基于物联网的儿童家庭卧室环境监测系统的硬件系统设计.docx
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基于物联网的儿童家庭卧室环境监测系统的硬件系统设计
摘要
每个人都憧憬和向往着幸福的家庭生活，有幸福的生活我们也才能梦想着更好的未来。
在我们现代的生活中和社会经济发展中，科学和信息技术在人们的生活中发挥着越来越重要的作用，同时也发展到我们生活中越来越多的方面。
我们在积极努力为美好生活奋斗的同时往往会出现这样那样的安全问题，而在这其中儿童的安全问题占了很大的比重。
儿童安全问题的频频爆出，像杭州的保姆纵火案，还有很多地方孩子的坠楼死亡案件，这也给家长敲响了警钟。
很多家长由于工作的繁忙，不能够顾及独自在家的老人或者小孩子们。
因此智能环境安全监测系统也因为市场的需要诞生而且不断的发展，也越来越成熟。
本文分析了国内和国外关于智能家居环境安全监测系统的发展现状以及以后的发展趋势，本设计采用多个传感器，多方位的监测家居环境，采用无线传输技术，使传感器的安装更加简捷方便。
本设计主要用于儿童环境安全的监测，所以相对于平常普通家庭环境安全的监测数据采集的量上会更多，要求也相对较高，因此设计采用了多个传感器，主要有温湿度传感器、一氧化碳传感器、火焰烟雾传感器、人体红外传感器，数据传输zigbee模块、wifi模块组成。
室内的各种传感器收集到环境数据后，通过zigbee模块传递到网关，经过网关识别处理后，通过家用的通信网络传送到云端。
通过手机移动端访问云端，实时获取室内环境情况，让家长实时了解儿童居室环境的情况。
单片机主要采用的是STM32F103RBT6。
关键词：
STM32zigbee智能环境监测
ABSTRACT
Everyoneislookingforwardtoandyearningforahappyfamilylife,withahappylifewecanalsodreamofabetterfuture.Inourmodernlifeandinthedevelopmentofsocialeconomy,scienceandinformationtechnologyareplayinganincreasinglyimportantroleinpeople'slife,andhavealsodevelopedintomoreandmoreaspectsofourlives.Weareactivelystrivingforabetterlifeatthesametimewilloftenappearsecurityissuesofonekindoranother,andinthisthesafetyofchildrenaccountedforalargeproportionoftheproblem.Thefrequentoccurrenceofchildsafetyissues,suchasthenannyarsoncaseinhangzhouandthedeathofchildrenfallingfrombuildingsinmanyplaces,alsosoundedthealarmforparents.Manyparentsaretoobusytotakecareoftheelderlyorchildrenwhoareathomealone.Therefore,theintelligentenvironmentalsecuritymonitoringsystemisalsobornoutoftheneedsofthemarketandisdevelopingandbecomingmoreandmoremature.Thispaperanalyzesthedomesticandforeignsmarthomeenvironmentsecuritymonitoringsystemdevelopmentstatusandfuturedevelopmenttrend,thedesignUSESmultiplesensors,multi-directionalmonitoringofthehomeenvironment,theuseofwirelesstransmissiontechnology,sothattheinstallationofsensorsmoresimpleandconvenient.
Thisdesignismainlyusedforchildren'senvironmentalsafetymonitoring,socomparedwiththeordinaryhouseholdsenvironmentalsafetymonitoringtheamountofdatacollectionwillbemore,demandisrelativelyhigh,thereforethemultiplesensorsisadopted,mainlyincludethetemperatureandhumiditysensors,carbonmonoxidesensor,firesmokesensor,humanbodyinfraredsensor,datatransmissionofzigbeemodule,thewifimodules.Afterenvironmentaldataarecollectedbyvariousindoorsensors,theyaretransmittedtothegatewaythroughzigbeemodule.Afterthegatewayrecognitionprocess,theyaretransmittedtothecloudthroughthehouseholdcommunicationnetwork.Throughthemobilephoneterminaltovisitthecloud,real-timeaccesstotheindoorenvironment,sothatparentscanunderstandthechildren'sbedroomenvironmentinrealtime.SinglechipmicrocomputermainlyUSESSTM32F103RBT6.
