基于物联网络的安防系统设计说明

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1、XX理工大学毕业设计论文基于物联网络的安防系统设计学院系： 信息工程学院专业_ 电信1206班 学生XX： 胡青指导苏杨30 / 36学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部

2、或部分内容编入有关数据进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、XX囗,在 年解密后适用本授权书2、不XX囗 。请在以上相应方框内打作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日摘要物联网技术是国家当今大力发展的一项新技术,同时也是很多国家研究的重要内容。当前基于物联网的应用不断出现,人们也都急切的盼望物联网技术可以和计算机、互联网一样给我们带来一种新的体验。物联网应用于安防更是当前社会进步的一个闪光点。本文选取了目前技术比较前沿物联网技术在安防系统的应用作相关研究。基于物联网的安防系统是一种克服现有布线局限,在不需要重新给相应安防区域走线的前提下,使用

3、灵敏度高,通讯距离远,网络可靠性强,功耗低的LORA无线通信,实现安防报警的安防系统。目前本系统LORA通信模块采用的是升特公司提供的SX1278芯片。而控制模块则采用STM 8单片机完成,传感器模块则由一个烟雾传感器和一个温度传感器组成。报警模块为一个蜂鸣器和报警灯,当相应区域发生警情时,蜂鸣器响起报警灯闪烁。作为一种安防系统,该系统相对于传统的系统来说,具有通信可靠,布置简单,对于学生宿舍的火灾预警有着很好的相适应性等特点。关键词：物联网、LORA通信、安防、SX1278、STM 8AbstractInternet of Things technology is a new technol

4、ogy in todays developing countries, but also an important part of many national studies. Based on the current Internet of Things applications continue to emerge, and people are eagerly looking forward to networking technology and computer technology, Internet technologies has brought us a new experi

5、ence. Internet of Things used in security is a bright spot of the current economic and social development. This paper selects the current indoor environment monitoring based networking technology people are more concerned about remote access to information, research and other aspects of security, to

6、 explore the application of networking technology in the security systemInternet of Things based security system that overcomes the limitations of existing wiring, without requiring a complete re-alignment to the corresponding area of security, the use of high sensitivity, communication distance, ne

7、twork reliability, low-power wireless communication LORA, achieve security alarm security system.At present, the system LORA communication module uses a Semtechs SX1278 chip. The control module is used STM 8 MCU to complete the sensor module by a smoke sensor and a temperature sensor. The alarm modu

8、le is a buzzer and warning lights when the corresponding area of police intelligence, the buzzer sounded and the alarm lamp flashes.As a security system, which compared to conventional systems with reliable communications, simply furnished dormitories of the fire alarm has the characteristics of a g

9、ood phase adaptability.Keywords:Internet of Things, LORA communications, security, SX1278, STM 8目录第1章 绪论11.1研究背景11.2国内外研究现状11.3研究意义21.4研究内容与预期目标2第2章 相关技术概述42.1传感器技术42.2嵌入式技术42.3 Altium Designer42.4组网技术42.5本章小结5第3章 系统总体设计方案73.1系统需求分析73.2安防监控系统的设计方案73.3主控模块单片机的选择93.4通信模块核心芯片的选择93.5本章小结10第4章 系统硬件设计124.

10、1系统硬件组成框图124.2主控模块单片机电路原理图设计134.3通信模块电路原理图设计144.4传感模块电路原理图设计144.5报警器模块电路原理图设计164.6各模块通信接口电路原理图设计174.7本章小结18第5章 各模块内部程序的设计195.1系统程序设计概述195.2单片机控制系统程序设计195.3 LORA通信模块程序设计205.4本章小结22第6章 系统测试236.1测试环境236.2测试准备236.3测试结果及分析236.4本章小结24总结26展望28致谢29参考文献30附录32第1章 绪论1.1研究背景在科技的不断进步国民经济的不断提高背景下,社会中的各个阶层对于安防的需求也

11、是与日俱增。特别是各种高新技术应用于安防,使得安防行业得以迅速发展起来,而物联网则是现今使用比较贴近生活、适用范围宽广的网络。将之与安防系统相结合,可以安防更加有效,更加方便。对于物联网的定义,早在20XX国际电联就已经做出了解释。这个定义和先前对于其下的定义有很大的不同,先前认为,以无限传感技术为基础的网络架构就是物联网 基于物联网技术的智能安防系统应用研究武士涛,故宫博物院,2012。现在人们在这个基础上做了比较大的扩展：物联网是一种在时间、地点、物体之间没有限制;各种终端、传感器相互连接与应用的一门技术。它可以和相应的信息网络实现无缝连接。大家都知道,08年奥运会在安防上面就做得十分好。

