据的处理操作。此外，一些协处理器无法参与的高级操作和功能，则不需经过协处理器而是直接由控制核心来控制。2 传感器2.1 AMN31111热红外传感器阵列图27 分布于天花板上的热红外传感阵列在天花板上均匀部署若干个AMN31111热红外传感器，根据部署传感器的数量来决定由多少个协处理器（PIC16F877A）进行控制，同时根据具体情况来决定协处理器与主控的通信方式（有线/无线）。整个热红外传感阵列也要根据实际情况来决定供电方式（接入电网或独立电源。在条件允许的情况下优先考虑独立电源）。阵列工作时，每个热红外传感器都是一个小小的“眼睛”，它们的组合就像是昆虫的复眼一样，很多个传感器同时工作，就会得到一幅整个房间的热红外图像，进而可以判断人员所处的位置，通过模式识别算法即可判断人员的动作和运动状态等信息，进而为整个系统进行指向。此套智能房间系统的绝大多数操作都需要根据此传感器阵列采集到的信息来进行。不管系统的功能如何强大，第一步首先就是要找到服务的对象，也就是确定用户在什么位置，在干什么。因此，此热红外传感器阵列是整个系统中最重要的一个功能单元。2.2 FSR402薄膜压力传感器阵列在座椅、沙发等家具上均匀分布若干由协处理器控制的薄膜压力传感器，在用户坐上或躺下时，配合其它功能模块（如超声波传感器和热红外感应阵列）采集其压力数据并发送至主控核心进行分析和计算，并由此识别该用户的姿势、用户身份，之后依此执行相关操作。图28 分布于椅子上的薄膜压力传感器阵列薄膜压力传感器是此套智能房间系统的“皮肤”，它用来收集来自外界的“刺激”，并将这种刺激转换为电子信息数据，进而将其用于各种分析和运算。2.3 温湿度&空气质量检测模块将DS18B20温度传感器、DHT11湿度传感器、MQ5可燃气体传感器和QS-01空气质量传感器整合在一起的功能单元，也是十分重要的一个单元。将此模块部署在房间中的适当位置，由协处理器进行控制。当协处理器收到需要系统做出相应动作的信息时，会向主控发送相关消息，由主控分析并控制执行相关的操作（如开启电器调整温度和湿度、报警等）。温湿度&空气质量检测模块是此套智能房间系统的“鼻子”，它可以时刻监督室内的空气状况，为空气安全保驾护航。3 效应器3.1 继电器继电器是系统中最基本的效应器之一，在系统的调控下，原本需要手动按动电源开关的过程就可以使用继电器来实现，是实现基本智能控制的主要功能单元。继电器模块可以比喻为系统的“手”，通过这只“手”的控制，即可实现诸如家电智能控制等功能。3.2 声音模块（蜂鸣器、录放模块）由蜂鸣器和录放模块组成的声音模块是系统的重要输出模块之一。它可以在需要的时候，发出明显的提示鸣叫或语音，来吸引用户的注意，为用户的行为和操作做出一定的指引。声音模块是系统的“嘴”。有了它，也就有了一个和用户进行沟通的平台，也就真正的拥有了一个环境智能系统。3.3 指示灯指示灯不管在什么系统里都是必不可少的组成成分之一。在这里不作详细说明。四、 程序与算法设计思路1 开发环境（注：非特殊说明，下文中涉及到的软件均在windows环境下运行）1.1 单片机程序开发调试环境TMS320F2812：Code Composer Studio v3.3PIC16F877A: MPLAB IDE v8.73a/PicPro2012 for PIC16F87XApic12F509：MPLAB IDE v8.73a /PicPro2012 for PIC12F50X1.2 电脑程序与算法开发调试环境Microsoft visual studio 2008Microsoft Visual C+ 2010 ExpressMATLAB 2010bE language 5.112 单片机程序开发思路2.1主控芯片程序开发思路本课题研究的环境智能系统的软件部分大体上可以分为三个部分：第一部分，也是最重要的，是主控芯片（TMS320F2812）的程序；第二部分，是协处理器(PIC16F877A）的程序；第三部分，是在电脑上运行的程序。其中，第三部分的是由开发者使用的，用于在系统设计的过程中进行硬件测试和仿真模拟等操作，不属于整个系统的组成部分，因此不做重点陈述。主控芯片是整个环境智能系统的运算和控制核心，其程序设计质量、程序结构是否合理等因素将会直接影响到整个环境智能系统的最终质量。同时，TMS320F2812本身属于高级单片机的一种，其开发难度也要远大于一般的低级单片机。因此，在系统设计之前，针对主控部分的程序进行较多的分析和设计是比较重要的。在此课题研究的环境智能项目中，主控芯片TMS320F2812所需要进行的处理和运算有如下几方面：对系统中所有硬件的调控；储存某些信息和数据；运行复杂的程序算法（如根据热红外传感器阵列采集到的数据，来识别用户的动作和状态，或根据薄膜压力传感器阵列采集到的数据，来进行身份识别等等）；提供扩展升级空间。针对第一点，作为主控芯片，要能够控制系统中的所有硬件。