Keywords：
STM32;zigbee;Intelligentenvironmentmonitoring
第一章绪论
1.1概述
随着时间的推移，我们经历了“蒸汽时代”、“电气时代”，后来我们进入了“科技时代”。
虽然前两次的工业革命我们的国家没有及时的参与到其中，但是在第三次工业革命我国的科技实力、综合国力有了飞速发展，高科技使人们的生活越发多彩。
也因为这次发展，国家的经济也有了长足的发展和进步。
人们的消费水平、生活水平也在不断提高。
但是在人民生活越发忙碌的当下，也出现了各种各样的问题，其中小孩子的安全问题也是一个社会关注的焦点问题。
近年来，有很多儿童独自在家是发生意外的新闻爆出。
这也引起了社会和国家的关注。
本设计就以家庭儿童安全为前提背景，旨在能够实现一套智能的环境安全监测系统。
设计是STM32单片机为微控制器，采用多个传感器模块探测监测的方式。
环境数据由家装的传感器感应传输产生，也可由使用者设置阈值，监测环境。
如发现异常可以及时报警，并通知使用人知晓。
系统的儿童卧室家庭环境监测系统，它的功耗很低、同时灵敏度与稳定性也相对较高，因此避免了许多错误报警状况、而且它的应用范围也相对较广泛，可以普遍应用在家庭中的各种起居场所。
1.2研究背景和意义
随着现代社会的快速发展，在社会生活的各方面都有了对环境的监控测量，从科学技术场所的应用到平常人民生活的吃喝拉撒，从国家安全到人民安全。
孩子是一个家庭的未来，也是一个国家的希望。
那些未知的无法预测的危险始终是与孩子的成长相伴的。
从呱呱坠地的小婴儿到满地乱跑的少年儿童，孩子们会从天真烂漫渐渐地成长，慢慢地走出家庭，走向社会，走向更宽阔的未来。
孩子在认识世界的同时，也在不断认知世界的危险。
孩子是不断地成长，开始学习说话、走路。
他们对周围的事物充满好奇，喜欢触摸，喜欢探索新的未知世界，但是他们并不知道周围环境是危险的。
一点点小的危险隐患，都有可能剥夺孩子幼小的生命。
近年来不断有儿童安全问题的新闻频频被爆出，这也使儿童安全问题成为了社会的一个焦点。
保障儿童在家时环境的安全性，减少儿童意外事故的发生。
为此国家也有出台各种政策来应对。
但是最关键的还是在家长身上，通过对儿童安全的搜索了解分析，有一部分的家长认为儿童安全事故频发的原因是家长疏忽监管，其次是学校安全教育不足。
但是现在家长基本上都需要上班，如何监管就成为一个研究的关键。
当孩子独自在家时，如果有能感应周围的环境，收集数据，进行静态、动态物体的辨识与追踪，进行系统的运算与分析，从而预先让家长察觉到可能发生的危险，有效提高了家长对孩子安全的监管能力。
也因此如果孩子有一个安全、舒适的居家生活环境成为了家长的向往和追求，“智能安全家居环境”的实现和普及就显得尤为重要。
1.3国内外研究现状和发展趋势
现代生活中发生的儿童意外事故越来越多，这个问题也引起了国内外的重视。
不能提前知道危险的发生，那专家们就会研究怎样实现预警危险。
所以环境安全的监测就尤为重要。
在物联网技术还没有发展起来的时候，室内的温度主要是靠普通的酒精或者水银温度计来感知，得到室内的温度是多少，对家庭室内的有毒的气体靠的是在气体中加入有味道的气体，并通过人们的嗅觉来判断。
随着技术的不断发展完善，人们对这些参数有了更高更精确的要求。
我们需要知道实时的温湿度是怎样的，判断家庭中有毒气体生物含量，了解怎样的环境更加适合人们居住。
之后才能具体问题具体分析，具体给特定人群提供更加健康、舒适、安全的家居生活。
1.3.1国内发展状况
关于智能家居环境安全监测系统在国内的发展大致分为以下几个阶段：
表1发展阶段表
第一阶段（1994年-1999年）
这个一阶段智能家居还只是一个概念性的东西，并没有相关产品的产生。
第二阶段（2000年-2005年）
这个时期国内受到国外的影响，逐渐发展起来很多家的研究机构，也逐渐形成一个出具形态的体系。
但是由于技术不完善，不够先进，市场的管理体系不够完善，而且用户体验度不高等问题。
所以市场并不稳定。
第三阶段（2006年-至今）
这一阶段行业是从开创阶段到快速发展阶段。
开创阶段的道路曲折，发展也比较慢，但是有不少的厂家抓住机遇和挑战，不断的发展自己，积极创新，行业逐渐有了起色。
