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家庭安防巡逻定位系统的设计(硬件部分)摘要随着各国经济和科技现代化的持续发展,对于安全问题来说,是一个国家长治久安的主要的保证,更是我们普通百姓安居乐业的基础保障国民经济的快速增长更是离不开对安全的重视,并且稳定是发展的重要的前提要素,是构建和谐社会的重要的基础稳定是来源于安全,没有了安全就更不必谈稳定和发展了2012年我国的国内生产总值已经跃居世界第二,大部分家庭也已经进入小康社会,居民收入财产增加,但是社会不稳定因素还存在人们对于保障人身财产安全有了迫切的需求,安防的需求越来越多,并且也越来越高家庭安防巡逻定位系统在这种环境下应运而生,解放了劳动力,使得安防管理向着科学化,无人化,自动化的趋势发展本文提出了一种基于RFID无线射频技术和STC12C5A60S2高速低功耗单片机的智能家庭安防巡逻定位系统的设计该系统使用STC12C5A60S2高速低功耗单片机作为主控核心处理器,用L298N电机驱动模块驱动小车两个直流减速电机,用四路红外循迹模块进行循迹,并且用DHT11温湿度传感器对房间内部、厨房以及卫生间等的温度、湿度进行采集取样,用MQ-2烟雾气体传感器对室内烟雾进行报警,用光电开关对房屋的大门开关状态进行监测,并通过RFID模块对房间进行定位,各种传感器将每个房间的信息参数采集反馈给单片机,单片机将对数据进行处理,并将处理后的数据通过GSM模块发送到屋主的手机上,即可通知到屋主该系统运行可靠,成本较低,硬件电路仅需若干传感器和单片机即可实现该系统实现了采集端与客户端之间的通信,能把采集到的信息发送给客户端,客户能第一时间获取房间的实时状态,实现了家庭环境实时监控,帮助在外的屋主能够了解家中的安全状况关键词STC12C5A60S2,RFID,GSM,安防,定位TheDesignofHomeSecuritySystemWithPatrolandPositioning(HardwareDesign)AbstractWiththecontinuousdevelopmentofnationalscientificandtechnologicalmodernizationforsecurityisthemainguaranteeastabilityofthestateitisthebasisofordinarypeopletoliveandwork.Rapideconomicgrowthisinseparablefromtheemphasisonsecuritystabilityisanimportantprerequisitefordevelopmentisanimportantfoundationforbuildingaharmonioussociety.Stablefromsafetynosecuritynottotalkaboutstabilityanddevelopment.In2012ChinasGDPhasrankedsecondintheworldmostfamilieshavealreadyenteredamoderatelyprosperoussocietyincreaserevenuepropertyofresidentsbutsocialinstabilityarestillexist.Fortheprotectionofpersonalandpropertysafetyofthepeoplehaveurgentneedssecurityneedsofmoreandmoreandmoreandmore.Homesecuritypatrolpositioningsystemcameintobeinginthisenvironmenttheliberationofthelaborforcemakingsecuritymanagementtowardscientificunmannedautomatedtrend.ThisdesignpresentsamicrocontrollerbasedonRFIDtechnologyandsmartsecuritypatrolSTC12C5A60S2positioningsystem.ThesystemusesSTC12C5A60S2MCUasthemastercoredrivingthecarwiththemotordrivemodulecarriedbyfourinfraredtrackingtrackingmodulewithDHT11temperatureandhumiditysensorinsidetheroomtemperatureandhumidityforthecollectionusesmokegassensorforindoorsmokealarmwithphotoelectricswitchhousingdoorswitchstatusmonitoringandthroughRFIDmoduletolocatetheroomvarioussensorstocollectinformationontheparametersforeachroombacktothemicrocontrollerthemicrocontrollerprocessesthedatasentviaGSMmodulephonehomeowner..Thesystemisreliablelowcostandcanberealizedbyonlyanumberofhardwarecircuitsensorandmicrocontroller.Itestablishesthecommunicationbetweenacquisitionterminalandclientcontrolthree-wayrelayswitchinaccordancewiththerequirementsoftheclient.Thesystemachievesreal-timemonitoringandregulationofthegreenhouseenvironmenttoimprovethebestenvironmentforthecropsinordertoachievethepurposeofhighyieldandquality.Keywords:STC12C5A60S2RFIDGSMSecurityLocation目录TOC\o1-3\h\z\u摘要IAbstractII目录III第1章绪论
11.1课题的背景
11.2课题的研究现状
11.
2.1课题在国外的研究现状
11.
2.2课题在国内的研究现状
21.3课题研究的意义
21.4设计的主要任务2第2章系统方案的提出
42.1系统设计思想
42.2系统方案概述
42.3系统方案框图
42.4系统模块化设计5第3章硬件电路
63.1硬件电路概述
63.2STC12C5A60S2单片机
63.
2.1STC12C5A60S2的简介
63.
2.2STC12C5A60S2引脚说明
73.
2.3STC12C5A60S2在本系统中的具体应用
83.3非接触式IC卡—MifareOne卡
93.
3.1MifareOne卡的结构
93.
3.2MifareOne卡的功能
93.4RFID读写器
103.
4.1MFRC522的特点
103.
4.2读写器的结构
103.
4.3读卡器的工作过程
113.5温湿度传感器DHT
11123.
5.1DHT11的特点
123.
5.2DHT11的典型应用
123.
