完整版基于物联网的无线安防系统硬件设计毕业设计.docx

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完整版基于物联网的无线安防系统硬件设计毕业设计

基于物联网的无线安防系统硬件设计

摘要：

文中所设计安防系统硬件部分以我校自主研发的ARM嵌入式系统用户板——LPC1768Ⅲ型用户板为开发平台，外部配有LCM12864显示屏、LED显示模块，按键及各种通讯接口等；辅助设计了一款基于ARMCortex-M0微控制器LPC11C14设计的前端信息采集器，用于配合主控平台传送、处理各种传感器接收到的信号。

外部配有按键、LED指示灯、ADC与DAC模块、无线通信模块、串行通信模块等。

LPC1768Ⅲ用户板开发平台主要应用了ARM的网络通信模块、液晶显示模块及外部接口模块。

网络通信模块用于与计算机的通信或者是利用局域网组建安防网络，液晶显示模块用于显示当前系统信息和使用虚拟键盘控制安防系统，而外部接口模块则是连接无线通信模块接收前端信息采集器传入的数据。

辅助设计的前端信息采集器的串行通信模块用于远距离的通信、ADC与DAC模块用于挂接各种传感器完成信息采集功能，无线通信模块用于在近距离通信范围内与主控平台的数据通信，按键、LED指示灯则是对信息采集器的功能升级，配合相应的软体程式信息采集器可以实现更多人性化的功能。

本文对所用芯片的工作特性、无线通信模块的工作原理、电路设计注意事项等进行了详细的描述。

实验测试结果表明，该无线安防系统能正常工作，适用于家用安防、中小企业安防等中小型安防领域。

关键词：

ARM嵌入式；无线通信；安防系统；硬件设计

Wirelesssecuritysystems,hardwaredesign

BasedontheInternetofThings

Abstract:

Inthispaper,thehardwareportionofthesecuritysystemdesignindependentresearchanddevelopmentoftheschoolboardofARMembeddedsystemuser-LPC1768Ⅲtypeboardasadevelopmentplatform,externalwithhaveLCM12864display,LEDdisplaymodule,buttons,andavarietyofcommunicationinterfaces;aideddesignofafront-endbasedontheARMCortex-M0microcontrollerLPC11C14informationcollection,usedinconjunctionwiththemasterplatformtransmission,processingthereceivedsignalsofvarioussensors,externalwithbuttons,LEDindicators,ADCandDACmodule,thewirelesscommunicationmoduleserialcommunicationmodules.

LPC1768ⅢuserboarddevelopmentplatformforapplicationsARMnetworkcommunicationmodule,LCDmoduleandanexternalinterfacemodule.NetworkcommunicationmoduleforcommunicationwiththecomputerorLANsetupasecuritynetwork,theLCDmoduleisusedtodisplaysysteminformationandusethevirtualkeyboardtocontrolsecuritysystems,andexternalinterfacemoduleisconnectedtothewirelesscommunicationmoduletoreceivefront-endinformationacquisitionincomingofdata.

Aideddesignfront-endacquisitionoftheserialcommunicationmoduleforlong-distancecommunication,ADCandDACmodulesareusedtomountavarietyofsensorstocompletetheinformationcollectionfunction,thewirelesscommunicationmoduleisusedtoclosethecommunicationdistancewithinandmasterplatformdatacommunications,buttonsandLEDlightupgradethefunctionsofinformationcollection,withacorrespondingsoftwareprograminformationcollectioncanbeachievedmoreuser-friendlyfeatures.

Theoperatingcharacteristicsofthechipsused,theworkingprincipleofthewirelesscommunicationmodule,circuitdesignprecautionsweredescribedindetail.Thetestresultsshowthatthewirelesssecuritysystemcanwork,applytohomesecurity,smallandmediumenterprises,securityandothersmallandmedium-sizedfieldofsecurity.