再到后来的快速发展阶段，智能家居的概念已经很普及了。
而且也受到越来越多的人的关注，考虑到安全性问题、舒适度的问题、健康性问题等各种问题，有很多用户也有了兴趣，想体验一下。
智能家居也逐渐开始细化，慢慢发展到适用于各类人群用户身上。
像居家的安全、孩子的安全、老人的安全等等。
1.3.2国外发展状况
世界上第一幢智能建筑是在美国出现的，再到后来，北美、欧洲、澳洲等经济比较发达的国家先后纷纷提出智能建筑、智能家居的想法和方案。
智能家居系统在一些科技较发达的国家或城市都有相关的开发和应用。
在新加坡，它们发展的家庭智能化系统包含很多智能化的安防监控的功能。
在经济发达的国家智能家居的普及度现在不断提高，但是在国内的普及度却并没有很高。
关于我们系统的发展最基本的要求就是给人们提供一个安全的生活环境，之后才能向更高的目的地去前进发展。
所以现在反观智能家居能让人们的家庭生活更安闲,更方便,更安全,更符合环保，这才是最终的愿望和目的。
在现代的生活中，人们的消费水平、住房环境、生活质量等等方面是越来越智能化的,在未来的智能家居系统也会增加越来越多，越来越丰富的功能和内容,系统配置也越来越复杂，越来越人性化。
在国外的发展情况与国内的发展相比较，国外的发展时间是要比国内的发展时间长的多。
而且科技水平国外的水平也是高于国内的。
经过长时间的发展国外也有出台一些相关行业的开发的标准，现在也在不断的完善中。
像在美国、新加坡等发达国家智能家居在人们的日常所生活中随处可见。
由此可见，在国内智能家居等相关产业仍有很大的发展空间，积极的发展新科技，能积极的将数字技术、新工艺和新材料等各种新兴的科学技术的应用在智能家居环境监测等方面，使应用技术变得有更高的可靠性并且往网络化、智能化的方向发展[1]。
1.4本文内容及结构
文章的主要内容结构包括以下部分：
第一章：
简单地介绍儿童环境监测系统，以及智能家居目前国内外研究现状，并且展现智能家居的发展，同时介绍了本课题研究和实现的背景和意义。
第二章：
介绍一下课题研究系统的信息采集和处理报警原理，及结构的相关框架。
第三章：
对系统的硬件设计进行详细的说明，以及对课题采用的主要硬件模块进行相关的介绍说明。
第四章:
对系统的软件设计进行相应阐述说明，对课题使用的软件做了简单的说明介绍。
第五章：
对本次研究课题系统的功能的进行相关的测试，讨论系统出现的不足。
第六章：
对本次研究课题进行简要的总结以及对课题以后相关的发展趋势进行讨论和展望。
第二章系统的总体设计
2.1概述
本课题是研究基于物联网的儿童家庭卧室环境安全监测系统的设计与实现，本章主要是描述这个系统的总体相关设计。
第一部分主要进行儿童家庭卧室环境安全监测系统的层次分析以及功能分析，第二部分设计出儿童家庭卧室环境安全监测系统的总体的方案，第三部分简单的介绍儿童家庭卧室环境安全监测系统的检测和处理报警的开发环境以及开发的语言的介绍，第四部分则是这个儿童家庭卧室环境安全监测系统软件设计总体概述。
2.2功能分析
系统是基于STM32的儿童家庭卧室环境安全监测系统，主要采用的是多个传感器（一氧化碳传感器、烟雾传感器、火焰传感器、温湿度传感器以及人体红外传感器）监测环境中的相关环境因素数值，当单片机微处理器接收到一氧化碳传感器、烟雾传感器、火焰传感器、温湿度传感器以及人体红外传感器等各个模块的数据后各个传感器模块判断是否在设定的环境阈值内并进行相应的数据传递处理，传感器模块节点与路由节点通过zigbee技术进行数据的传递，之后通过WIFI网关模块将数据传递到云端，手机机智云的移动端通过app进行云端的访问，并显示相关环境的信息。
2.2.1系统层次分析
表2系统层次表
感知采集层
主要负责采集儿童卧室里环境数据信息，系统所采集到的信息主要包括：
温湿度、一氧化碳、烟雾、火焰、人体红外感知。
数据传输层
主要负责环境采集数据的传递，采用的是zigbee技术，从而实现节点模块间的数据的无线传输。
数据应用层
主要是应用使用采集到的环境数据信息。
将终端采集模块处理过的数据，通过访问云端的形式，从而使用户了解家庭中儿童卧室内环境的安全状况。