5.3DHT11的工作过程
133.6气体传感器MQ-
2133.
6.1MQ-2特点
133.
6.2MQ-2典型应用电路
143.7GSM模块
143.
7.1GSM模块简介
143.
7.2TC
35143.
7.3AT指令
153.8电机驱动模块
153.
8.1L298N的特点
153.
8.2L298N的控制直流电机
163.9多路循迹模块
163.
9.1循迹原理
163.10多路循迹模块
173.
10.1光电开关17第4章系统调试
184.1硬件电路调试
184.
1.1电路调试步骤
184.
1.2调试数据记录
194.2代码调试
194.3系统综合调试
194.
3.1小车平台调试
194.
3.2温湿度采集调试
204.
3.3RFID定位调试
204.
3.4烟雾和光电开关调试
214.
3.5GSM模块调试21第5章调试结果23第6章系统设计的不足24结论25参考文献26谢辞27附录1系统实物图28第1章绪论
1.1课题的背景现如今随着社会的不断发展,人们生活节奏加快,并且越来越忙碌,在家中的时间相对以前来说减少,家中无人的情况增多,现在类似入室抢劫,入室偷盗,家中失火的情况也越来越多为了避免人们的人身安全和财产安全受到威胁和损失,安防系统受到人们越来越多的关注
[1]所以人们对其居住环境的安全状况的要求也在不断的提高,具体主要的表现在不单单是希望拥有温馨、舒适、宽敞明亮的住处,而且对于安全性和智能性等方面也提出了更多、更高的要求,正是因为人们对安防的要求不断提高,所以本系统设计基于对提高家庭环境的安全系数的设想,智能家庭住宅的安全防范系统也因此应运而生起来,并且在现代化的家庭安全中发挥了十分巨大的作用了
[2]传统的安防监控系统采用人工管理,专门负责人对小区进行管理,以及有线监控布线,布线复杂,不能实时反馈信息给屋主,这将需要额外的劳动力,监控效率底等缺陷,可能会造成不可挽回的损失,还增加了资源成本,而且人力资源也有巨大浪费,还很难达到预期的效果现今,随着社会的各方面的快速发展,楼房扩增的速度也不断加快了,传统的安防监控系统肯定也已经不能满足当今人们的要求和需求,家庭安防巡逻系统需要能够在无人的条件下实现对家中环境进行高效科学的管理,这既需要系统能够自动监控家庭环境各种状态,也要求其能够实现与屋主之间的进行实时的通讯现如今,智能的家庭安防系统实现了自动定位将传感器采集到的参数发送给微处理器进行处理,并且将数据发送到客服端中去而制约我国安防产业国际竞争力提高的主要瓶颈之一是生产要素中的技术自主创新的薄弱安防企业应当重视自主创新,掌握核心技术,加大技术研发成本,改变安防产业的增长方式
1.2课题的研究现状
1.
2.1课题在国外的研究现状在20世纪时,美国建成了世界上的第一座智能大厦而在美国之后,欧洲、加拿大等经济比较发达的国家,也在其后先后提出了不同样式的智能家居安防设计的方案在新加坡举办的国际展览会上,也展示了“未来之家”这一新的设计产品并且新加坡也推出了自己独特的的家庭智能化系统,促进了安防产业的发展在本次大会后,安防产业就在国外开始迅速蓬勃发展起来
[3]由于持续不断发展的科学技术,智能化也成为了一种势不可挡的历史趋势往前发展并且逐步壮大对于全世界的安防行业来说,一直处于在领先的地位的是北美,并且不断的发展壮大目前,在美国相对规模比较大的一些安防公司是以联网的报警作为统领整个安防行业的主线,并且不断地发展大量客户入网,实现规模效应进而发展壮大整个行业大到政府、企业办公写字楼,小到别墅、公寓、仓库,甚至街头小店,这些几乎都与当地警局或安防公司联网一旦发生了危险情况,警局或者安防公司就会在第一时间获取到警情,并采取相应的行动,真正做到了安防的规模化、一体化
[4]大部分的安防监测信息是通过无线网络进行传输的,所以无线网络在安防系统中也起到关键性的作用,无线网络也是一个重点
1.