12、除了相关规划、布置等主观上的工作做得好之外,在客观上对于物联网技术的应用所起的作用同样是不能忽略的。物联网在那次奥运会上对于交通的指挥、食品安全的追溯、安全防护等许多方面应用广泛,作用明显。1.2国内外研究现状目前,国外的无线传感网络的构建,主要集中在一些发达国家。这项技术发展迅速,应用也十分宽。就当前来说除了大家熟知的安防等领域外,已经扩展到环境监测、生物医学等多领域。伴着通信技术和微电子技术的不断发展,安防技术这几年来已经慢慢地向网络化、数字化的方向发展。很多安全防护使用的是人力的巡查和防护检测相结合的方式来提高安防系统的反应速度和联动效率。不过,这类安防体系有很多缺点,主要表现在其功能比

13、较单一,智能化不高等方面。新一代的安防系统应该做到能够对安全事故及时、准确、有效的传递出去。而物联网与安防的结合可以使这个目标得以实现,使安防设备间直接通信、交互、协作,为安防产业的进步和发展开辟了一片新的领域。智能安防和物联网的结合使的安防系统的安防能力大幅提升。它们的结合可以使安全管理和防护更加全面。对于国民的人身和财物有了比较可靠的保障 基于物联网技术的智能安防系统应用研究武士涛,故宫博物院,2012。1.3研究意义在我国的高速发展过程中,安防的潜在市场十分大。不过现有的安全防护系统却有着许多的缺点。例如功能比较单一,联动性差,反应慢,很难满足目前市场的需求。其最主要的原因是智能化和通信

14、技术在安防中应用不足引起的。虽然说目前很多地方都有比较简易的安防报警装置,但是其误报率特别高,导致达不到相应的需求；而且有些地方的通信比较不稳定,一个小小的故障可能会引起整个安防系统的崩溃；对于一些无线通信还存在信号串扰的问题,导致报警信息不能及时的送达指定的地方,延误救援处理,导致更加大的财产损失。所有的上述问题就目前来说可以使用一个基于物联网的智能安防系统得到有效的解决。在无线通信领域,其部署灵活,可以将很多装置连接起来,解决信息采集、传递和处理的难题。而且,近些年,世界各地的安全事故时有发生,现今所存在的安全防护体系的智能化比较低,很大一部分依然需要依靠人员参与与处理,这势必导致大量的人

15、力物力损耗。这些原因很大程度上限制了安防体系的推广,很难应对相应的事故。所有的这一切导致了目前市场上对于一款新的安防体系的急切需求 明察秋毫:基于物联网技术的智能安防王鹏,中科院,2013。1.4研究内容与预期目标研究的主要内容是基于芯片SX1278,来搭建相关物联网,使用相关传感器来监测环境的变化,如果有险情,能及时迅速地做出响应。由于这些方面涉及硬件的生成,所以在进行毕设之前,我首先必须需要学会如何使用AD这款软件绘制相关原理图,生成相应的PCB将之完成布线,布局的设计,然后将之发给相关厂家进行烧蚀,得到相应的板子,买回相应的元件,将之焊上后进行测试。本次毕设我将之分为了四个模块完成,分别

16、是：通信模块,主控模块,传感检测模块以及报警模块。其中最为主要的是通信模块,其次为主控模块。而由于传感器以及报警器目前相关领域都研究比较成熟,所以这两方面的研究在本次毕设中涉及比较少。而且本次毕设主要的创新点就在于通信模块的设计,使用的是基于SX1278芯片的LoRa网络的设计。所以着重关注的是通信模块,主控模块采用的是STM8芯片,一款比较比较便宜但是特别适用的芯片,性价比高。希望通过此次研究,可以使自己掌握AD的使用,以及相关单片机的知识。并且能够自主使用IAR将相关程序烧录进去,实现控制和通信,达到相关安防的目的。第2章 相关技术概述2.1传感器技术传感器是一种能够对环境中相应因素的变化

17、做出感知的器件。在这方面上,它和人们的感知比较相似：人们通过眼睛看东西,耳朵听声音,手去感触。它就是一种检测设备,和人类世界的认识和改造世界的最基本的本能类似。目前传感器技术在生活的各个角落都有应用,我们可以在很多地方发现它们的身影 基于物联网技术校园智能安防系统的设计与实现刘薇,电子科技大学,2013。2.2嵌入式技术嵌入式技术是计算机技术的一个分支,它和大家目前比较熟悉的计算机系统有所不同,计算机系统可以满足各类人员一些无明确目标的需求,但是嵌入式则是为相关人员量身定做而发展起来的一项性能高,针对性强的技术系统 基于GSM的物联网无线报警系统的设计与实现龚宸,华中师范大学,2013。嵌入式

18、系统和通用计算机相比,在操作上要简便很多,通用计算机需要专用的各种接口,需要相应的操作系统,才能驱动客户需要运行的应用程序。但是嵌入式则可以不需要这些,不够为了达到多任务、系统可以实时执行、各库函数可以有效调用等功能,用户需要自己配置开发平台 基于GSM的物联网无线报警系统的设计与实现龚宸,华中师范大学,2013。2.3 Altium DesignerAD是一款运行在Windows操作系统下的电子产品开发软件,它可以进行原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等相关操作,是一款目前来说比较受很多电子产品设计者欢迎的软件,可以大大提高相关爱好者的电路设计效

