基于物联网络的安防系统设计文

武汉理工大学毕业设计（论文）武汉理工大学毕业设计（论文）基于物联网络的安防系统设计学院（系）：信息工程学院专业班级：电信学生姓名：指导教师：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日STM8SX1278主时钟晶振STM8SX1278主时钟晶振蜂鸣报警器灯光报警器图4.2报警数据接收及报警模块4.2主控模块单片机电路原理图设计该模块主要分为两个部分，一个是发送模块的处理器，一个是接收模块的处理器，其主要的功能是实现信息的及时处理。将其相关电路设计完毕后，采用不同的程序使之完成不同的功能。在本模块中采用的芯片主要是STM8，其电路设计原理图如下：图4.3主控模块STM8电路设计原理图4.3通信模块电路原理图设计该模块分为两个部分，一个为发送模块，一个为接收模块，使用的是同一种芯片以及相同的原理图，其芯片选型为SX1278，是本次研究课题的核心部分，使用升特公司生产的芯片来组建超远距离无线通信。为了通信的可靠性，给其每个都配发了相关的天线组件。其电路设计原理图如下：图4.4SX1278通信模块电路设计原理图4.4传感模块电路原理图设计该模块主要由两个传感器电路组成，分别是：温度传感器和烟雾传感器，这两个电路在整体设计中主要承担对外部环境的监测，当外部环境中其监测的值超出相关设定值时，其将相关异常信号发送给发送给主控模块，由其交由通信模块将信息发送出去进行后续的处理，其电路设计原理图如下：图4.5基于DS18B20的温度传感探测器的原理图图4.6基于AD590的温度传感探测器的原理图上面给出了两种温度传感探测器的原理图，其中第一个DS18B20为一个元器件，电路连接方便，但是相应的程序驱动较为复杂。而第二个基于AD590的温度传感探测器则是电路较为复杂，但是相应的程序则较为简单。因为这两种方案各有优缺点，所以我在这里把他们都列举出来了。图4.7基于MQ-2的烟雾传感探测器原理图其中信号放大电路如图4.8，因为本次设计中对于放大电路有三次使用，分别是为了增加报警驱动信号和监测信号，使所要信号得到放大，更方便单片机或者是人耳识别。图4.8信号放大电路4.5报警器模块电路原理图设计由于本次实验是按照功能来区分各电路模块的，所以此模块主要实现报警功能，让监测方能够及时准确的知晓被监测方周围是否发生火灾等危险情况，能够做出相应的提醒。本模块主要由一个蜂鸣器和LED灯组成，当发生险情时其能够及时将接收到的指令以声波的方式报告给监测方，以便及时做出处理。其原电路理图如下：图4.9蜂鸣器、灯光报警器的原理图4.6各模块通信接口电路原理图设计由于只有各个模块只有联系在一起，才能将分散的各部分联系起来，实现整体的安防功能。因而联系各模块的电子线路在其中就担任了十分重要的角色。本次设计的接口基本上使用的是串口，以串口通信来联系各主要模块。其电路原理图如下：图4.10USB转TTL串口电路原理图4.7本章小结 本章主要为本次课题研究设计了各个硬件电路，绘制了其相关的原理图。其中包括传感模块电路图，两个主控模块，两个通信模块，以及报警模块和各接口电路的电路原理图。由AD上绘制的原理图生成对应的PCB，然后对PCB进行编辑，放好格局，布好线。随后将之送厂家腐蚀，接着进行板子的焊接，获取实物。得到实物后进行分模块调试，相应模块的功能得以实现，最后通过接口电路实现各模块的完整通信，达到相应预期的功能。第5章各模块内部程序的设计5.1系统程序设计概述本次毕业设计要求写入相关程序的部件主要有四个，分别是两片SX1278芯片和两片STM8芯片，其中空闲时间它们都是进入循环等待的，直到有相关信息的触发，它们才开始进行相关处理。SX1278芯片一个做接收准备一个做发送准备，由其二者搭建LoRa通信网络，实现物联网的通信。5.2单片机控制系统程序设计此部分要分为两部分进行程序的设计：一部分为传感探测模块输入的信息进行处理；另一部分则是为报警模块发送指令。这两部分的单片机都需要与相应的SX1278芯片进行必要的通信和控制。以便能及时将感测模块探测的信息发送出去，并且将接收模块接收到的信息及时反馈给报警模块。因此其流程框图如下：烟雾探测传感器烟雾探测传感器开始STM初始化检测到异常？