2.2课题在国内的研究现状在国内,我国的智能安防行业相对来说起步是比较晚的,但是不容置疑,我们的发展速度确实是十分迅猛的随着近些年来人们热衷于高度自动化的热潮,安防报警系统也在向着集成化、智能化的方向发展了在北京、东南沿海等地区智能报警系统已经发展了一定的规模目前而言,建设部、公安部等部委,均要求智能家庭住宅小区都必须要配备安防系统作为基本的公共的配置设施尤其伴随我国经济、社会的不断发展,人们生活水平的不断提高,住宅小区是否具备智能化,安全化将成为评价住宅小区的重要的指标
[2]目前中国的安防企业和产业发展的主要特点是一是发展速度快,营业收入高二是行业的企业规模大,产业高度集中三是企业重视科技创新四是产品质量稳步提高五是市场需求旺盛智能安防的产品应用领域逐渐变广,人们收入也不断在提高,人们对安防产品的需求量也在不断地增加智能化的家居、建筑等迅速兴起也势必会刺激安防产品的迅速发展壮大
[5]
1.3课题研究的意义本课题是根据目前安防系统的发展现状及其发展趋势,研究并设计了一个相对比较完整的安防系统,其中重点设计是基于STC12C5A60S2的单片机和RFID无线射频技术对位置定位的安防系统本课题安防系统是依托智能小车为平台,又包括各种传感器模块、GSM模块、RFID定位模块、循迹模块、电机驱动模块等组成部分本设计在程序设计中又引入了模块化的设计思想,从而使整个的系统整体更简洁、完善本课题重点设计了温湿度采集部分、GSM发送短信模块部分和RFID无线射频定位的部分,其中利用RFID无线射频技术对房屋的定位的工作原理作了详细分析和设计本设计的内容是属于软件和硬件电路的设计和应用方面的,实现过程包括了元器件的选择和特性的测试、电路原理的设计、编写程序及软件调试、以及系统的整体调试等等住宅智能安防系统是我国未来智能住宅建筑的重点发展方向,需求量大,应用更是十分广泛,因此,开发功能和结构都趋于合理,并且包含多技术和高性价比功能的新型安防巡逻定位系统是具有十分重要的现实意义的
1.4设计的主要任务设计的主要任务包括
(1)选用STC12C5A60S2单片机作为整个系统的主控芯片对数据进行快速处理
(2)选用合适的传感器,采集温度、湿度、烟雾以及门口开关状态
(3)使用RFID对房屋需要监测的每一个位置精确定位
(4)实现单片机与GSM模块之间的连接控制,工作过程中保证数据不丢失
(5)使用四路光电循迹模块对房屋巡逻路线精确循迹
(6)系统的布局合理、规范,体积小,成本低,可靠性强第2章系统方案的提出
2.1系统设计思想本系统主要应用于寻常百姓家中、大型无人值守仓库等地方,对于住户而言,最为关心的一点就是家中是否安全,这也是从一开始家庭安防巡逻定位系统时的初衷所以,如何有效精确监控家中各个方位的安全状况并且让用户知道成为了我们设计这个系统的唯一目的我们需要这个系统能够准确的采集我们想要的环境参数,并且能够将采集到的信息反馈给住户,最重要的一点在于用户可以不在家中就能了解到各个方位的安全情况,即系统的使用不受到时间和空间的限制经过总结,系统设计的重点包括以下几个方面
(1)信息采集准确确保能够准确的采集到指定地点的环境参数,并能将采集到的数据反馈给单片机进行处理
(2)实现远程监控系统监控信息不受时间和空间的限制,即便观察者身处外地也能够很方便的了解家中安全情况
(3)人机交互良好系统使用方便简单,用户仅需要通过对手机就能接收到所需要的安全信息
(4)提高可靠性在系统功能完善的基础上,尽可能的提高系统的可靠性,稳定性
2.2系统方案概述在本系统中,我们需要得到房屋内设定好位置的温度、湿度、烟雾等信息,还要检测门是否关上所以需要采用各种相关的传感器来实现采集并传输信息的目的本设计依托智能小车作为系统的平台,利用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片对数字信号的敏感可控性,以及温湿度传感器DHT11和光电开关对环境变量的数字式采集传输,并利用RFID无线射频技术对地点进行了精确定位,再加上单片机对GSM模块的指令控制实现了对房屋内部的空气湿度、温度信息、烟雾信息以及大门的开关状态进行实时采集,并能够发送到客户手机上供远程查看监控本设计的核心是STC12C5A60S2单片机,亮点在于利用RFID无线射频技术对位置进行精确定位,以及通过GSM模块实现远程的传输信息
2.3系统方案框图本系统包括单片机、温湿度检测、RFID模块、GSM模块、电机驱动模块,四路循迹模块、光电开关、烟雾检测模块系统的整体框图如图2-1所示图2-1系统方案框图
2.4系统模块化设计系统整体是以单片机为核心的控制系统,传感器为采集端,利用GSM模块实现远程消息推送,根据系统的设计需求,分为了以下几个模块进行设计
(1)最小系统模块
(2)RFID定位模块
(3)温湿度采集模块
(4)烟雾采集模块
(5)GSM控制模块
(6)电机驱动模块
(7)多路循迹模块
(8)光电开关模块第3章硬件电路
3.1硬件电路概述本系统的硬件电路主要可以分为以下的六个部分,分别是
(1)核心控制部分STC12C5A60S2单片机是整个系统的心脏部分,负责控制各个传感器,控制RFID读写器,利用RFID无线射频识别技术对房间内的位置进行定位,负责控制电机的转向,并接收传感器采集到的信息并处理,控制GSM模块的远程传输等工作
(2)传感器部分是系统电路的关键组成部分,可以实现对家庭内部的温度、湿度以及烟雾的监控,还可以对大门开关状态进行检测其中利用DHT11温湿度传感器模块是可以将采集到的温度和湿度信息直接转换成数字信号后,进而能反馈给单片机,且烟雾传感器采集到的数字信号也能发送给单片机,并用光电开关采集到的数字信号反馈给单片机来达到检测大门开关状态的目的各个传感器的工作过程都是由单片机采用软件代码的方式来控制实现的
(3)RFID定位利用RFID无线射频识别技术,通过使用MFRC522读卡器对非接触式IC卡M1卡进行读取信息,由于每一张M1卡都具有唯一的标识编号,继而根据不同的编号对应不同的位置这一原理,对我们所需要定位的地点进行精确的管理定位,工作过程是“寻卡,防冲突,选卡,读/写卡”操作,如果成功,则返回M1卡的卡号信息
(4)GSM模块单片机接收各个传感器的信息,并将所收集到的传感器的信息处理后,利用GSM技术,将单片机与客户端手机之间进行通讯,并将在不同地点采集相应的信息发送给客户端,工作过程是由单片机发出的AT指令实现
(5)多路循迹模块采用四个红外对管,分别置于小车的车头部分,并让四个红外对管分布在前轨道的两侧,根据四只光电开关接受到白线与黑线的不同情况做出判断,根据判断进而来控制小车转向来调整小车前进的方向
(6)电机驱动模块模块采用了功率三极管作为功率放大器的输出,去控制两个直流减速电机线性型驱动的电路结构和原理简单,采用由达林顿管组成的H型桥式电路并使用单片机去控制达林顿管,让达林顿管工作在占空比可调的开关状态下,并调整占空比,继而可以精确调整了直流减速电动机的转速
3.2STC12C5A60S2单片机
3.