19、率。2.4组网技术本次毕业设计主要采用的是SX1278组建的LoRa网络。在物联网无线技术中,除了局域网和短距离通信外,还有城域网。不过,所有的这些技术都智能在通信远近以及功率消耗高低上选择其一。就目前通信领域来说,器件工作的频带范围、数据传输的速率和构网结构是通信设施的几个重要参数。很多以往的无线通信技术对于这几个重要参数都只能做出折衷处理而升特公司采取的最新的扩频通信技术彻底改变了折种折衷处理的考虑,这就是由SX1278组建的LoRa通信网络,其融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有前所未有的性能。在通信距离上大大提高的同时其功率消耗也是大大降低。LoRa通信使用的是星型网络

20、结构,这导致它和网状网络结构有很大的区别和很明显的优势,其延迟低,结构简单易于组建。基于LoRa通信的SX1278芯片,可以直接组网；而对于其距离比较远的连接,则能够采用网关设施进行中继组网的相应连接。LoRa通信的网络供应商不但能够组建覆盖范围宽广的广域网通信设施,而且能够利用简单的网关设备来组建局域网,只要物联网设施中有LoRa芯片或模块,就能够快速实现组网和配置。在广域网和局域网这两种不同的网络中实现简便快捷的组网,在和以自组网见长的ZigBee协议相比,其具有十分显著的优势。较低的功率消耗毫无疑问是LoRa通信的一个最大优点,LoRa通信采用扩频调制技术,能够解调出低于20 dB的噪声

21、,这使得网络更加准确和可靠,并且采用不同的扩频因子能够改变扩频系统的数据传输速率,同时能够变化的扩频因子使整个网络的系统容量扩大了许多,因为使用不一样扩频因子的数据能够在同一信道中共同存在。和传统的使用一定速率的FSK系统做比较,LoRa通信的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数,所以降低了功率的消耗,按照正常情况来说其大致95%的节点只占用10%的总能耗。综上所述,和其他的无线通信系统相比,由SX1278所组建的LoRa通信网络有以下几个主要的突出优点：1、采用扩频调制技术能在提高通信效率的同时减弱并消除一定的干扰噪声。2、其构网结构使用的是星型拓扑结构,在允许并发的前提下降低了消耗的功率,同时

22、还消除了跳数和同步开销。3、LoRa在不需要中继的情况下就可以工作很大程度上降低了构网的成本。4、在通信距离上,它有很大的优势,它可以在普通环境中通信距离达到5Km以上,而同等条件下的其他无线通信几乎是不可能完成。5、和目前的3G、4G蜂窝网络相比,其扩展性更好,性价比更高,更适合各种场合的应用。2.5本章小结本章主要阐述了物联网技术在实际应用中的各大需求,以目前的社会生活环境为背景,在不需要开销太大的情况下,解决室内安防问题。由于研究者我是一名大学生,就以自己在学校的生活环境为背景,针对学生宿舍设计的一款安防系统。在设计此次系统中,涉及很多方面的技术问题。例如LoRa扩频技术,传感检测技术,

23、IAR软件使用技术等。各种技术的学习都是为了后续方案的实现,以满足目前的安防需求。在这里着重需要一提的是LoRa扩频通信技术的使用,本次课题研究也是根据这方面比较前沿的技术来构建物联网的,由于此项技术优点多因此估计今后在涉及相关方面的通信时,大部分人就会选择这项技术,而本节的组网技术则是这次毕业设计的核心和主要创新点。由于此次组网技术较目前这个时期来说是一门比较新的技术,其许多突出的优点导致它的应用会越来越广泛。第3章 系统总体设计方案3.1系统需求分析根据目前学生宿舍的状况,当夏天到来时,蚊子便多了起来,因此很多没有带蚊帐的学生就开始点蚊香了,而且有些粗心的同学在早上起床后并没有将之熄灭,就

24、急匆匆的跑去上课,留下了巨大的安全隐患。就目前全国大学生火灾问题的发生,疏忽是主要的。那么当此次火灾无可避免的发生了的时候,如何才能更加及时的采取救援措施,减少损失才是后续的重点,由于学校学生宿舍多,管理员不可能在平时就挨个寝室每天去监视一段时间,这个时候,能够及时发送险情,报告位置的系统便被迫切需要着。基于这种情况,又考虑到安装目前市面上比较活跃的一套安防系统比较耗资,一款又能及时报告险情,又便于铺设安装和构建的安防系统便应运而生了。基于各种基本情况,对它的主要要求有以下几个方面：1能够基于现有的基本电路,不用外加铺设其他线路,实现稳定无线通信。2对于现有的通信网络,能够做到互不干扰,例如有

25、人在使用蓝牙通信,这个时候使用与其相近的频率通信会导致自己的通信效果不理想。3技术比较前沿,能够跟上时代的步伐,目前我们已经步入4G时代,再使用2G网络会显得比较落后,而且通信质量也跟不上。4有一套完整的传感监测器,能够实时监测被监测区域,保证发生险情的时候能够及时作出识别并处理。5有一套功能强大,通信的距离远,通信稳定而且可靠,功率消耗低的通信系统,构建一个相应的通信网络,保持实时通信。6对于信息的处理要能够及时准确,有一个与之相关的报警系统,随时提醒相关人员做好应急准备。3.2安防监控系统的设计方案本次毕业设计安防监控系统主要是针对当前学生宿舍来设计的,主要用于火灾的报警。因此,该安防系统

