中北大学电子科学与专业技术专业实训报告.docx
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中北大学电子科学与专业技术专业实训报告
中北大学-电子科学与技术专业实训报告
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电子科学与技术专业实训报告
——基于物联网的室内信息采集系统设计
姓名：
范宇聪学号：
1306024132
合作成员姓名：
刘圣宇学号：
1306024117
合作成员姓名：
刘丹学号：
1306024102
分组编号：
1601.08
指导教师：
郑永秋
日期：
2016.6.28
1任务要求
1.1基于物联网的室内信息采集系统设计题目要求：
某户人家的房子结构如图1所示，位于1层，主人希望布置一套电子监控系统，达到如下监控目的：
图1房屋结构图
用户需求：
1）防盗功能：
窗户、门等位置是否有人活动；
2）有害气体监测功能：
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、卧室的温湿度24小时监测；
4）烟雾报警：
房屋可能是火灾产生的异常烟雾，要有警报；
5）电子监控系统的中央控制与显示放置在卧室。
6）如果有1路视频监控，请选择合适的位置安放在卧室以外的房间；
为了达到以上监测目的，你可以采用一个监测节点把所有功能实现，也可以采用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。
监测节点之间通过有线或无线方法与主控节点进行信息传输。
主控节点接收各个监测节点的信息，进行数据分析及报警处理。
基本要求：
1）撰写一个简明的方案设计报告，根据房间的面积和布局，设计布置每一个监控设备，并说明布置理由以及每一个监控设备或模块的选型与指标是否满足设计要求，并估算你的方案的实现成本；
2）最多三个学生一组，最少两个学生一组，互相协商好各自的分工，在后续过程中将有针对性地加以分别考核；
3）选用实验室现有模块，实现以上用户需求1~5的功能。
4）要充分考虑实际环境布局，采用更少的资源实现了更优的方案。
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的设计报告，并通过指导老师的答辩。
设计报告不能突出自己不同于他人的工作部分的，不予通过。
发挥部分：
1）选用实验室现有模块，实现用户需求6的视频监控功能。
2）不仅采用简单的有线传输，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系统功能简介
1.通过人体热释电红外传感器实现检测窗户，门等位置是否有人活动。
2.通过MQ5天然气传感器实现对厨房，卫生间的天然气泄漏的检测。
3.通过GP2Y1010AU烟雾传感器实现对杂物间，房屋的火灾烟雾报警。
4.通过DHT-22温湿度传感器实现对卧室，客厅的温度，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过设定阈值或人体热释电红外传感器检测到人体活动）可通过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，并伴随蜂鸣器持续报警。
6.通过RS485总线实现多机（一主多从）通信，进而实现多个传感器通过多个节点向主机传送采集到的数据。
7.通过WIFI模块实现用无线传输的方式将主机接收到的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显示屏
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
功能：
家庭或工业上对液化气，天然气和煤气的监测装置
原理：
MQ-5气体传感器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（SnO2）。
当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。
MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。
这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合多种应用的低成本传感器。
2.2.2烟雾传感器
功能：
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为核心的灰尘传感器。
传感器内部的红外二极管，可以输出一个跟灰尘浓度成线性关系的电压值。
通过该电压值即可计算出空气中的灰尘和烟尘含量[2]。
2.2.3温湿度传感器
功能：
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的温湿度复合传感器。
检测空气中的温湿度，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
原理：
用户主机（MCU）发送一次起始信号（把数据总线SDA拉低至少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的数据，先发送字节的高位；发送的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
功能
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、温度补偿（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，温度补偿可作一定的性能补偿。
4、两种触发方式：
（可跳线选择）
a、不可重复触发方式:
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、可重复触发方式：