将异常信息反馈给通信模块结束是否图5.1检测模块单片机流程图开始开始STM8初始化有无信息传入？将SX1276传来的信号交付报警模块结束是否图5.2报警模块单片机流程图该模块由时钟来发控制信号，进入开机后的循环等待阶段，一个是等待传感探测模块发来报警信息，一个是等待通信模块传来报警信息，当相关信息传来时，其就连通相关模块完成相关操作达到报警目的，当险情处理完毕，就重置探测模块，重新进入循环等待下一次的触发，其主要程序见附录里面的main函数。5.3LORA通信模块程序设计此部分分为两大模块，一个为发送模块，一个为接收模块，由其组建成LoRa通信网络，实现通信。其中发送模块主要等待STM8发来报警信号，其担任发送任务，而接收模块则等待发送模块传来的信号，将之传给STM8处理。这一部分是这次课程研究的最重要部分，也是最突出的创新点。其流程图如下：开始开始发送初始化CRC正确？发送完成？结束否否是是图5.3发送模块SX1278流程图开始开始接收初始化接收完成？CRC正确？读缓冲区结束是是否否图5.4接收模块SX1278流程图该模块同样是由时钟来控制，接通电源后进入循环等待阶段，等待相关模块的指令传输，由其搭建的LoRa网络将相应的信息进行传输。其核心程序代码见附录SX1278通信。5.4本章小结 本章主要介绍了组建LoRa通信进行的物联网报警系统的程序设计思路，其中相关程序代码都在附件中。核心部分在于SX1278芯片的组网以及STM8单片机的控制。将每一个核心模块分解为两部分，一部分作为接收模块，一部分作为发送模块，其实现均用流程图来表示，而后续的程序代码则主要由C语言完成，交由相关编译器编译后生成芯片可识别代码。烧录进入芯片，实现相关功能。第6章系统测试6.1测试环境 本次毕业设计测试的环境是学生宿舍，为了方便报警系统的触发，没有做相关烟雾及温度传感器的硬件，只是用一个开关代替。将报警设备置于鉴湖主教学楼一楼，探测设备置于学生宿舍学海C栋，将其处于待机状态。由同学在学生宿舍模拟报警信号的触发，看在鉴主教学楼的学生能否接收到相应的报警信号并触发报警器。6.2测试准备 在这个设计中，使用的是白盒、黑盒测试方法对测试的对象进行测试，具体来说就是：黑盒盒测试是作为一个整体，不考虑各个模块的功能，只考虑输入输出，只要我的输入正确，我的输出也必须达到我预期的目标；而白盒测试则是对每个模块采取分模块测试，例如单片机模块，通信模块都可以作为一个最小系统进行测试。在我们进行测试的时候，被测试双方要求拿着对应的设备，到达指定的位置等待指令，每人携带自己带有USB接口的供电设备，给硬件供电，等待相关触发。第三个同学则告知拿着传感探测模块的同学，现在烟雾浓度已经达到并超过预设值，请拨下相关开关代表报警触发。第三个同学询问拿着接收模块硬件的同学，是否接到报警信号。如果接到报警信号，那么就说明我们的报警装备基本功能已经实现。6.3测试结果及分析经过测试，可以得到我们预期的目标已经实现。在通信距离大致在5Km以内，我们的通信基本可以实现，而且相关模块基本功能也实现了。但是我们的蜂鸣器的响声却不如人意，究其原因主要是设计的时候没有考虑蜂鸣器的驱动电压，没有给与相应的放大电路，导致驱动电流小，蜂鸣器响声小。所以在设计硬件电路原理图的时候特地添加了一个放大电路，而且它在本次毕业设计过程中有多个地方需要用到，第一个地方是传感器模块，烟雾报警器触发信号小，要将其信号放大了之后再传给单片机处理，这样才能有明确的触发信号，另外温度传感器发出温度报警信号后也需要一个放大器来放大其信号，后续蜂鸣器由于驱动电压高，同样需要一个放大器来达到较为宏亮的报警声音。而且经过测试，如果相关模块不加天线，通信距离会大大降低，因此，天线也是一个不可以忽略的重要组件。6.4本章小结 通过对硬件的测试，基本上是达到了LoRa网络的组建和通信。当然，测试过程不会是一帆风顺的，刚开始分模块测试的时候，每个模块都实现了其要求的功能，但是将模块一起连接后，就并不是简单模块的叠加了，各个部分的接口，以及对主要模块的连接都是一些大问题，经过多次的调整，基本上可以到达预期目标，但是蜂鸣器却怎么都不会响起。