由主控芯片直接控制所有的硬件是不现实的，举个最简单的例子，尽管TMS320F2812主控芯片属于比较高级的DSP单片机，但它也并没有那么多的外设接口，无法直接控制整个系统中的所有硬件。因此，在此系统中加入了多个协处理器（PIC16F877A）分担主控芯片的压力。同时在绝大多数情况下，控制端并不需要进行大量的和复杂的运算操作，因此很多的简单数据分析和运算操作可以由协处理器来进行，主控芯片只需要发出相关的指令即可。因此在这一部分的程序设计是比较简单的：并不需要复杂的程序流程设计和算法设计，只要让它能够在需要的时候向指定的协处理器发出指令即可。对于第二点，对重要的信息和数据进行存储，也是相对而言比较容易实现的：外接一个或多个ROM闪存芯片，用作储存器，在主控核心的程序中加入筛选功能（由系统决定哪些内容需要保存）和对ROM的读写配置程序，即可满足此需求。第三点，也是最为重要的一点，程序算法设计。在没有程序算法的情况下，系统只能够根据用户的某些特定操作做出一些简单反馈。但在加入程序算法之后，此环境智能系统才真正的拥有了智能：通过热红外传感器阵列得到的信息，经过复杂的计算，即可得到人员的动作变化信息；通过对来自于薄膜压力传感器阵列的数据进行分析，即可识别人员的坐姿和身份。算法的设计是相对程序设计而言更加复杂多变的设计工作，很难在单片机开发平台内直接进行，因此，我们需要借助其他功能更加强大的、更加适用于高难度算法设计的软件（MATLAB和Visual Studio）进行设计工作。首先，根据实际情况（传感器的部署情况、感应范围等等），利用MATLAB建立相关模型，利用该模型模拟主控核心在工作状态下，如何对收集到的信息进行分析和处理。其次，利用Visual Studio设计出该算法的程序语言，为最终将其移植到单片机内做准备。最后，利用E language开发出一个模拟平台环境，通过模拟实验来对算法进行校对。最后，将该算法的程序语言形式添加到单片机程序中，作为主控核心的一个主要函数，参与到系统工作中。第四点，为系统将来可能进行的升级优化做准备。实现这个目的，主要从主控核心的硬件方面着手。首先，要在系统板上预留出程序仿真接口，便于根据实际需要随时修改主控核心的程序；其次，将主控核心的暂时没有使用的引脚全部引出，为添加硬件外设预留空间。由主控芯片直接调控的功能单元（如无线模块）也需要进行相应的微调。2.2 协处理器程序开发思路在本课题所研究的环境智能系统中，由于系统比较庞大，如果使用单独的处理核心，对它的考验就很严酷。因此加入协处理器设计，用来分担处理一些不需要核心进行分析运算的操作。上文已经详细介绍了协处理器与其他部分的物理架构，在这里将对协处理的程序部分作重点说明。此系统的协处理器需要负责的功能包括但不限于：收集末端数据，进行简单运算分析，控制效应器，以及与核心相互通信等。实现这些功能，与主控核心的算法程序相比，开发难度要小很多。因此可以直接在单片机开发平台上进行编写与调试。首先，是收集末端数据，并进行分类和运算。本系统所使用的传感器都有一个共同点：不论采集到的信息是什么形式，最后传感器与传感模块向外输出的数据均为数字量（薄膜压力传感器输出为模拟量，但使用时需要将薄膜压力传感器与负责AD转换的控制器相连接，此时可将薄膜压力传感阵列看做一个功能模块，输出数字量信息）。因此，协处理器只需要将所需的引脚设置为数字量输入脚，并在程序中编写相应的数字量接收程序即可。对于热红外传感器，因为它只有“唤醒”和“休眠”两种状态，仅输出两种不同信号，在接收程序中，只需要循环检测引脚的电平状态即可。而对于可燃气体传感器、温度传感器之类，按照一定格式标准输出信息的传感器，需要在协处理器的程序中，设置按照相应格式接收和翻译的程序。协处理器接收到信息之后，需要执行的下一个操作，就是对信息进行简单的分析（比如判断数字的大小等等），进而执行下一步操作。这个部分比较简单，需要根据实际情况来设置不同的判断依据。简单分析结束后，协处理器根据分析结果执行两种不同的操作：一是将协处理器无法直接处理的信息（如采集到的热红外传感阵列的信息）发送给主控部分进行处理，二是对于协处理器可以自行处理的数据，先向主控芯片发送请求，在收到主控芯片的反馈后，开始根据程序来进行相应的操作。其中，较为复杂的是将信息发送由协处理器交给主控这一过程。协处理器与主控的工作环境不同（5V和3.3V），无法像协处理器和终端微型处理器之间那样，引脚直接相连即可传递信号。因此，需要在协处理器与主控之间，根据实际情况来设计信号传输方式（包括有线的电平转换模块，以及无线模块），同时在主控和协处理器中设置好相应的通信协议，从而实现上下级通信功能。与之相比的其它功能实现起来就要简易许多，比如协处理器对效应器的控制，因为效应器（继电器等）都是由微型终端处理器控制的，其与协处理器的工作状态相同，因此可以直接由相应的引脚发送数字量来进行控制。2.3 微型终端处理器程序开发思路微型终端处理器工作在系统的末端，它需要执行的工作比较简单：控制传感器与效应器，并将其发送给协处理器（在此系统中并没有主控芯片直接控制末端的结构）。