26、主要的元器件可以分为两部分,一部分是用于信息采集和发送的,另一部分是用于信息接收和处理的。这两部分其有些模块是一样的,例如通信模块都是使用的SX1278芯片,用以组建LoRa通信网络。用相应的需求来作为我们设计方案的基础,火灾报警要求我们的系统能够在发生火灾的时候迅速反应,及时将报警信息发送出来,相应的接收设备接收到信息后要求马上做出处理。因此本次设计使用了两个传感探测器,一个是烟雾报警器,一个是温度报警器,我们事先预设一个标准值,以免误报。例如温度标注值设为60摄氏度,当温度达到或者超过该值的时候,其作出响应,无论另一个传感探测器监测系数是否超过标准值,即这两个传感探测器采用的是或门的连接方

27、式。其XX息采集和发送模块的流程图如图3.1,信息接收和处理模块的流程图如图3.2。开始各模块初始化烟雾浓度超出预设值？温度超出预设值？发送报警信息给单片机单片机处理后将报警信息交由通信模块通信模块发出信息结束否否是是图3.1 信息的采集和发送模块流程图开始各模块初始化是否收到报警信息？将信息交由单片机处理报警模块做出响应结束否是图3.2 信息接收和处理模块流程图3.3主控模块单片机的选择主控模块的元器件刚开始在方案刚刚形成的时候采用的是DA14580,就如同我在开题报告中的设计一样,正准备以此为基础开始相关设计的时候,就有同学向我推荐STM32单片机,他说此款单片机操作简单,功能强大。当我准

28、备上手此款单片机的时候,一次网上的无意搜索,我发现了一款比较便宜的芯片,它就是STM8。其性价比很高,而且对于我的此次毕业设计的要求完全可以满足,因此,后面的设计也就应用了此款性价比高的单片机STM8。当然,我主要是利用它来控制通信,和SX1278进行配合,达到基于物联网的互联。3.4通信模块核心芯片的选择通信模块是本次毕业设计最重点的部分,也是本次毕业设计地突出创新点。以前的物联网主要采用的是现在技术比较成熟,而且应用比较广泛的通信方式,例如2G通信网络GSM,以及现在的无线通信网络蓝牙通信和ZigBee通信等等。但是大家考虑一下,现在的我们早已步入4G时代,对于以前2G、3G的使用一定会随

29、着人类的进步,越来越少,旧的技术肯定是无法适应新的时代需求的,因此他们才会被时代所淘汰。而本次毕业设计则是采用的是目前比较前沿的4G、5G网络来搭建通信系统,选取的芯片是SX1278,构建的是LoRa网络。与其他通信方式相比,选择SX1278的其他原因主要有：由于在灵敏度方面SX1278其灵敏度高,通讯距离在相同的发射功率和其他条件下,SX1278显著增加。并且FSK和蓝牙都是短距离通讯的一种方式,并不一定适合安防系统远距离传输的设计和应用; 而且SX1278与目前应用较多地 ZIGBEE通信控制方法相较而言,在通信距离,网络的可靠性,功率的消耗和载波的频率等方面是有十分大的优势。1通信的距离

30、: SX1278在可视化条件下可以达到15km; ZIGBEE在同等条件下的最远距离仅仅只是2km。2通信可靠性: ZIGBEE组合网络的方式一般采样对等无线网,组合网络的算法比较复杂,在网络通信中,其出现问题的概率十分大,而且如果网络中的哪个节点发生了故障,整个通信网络就会毫无例外的瘫痪。SX1278一方面在通讯距离上其距离远；另一方面使用的星型结构网络,组网方式简单,实现点对点的方式进行通信,在通信中某个通信节点发生通信问题,并不会影响通信中的其它各个通信支路的通信传输。功率消耗低: 在接收电流方面SX1278的接收电流比 10mA还小,但是ZigBee的接收电流却比30mA还高。载波频率

31、: 目前国内ZIGBEE 频率都是2.4GHz,由于 2.4GHz 频率设备众多,比如Wifi,蓝牙等,ZIGBEE 通讯易于受到干扰；SX1278是434MHz 或 868MHz,在室外环境设备较少,不易受到干扰,同时集成了跳频技术,抗干扰能力强。所以,综合上述多种优势,以及作为本次毕业设计的突出亮点,我选取了SX1278芯片所组建的LoRa网络来承担此次毕业设计的通信模块。3.5本章小结在形成总体方案的时候,我查阅了许多资料,无论是网上的文档,还是图书馆所藏的图书,都进行了参照,选择了这一套最优的方案。之前有一个也很不错的方案被我用目前的方案给替代了。以前的那套方案是这样的,它是以一个GS