2.1STC12C5A60S2的简介单片机即是一种嵌入式的微控制器,它将一个计算机系统集成到一块芯片上,集成度高,速度快单片机的组成包括存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备,除了缺少外围设备,单片机就是相当于一个微型的计算机
[6]单片机具有体积小、功耗低、成本比较便宜、操作相对可靠、环境适应能力很强等优点,非常适合用于工业的控制领域和智能产品的领域在本系统的设计中,是采用了宏晶公司的STC12C5A60S2这一款单片机来做为系统的核心的控制部分STC12C5A60S2是一种单时钟/机器周期1T的单片机,与51系列微处理器兼容,但比普通8051处理速度快到8倍以上,具有高速、低功耗、超强抗干扰等的特点的新一代8051单片机STC12C5A60S2的功能特性包括以下几点
[7]
(1)兼容MCS-51指令系统
(2)宽工作电压范围
3.5V-
5.5V
(3)工作频率范围0-35MHz
(4)片上集成1280字节RAM
(5)片内集成2路PWM,8路10位AD
(6)60K大容量可反复擦写10万次)FlashROM
(7)40个具有准双向,强推挽,高阻和开漏四种状态的可编程I/O口
(8)具有全双工异步串行口(UART)
(9)共4个16位定时器
(10)单片机片内集成看门狗电路
3.
2.2STC12C5A60S2引脚说明STC12C5A60S2的具体引脚如图3-1所示图3-1STC12C5A60S2引脚图各个引脚的对应功能为
(1)P
0.0~P
0.7:一组8位漏极开路型双向I/O口,能够用作地址/数据总线复用口
(2)P
1.0~P
1.7一组带有上拉电阻的I/O口,管脚复用成8路ADC输入通道
(3)P
2.0~P
2.7一组带有上拉电阻的I/O口,在代码编译或者校验时可接受高位地址或者控制信号
(4)P
3.0~P
3.7一组带有上拉电阻的I/O口,但其部分引脚的第二功能更常被使用到,如表3-1所示表3-1P3口引脚的第二功能引脚号引脚名称第二功能P
3.0RXD串行输入P
3.1TXD串行输出P
3.2INT0外部中断0P
3.3INT1外部中断1P
3.4T0/INT定时器0外部输入P
3.5T1/INT定时器1外部输入P
3.6WR外部数据存储器允许写P
3.7RD外部数据存储器允许读
(5)RST复位引脚,通过检测按键是否按下控制单片机的复位,RST引脚上连续出现两个机器周期或以上的高电平将使得单片机复位
(6)ALE当访问外部的程序存储器时,地址锁存信号ALE可以锁存地址的低8位
(7)SS SPI同步串行并接口的从机选择信号,片选信号
(8)ECI/MOSI ECI是PCA计数器的外部脉冲输入管脚MOSI是SPI同步串行接口的主出从入
(9)MISO SPI同步串行接口的主入从出
(10)XLAT
1、XLAT2分别为晶体振荡器的反相放大器以及其内部时钟发生器的输入端和输出端
3.
2.3STC12C5A60S2在本系统中的具体应用在本系统中,STC12C5A60S2的XLAT
1、XLAT2引脚外接
11.0592MHZ的晶振;P1_3和P1_4控制左右车轮速度,P1_5和P1_6控制左右车轮方向;P2_4到P2_7分配给四路光电循迹;P2_
0、P2_2和P3_2分别作为温湿度、烟雾和大门开关状态检测;P3_0和P3_1分别和GSM模块的TXD、RXD相连用于串口通信,控制GSM模块的工作状态;P3_3-P3_7控制RFID无线射频RC522读卡器,将读取到的M1卡号发送给单片机
3.3非接触式IC卡—MifareOne卡
3.
3.1MifareOne卡的结构MIFAREONEM1卡是世界上目前来说使用的量最大、内存是最大、性能更最稳定、技术也是最成熟的一种非接触感应式智能IC卡
[8]卡的薄膜结构和内部结构如图3-
2、3-3所示图3-2卡的薄膜结构图3-3卡的内部结构
3.