刚开始的方案是将蜂鸣器一个引脚接地，一个引脚接在信号线上，由于自己没有对信号添加放大电路，所以信号太微弱，导致基本上听不到蜂鸣器的声音，后来提出了一个解决方法（当然直接添加一个信号放大器就可以解决问题，但是由于自己的硬件目前不方便再到厂家腐蚀因此再添加硬件不太现实），就是将蜂鸣器一个引脚接到VCC上，另一个接到信号线上，声音就有了，但不大。不过至少基本实现了相关功能，感觉蛮开心的。其实物图如下：图6.1信息的采集与发送模块实物图图6.2信息的接收和报警处理模块实物图总结伴随着科学技术的不断发展，各方面的安防问题备受社会关注。作为一名在学校学习、生活的学生，接触的当然主要是校内生活，因此因地制宜的就设计了此款基于物联网的安防系统，以确保在学生宿舍发生险情的时候可以及时的处理，避免更加大的损失。而因为搭建安防系统需要大量的传感检测器，但目前经济情况无法满足相关需求，故本文中设计的探测器比较少，只有温度报警器和烟雾报警器等，而且在后续的答辩过程中为了满足答辩时能够立即得到应答，它的触发用了一个触发开关来解决。总的来说，本次毕业设计主要做的工作有以下几个：（1）对现代社会环境中存在的安全隐患进行了比较细致的分析，特别是关于校园环境中的安全隐患。在结合国外安防现状分析的同时，将国内的情形也做了一番对比，得出目前我们现阶段国内安防系统的现状以及其发展的特点。（2）对于多个无线组网技术的分析和研究，并选择了以SX1278芯片为核心的LoRa系统作为组网技术实现超远距离、无失真通信。同时这也是本次研究的核心创新点，因为此种LoRA组网技术目前在国内属于比较前沿，应用比较少的一项技术。但是其比以前的蓝牙组网或者是ZigBee组网好很多，而且有很多优点。（3）学习了AD软件的使用，对各个模块进行电路图的绘制以及PCB的生成，交有厂家烧蚀得到相关硬件产品，以达到本次毕设研究的要求。（4）学习了IAR软件的使用，学会了如何使用IAR软件对单片机进行程序的烧录，以及相关的调试。（5）对于目前比较前沿的芯片SX1278以及比较实用的单片机STM8做了相关的学习和研究，明白基本使用原则和方法，将之付诸于本次毕业设计的相关模块的设计。（6）在传感模块，自己着手设计了相关的检测电路，对检测电路的原理图绘制，PCB的生成都做了相关工作。总之，在这一学期的学习研究中，自己感悟很多。虽然很艰辛，但是确实是学到了不少的知识，自己的动手能力也有了很大的提升，接触了很多以前没有接触的软件。虽然这些软件对于曾经参加过电子大赛的人来说，确实是挺简单的，毕竟他们很早就学会了如何使用AD，如何将程序由电脑编译后导入单片机里面，以实现相应的功能。但是对于刚入门的我来说，确实一切真的并不是那么的容易。经过这简短的一学期，学了单片机（当然刚开始的时候还学错了好多，首先学的是51单片机，然后开始了msp430超低功耗单片机的学习，再然后就是STM32单片机的学习，到最后自己用于完成本次研究的单片机却是STM8，不过由于这几款单片机或多或少都是有些相通的，因此有了一点基础，学其他的起来也就不是那么艰难了），学习了如何使用AD绘制原理图，生成PCB，原理图中各元器件库的绘制，简单的各种操作，以及IAR的运用。从来只有艰苦奋斗的人，在收获的季节才能硕果累累。经过自己这一学期的努力，果然功夫不负有心人，基本上完成了这一门课题的相关研究，做出了相关的硬件部分。展望本文设计中虽然从本质上来说是设计好了一个完整的安防系统，但是却有许多需要完善的地方，单从传感检测模块来说，就缺少各种探测器，例如红外感应器，光敏探测器等等。对于一个安防来说，探测的探头越多，得到的信息也就越是全面，这样才能做出更加准确的裁决。因此，本文设计的基于物联网的安防系统的设计有待进一步完善，具体可以从以下几个方面进行研究：（1）增加探测用的传感器，使传感检测模块的信息收集更加完善，使收集的信息更加准确。（2）对于报警模块，不仅仅只是停留在报警灯闪烁，蜂鸣器响起的程度，需要最优化报警电路，最好是可以设计一个相应的界面，接上相应的串口电路后可以从显示器上明确看到各个探测传感器的参数，哪一个指数出现超出预设值而导致报警。（3）对于各个部件，不要只停留在一对一的通信基础上，要能够实现各个网络的互联，一个接收器可以接收多个发送器发来的各种参数。