32、M系统为核心部件,在被监测室内安装其传感检测模块,当其检测到险情的时候,将信号发送给GSM模块,由它向对应的手机发送短信,以提醒相关人员及时采取措施。对比目前的方案,其主要不同点在于通信模块,以前被舍弃的方案的通信模块采用的是GSM的2/3G网络设计,对比之下采用LoRa通信4/5G网络原因一方面在于目前早已步入4G时代,运营商早已经进军新领域,以前的2G、3G网络正在慢慢被淘汰。另一方面现在所选的方案实现起来比较容易,而且比较实用,开销也比GSM小。单从成本上考虑,GSM至少还得再办一张卡,每月交其月租,才能实现通信。而LoRa网络通信成本低,功耗小,一次投入,持久使用。在选择通信模块的时候

33、,为什么没有选择目前使用比较广的蓝牙协议通信或者是ZigBee通信的原因也都是性能的差距。选择目前较为新的技术,虽然实现起来有很多难关需要攻克,但是其性能的优势往往是占主要的。第4章 系统硬件设计4.1系统硬件组成框图此系统主要由四部分组成,包括通信模块,主控模块,传感检测模块以及报警模块。主要实现的功能有检测环境温度,检测环境中的烟雾浓度,当温度或者烟雾浓度达到一定的设定值之后,主控模块的单片机发送相关指令给通信模块,通信模块接收到指令通过组建的LoRa网络将信息及时传输出来,发送给相应的接收模块,接收模块再将收集到的信息传递给处理器主控模块,由处理器对相应的信息作出处理,将处理结果交给对应

34、的报警器,实现安防监控。因此,其系统框图如下图的图4.1、图4.2。STM 8SX1278主时钟晶振烟雾探测传感器温度探测传感器图4.1 报警数据采集及发送模块STM 8SX1278主时钟晶振蜂鸣报警器灯光报警器图4.2 报警数据接收及报警模块4.2主控模块单片机电路原理图设计该模块主要分为两个部分,一个是发送模块的处理器,一个是接收模块的处理器,其主要的功能是实现信息的及时处理。将其相关电路设计完毕后,采用不同的程序使之完成不同的功能。在本模块中采用的芯片主要是STM8,其电路设计原理图如下：图4.3 主控模块STM8电路设计原理图4.3通信模块电路原理图设计该模块分为两个部分,一个为发送模

35、块,一个为接收模块,使用的是同一种芯片以及相同的原理图,其芯片选型为SX1278,是本次研究课题的核心部分,使用升特公司生产的芯片来组建超远距离无线通信。为了通信的可靠性,给其每个都配发了相关的天线组件。其电路设计原理图如下：图4.4 SX1278通信模块电路设计原理图4.4传感模块电路原理图设计该模块主要由两个传感器电路组成,分别是：温度传感器和烟雾传感器,这两个电路在整体设计中主要承担对外部环境的监测,当外部环境中其监测的值超出相关设定值时,其将相关异常信号发送给发送给主控模块,由其交由通信模块将信息发送出去进行后续的处理,其电路设计原理图如下：图4.5 基于DS18B20的温度传感探测器

36、的原理图图4.6 基于AD590的温度传感探测器的原理图上面给出了两种温度传感探测器的原理图,其中第一个DS18B20为一个元器件,电路连接方便,但是相应的程序驱动较为复杂。而第二个基于AD590的温度传感探测器则是电路较为复杂,但是相应的程序则较为简单。因为这两种方案各有优缺点,所以我在这里把他们都列举出来了。图4.7 基于MQ-2的烟雾传感探测器原理图其XX号放大电路如图4.8,因为本次设计中对于放大电路有三次使用,分别是为了增加报警驱动信号和监测信号,使所要信号得到放大,更方便单片机或者是人耳识别。图4.8 信号放大电路4.5报警器模块电路原理图设计由于本次实验是按照功能来区分各电路模块

37、的,所以此模块主要实现报警功能,让监测方能够及时准确的知晓被监测方周围是否发生火灾等危险情况,能够做出相应的提醒。本模块主要由一个蜂鸣器和LED灯组成,当发生险情时其能够及时将接收到的指令以声波的方式报告给监测方,以便及时做出处理。其原电路理图如下：图4.9 蜂鸣器、灯光报警器的原理图4.6各模块通信接口电路原理图设计由于只有各个模块只有联系在一起,才能将分散的各部分联系起来,实现整体的安防功能。因而联系各模块的电子线路在其中就担任了十分重要的角色。本次设计的接口基本上使用的是串口,以串口通信来联系各主要模块。其电路原理图如下：图4.10 USB转TTL串口电路原理图4.7本章小结本章主要为本