3.2MifareOne卡的功能射频读卡器MFRC522是通过天线进行发射激励信号,当M1卡进入到读写器的工作区域内时,就会被读写器的信号激励在电磁波的信号激励下,内置在卡内的LC串联谐振电路就会产生共振,从而使原本没有电荷的电容内有了电荷在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可以作为电源为其他电路提供工作电压,供卡内集成电路工作所需
(1)ATR模块AnswerToRequest“请求之应答”当一张MIFAREONE卡处在读写器的天线工作范围之内时,程序员控制读写器向卡发出Requestall或Requeststd命令后,卡的ATR将启动,将卡片的卡类型号传送给读写器,建立卡与读写器的第一步通信联络若不进行这一步操作,读卡器是无法继续下面的工作的
(2)AntiCollision模块防卡片冲突功能当多张MIFAREONE卡同时处在读写器的天线工作范围之内时,MIFAREONE卡的AntiCollision模块的防冲突功能就会被启动,开始工作读写器会先与每张卡进行通信,读取每张卡的序列号由于每张MIFAREONE卡的卡号是全球惟一的,因此可以利用AntiCollision防重叠功能和卡上的防重叠功能模块,进而来选定其中的一张卡被选中的卡将被激活,可与读写器进行通信而其他未被选中的卡一直处于等待,时刻准备着和读写器进行通信防重叠功能启动工作时,读写器将得到M1卡的卡号卡号就存储在卡内的块0中,总共是有5个字节,4个字节是有效的,即卡号,另一个字节为卡号的校验字节
(3)SelectApplication模块卡片的选择当IC卡和读写器完成了上述两个步骤,读写器要对卡进行读/写操作,则需要对卡进行“选择”的操作,才能使卡被选中被选中的卡将卡上的存储在块0中的卡容量的大小发送给读写器当读写器收到这一字节后,就可以对卡进行下一步操作即读卡器读取M1卡的卡号,返回给单片机,因为M1卡卡号具有唯一性,所以作为地点的识别
3.4RFID读写器
3.
4.1MFRC522的特点MFRC522是Philips公司的一款针对智能仪表领域最新推出的非接触式低功耗读写基站芯片,它具有低电压、低功耗、低成本等特点它也是工作在
13.56MHz的非接触式通信读卡IC系列中的成员本读卡器采用了较为先进的调制和解调技术,完全集成了高频(
13.56MHz)下所有类型的被动非接触式通信方式以及协议MFRC522完全符合ISO1443A所有的协议层,最高传输速度可达424kbps,并且具有三种灵活高速的串行接口方式SPI模式、UART模式、I2C模式
[7]
3.
4.2读写器的结构读写器是基于MFRC522的,其主要的组成是由微处理器、MFRC
522、天线以及外围的连接电路等读写器要通过天线来发射电波来形成了电磁场,并且通过电磁场来对M1卡进行识别,天线所形成的电磁场范围,也就是射频识别的有效区域因此,要提高读写器的读写距离,所以设计的天线应能在尽量大的范围内产生所需要的电磁场
[8]读卡器具体结构如图3-4所示图3-4基于MFRC522读写器的结构框图
3.
4.3读卡器的工作过程MFRC522在系统中的接法如图3-5所示图3-5MFRC522读写器的电路图根据读写器的的要求,单片机控制MFRC522完成读卡需经过以下几个步骤
(1)寻卡寻找卡,将卡放在天线的作用范围内,若有卡在天线作用的范围内则读取卡的类型
(2)防冲突天线的作用范围内在同一个时间内可能会有不只一张卡存在,即有多张的M1卡向读卡器发回了卡号应答,这时就发生了冲突但由于每张M1卡的卡号都是惟一的,MCM接收到卡号的信息至少有一位既是0又是1,MCM找到第一个冲突位将其置1,然后再接着查第二个,依次排除后,最后将不再有冲突的卡即为被选中的卡
(3)返回卡号将读取到的卡号返回给单片机处理、识别、精确定位
3.5温湿度传感器DHT
113.
5.1DHT11的特点DHT11是一款数字式温湿度传感器,其是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器
[10]DHT11其内含了一个电阻式的感湿元件和NTC测温元件DHT11在测量的过程中同时也会进行精确的校准校验,校准系数就存储在OTP内存中DHT11采用单总线式的串行接口,操作方便,信号传输距离长,可用于一些环境较为苛刻的场合本系统使用DHT11对房间、厨房、卫生间等地方的温度和湿度进行采集DHT11的优点包括
(1)成本和功耗低,可实现简单快捷的系统集成
(2)响应速度较快,工作相对稳定,抗干扰能力比较强
(3)数字信号输出,减少用户信号处理的负担,精确校准,测量结果的可靠性高
(4)单总线结构,工作时不需要连接额外的电器元件,可以节省I/O口的资源
(5)测量的湿度范围从20%RH~90%RH,测湿精度为±5%RH,测量精度十分高
(6)测量的温范围从0-50℃,测温精度为±1℃
3.
5.2DHT11的典型应用DHT11采用了单总线式的结构,系统中的数据交换和控制都是通过这一根单总线完成的,设备通过漏极刻录或者三态端口连至总线上
[11],当设备不发生数据时总线可以被释放给其他的设备使用,单总线要求要上拉一个
5.1k的电阻使得总线闲置时的状态处于高电平,否则不能正常的工作DHT11的典型应用如图3-6所示图3-6DHT11的典型应用图
3.