Keywords:

ARMembedded;wirelesscommunications;securitysystems;hardwaredesign

1绪论

1.1技术背景

在网络信息化技术不断发展的现代社会，信息的交流已不再局限于人与人之间的沟通交流。

随着传感器技术、RFID射频识别技术和新一代网络技术（IPv6）的日趋成熟，使得物与物的信息交流得以实现。

这便引出了物联网（TheInternetofthings）这一概念：

物联网是指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

嵌入式系统是现代计算机发展的重要分支，是基于计算机科学技术的全功能、低功耗、微型化的SOC（片上系统）。

嵌入式系统就是“32位单片机+专用操作系统”的微型计算机系统，是计算机科学的重要分支。

目前，嵌入式系统已得到广泛的应用，涵盖网络、通信、多媒体、信息处理、工业测控、航空、航天等各种领域。

1.2选题意义

安防行业作为早期使用物联网的行业之一，国家物联网的发展战略为其带来了新的机遇。

安防系统也称安全防范系统（SPS：

security&protectionsystem）随着人类社会的不断进步也在不断发展着。

传统的安防系统包括入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、防爆安全检查系统等。

其中处于最前端的入侵警报系统使用的传感器技术及短距离无线通信技术又是基础的支撑体系。

在短距离无线通信体系中主要有红外技术，蓝牙技术，802.11b无线局域网标准技术，微功率短距离无线通信技术等，这些短距离无线通信技术都有其各自合适的使用范围，课题中主要使用的微功率短距离通信技术。

1.3研究现状

现在企业级大范围的安防系统中无线通信技术多用Zigbee技术，也有部分使用蓝牙技术以满足中远距离的无线通信需求，配合LAN网络构成整体网络通信体系。

而在未来家用中小型安防系统将成为一个新的市场，面对这样的市场需求无线通信将成为其组网的首选。

无线通信体系以中短距离通信为主，能够应对复杂的空间电磁环境且具有很强的抗干扰能力和安全保密性。

NRF24L01A是NORDIC公司的一款无线通信芯片，采用FSK调制，125信道跳频设计有效提高数据传输中的安全系数，内部集成NORDIC自己的EnhanceShortBurst协议。

可以实现点对点或是1对6的无线通信，可以满足大部分情况下的家庭安防组网需求，最高传输速度2M/S，内置2.4G天线体积小巧，具有自动重发功能，开发应用简单。

1.4系统整体结构设计

本次设计的安防系统框架图如下：

图1.1安防系统主框架

系统主控电路和控制显示模块是基于学院自行研发的ARM嵌入式用户开发板搭建的，此用户板使用LPC1768作为主控芯片外围模块有串行通信端口、LAN网络端口、触控显示模块、无线通信接收模块等，在本系统中主要完成信息数据的集中处理、实现Internet网络通信、前端信息接收、系统功能控制等。

前端信息采集器是本次硬件设计的重点，作为前端信息采集器其主要功能是完成数据信号的采集、信号整形、信号的无线传输等功能。

主体采用基于ARM的Cortex-M0微控制器LPC11C14设计开发，此芯片和具有相同功能的单片机相比更具有价格优势，可以通过AD功能模块很好的完成对已采集信号的整形处理。

无线通信模块使用的是NORDIC公司生产的NRF24L01无线通信芯片，其特点是可以在产品研发中进行简单有效且灵活的无线功能搭载，价格较同类功能芯片也有较好的优势。

综上所述，这样的器件选用可以在不降低性能的前提下极大的压缩信息采集器的生产和使用成本。

2

功能介绍

2.1主控模块平台

在系统中主控模块承担的角色是安防系统的中央控制枢纽，主要完成的功能有接受前端信号采集器送来的信息进行辨识，并做出相应的功能动作；通过网络端口连接到局域网络或是因特网，实现网络通信或是远程控制；显示当前安防系统的工作状态；实现对整体安防系统的功能控制。