38、次课题研究设计了各个硬件电路,绘制了其相关的原理图。其中包括传感模块电路图,两个主控模块,两个通信模块,以及报警模块和各接口电路的电路原理图。由AD上绘制的原理图生成对应的PCB,然后对PCB进行编辑,放好格局,布好线。随后将之送厂家腐蚀,接着进行板子的焊接,获取实物。得到实物后进行分模块调试,相应模块的功能得以实现,最后通过接口电路实现各模块的完整通信,达到相应预期的功能。第5章 各模块内部程序的设计5.1系统程序设计概述本次毕业设计要求写入相关程序的部件主要有四个,分别是两片SX1278芯片和两片STM8芯片,其中空闲时间它们都是进入循环等待的,直到有相关信息的触发,它们才开始进行相关处理

39、。SX1278芯片一个做接收准备一个做发送准备,由其二者搭建LoRa通信网络,实现物联网的通信。5.2单片机控制系统程序设计此部分要分为两部分进行程序的设计：一部分为传感探测模块输入的信息进行处理；另一部分则是为报警模块发送指令。这两部分的单片机都需要与相应的SX1278芯片进行必要的通信和控制。以便能及时将感测模块探测的信息发送出去,并且将接收模块接收到的信息及时反馈给报警模块。因此其流程框图如下：开始STM初始化检测到异常？将异常信息反馈给通信模块结束是否图5.1 检测模块单片机流程图开始STM8初始化有无信息传入？将SX1276传来的信号交付报警模块结束是否图5.2 报警模块单片机流程图

40、该模块由时钟来发控制信号,进入开机后的循环等待阶段,一个是等待传感探测模块发来报警信息,一个是等待通信模块传来报警信息,当相关信息传来时,其就连通相关模块完成相关操作达到报警目的,当险情处理完毕,就重置探测模块,重新进入循环等待下一次的触发,其主要程序见附录里面的main函数。5.3 LORA通信模块程序设计此部分分为两大模块,一个为发送模块,一个为接收模块,由其组建成LoRa通信网络,实现通信。其中发送模块主要等待STM8发来报警信号,其担任发送任务,而接收模块则等待发送模块传来的信号,将之传给STM8处理。这一部分是这次课程研究的最重要部分,也是最突出的创新点。其流程图如下：开始发送初始化

41、CRC正确？发送完成？结束否否是是图5.3 发送模块SX1278流程图开始接收初始化接收完成？CRC正确？读缓冲区结束是是否否图5.4 接收模块SX1278流程图该模块同样是由时钟来控制,接通电源后进入循环等待阶段,等待相关模块的指令传输,由其搭建的LoRa网络将相应的信息进行传输。其核心程序代码见附录SX1278通信。5.4本章小结本章主要介绍了组建LoRa通信进行的物联网报警系统的程序设计思路,其中相关程序代码都在附件中。核心部分在于SX1278芯片的组网以及STM8单片机的控制。将每一个核心模块分解为两部分,一部分作为接收模块,一部分作为发送模块,其实现均用流程图来表示,而后续的程序代码

42、则主要由C语言完成,交由相关编译器编译后生成芯片可识别代码。烧录进入芯片,实现相关功能。第6章 系统测试6.1测试环境本次毕业设计测试的环境是学生宿舍,为了方便报警系统的触发,没有做相关烟雾及温度传感器的硬件,只是用一个开关代替。将报警设备置于鉴湖主教学楼一楼,探测设备置于学生宿舍学海C栋,将其处于待机状态。由同学在学生宿舍模拟报警信号的触发,看在鉴主教学楼的学生能否接收到相应的报警信号并触发报警器。6.2测试准备在这个设计中,使用的是白盒、黑盒测试方法对测试的对象进行测试,具体来说就是：黑盒盒测试是作为一个整体,不考虑各个模块的功能,只考虑输入输出,只要我的输入正确,我的输出也必须达到我预期

43、的目标；而白盒测试则是对每个模块采取分模块测试,例如单片机模块,通信模块都可以作为一个最小系统进行测试。在我们进行测试的时候,被测试双方要求拿着对应的设备,到达指定的位置等待指令,每人携带自己带有USB接口的供电设备,给硬件供电,等待相关触发。第三个同学则告知拿着传感探测模块的同学,现在烟雾浓度已经达到并超过预设值,请拨下相关开关代表报警触发。第三个同学询问拿着接收模块硬件的同学,是否接到报警信号。如果接到报警信号,那么就说明我们的报警装备基本功能已经实现。6.3测试结果及分析经过测试,可以得到我们预期的目标已经实现。在通信距离大致在5Km以内,我们的通信基本可以实现,而且相关模块基本功能也实

44、现了。但是我们的蜂鸣器的响声却不如人意,究其原因主要是设计的时候没有考虑蜂鸣器的驱动电压,没有给与相应的放大电路,导致驱动电流小,蜂鸣器响声小。所以在设计硬件电路原理图的时候特地添加了一个放大电路,而且它在本次毕业设计过程中有多个地方需要用到,第一个地方是传感器模块,烟雾报警器触发信号小,要将其信号放大了之后再传给单片机处理,这样才能有明确的触发信号,另外温度传感器发出温度报警信号后也需要一个放大器来放大其信号,后续蜂鸣器由于驱动电压高,同样需要一个放大器来达到较为宏亮的报警声音。而且经过测试,如果相关模块不加天线,通信距离会大大降低,因此,天线也是一个不可以忽略的重要组件。6.4本章小结通过