5.3DHT11的工作过程DHT11传感器是通过单总线协议和上位机进行数据通信,它需要严格的读写协议来确保数据的完整性
[12],具体的工作步骤如下
(1)DHT11上电稳定后测试环境中的湿度数据并记录,此时DATA数据线有上拉电阻拉高并一直保持高电平,此引脚处于时刻检测外部信号的状态中
(2)单片机的I/O口输出不小于18ms的低电平后拉高,等待DHT11发送响应信号
(3)DHT11的DATA引脚检测到低电平后输出不小于80us的低电平信号作为应答信号,而后在输出不小于80us的低电平信号通知单片机接收数据
(4)单片机从DHT11处接收数据,26~28us长的高电平表示接收到“0”,29~70us长的高电平表示接收到了“1”
(5)DHT11输出全部40位数据后,DATA引脚由上拉电阻变为高电平,等待下一次外部信号的到来
3.6气体传感器MQ-
23.
6.1MQ-2特点MQ-2是一种气体传感器,它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡,其工作原理正是利用了二氧化锡这一特性当可燃气体、烟雾等出现在传感器所处环境中时,MQ-2传感器的电导率也会随空气中可燃气体或者烟雾的浓度的增加而增大使用简单的电路就可以实现将电导率的变化转换为与该气体、烟雾的浓度相对应的输出的电信号,继而判断环境中的气体、烟雾等浓度其具有探测范围十分广泛、灵敏度较高、响应恢复十分快、优异的稳定性、以及驱动电路相对简单等这些特点
3.
6.2MQ-2典型应用电路以下是MQ-2的典型应用电路图,如图3-7所示图3-7MQ-2典型应用电路图
3.7GSM模块
3.
7.1GSM模块简介GSM是当今世界上主要的蜂窝系统其中之一,其也是当前应用最为广泛的移动电话标准GSM是基于窄带的TDMA制式,其允许在一个射频的同时再进行八组的通话
[13]在80年代,GSM从欧洲开始兴起,在1991年正式投入了使用截止到1997年底已在100多个国家进行了运营,并且亚洲和欧洲地区是拥有统一的标准,到2001年止,全世界162个国家都已经建设了四百多个的GSM通信网络
[14]GSM模块是手机中的核心模块,它将GSM射频芯片、存储器、基带处理芯片和功放器件等模块集中在一小块电路板上,具有独立的操作系统,并且能够提供标准接口GSM模块可以进行语音通话,发送接收短信,GPRS数据传输功能,即只要基于GSM网络的基本通信功能都能够实现,加上显示屏、按键和电池的GSM模块即是一部可以正常工作的手机GSM网络中设备与远程监控点状态如图3-8所示图3-8GSM网络图
3.
7.2TC35GSM模块的核心是TC35,目前,国内使用的GSM模块有很多,这些模块的功能、用法大同小异本设计使用的是西门子TC35系列的TC35,工作在EGSM900和EGSM1800双频段
[15]设计紧凑,体积小单片机可以通过发送AT指令来控制其工作,为语音、短信和数据提供了快速并且安全可靠的传输TC-35的主要组成部分包括供电模块(ASIC),闪存,天线接口和ZIF连接器,主要用来处理GSM终端内的语言信号和数据,并且TC-35可以涵盖蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能TC-35的管脚连接如图3-9所示图3-9TC-35的管脚连接图
3.
7.3AT指令单片机对GSM模块的控制是通过AT指令实现的,本系统设计用到的AT指令有以下几条
(1)AT握手指令,是进行所有操作前的第一步,握手成功后才可以进行其他的操作
(2)AT+CMGF=n,n=0为PDU模式;n=1为文本模式
(3)AT+CSCA,设置运营商(联通、移动、电信)短信中心号码
(4)AT+CMGS,设置目标手机号码,即用户的手机号码
3.8电机驱动模块
3.
8.1L298N的特点L298N芯片是一种高电压、大电流的电机驱动芯片该芯片采用了15脚封装主要特点是工作电压高,且最高可达到46V输出电流较大,瞬间的峰值电流可以达到3A,持续的工作的电流是2A额定功率25W内部含有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可驱动直流电动机和步进电动机等等使用了标准的逻辑电平信号进行控制并且具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作可以外接检测电阻,将变化的信号量反馈给控制电路单元使用L298N芯片驱动电机,该芯片可以驱动一台两相步进电机或者是四相步进电机,当然也可以驱动两台直流减速电机
[16]电机驱动的原理图如图3-10所示图3-10电机驱动原理图
3.
8.2L298N的控制直流电机直流电机控制设置表,如表3-1所示表3-1直流电机控制设置表电机旋转方式IN1IN2IN3IN4M1正转高低//反转低高//停止低低//M2正转//高低反转//低高停止//低低
3.9多路循迹模块
3.
9.1循迹原理循迹是指安防巡逻小车在白色的地板上按照着事先规定路线的黑线进行行走对于反射系数,黑线和白色的地板对光线的发射程度是不同的所以小车是可以根据光电传感器接收到的反射光的强弱不同,进而来判断行进的道路单片机是通过对每个红外接收管采集到的输出端电压的状态,就能够判断到轨道目前的位置,进而能够控制小车的转向,使小车能够一直正常的沿着轨道行走使用的这种方法叫作红外探测法即是利用红外线在不同颜色的物体表面,其反射的程度是不同的特点在小车行驶过程中红外对管不断地向地面发射出红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光则会被装在小车上的接收管接收如果红外线是遇到黑线则红外光就被吸收了小车上的红外接收管也就接收不到红外光了
[17]所以单片机就是以否收到反射回来的红外光作为判断路线的位置,也就是来确定黑线所在的位置和巡逻小车前进的路线光电循迹的原理图如图3-11所示图3-11光电循迹电路图
3.10多路循迹模块
3.