完成上述功能主要是使用学院自主研发的“嵌入式系统多功能用户板系列”中的基于LPC1768芯片的Ⅲ型多功能用户板，用户板集成的功能有：

音频输入、输出；100M网卡；红外收发；UART与LCM；USB端口；键盘、LED指示灯；SD存储卡插槽等。

安防系统中主要使用了用户板的触控屏控制显示，网络通信模块，外部接口模块。

图2-1LPC1768Ⅲ型用户板

2.2前端信息采集器

前端信息采集器主要完成报警信号（模拟信号）的采集、处理和传输。

在安防系统中，这些信息采集器就像是一个个安全卫士一样可以看到、听到甚至嗅到来犯之敌。

让我们可以提早发现预防不安全的事件产生，也可以实施一些自动的安防措施（比如发出声音提示警告）。

作为安防系统中最基础的硬件设备因其部署量大、要求网络架构灵活且它的应用环境复杂等要求决定了它必须具有低廉的价格、高稳定性和高性能的优势。

本次设计的信息采集器正是充分考虑了这三方面因素结合物联网的发展趋势加入了无线通信模块设计而成，无线通信的应用使得信息采集器的部署更加的灵活方便。

系统结构图如下：

图2.2前端信息采集器电路主框架

2.2.1核心控制芯片

核心控制芯片采用的是NXP的LPC11C14，是一种基于ARMCortex-M0的、价格便宜的32位单片机，可以使用8bit/16bit微控制器应用程序的设计，提供高性能、低功耗、简单的指令集，同现有的8bit/16bit位体系结构相比，减少了代码大小。

芯片引脚配置及特性如下：

图2.3LPC1114引脚配置

●系统特性：

LPC11C14运行的CPU频率达到50兆赫兹

ARMCortex-M0内置嵌套向量化中断控制器（NVIC）

串行线调试

系统计时器刻度线

●内存参数：

32kB片上闪存编程内存

8kBSRAM

在系统编程（ISP）和在应用程序的编程（IAP）通过芯片上引导加载程序的软件

●数字外围设备：

多达42个可配置上/下拉电阻的一般目的I/O（GPIO）针脚

GPIO针脚可以用作边缘和敏感级别中断源

在I/O引脚上加入高电流输出驱动程序（20mA）

在快速模式中的两个I2C总线引脚上加入高电流接收器的驱动程序（20mA）

四个通用计数器/定时器，共有四个捕获输入和13个匹配输出

可编程看门狗定时器（WDT）

●模拟外设：

与输入多路复用8个引脚之间的10位模数转换器

2.2.2JTAG接口电路（20针）

JTAG（JointTestActionGroup，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（TestAccessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。

目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。

标准的JTAG接口是4线：

TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。

本次设计采用的是20针标准的JTAG接口，用于硬件的调试及软体程式的升级。

2.2.3ADC与DAC模块电路

在物联网技术中传感器技术是其中不可缺少的一部分，打个比方说：

如果说把物联网当成一个人的话，那么传感器便是这个人体神经网络末端的神经传感器。

神经传感器可以帮助人体获知周围环境的温度，嗅到周围环境中的气味，看到绚丽多彩的世界，听到世界的声音，感受到品尝美食时食物给予味蕾的美好感觉；同样物联网系统中的传感器也可以给系统的中央处理器带来类似的“感觉”。

随着传感器技术的发展，人们已经开始制造各式各样的传感器来帮助计算机系统获知所在环境的信息，但它们共同特点都是将所获取的环境信息转变成了模拟信号或者是数字信号传输给计算机进行处理。

在本安防系统中传感器便是其“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”，配合相应的软体程式可以敏锐的捕捉到不安全的因素，并对这些安全隐患进行处理，而前端信息采集器又好比是一张“脸”，一个将这些功能各式各样的传感器整合起来的设备。

因此，为了精简设备、简化设备部署、降低成本，将ADC和DAC电路加入到了信息采集器当中，通过挂载不同的传感器，实现不同的功能，以方便一机多用，提高利用率。

2.2.4无线通信模块

无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。

在安防领域无线通信技术的使用增加了安防系统部署的灵活性，降低了部署成本。

在很多情况中需要快速的部署和调整安防系统，以往通过有线电缆连接各种安防设备，部署起来费时费力，一旦部署完成，想要再次调整更改更是繁琐，但是无线通信技术的应用使这一问题得以解决。

