中北大学电子科学与关键技术专业实训总结报告.docx

电子科学和技术专业实训汇报
——基于物联网室内信息采集系统设计

姓 名： 范宇聪 学号：
合作组员姓名： 刘圣宇 学号：
合作组员姓名： 刘丹 学号：
分 组 编 号： 1601.08
指 导 教 师： 郑永秋
日 期： .6.28

1 任务要求
1.1基于物联网室内信息采集系统设计题目要求：
某户人家房子结构图1所表示，在1层，主人期望部署一套电子监控系统，达成以下监控目标：

图1 房屋结构图
用户需求：
1）防盗功效：窗户、门等位置是否有些人活动；
2）有害气体监测功效：比如厨房、卫生间燃气泄漏，杂物间异常气体监测，随时报警；
3）温湿度监测：起居室、卧室温湿度二十四小时监测；
4）烟雾报警：房屋可能是火灾产生异常烟雾，要有警报；
5）电子监控系统中央控制和显示放置在卧室。
6）假如有1路视频监控，请选择适宜位置安放在卧室以外房间；
为了达成以上监测目标，你能够采取一个监测节点把全部功效实现，也能够采取多个监测节点进行分布式监测然后把信息汇总到中央监控显示节点。监测节点之间经过有线或无线方法和主控节点进行信息传输。主控节点接收各个监测节点信息，进行数据分析及报警处理。
基础要求：
1）撰写一个简明方案设计汇报，依据房间面积和布局，设计部署每一个监控设备，并说明部署理由和每一个监控设备或模块选型和指标是否满足设计要求，并估算你方案实现成本；
2）最多三个学生一组，最少两个学生一组，相互协商好各自分工，在后续过程中将有针对性地加以分别考评；
3）选择试验室现有模块，实现以上用户需求1~5功效。
4）要充足考虑实际环境布局，采取更少资源实现了更优方案。
5）项目完成，小组集体进行实物演示和验收，但每个人要单独完成自己设计汇报，并经过指导老师答辩。设计汇报不能突出自己不一样于她人工作部分，不予经过。
发挥部分：
1）选择试验室现有模块，实现用户需求6视频监控功效。
2）不仅采取简单有线传输，还使用了CAN、Wifi、ZigBee模块进行了数据传输。

2 系统总体设计方案
2.1 系统功效介绍
1.经过人体热释电红外传感器实现检测窗户，门等位置是否有些人活动。
2.经过MQ5天然气传感器实现对厨房，卫生间天然气泄漏检测。
3.经过GP2Y1010AU烟雾传感器实现对杂物间，房屋火灾烟雾报警。
4.经过DHT-22温湿度传感器实现对卧室，客厅温度，湿度监控。
5.当人体热释电红外传感器，烟雾传感器，天然气传感器检测到异常时（烟雾及天然气浓度超出设定阈值或人体热释电红外传感器检测到人体活动）可经过LED灯和蜂鸣器报警。正常时，绿色LED灯长亮；异常时，红色LED灯长亮，并伴随蜂鸣器连续报警。
6.经过RS485总线实现多机（一主多从）通信，进而实现多个传感器经过多个节点向主机传送采集到数据。
7.经过WIFI模块实现用无线传输方法将主机接收到传感器数据发送到电脑并显示。

2.2 系统组成及原理
STM32
从机3
天然气/液化气传感器

天然气/液化气传感器

温湿度传感器

STM32
从机2
烟雾传感器
温湿度传感器

STM32
从机1
烟雾传感器

LCD 显示器
RS485

STM32
主机

RS485
RS485

RS485

人体热释电红外传感器

2.2.1 天然气/液化气传感器
功效：家庭或工业上对液化气，天然气和煤气监测装置
原理： MQ-5 气体传感器所使用气敏材料是在清洁空气中电导率较低二氧 化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器电导率随空气 中可燃气体浓度增加而增大。 MQ-5 气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷灵敏 度高，对甲烷和丙烷可很好兼顾。这种传感器可检测多个可燃性气体，特 别是天然气，是一款适合多个应用低成本传感器。