10.1光电开关光电开关又称为光电传感器,是光电接近开关的一种简称,它利用的原理是被检测物对光束的遮挡或者反射,并且由同步回路对相应电路进行选通,从而检测是否存在物体其中物体不仅仅限于金属,所有的能够反射光线的物体都可以被检测出来光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号并且射出,接收器再根据接收到的光线的强弱,或者有无对目标物体进行探测
[18],从而可以达到检测物体的功能本系统设计正是利用光电开关的特性,进而对大门的开关状态进行相应的检测第4章系统调试
4.1硬件电路调试
4.
1.1电路调试步骤
1、检查电路电路板制作电路板,当覆铜板腐蚀完成后,应当需要检查每条线路是否清晰,对照电路图检查有没有存在走线被误腐蚀掉的情况尤其是电源线和地线是否有接错或者短路的现象
2、核对元件检查各个元件的位置是否准确,以及元件的型号是否正确,特别是二极管和电解电容的方向是否正确
3、通电观察确定电源没有短路现象存在后,给系统上电后观察电路板是否有异样情况出现,比如味道异常,元器件发烫等等若有则需排除故障在电路板正常上电无异样情况出现后观察指示灯是否被点亮
4、检查RFID模块将示例程序烧录到单片机中,将单片机与RFID模块连接好,使用串口调试工具测试是否将M1卡号读出,卡号是否正确
5、检查电机模块使用示例程序控制电机模块,使其输出不同的电平让直流电机根据软件设置进行转动
6、检查循迹模块分别让四个红外开关去检测黑线,根据电平的高低,观测是否能分辨白色地板和黑线
7、检查传感器模块传感器包含有烟雾模块、温湿度模块和光电传感器分别测试每个传感器是否能将数据传递给单片机,最后再将三个传感器整合在一起检测
8、检查GSM模块将GSM模块中放入移动的SIM卡,通电后观察指示灯是否依照规律闪烁,如能够正常工作,则利用串口调试工具测试GSM模块能否接收和发送短信
9、功能检查将各部分的测试代码烧写到单片机中,观察系统各部分能否正常工作
4.
1.2调试数据记录认真检查了电路板确认走线正确并且元器件焊接无误,给系统接上电源后信号指示灯也能够正常点亮将RFID、电机模块、循迹模块、传感器(温湿度、烟雾、光电开关)和GSM模块的测试代码分别下载到单片机中进行调试,调试记录如表4-1所示表4-1硬件调试记录测试模块测试结果RFID串口调试界面上显示卡号正确电机模块电机各种动作均正常循迹模块四个红外开关均能正确辨别黑线DHT11温湿度符合温湿度计上显示的数值MQ-2检测到烟雾,指示灯亮起光电开关接近门时候指示灯亮起GSM当模块收到指令时,蜂鸣器响起
4.2代码调试代码采用的是分模块编写的方式,系统的每个小工作模块都有自己独立的工作代码和头文件,通过子函数的相互调用和主函数的调用实现功能在编写代码的时,需遵循一定的规则
(1)首先编写头文件和模块代码,将需要被外部其他函数调用到的子函数在头文件中声明
(2)每当一个模块的代码编写完成后,就在主函数中将这部分的功能调用一下,并且进行编译,检查代码是否编写错误
(3)软件部分全部写完后,对整体进行编译与链接,检查代码中所有的定义是否符合单片机的内存要求,以及函数的声明和定义调用是否准确无误
4.3系统综合调试软硬件综合调试的时候也是采用了分模块调试的方式,对软件代码中的各个模块进行分部独立的调试,出现与预期不吻合的情况时再对代码部分进行修改后继续调试
4.
3.1小车平台调试由于小车是所有的基础,所有的工作都需要在小车平台上工作,所以首先调试的是小车的平台,平台包括单片机主控模块、电机驱动模块和循迹模块在测试路面上贴上一定的黑线作为测试路段,将小车放在测试路段上循迹小车循迹调试记录如表4-2所示表4-2小车调试记录方向状态直行正常小角度左转正常大角度左转正常小角度右转正常大角度右转正常
4.
3.2温湿度采集调试将代码的温湿度在主函数中进行调用后烧写到单片机中,对系统上电,等待系统启动完毕后在串口调试工具上显示出了当前的温度值,尝试将DHT11放在笔记本散热出风口上显示的温度数值在不断增大,湿度数值在不断减小我们将DHT11测得的温湿度与温湿度计相比较来判断其测得结果是否准确可靠,测试数据记录如表4-
3、4-4所示表4-3温度调试记录DHT11测温值(℃)温度计测温值(℃)
1919.
12323.
52828.
33030.1表4-4湿度调试记录DHT11测湿值(%)湿度计测量值(%)4848535457576160经与温湿度计的比较后可以看出,DHT11采集到的温湿度值数据准确可靠,并且会随着测量湿度的改变而变化
4.
3.3RFID定位调试将RFID定位的代码的在主函数中进行调用后烧写到单片机中,连接好单片机和RFID读卡器,使用串口调试工具分别对各个位置的M1卡进行读取,测试数据记录如表4-5所示表4-5RFID调试记录位置卡号是否正确Room1F2722965是Room270A24E55是Kitchen667E4E55是WashroomB7A4F55是Door83F7BEA9是
4.