在本次设计的安防系统中大部分通信需求都是使用无线通信来完成的。

设计中使用的NRF24L01芯片是由NORDIC公司生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议，可以实现点对点或是1对6的无线通信。

无线通信速度可以达到2Mbps。

2.2.5串行通信模块

串行通信是指：

使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。

其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。

串行通信有如下特点：

▪节省传输线：

这是显而易见的，尤其是在远程通信时，此特点尤为重要，这也是串行通信的主要优点。

▪数据传送效率低：

与并行通信比，这也这是显而易见的。

这也是串行通信的主要缺点。

例如：

传送一个字节，并行通信只需要1T的时间，而串行通信至少需要8T的时间。

由此可见，串行通信适合于远距离传送，可以从几米到数千公里。

对于长距离、低速率的通信，串行通信往往是唯一的选择。

并行通信适合于短距离、高速率的数据传送，通常传输距离小于30米。

在前端信息采集器中加入串行通信模块主要是考虑到在要求通信距离远且通行要求较高时的通信解决方案，虽然较无线通信缺少了一些设备部署方面的灵活性，但是串行通信却是提高了一些通信的可靠性、延长了通信的距离，有助于安防系统的大范围覆盖。

3

开发工具

3.1AltiumDesigner10开发环境

3.1.1软件功能简介

AltiumDesigner提供了一款统一的应用方案，其具有综合电子产品一体化开发所需的所有必须的技术和功能。

AltiumDesigner在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB板图设计、编辑和制造。

并集成了现代设计数据管理功能，使得AltiumDesigner成为电子产品开发的完整解决方案，最新版本为AltiumDesigner10。

3.1.2软件特点

新版本与过去以季节性主题（如Winter09，Summer09）命名的方案不同，而是采用新型的平实的编号形式来为新的发布版本进行命名。

最新发布的AltiumDesignerRelease10将继续保持不断插入新的功能和技术的特点，使得设计师可以更加方便轻松地创建下一代电子产品的设计。

Altium的统一的设计架构以将硬件，软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名。

它可以让设计师在一个项目内，甚至是整个团队里自由地探索和开发新的设计创意和设计思想，团队中的每个人都拥有对于整个设计过程的统一的设计视图。

在软件解决方案的开发过程中，偶尔脑子里会跳出不断进化的创意，跳出的每一个创意都在它能做什么，并且能给用户带来什么好处方面，带领软件的解决方案到一个更高的台阶。

Release10的到来是对于AltiumDesigner的又一个进化跳跃是软件及其功能上的世代性的交替和革新，如果设计师愿意纵向追溯，其规模是自DXP平台推出以来，从未见过的以单一的统一模式交付的设计经验。

此次飞跃的亮点是收集了大量令人印象深刻而广泛且全面的新技术，旨在帮助进化设计师管理设计信息的方式，而且还帮助设计师自动配置发布进程。

AltiumDesignerRelease10与AltiumVaultServer（Altium的另一解决方案）提供了一个设计数据管理系统，它可以有效地识别并解决许多导致设计、发布和制造等进程缓慢的各种问题。

它是一种非常具有创造性和革命性的智能数据管理系统。

该数据管理解决方案的重要组成部分是一个元器件管理系统。

该元器件管理系统提供了真正的生命周期追踪功能和器件检验的独立性。

AltiumDesigner10提供了一个强大的高集成度的板级设计发布过程，它可以验证并将设计师的设计和制造数据进行打包，这些操作只需一键完成，从而避免了人为交互中可能出现的失误。

发布管理系统简化规范了发布设计师的设计项目的流程，或者更具体地说，使那些项目中定义的配置更加直观、简洁而且稳定。

更重要的是该系统可以被直接链接到设计师的后台版本控制系统。

新增的强大的预发布验证手段的组合，用以确保所有包含在发布中的设计文件都是当前的，与存储在设计师的版本控制系统中的相应的文件“主人”保持同步的文件，并且通过了所有特定的规则检查（ERC，DRC等等）。