2.2.2 烟雾传感器
功效：检测空气中灰尘浓度，用于空气净化器、空气质量监测仪、 PM2.5 检测仪等。
原理：本模块是以夏普 GP2Y1010AU0F 为关键灰尘传感器。传感器内部红外二极管，能够输出一个跟灰尘浓度成线性关系电压值。经过该电压值即可计算出空气中灰尘和烟尘含量[2]。

2.2.3温湿度传感器
功效：AM2302 湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出温湿度复合传感器。检测空气中温湿度，它应用专用数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品含有极高可靠性和卓越长久稳定性。
原理：用户主机（MCU）发送一次起始信号（把数据总线 SDA 拉低最少 800µs）后， AM2302 从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后， AM2302 发送响应信号，从数据总线 SDA 串行送出 40Bit数据，先发送字节高位；发送数据依次为湿度高位、 湿度低位、 温度高位、 温度低位、 校验位[1]。

2.2.4人体热释电红外传感器
功效
1.全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平， 人离开感应范围则自动延时关闭高电 平，输出低电平。
2、 光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。
3、 温度赔偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至 30～32℃，探测距离稍变 短，温度赔偿可作一定性能赔偿。
4、 两种触发方法：（可跳线选择）
a、 不可反复触发方法:即感应输出高电平后， 延时时间段一结束， 输出将自动从高电 平变成低电平；
b、 可反复触发方法：即感应输出高电平后，在延时时间段内，假如有些人体在其感应 范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检 测到人体每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，而且以最终一次活动时间为延时 时间起始点)。
5、 含有感应封锁时间(默认设置:2.5S 封锁时间)： 感应模块在每一次感应输出后（ 高电平 变成低电平）， 能够紧跟着设置一个封锁时间段， 在此时间段内感应器不接收任何感应信 号。 此功效能够实现“感应输出时间”和“封锁时间”二者间隔工作， 可应用于间隔探测产 品；同时此功效可有效抑制负载切换过程中产生多种干扰[4]。
原理：应模块采取双元探头， 探头窗口为长方形， 双元（ A 元 B 元）在较长方向两 端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱抵达双元时间、距离有差值，差值越 大， 感应越灵敏， 当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时， 双元检测不 到红外光谱距离改变， 无差值， 所以感应不灵敏或不工作； 所以安装感应器时应使探头 双元方向和人体活动最多方向尽可能相平行，确保人体经过时前后被探头双元所感应[3]。

2.2.5 RS485模块
功效：RS485 是一个基于差分信号传送串行通信链路层协议。它处理了 RS-232 协议传输距离太近(15m)缺点，是工业上广泛采取较长距离数据通信链路层协议。因为它使用一对双绞线传送差分信号，属半双工通信，所以需要进行接收和发送状态转换。
原理：
RS485 芯片通常处于接收状态。
当要发送数据时：
1) 由程序控制 RSE 变为高电平。
2) UART 单元发送数据。
3) 程序等候发送完成后，控制 RS485 芯片转换到接收状态。
4) 发送完成标志通常由 UART 特定寄存器提供状态指示，程序需要
去查询

2.26
功效：XPT2046 是一款 4 线制电阻式触摸屏控制器，内含 12 位分辨率 125KHz 转换速率逐步迫近型 A/D 转换器。
XPT2046 支持从 1.5V 到 5.25V 低电压 I/O 接口。
XPT2046 能经过实施两次 A/D 转换查出被按屏幕位置， 除此之外，还可
以测量加在触摸屏上压力。内部自带 2.5V 参考电压，能够作为辅助输入、
温度测量和电池监测之用，电池监测电压范围能够从 0V 到 5V。
XPT2046 片内集成有一个温度传感器。在 2.7V 经典工作状态下，关闭参考电压，功耗可小于 0.75mW。 XPT2046 采取微小封装形式： TSSOP-16,QFN-16
和 VFBGA－48。 工作温度范围为-40℃～+85℃。和 ADS7846、 TSC2046、
原理：2.2inch 320x240 Touch LCD (A)引出了 SPI 模式 SCK 和 MISO；只能写数据，不能读数据， SPI 数据会经过 EPM3032（ EPM3032 是一个 CPLD，内部已经写好程序）转换成 8位并口传输到 BD663474，BD663474是工作在 80-series 8-bit bus interface(Big-endien)模式； WR 和 RD 已经经过了硬件处理，只能写数据，不能读数据。如表2.2.1所表示。
表2.2.1
CS
LCD 片选信号
RS
命令/数据标志（0，读写命令； 1，读写数据）
WR
向 LCD 写入数据
RD
从 LCD 读取数据
D[17： 10]
8 位双向数据线