即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有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的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
5、具有感应封锁时间（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），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。
此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰[4]。
原理：
应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、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的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应[3]。
2.2.5RS485模块
功能：
RS485是一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议。
它解决了RS-232协议传输距离太近（15m）的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数据通信链路层协议。
由于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的转换。
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）程序等待发送完毕后，控制RS485芯片转换到接收状态。
4）发送完毕的标志一般由UART的特定寄存器提供状态指示，程序需要
去查询
2.26
功能：
XPT2046是一款4线制电阻式触摸屏控制器，内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器。
XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压I/O接口。
XPT2046能通过执行两次A/D转换查出被按的屏幕位置，除此之外，还可
以测量加在触摸屏上的压力。
内部自带2.5V参考电压，可以作为辅助输入、
温度测量和电池监测之用，电池监测的电压范围可以从0V到5V。
XPT2046片内集成有一个温度传感器。
在2.7V的典型工作状态下，关闭参考电压，功耗可小于0.75mW。
XPT2046采用微小的封装形式：
TSSOP-16,QFN-16
和VFBGA－48。
工作温度范围为-40℃～+85℃。
与ADS7846、TSC2046、
原理：
2.2inch320x240TouchLCD（A）引出了SPI模式的SCK和MISO；只能写数据，不能读数据，SPI的数据会经过EPM3032（EPM3032是一个CPLD，内部已经写好程序）转换成8位的并口传输到BD663474，BD663474是工作在80-series8-bitbusinterface（Big-endien）模式；WR和RD已经通过了硬件处理，只能写数据，不能读数据。
如表2.2.1所示。
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、环境等因素的考虑
考虑到我们的产品多用于普通家庭，所以我们要考虑到成本的因素以及是否便于安装和使用的因素。
在成本方面，我们使用RS485总线进行主控和传感器的连接，主控使用性价比较高的STM32芯片。
在安装和使用方面，我们的传感器都是以模块的形式安装，不需要额外的安装工作。
数据显示采用LCD显示，直观方便。
3系统模块划分与分工
3.1系统模块划分
刘圣宇：
负责RS485总线的基本数据收发以及多机（一主多从）通信的程序设计以及硬件连接。
范宇聪：
负责LCD调试和连接；人体热释电红外传感器，烟雾传感器的程序编写。
刘丹：
负责温度、湿度传感器以及天然气传感器的程序编写和调试；报警电路的设计和焊接。
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的程序编写好，并且能够采集回正确的数值，将四种传感器的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通过RS485总线传到主机，主机通过串口将数据显示到PC上。
范宇聪编写LCD的程序，刘丹进行报警电路的设计和焊接，刘圣宇编写RS485（一主三从）的程序。
最终，将LCD的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3.1.2LCD数据显示
3.2项目分工与管理
1）五月上旬底实现四种传感器基本功能。
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能及数据显示，能将其挂在总线上传输数据，实现RS485两机之间互传数据。
4）六月上旬能够通过RS485总线实现一主三从，三个从机采集数据，通过总线传到主机，主机采会数据由LCD显示。
4模块设计
4.1LCD显示模块设计与测试
设计原理：
LCD模块提供SPI模式的SCK和MISO,SPI的数据经过EPM3023芯片转换成8位的并口传输到BD663474（BD663474是工作在Big-endien模式）。
要显示在LCD屏上的数据通过SPI总线传到LCD。
实现方法：
在LCD屏上显示数据主要用到了以下几个函数：
voidlcd_display（unsignedchargb,
unsignedintcolor_font,
unsignedintcolor_back,
unsignedcharpostion_x,
unsignedcharpostion_y）;该函数用来显示汉字。
voidlcd_display_char（unsignedcharch_asc,