从而使设计师可以在更高层面上控制发布管理，并可保证卓越的发布质量。

通过AltiumDesigner10，设计师可以利用完整的生命周期（从概念和设计，经由原型和产品，到折旧和废弃）来开发并管理设计的电子产品，关于所有这些操作的正确性设计师都有足够的信心。

通过全新的安装和内容交付系统，以及AltiumSubscription订阅计划可以让设计师访问那些炫酷的新功能，并且随时保持更新。

以可选择的插件方式交付各种功能模块，设计师再也不需要为下一个主体（或附体）发布而等待。

相反，如果设计师愿意，可以通过一个内容流水线持续不断地从Altium获得最新的技术和解决方案的更新。

3.1.3主要功能模块

AltiumDesigner10为提供了一个全新的管理元器件的方法。

其中包括新的用途系统、修改管理、新的生命周期和审批制度、实时供应链管理等。

●增强的封装比较和更新

做为使设计师们成功协作的重要工具，使得设计师们能够图形化地比较他们的工作成果，然后合并以保留任何他们认为合适的更改。

AltiumDesigner已经提供了在某一时间更新PCB到库元件的最新版本的功能，但Release10现在包含了一个功能更强大的可视化比较工具，以协助PCB设计师完成在更新和改变控制流程方面的工作。

●增强的多边形铺铜管理器

AltiumDesigner的Release10中的多边形铺铜管理器对话框提供了更强大的功能性增强，提供了关于管理设计人员的PCB板中所有多边形铺铜的附加功能。

这些附加功能包括创建新的多边形铺铜，访问对话框的相关属性和多边形铺铜删除，等等都可以在这里进行操作。

●设计协作

随着现在集成电路设计的不断规模化发展，PCB的设计工作量的不断增加已并非是一个设计师可以独立完成的了，必须进行协同PCB设计，多个设计师可以同一时间对同一电路板进行工作，然后把他们的结果合并在一起。

Release10就实现了这种PCB设计过程中的协作。

通过新的协作，在比较和合并面板设计师会了解PCB板当前的状态，设计师与协作同伴的结果进行比较，点击面板上的命令来显示差异，然后使用差异映射图得到关于谁在板上做了些什么的整体视图。

在映射图中进行点击以缩放到设计师感兴趣的区域，然后在工作区中使用右键单击命令来保留设计师的更改，或拖拽其他人所做的更改到设计师的PCB板。

甚至还有一个自动命令，可以自动集成所有的与设计师的板子的当前版本不相冲突的更改，并且带来大量来自其他设计师的布线成果。

当设计师一切准备就绪，可以将更新保存下来，并提交到储存库。

每个设计师还可以定义工作区域，确保每个人都知道其他人在哪一块工作，以及不能在哪一块工作。

●PCB中类的结构

在将设计从原理图转移到PCB的时候，AltiumDesigner中已经提供了对于高质量，稳定的类（器件类和网络类）创建功能的支持。

Release10将这种支持提升到一个新的水平，可以在PCB文档中定义生成类的层次结构。

从本质上讲，这使得设计师可以按照图纸层次将元件或网络类组合到从那张图纸生成的一个母类，而这个母类本身也可以是它上面的一个母类的子类，如此一路到设计师的设计中的顶层图纸。

而顶层生成的母类（或叫特级类）从本质上来讲即是类的结构层次的源头。

这些所有生成的母类都被称为结构类。

结构类，不仅允许在PCB领域中对原理图文档结构进行繁衍和高级导航，而且也可用于逻辑查询，例如，设计规则的范围，或者设置条件进行过滤查找。

●统一的光标捕获系统

AltiumDesigner的PCB编辑器已经有了很好的栅格定义系统，通过可视栅格，捕获栅格，元件栅格和电气栅格等等都可以帮助设计师有效地放置设计对象到PCB文档。

随着AltiumDesigner10的发布，该系统已修整而且随着统一的光标捕获系统的到来达到一个新的水平。

该系统汇集了三个不同的子系统，共同驱动并达到将光标捕获到最优选的坐标集。

用户可定义的栅格，直角坐标