2.3 方案中对社会、法律、经济、商业成本、环境等原因考虑
考虑到我们产品多用于一般家庭，所以我们要考虑到成本原因和是否便于安装和使用原因。在成本方面，我们使用RS485总线进行主控和传感器连接，主控使用性价比较高STM32芯片。
在安装和使用方面，我们传感器全部是以模块形式安装，不需要额外安装工作。数据显示采取LCD显示，直观方便。
3 系统模块划分和分工
3.1 系统模块划分
刘圣宇：负责RS485总线基础数据收发和多机（一主多从）通信程序设计和硬件连接。
范宇聪：负责LCD调试和连接；人体热释电红外传感器，烟雾传感器程序编写。
刘丹：负责温度、湿度传感器和天然气传感器程序编写和调试；报警电路设计和焊接。

图3.1.1 多机通讯
分工合作：
首先，范宇聪和刘丹进行四种传感器调试和使用，编写程序；刘圣宇进行RS485两机之间数据传输。范宇聪和刘丹将四种传感器程序编写好，而且能够采集回正确数值，将四种传感器程序汇总到一个程序中，刘圣宇加入RS485程序，实现从机采集四个传感器数据经过RS485总线传到主机，主机经过串口将数据显示到PC上。范宇聪编写LCD程序，刘丹进行报警电路设计和焊接，刘圣宇编写RS485（一主三从）程序。最终，将LCD程序加入到主机程序中，每个从机上接两个传感器，报警电路接入主机上。见图3.1.1和图3.1.2。

图3.1.2 LCD数据显示
3.2 项目分工和管理
1）五月上旬底实现四种传感器基础功效。
2）五月中旬实现RS485总线通讯，能够实现一个传感器数据采集接收。
3）五月下旬实现四种传感器功效及数据显示，能将其挂在总线上传输数据，实现RS485两机之间互传数据。
4）六月上旬能够经过RS485总线实现一主三从，三个从机采集数据，经过总线传到主机，主机采会数据由LCD显示。
4 模块设计
4.1 LCD显示模块设计和测试
设计原理：LCD模块提供SPI模式SCK和MISO,SPI数据经过EPM3023芯片转换成8位并口传输到BD663474（BD663474是工作在Big-endien模式）。要显示在LCD屏上数据经过SPI总线传到LCD。
实现方法：在LCD屏上显示数据关键用到了以下多个函数：
void lcd_display_GB2312( unsigned char gb,
unsigned int color_font,
unsigned int color_back,
unsigned char postion_x,
unsigned char postion_y );该函数用来显示汉字。
void lcd_display_char( unsigned char ch_asc,
unsigned int color_front,
unsigned int color_background,
unsigned char postion_x,
unsigned char postion_y);该函数用来显示字符。
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 );该函数用来显示数字。
测试步骤：1.用取模软件将数据转换成16进制数
2.用对应函数将数据显示在LCD上
测试结果：正常显示，图2所表示。
程序步骤图：图4.1.1所表示。

图4.1.1
总来说，这些函数功效实现全部是源于画点函数，即在LCD屏上画出一个点。我们用取模软件将所要用数字和字符转换成16进制数字并依据对应数据类型显示函数中所确定画点坐标，使用画点函数将这些数据在LCD屏上显示出来。

4.2 人体红外传感器模块设计和测试
设计原理：该传感器模块使用双元探头，当人体走过时，红外光谱抵达双元时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏。当有感应时，传感器则向外输出高电平。
实现方法：GPIO_ReadInputDataBit(GPIOX,GPIO_Pin_x)；我们将传感器和主控芯片一个引脚连接，并用此函数检测该引脚电平高低。当红外传感器被触发输出高电平并被系统检测到，系统便能够作出对应动作。如报警等。图4.2.1所表示，示波器检测到高低电平改变[6]。

图4.2.1
测试步骤：1.将传感器和主控芯片连接
2.程序中设置若检测到高电平，则对应LED灯亮
3.使人在传感器前走动
测试结果：传感器能够较灵敏检测到人体活动，并在检测到人体活动时点亮对应LED而且经过串口显示数据。图4.2.2所表示。