45、对硬件的测试,基本上是达到了LoRa网络的组建和通信。当然,测试过程不会是一帆风顺的,刚开始分模块测试的时候,每个模块都实现了其要求的功能,但是将模块一起连接后,就并不是简单模块的叠加了,各个部分的接口,以及对主要模块的连接都是一些大问题,经过多次的调整,基本上可以到达预期目标,但是蜂鸣器却怎么都不会响起。刚开始的方案是将蜂鸣器一个引脚接地,一个引脚接在信号线上,由于自己没有对信号添加放大电路,所以信号太微弱,导致基本上听不到蜂鸣器的声音,后来提出了一个解决方法当然直接添加一个信号放大器就可以解决问题,但是由于自己的硬件目前不方便再到厂家腐蚀因此再添加硬件不太现实,就是将蜂鸣器一个引脚接到VC

46、C上,另一个接到信号线上,声音就有了,但不大。不过至少基本实现了相关功能,感觉蛮开心的。其实物图如下：图6.1 信息的采集与发送模块实物图图6.2 信息的接收和报警处理模块实物图总结伴随着科学技术的不断发展,各方面的安防问题备受社会关注。作为一名在学校学习、生活的学生,接触的当然主要是校内生活,因此因地制宜的就设计了此款基于物联网的安防系统,以确保在学生宿舍发生险情的时候可以及时的处理,避免更加大的损失。而因为搭建安防系统需要大量的传感检测器,但目前经济情况无法满足相关需求,故本文中设计的探测器比较少,只有温度报警器和烟雾报警器等,而且在后续的答辩过程中为了满足答辩时能够立即得到应答,它的触发

47、用了一个触发开关来解决。总的来说,本次毕业设计主要做的工作有以下几个：1对现代社会环境中存在的安全隐患进行了比较细致的分析,特别是关于校园环境中的安全隐患。在结合国外安防现状分析的同时,将国内的情形也做了一番对比,得出目前我们现阶段国内安防系统的现状以及其发展的特点。2对于多个无线组网技术的分析和研究,并选择了以SX1278芯片为核心的LoRa系统作为组网技术实现超远距离、无失真通信。同时这也是本次研究的核心创新点,因为此种LoRA组网技术目前在国内属于比较前沿,应用比较少的一项技术。但是其比以前的蓝牙组网或者是ZigBee组网好很多,而且有很多优点。3学习了AD软件的使用,对各个模块进行电路

48、图的绘制以及PCB的生成,交有厂家烧蚀得到相关硬件产品,以达到本次毕设研究的要求。4学习了IAR软件的使用,学会了如何使用IAR软件对单片机进行程序的烧录,以及相关的调试。5对于目前比较前沿的芯片SX1278以及比较实用的单片机STM8做了相关的学习和研究,明白基本使用原则和方法,将之付诸于本次毕业设计的相关模块的设计。6在传感模块,自己着手设计了相关的检测电路,对检测电路的原理图绘制,PCB的生XX做了相关工作。总之,在这一学期的学习研究中,自己感悟很多。虽然很艰辛,但是确实是学到了不少的知识,自己的动手能力也有了很大的提升,接触了很多以前没有接触的软件。虽然这些软件对于曾经参加过电子大赛的

49、人来说,确实是挺简单的,毕竟他们很早就学会了如何使用AD,如何将程序由电脑编译后导入单片机里面,以实现相应的功能。但是对于刚入门的我来说,确实一切真的并不是那么的容易。经过这简短的一学期,学了单片机当然刚开始的时候还学错了好多,首先学的是51单片机,然后开始了msp430超低功耗单片机的学习,再然后就是STM 32单片机的学习,到最后自己用于完成本次研究的单片机却是STM 8,不过由于这几款单片机或多或少都是有些相通的,因此有了一点基础,学其他的起来也就不是那么艰难了,学习了如何使用AD绘制原理图,生成PCB,原理图中各元器件库的绘制,简单的各种操作,以及IAR的运用。从来只有艰苦奋斗的人,在

50、收获的季节才能硕果累累。经过自己这一学期的努力,果然功夫不负有心人,基本上完成了这一门课题的相关研究,做出了相关的硬件部分。展望本文设计中虽然从本质上来说是设计好了一个完整的安防系统,但是却有许多需要完善的地方,单从传感检测模块来说,就缺少各种探测器,例如红外感应器,光敏探测器等等。对于一个安防来说,探测的探头越多,得到的信息也就越是全面,这样才能做出更加准确的裁决。因此,本文设计的基于物联网的安防系统的设计有待进一步完善,具体可以从以下几个方面进行研究：1增加探测用的传感器,使传感检测模块的信息收集更加完善,使收集的信息更加准确。2对于报警模块,不仅仅只是停留在报警灯闪烁,蜂鸣器响起的程度,