2.2.2功能要求
课题实现功能的大致要求：
1.能够根据设定的线路实现环境各数据的监测。
温湿度传感器模块：
感知环境的温湿度，模块主要可以应用在卧室等环境。
对于课题系统而言所使用的环境就是儿童的卧室。
一氧化碳传感器模块：
感知环境中的一氧化碳浓度，这个模块对于家庭环境很重要。
可以应用在厨房、卧室等。
对于课题系统可应用在卧室或者厨房。
火焰烟雾传感器模块：
感知环境中发生火灾的因素，例如烟雾、火焰等。
主要用于防范火灾。
人体红外感应传感器模块：
用于感知人体活动。
可应用于窗口、门口。
可感知儿童活动，提早让家长知道孩子进入窗口危险区域。
也可用于门口，若门外出现长时间有人存在，可尽早知晓。
2.收集的数据进行判断处理后，能根据阈值的设定，判断是否符合环境安全的要求。
3.移动端可以收到相应的toast报警提示。
2.3总体方案设计
本文研究的环境安全监测系统，使用的处理器是STM32F103RBT6，分别设计了环境数据采集感知模块和环境采集数据传输模块。
具体的框架图2.1如下：
图2-1系统框架图
具体所要实现的功能要求大致分为以下几点：
（1）对环境的温湿度进行实时的监测，手机app移动端的显示；
（2）如果被监测环境内的火灾检测数值、人体红外感应数值等没有超过所设定的安全值，系统传感器处于“休息”状态，不会触发警报，手机不会收到相关提示；如果该环境的火灾检测数值、人体红外感应数值等数值超过该环境内的设置安全值，那么就会触发该系统传感器模块发出报警信号，从而手机会相关的报警提示。
2.4系统相关的开发环境的介绍
我们的课题的实现软件功能主要运用的编程语言是C语言，所使用的软件的开发平台是KeiluVision5平台。
平台是由ARM公司研发的。
软件的设计主要分为设备采集端的设计、网关数据传输的设计以及机智云手机端连接的设计几个模块。
所以根据平台以及使用的编程语言，我们需要满足一下的几点开发环境、开发语言以及运行系统：
表3开发环境一览表
电脑开发语言
C语言
电脑开发软件
KeiluVision5
电脑运行系统
Windows8系统
2.4.1关于C语言介绍
C语言对于物联网专业的学生，甚至是对学习计算机相关专业的学生来说都不陌生，C语言应该是学习计算机编程最先接触到的语言。
它是计算机领域一种很通用的计算机编程语言，有相对于其他语言更为广泛的应用。
C语言在计算机编程领域应该是发展时间较长的一种语言，在现代的计算机科学领域也是相对较为成熟的一种编程语言。
C语言的发展大概分成一下几个阶段：
在1937年，有学者将CPL计算机语言进行简化就发展成为BCPL计算机语言；到了1970年，美国贝尔研究室的学者对BCPL计算机语言进行了优化，就出现了B语言；在1972年贝尔实验室在之前的研究成果之上又进行了优化分析，所以就出现了现代我们使用的C语言[3]。
在后来为了统一使用标准，逐渐的出现国际化的标准。
现在的C语言大多是用于底层系统的开发，特别是操作系统、嵌入式系统的开发利用。
虽然在使用的时候对于使用人员有一定的要求，也没有像现在开发软件里自带的代码包，但是不能否认C语言在领域里举足轻重的地位。
所以C语言就有很多的优点，大致具体有下面几点：
1）编程具有简单、高效灵活的特点。
这点也是C语言最主要、突出的特点。
它的关键字只有32个，控制语句也只有9种。
书写自由的特点主要是因为C语言将高级语言和低级语言很好的结合在一起。
2）语句的运算符丰富，和别的语言相比较，C语言的运算符是较为丰富的，它一共有34个运算符。
这个特点也提高了程序编程和运行的效率和质量，这也是其他的语言不容易达到的。
3）具有结构化的控制语句，结构化特点很突出。
4）语言中有丰富的数据类型,C语言大致有6种数据结构。
这一特点当出现复杂的数据处理的时候，就更能体现C语言的优势。
5）可以应用的范围比较大。
C语言可以在众多的编程语言中脱颖而出，这和它兼容性很大有密不可分的关系。
它可以用在windows系统中，也可以应用在Linux系统中。
6）C语言的程序运行效率很高，有较强的可移植性。