图4.2.2
程序步骤图：图4.2.3所表示[5]。

图4.2.3
4.3 烟雾传感器模块设计和测试
设计原理：烟雾传感器是以夏普GP2Y1010AU为关键传感器。传感器内部有一个红外二极管，当烟雾进入传感器内部时，使光散射并使感光材料接收到红外光。由此传感器能够输出一个跟烟雾浓度成线性关系电压值。
实现方法：1.设置模块I（led）引脚为高电平，打开内部红外二极管。
2.程序延时等候0.28ms，使输出波形稳定。经过主控芯片采集A（out）引脚电压值，并经过内部ADC转换成数字量[8]。
3.传感器输出电压和灰尘浓度关系在0到0.5mg/m3范围内成线性关系，经过采集到电压值即可计算出空气中灰尘和烟雾含量。图4.3.1所表示。

图4.3.1
测试步骤：1.将熄灭烟头放置在传感器周围，使烟雾进入传感器内部
2.用万用表测试传感器电压输出端电压值改变
测试结果：传感器输出电压伴随烟雾浓度增加而变大。
对应电压和实际烟雾浓度关系：
Temp = (3300 / 4096.0) * Value * 11;
因为传感器内部设有分压电路，全部实际电压是所测电压11倍[7]。
烟雾传感器和主控线片连接图，图4.3.2所表示。

图4.3.2

程序步骤图：图4.3.3所表示。

图4.3.3
5系统集成及测试
5.1 系统集成
1.我负责两个传感器数据采集工作，我需要将两个传感器数据经过刘圣宇负责RS485总线进行传输。
2.最终全部经过RS485总线传回来传感器数据全部要在我负责LCD上显示。这些功效实现，全部需要我和刘圣宇和刘丹一起合作对程序进行改动。
5.2 系统集成测试
测试步骤：1.单独测试人体热释电红外传感器是否能够正常工作。图4.2.2所表示。
2.单独测试LCD显示器是否能够正常稳定显示数据。图3.1.2所表示。
3.单独测试烟雾传感器是否能够正常工作。
4.将我所负责模块经过刘圣宇负责RS485总线和刘丹负责模块连接，并和对应主控芯片连接。最终将采集到数据显示在LCD显示器上。图3.1.2，图4.2.2所表示。
5.3 指标达成情况
基础完成情况如表5.3.1所表示。
表5.3.1

经过不停测试和调整，烟雾传感器实现了正确稳定检测烟雾浓度；人体热释电红外传感器能较灵敏检测到人体活动并报警；另外，LCD能够将整个系统需要显示出来数据正常显示。
6 总结和心得
6.1 团体协作
从一开始，我们全组听从组长刘圣宇安排并结合各人实际情况，最终确定具体分工。在工作过程中，不管谁有困难，我们全部会相互帮助，争取立即处理问题。碰到尤其难以处理问题，我们会在第一时间找到我们指导老师进行指导。
6.2 文件和工具使用
在系统测试过程中，不免会碰到一个人难以完成任务，我们全部会互帮互助。比如在测试引脚电压时候，我们通常是两人配合，一人统计数据，一人进行数据测量。
6.3 收获和体验
经过这次实训锻炼，我对自己所学专业和知识有了更深入了解。亲自动手制作实物作品，增强了我动手能力。和组员分工合作使我明白了团体合作关键性。只有每个人各司其职，互帮互助，才能将整个团体最大能力发挥出来并克服一个又一个困难，最终取得成功。
7 参考文件
[1]孟立凡.传感器原理和应用[M].北京;电子工业出版社,.
[2]单片机原理及其接口技术[M].北京:中国铁道出版社,.
[3]王雪文,张志勇.传感器原理及应用.北京:北京航天航空大学出版社,.
[4]何希才.传感器及其应用电路.北京:电子工业出版社,.
[5]孙建民,杨青梅.传感器技术.北京;清华大学出版社,.
[6]李科杰.现代传感技术.北京;电子工业出版社,.
[7]陈艾主编.敏感材料和传感器.北京:化学工业出版社,.
[8]王伯雄.测试技术基础.北京:清华大学出版社,.