unsignedintcolor_front,
unsignedintcolor_background,
unsignedcharpostion_x,
unsignedcharpostion_y）;该函数用来显示字符。
voidlcd_display_number（unsignedintx,
unsignedinty,
unsignedintcolor_font,
unsignedintcolor_back,
unsignedlongnum,
unsignedcharnum_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.用相应的函数将数据显示在LCD上
测试结果：
正常显示，如图2所示。
程序流程图：
如图4.1.1所示。
图4.1.1
总的来说，这些函数功能的实现都是源于画点函数，即在LCD屏上画出一个点。
我们用取模软件将所要用的数字和字符转换成16进制数字并根据对应数据类型的显示函数中所确定的画点坐标，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与测试
设计原理：
该传感器模块使用双元探头，当人体走过时，红外光谱到达双元的时间、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）；我们将传感器与主控芯片的一个引脚连接，并用此函数检测该引脚的电平高低。
当红外传感器被触发输出高电平并被系统检测到，系统便可以作出相应的动作。
如报警等。
如图4.2.1所示，示波器检测到高低电平变化[6]。
图4.2.1
测试步骤：
1.将传感器与主控芯片连接
2.程序中设置若检测到高电平，则相应LED灯亮
3.使人在传感器前走动
测试结果：
传感器可以较灵敏的检测到人体活动，并在检测到人体活动时点亮相应的LED并且通过串口显示数据。
如图4.2.2所示。
图4.2.2
程序流程图：
如图4.2.3所示[5]。
图4.2.3
4.3烟雾传感器模块设计与测试
设计原理：
烟雾传感器是以夏普GP2Y1010AU为核心的传感器。
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。
由此传感器可以输出一个跟烟雾浓度成线性关系的电压值。
实现方法：
1.设置模块的I（led）引脚为高电平，打开内部的红外二极管。
2.程序延时等待0.28ms，使输出波形稳定。
通过主控芯片采集A（out）引脚的电压值，并通过内部ADC转换成数字量[8]。
3.传感器输出电压与灰尘浓度关系在0到0.5mg/m3范围内成线性关系，通过采集到的电压值即可计算出空气中的灰尘和烟雾含量。
如图4.3.1所示。
图4.3.1
测试步骤：
1.将熄灭的烟头放置在传感器附近，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的电压值变化
测试结果：
传感器的输出电压随着烟雾浓度的增加而变大。
对应电压与实际烟雾浓度的关系：
Temp=（3300/4096.0）*Value*11;
由于传感器内部设有分压电路，所有实际电压是所测电压的11倍[7]。
烟雾传感器与主控线片的连接图，如图4.3.2所示。
图4.3.2
程序流程图：
如图4.3.3所示。
图4.3.3
5系统集成及测试
5.1系统集成
1.我负责两个传感器的数据采集工作，我需要将两个传感器的数据通过刘圣宇负责的RS485总线进行传输。
2.最终所有通过RS485总线传回来的传感器数据都要在我负责的LCD上显示。
这些功能的实现，都需要我和刘圣宇以及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可以正常工作。
如图4.2.2所示。
2.单独测试LCD显示屏是否可以正常稳定的显示数据。
如图3.1.2所示。
3.单独测试烟雾传感器是否可以正常工作。
4.将我所负责的模块通过刘圣宇负责的RS485总线与刘丹负责的模块连接，并与对应的主控芯片连接。
最终将采集到的数据显示在LCD显示屏上。
如图3.1.2，图4.2.2所示。
5.3指标达成情况
基本完成情况如表5.3.1所示。
表5.3.1
经过不断的测试和调整，烟雾传感器实现了准确稳定的检测烟雾浓度；人体热释电红外传感器能较灵敏的检测到人体的活动并报警；此外，LCD可以将整个系统需要显示出来的数据正常显示。
6总结与心得
6.1团队协作
从一开始，我们全组听从组长刘圣宇的安排并结合各人的实际情况，最终确定具体的分工。
在工作过程中，不管谁有困难，我们都会互相帮助，争取尽快解决问题。
遇到特别难以解决的问题，我们会在第一时间找到我们的指导老师进行指导。
6.2文献和工具的使用
在系统的测试过程中，不免会遇到一个人难以完成的任务，我们都会互帮互助。
比如在测试引脚电压的时候，我们通常是两人配合，一人记录数据，一人进行数据测量。
6.3收获与体验
通过这次实训的锻炼，我对自己所学的专业和知识有了更深入的了解。
亲自动手制作实物作品，增强了我的动手能力。
和组员的分工合作使我明白了团队合作的重要性。
只有每个人各司其职，互帮互助，才能将整个团队的最大能力发挥出来并克服一个又一个的困难，最终取得成功。
7参考文献
[1]孟立凡.传感器原理与应用[M].北京;电子工业出版社,2011.
[2]单片机原理及其接口技术[M].北京:
中国铁道出版社,2004.
[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,2004.
[4]何希才.传感器及其应用电路.北京:
电子工业出版社,2001.
[5]孙建民,杨青梅.传感器技术.北京;清华大学出版社,2005.
[6]李科杰.现代传感技术.北京;电子工业出版社,2005.
[7]陈艾主编.敏感材料与传感器.北京:
化学工业出版社,2004.
[8]王伯雄.测试技术基础.北京:
清华大学出版社,2003.
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