每个C语言的程序一般分为两个程序文件，一是用于保存程序的声明，称之为头文件，是以“*.h”为后缀名；另一个是用于保存程序的实现，一般称之为源文件，是以“*.c”为后缀名。
2.4.2系统使用的处理器的介绍
1.介绍
我们课题使用的单片机型号是STM32F103RBT6，STM32F103RBT6的各部分数字和字母表示主要是以下几点：
表4单片机个参数介绍表
名称
介绍
STM32
代表ST品牌Cortex-Mx系列内核（ARM）的32位MCU；
F
代表通用快闪；
103
代表ARMCortex-M3内核，增强性；
R
代表64PIN；
B
代表128kBFlash（中容量）；
T
代表LQFP；
6
代表40℃-85℃（工业级）；
使用该处理器的原因，详细解释请看第三章。
2.5软件设计思想及流程
软件设计思路主要是为了实现数据的收集、封装、发送、显示等功能[10]。
因此相关的程序的设计思路主要是当单片机接收到传感器收集的数据之后，会对数据进行相应的处理，判断收集的一氧化碳浓度数据、火灾烟雾数据、人体红外传感器的数据是否符合阈值的设定，如果不符合设定，会报警数据通过无线数据传输，通过网关wifi模块上传至云端，通过手机移动端查看警报。
根据课题的背景、功能的分析，大致可以将整个系统的软件设计分为几方面：
传感器终端部分的软件编写、数据传输部分的软件编写、网关的程序编写以及移动端云访问的连接。
软件程序总体开发步骤：
首先初化单片机中的资源，整合已有的资源，按照功能需求来编写程序，之后再调用继承相关的程序，从而实现资源的有效利用，这样再一步步实现课题设想的功能。
第三章基于物联网的儿童家庭卧室环境监测系统的硬件系统设计
3.1系统的主要器件的选择
儿童家庭卧室环境监测系统主要采用的器件主要包括主控芯片、环境因素传感器、zigbee模块、wifi模块等。
选择原因见下：
3.1.1关于微控制器的选择
作为儿童家庭卧室环境安全监测系统的关键主导器件，微控制器的选择是非常重要。
系统的环境数据的采集收集、通信模块、数据处理等等任务都是由我们的微控制器来完成的。
所以，微控制器对于整个儿童家庭卧室环境安全监测系统的功能的成功实现有着很重要的作用。
微控制器的种类在现代的市场中是多种多样的，大致有以下几种常见的单片机类型：
表5单片机类型介绍表
种类
各类单片机介绍
51单片机
51单片机是市场上单片机中，对初学者很友好的单片机类型。
但是它也有缺点，就是它外部设备单一，需要自己扩展，管脚简单，不是很有利于复杂的系统的开发，而且他的运行速度也比其他的单片机慢等等的不足。
MSP430单片机
MSP430单片机是由TI公司研究开发的，它的优点有一条就是该单片机采用的是低电压供电，缺点也是因为低电压供电，因为一些5V供电的设备不可以直接使用MSP430单片机的接口，而且对I/O接口没有保护作用，所以在开发上不适合于本课题。
ARM单片机
ARM原本的意思是一家知名的微处理器公司，英国的ARM公司是全球规模很大的半导体知识产权提供商。
arm采用的是RSIC精简的指令集[2]，ARM单片机它的运算速度是相对较高的，也有低功耗的有点，而且它的拓展性也很强，所以就很有利于实现复杂的功能控制。
有多种保护电路，从而能够保证系统使用的稳定性。
STM32单片机
因为ARM7处理器存在一些效能低的问题，ARM9在编程上有些复杂，所以人们将ARM7处理器经过改良之后就出现了代号是Cortex–M系列的单片机。
ARMCortex-M3内核具有高性能、低成本、低功耗等特点。
32单片机是arm单片机的一个拓展改良延伸。
综上，我们选择的是STM32单片机。
因此对整个儿童家庭卧室环境安全监测系统做了详细的分析后选用的微控制器需要能满足以下的条件要求：
a.针对于儿童环境安全监测系统，对于复杂的环境量，数据也是众多的，能够稳定、快速的的处理好传感器传来的数据，同时也要求有较高的精确性。
综上所述，我们采用的微控制器芯片模块是工业级的。
b.有多个传感器的节点监测，而且对于家庭而言开发和使用的成本不能太高。
要尽量向普通人家考虑
c.针对于整个儿童家庭卧室环境安全监测系统较
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