例如一个大楼，总共有32个独立房间，我在每个房间只需要安装一个相应的监测和通信模块，而将全部的信息发送到一台接收设备上进行汇总分析，而不需要为每一台设备配上一套接收设备（每一台设备配上一套接收设备会导致成本的大大提高，不实用）。（4）为了实现无线探测网络的报警高可靠性，低功耗性，范围宽广性，对系统的各个节点部署可以进行相应的优化，尽量使用较少的元器件达到相同的安防要求。（5）本文中也未曾涉及信息传输的安全性和保密性，如果有相关需求和允许，可以在后续的研究中对这方面加以研究和发展。（6）由于本次毕业设计研究范围广，涉及软件也不少，因此在做此次毕业设计研究的时候就没有过多的研究目前技术已经比较成熟的传感检测模块，和蜂鸣器报警模块。而且在答辩时这些模块有的因为答辩需要做了相关的改变，有的因为时间仓促没有相应的驱动源放大电路导致蜂鸣器无法正常工作。所以就算是这个最小的安防模块，也是有很多可以提升的空间。总之，从这个安防系统设计的各个方面（如：传感检测模块、报警模块、通信模块等）都是可以提高和发展的。致谢本次毕业论文即将完成，在这里，我首先要感谢我的指导老师--苏杨老师，感谢他对我孜孜不倦的教导。对此，我想对他表达崇高的敬意。没有苏老师的指导和帮助，我的这次课题研究也就很难完成。毕业论文的完成以及后续答辩的结束也就预示着我的大学四年的学习生活也即将结束，回顾自己四年来的学习生活，感慨也是不少。目前印象最深的还是近期毕业论文完成期间导师那不厌其烦的悉心教导，刚开始着手本次课题的时候，由于自己没有一点点的基础，所以自己曾经也有过放弃这个课题的冲动，改换一个简单一点的课题。但是导师的鼓励和指导却让我点燃了希望的灯火，每次课题遇到困难，进展难以继续的时候，我就会首先自己查找相关文献资料，能解决最好，不能解决就会询问有关方面的同学，在这个方面基本上也能解决好多问题。如果这些都做了，问题还是难以解决，这个时候我就会毫不犹豫的去找自己的导师。显然经过这么多波折遗留下来的问题是不会那么简单的，但是导师那博广的知识也是深深的令我折服。三下五除二就把我的问题给分析通了。同时也会给我提出多套解决的方案，并且对于每套方案都会替我不厌其烦的分析其优劣。让我结合自己的处理能力和自己的水平，选择一个最合适的方案。每当一个方案定下来，我在后续的操作中稍有松懈，导师就会及时指出，将我引入正轨。而且对于我的每一个模块的设计都以一种趋于苛刻的要求来要求我。正是导师这种严谨的治学态度，最终促使我能够将我的硬件最难的部分设计完成并实现，从导师给我讲解原理、流程以及实现方案、开发工具和设计方法中，我学到了许多东西。苏老师求真务实的工作作风也让我着实钦佩。从中我学到，无论以后是继续学习深造还是步入职场，态度是很重要的。对于此，我想再一次对我的导师表达最衷心、最崇高的谢意！同时，在自己的日常处理中，有很多热心的老师和同学给过我许多帮助，使我能够比较顺利的完成论文的框架和后续硬件的实现，真心地谢谢你们。最后，对于不辞劳苦来评阅我的论文和能在百忙之中参加我的论文答辩的每一位专家或教授表示最衷心的感谢。参考文献[1]武士涛，基于物联网技术的智能安防系统应用研究，故宫博物院，2012，1【1】2【2】[2]王鹏，明察秋毫:基于物联网技术的智能安防，中科院，20132【3】[3]刘薇，基于物联网技术校园智能安防系统的设计与实现，成都，电子科技大学，20134【4】[4]龚宸，基于GSM的物联网无线报警系统的设计与实现，华中师范大学，20134【5】4【6】[5]SemtechCorporationSX1276/77/78数据手册..2013[6]李建华.物联网智能安防系统设计.湖南城市学院学报.湖南.2015[7]彭力.基于案例的物联网导论[M].北京:化学工业出版社,2012.[8]杨虎.住宅小区安全防范系统的设计.BI智能建筑与城市信息，2005[9]肖俊芳.无线传感器网络的若干关键技术研究[D].上海交通大学,2009[10]VladimirOleshehuk.Internetofthingsandprivacypreservingtechnologies[J].WirelessVITAE.2011.[11]石志国,王志良,丁大伟.物联网技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2012.[12]谢