3.4烟雾和光电开关调试烟雾检测是使用MQ-2传感器,配合开发板上的LED灯和蜂鸣器进行测试,可根据模块上的电位器对灵敏度进行调节光电开关测试是利用光电传感器对物体距离进行检测,配合开发板上的LED灯和蜂鸣器,测试数据如表4-6所示表4-6烟雾和光电开关调试记录传感器是否正常烟雾是光电开关是烟雾传感器能在环境中出现液化气、烟雾等气体时做出相应的反应光电开关在测试大门开关状态时也能根据预先设定的要求一样,所以说明两传感器其工作状态良好,实现了预期的功能
4.
3.5GSM模块调试首先使用PC和GSM模块的进行调试,打开GSM调试工具,测试打电话、发短信、接收短信等功能,确保GSM是工作正常的接着编写单元测试代码烧录到单片机中,发送相应的短信到目标手机中GSM测试数据如表4-7所示表4-7GSM调试记录手机客户端收到内容与显示器上显示是否一致ThisisRoom1RH=67g/kgTemp=27Ceverythingisfine!一致ThisisRoom2RH=68g/kgTemp=37Ctemperaturewarning!一致ThisisWashroomRH=68g/kgTemp=28Ceverythingisfine!一致ThisisKitchen\nRH=70g/kgTemp=28Ceverythingisfine!一致Doorisclosedhomeissafe.一致经调试后发现GSM模块能够正常发送短信,发送的内容与PC机上显示的内容一致,说明GSM能够响应客户端的采集信息经过对客户端的依次操作后证明GSM模块工作良好,工作稳定可靠第5章调试结果经过对各个模块反复调试和代码修改,系统已基本达到预定的要求安防巡逻小车能够按照事先设定的路线前进并且利用RFID无线射频技术,对固定位置进行了精确定位还可以在精确的位置对温湿度、烟雾传感器进行数据的采集并且通过GSM模块发送给客户端在调试的过程中,选用了不同的手机作为客户端来进行验证,客户端的号码有移动的号码也有联通的号码,经过验证后GSM模块发送短信基本稳定,整个系统能够满足预先设定的要求,设计性能良好,测试过程中没有出现数据丢失的现象,整个系统的功能设计也基本上有效地完成了系统调试工作如图5-1所示图5-1系统调试图第6章系统设计的不足任何设计都有其不足之处,该设计也不例外由于受到了设计时间,经费和个人能力等因素的限制,系统也存在着以下几点不足之处
(1)系统目前只能实现对家庭中固定地点进行数据的采集和反馈,还没做到任何地点的数据采集
(2)系统仅对温室内的温度、湿度和烟雾这三个因素进行监控,对于人体红外部分,本设计暂时没有添加上去,也是由于硬件电路电源供电的考虑
(3)客户端与GSM模块之间的通讯存在一定的延时,由于客户端与GSM模块之间的通讯是利用GSM网络实现的,所以存在些许的延时,还可能会因为基站信号的影响也会对信息接收产生一定的影响
(4)由于时间和经费的限制,小车电机部分转速不能调到完全一致,只能靠软件尽量的确调节,使两个轮子能尽量转速一致
(5)工作模式暂时只有一种,定时检测环境中的参数时间充足情况下,可以再设置小车通过GSM接收指令来达到控制巡逻小车运行模式的选择虽然这个家庭安防巡逻定位系统存在着种种不足之处,但是其已基本达到了毕设前对毕设作品的要求该设计在日常生活中具有一定的实用性,结合了目前安防产品,本系统相对来说数据的可信性高,系统工作稳定可靠,只需要将巡逻小车启动后,在客户端手机接收所采集到的信息便可,具有容易操作、可靠、成本低,实用性强的优点结论本设计是依托智能小车为平台,使用RFID了射频识别技术对房屋地点进行精确的地位并且利用目前成熟可靠的GSM移动网络,将传感器检测到的信号传送至控制中心,根据一系列转化后以短信的形式把数据发送到手机上的客户端中使用户不在家便能查看到房屋内的安全状况首先,在硬件方面我们从六个模块入手最重要的是小车平台,利用STC12C5A60S2作为主控芯片控制各大模块的正常运作小车电机的驱动是利用L298N芯片组成的模块来使直流电机正常的运转小车行进的路线是固定的,主要是利用四路循迹模块检测黑线使智能小车能够按照规定的路线进行循迹定位技术我们使用的是RFID射频识别技术,利用M1卡具有全球唯一的编号的特性,将M1放置于不同的地点作为识别不同地点的标志在规定监测点,先是利用温湿度传感器和烟雾传感器对家庭环境内部的环境数据进行采集,然后将采集到的数据给微处理器进行数据处理,由控制核心单片机STC12C5A60S2处理完毕后通过GSM模块发送至上用户手机终端上进行显示,这样我们就可以从客户端手机上获取到此时刻家庭内部的环境状况了其次,在对直流电机控制、RFID、各个传感器、芯片的管脚名称和接法用法以及GSM模块的操作使用方法有了大致的了解后,根据事先设定的功能要求编写代码,包括电机的驱动代码、RFID读取代码,各个传感器的信息采集代码,单片机的控制主代码和GSM模块的代码,通过对各部分的软件代码的编写实现了家庭安防巡逻定位系统的设计从总体来说,该系统实现了预期的目标,资源利用合理,使用起来方便简单,实用性强,而且成本也很低廉,是一个性价比较高的系统参考文献
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