除了薄膜压力传感器需要由协处理器来控制外（PIC12F509没有AD转换功能），其余的传感器和效应器都由微型终端控制器控制。因此，微型终端处理器的程序设计，只需要简单的数字量输入输出功能即可。3 程序流程设计图3.1 热红外传感阵列系统初始化动作分析、计算无动作判断传感器阵列采集数据有动作执行相关功能处理、分析数据3.2 薄膜压力传感阵列系统初始化判断分析计算有效数据无效数据传感器阵列采集数据判断需要进行操作不需进行操作执行相关功能3.3 环境参数传感器集系统初始化不健康健康不适宜适宜不适宜适宜通风调整湿度调整温度判断判断判断收集湿度数据收集空气质量数据收集温度数据五、 已取得的成果1. 工作基础项目指导老师陶帅在研究工作期间在Sensors等期刊及ICPR，AmI，CAIP等重要国际学术会议上发表与本研究相关学术论文7篇，其中SCI检索1篇，EI检索4篇，并获得国家专利一项。在多次国际会议中与本领域的专家学者进行了深入的研究讨论。研究及讨论内容均与本项目研究内容密切相关，为本项目提供了必要的预先研究以及大量基础数据和方法的积累。项目组其他成员也已经开始了基于传感网络及用户隐私保护的行为识别分析和实时摔倒监测研究。本研究的研究内容及研究方案以课题组前期对国内外大量研究现状的讨论、研究工作的积累和初步预研成果为基础，并在此基础上进行了进一步的系统性、创新性研究。因此研究方案是可行的，具体阐述如下：（1）首先，本研究的部分预研内容已陆续发表在国外知名刊物中，其中SCI检索1篇，EI检索4篇，并获得国家专利一项。这说明研究者的科研能力及科研成果已得到国内外同领域专家的初步认可，这可以保证后续参赛内容的顺利展开。（2）研究者在近期发表的学术论文中已经初步提出了相关的移动人物定位算法及基于鞅框架（Martingale Framework）的实时摔倒监测算法，下一阶段的主要研究工作主要集中在传感网络的性能改善，行为识别方法、实时摔倒监测方法的提出与验证，以及提高系统鲁棒性的相关研究。部分理论内容的研究已经在进行当中，只待进一步的测试及完善。2. 研发条件本参赛项目已具有基于PIC系列单片机的集成开发系统，且具有MATLAB7.0、C+ builder 等测试、开发及模拟软件若干，用于数据处理、计算及仿真等。已具有一个3米*4米的模拟居家环境实验室，用来安装传感器阵列以及对各类算法进行实验测试。参赛者所在的辽宁省通信网络与信息处理重点实验室具有运算300亿次每秒的高速计算机和50台高性能微机。因此，有关本参赛项目的仿真及实验测试等研究工作条件已基本具备。尚缺少搭建模拟居家实验环境所需的各类安装材料及家具布置，可以通过市场采购来完成。3. 已发表的相关论文（S. Tao为本次参赛负责老师）1 S. Tao, M. Kudo, H. Nonaka, Privacy-preserved behavior analysis and fall detection by an infrared ceiling sensor network. Sensors, 12(12), 16920-16936, 20122 S. Tao, M. Kudo, B. N. Pei, H. Nonaka, J. Toyama, Multi-person locating and their soft tracking in a binary infrared sensor network. IEEE transactions on Human-Machine Systems. Paper accepted4 S. Tao, M. Kudo, H. Nonaka, Camera View Usage of Binary Infrared Sensors for Activity Recognition. Proceedings of International Conference on Pattern Recognition (ICPR2012), pp. 1759-1762, 2012 5 S. Tao, M. Kudo, H. Nonaka, J. Toyama, Person Authentication and Activities Analysis in an Office Environment Using a Sensor Network. Proceedings of AmI 2011 Workshops, Communications in Computer and Information Science. Vol. 277, Springer, pp. 119-127, 2012 6 S. Tao, M. Kudo, H. Nonaka, J. Toyama, Recording the Activities of Daily Living Based on Person Loc