51、需要最优化报警电路,最好是可以设计一个相应的界面,接上相应的串口电路后可以从显示器上明确看到各个探测传感器的参数,哪一个指数出现超出预设值而导致报警。3对于各个部件,不要只停留在一对一的通信基础上,要能够实现各个网络的互联,一个接收器可以接收多个发送器发来的各种参数。例如一个大楼,总共有32个独立房间,我在每个房间只需要安装一个相应的监测和通信模块,而将全部的信息发送到一台接收设备上进行汇总分析,而不需要为每一台设备配上一套接收设备每一台设备配上一套接收设备会导致成本的大大提高,不实用。4为了实现无线探测网络的报警高可靠性,低功耗性,范围宽广性,对系统的各个节点部署可以进行相应的优化,尽量使用

52、较少的元器件达到相同的安防要求。5本文中也未曾涉及信息传输的安全性和XX性,如果有相关需求和允许,可以在后续的研究中对这方面加以研究和发展。6由于本次毕业设计研究范围广,涉及软件也不少,因此在做此次毕业设计研究的时候就没有过多的研究目前技术已经比较成熟的传感检测模块,和蜂鸣器报警模块。而且在答辩时这些模块有的因为答辩需要做了相关的改变,有的因为时间仓促没有相应的驱动源放大电路导致蜂鸣器无法正常工作。所以就算是这个最小的安防模块,也是有很多可以提升的空间。总之,从这个安防系统设计的各个方面如：传感检测模块、报警模块、通信模块等都是可以提高和发展的。致谢本次毕业论文即将完成,在这里,我首先要感谢我

53、的指导老师-苏杨老师,感谢他对我孜孜不倦的教导。对此,我想对他表达崇高的敬意。没有苏老师的指导和帮助,我的这次课题研究也就很难完成。毕业论文的完成以及后续答辩的结束也就预示着我的大学四年的学习生活也即将结束,回顾自己四年来的学习生活,感慨也是不少。目前印象最深的还是近期毕业论文完成期间导师那不厌其烦的悉心教导,刚开始着手本次课题的时候,由于自己没有一点点的基础,所以自己曾经也有过放弃这个课题的冲动,改换一个简单一点的课题。但是导师的鼓励和指导却让我点燃了希望的灯火,每次课题遇到困难,进展难以继续的时候,我就会首先自己查找相关文献资料,能解决最好,不能解决就会询问有关方面的同学,在这个方面基本上

54、也能解决好多问题。如果这些都做了,问题还是难以解决,这个时候我就会毫不犹豫的去找自己的导师。显然经过这么多波折遗留下来的问题是不会那么简单的,但是导师那博广的知识也是深深的令我折服。三下五除二就把我的问题给分析通了。同时也会给我提出多套解决的方案,并且对于每套方案都会替我不厌其烦的分析其优劣。让我结合自己的处理能力和自己的水平,选择一个最合适的方案。每当一个方案定下来,我在后续的操作中稍有松懈,导师就会及时指出,将我引入正轨。而且对于我的每一个模块的设计都以一种趋于苛刻的要求来要求我。正是导师这种严谨的治学态度,最终促使我能够将我的硬件最难的部分设计完成并实现,从导师给我讲解原理、流程以及实现

55、方案、开发工具和设计方法中,我学到了许多东西。苏老师求真务实的工作作风也让我着实钦佩。从中我学到,无论以后是继续学习深造还是步入职场,态度是很重要的。对于此,我想再一次对我的导师表达最衷心、最崇高的谢意！同时,在自己的日常处理中,有很多热心的老师和同学给过我许多帮助,使我能够比较顺利的完成论文的框架和后续硬件的实现,真心地谢谢你们。最后,对于不辞劳苦来评阅我的论文和能在百忙之中参加我的论文答辩的每一位专家或教授表示最衷心的感谢。参考文献1 武士涛, 基于物联网技术的智能安防系统应用研究,故宫博物院,2012,11222 王鹏,明察秋毫:基于物联网技术的智能安防,中科院,2013 233 刘薇,

56、基于物联网技术校园智能安防系统的设计与实现,XX,电子科技大学,2013 444 龚宸,基于GSM的物联网无线报警系统的设计与实现,华中师范大学,2013 45465 Semtech Corporation SX1276/77/78 数据手册.semtech.2013 6 李建华.物联网智能安防系统设计.XX城市学院学报.XX.20157 彭力. 基于案例的物联网导论M. :化学工业,2012. 8 杨虎.住宅小区安全防范系统的设计.BI 智能建筑与城市信息,20059 肖俊芳. 无线传感器网络的若干关键技术研究D. XX交通大学,200910 Vladimir Oleshehuk. Inte

57、rnet of things and privacy preserving technologiesJ. Wireless VITAE.2011.11 石志国,王志良,丁大伟.物联网技术与应用M.:清华大学, 2012.12 谢社初.安防系统数字化应用探讨.安防科技,200513 Sarma S E , Weis S A ,Engels D W. Radio-frequency identification: Secure risks and challengesJ. RSA Laboratories CryPtobytes,2013,614 王秀萍,基于物联网技术的校园安防系统的设计.XX,

58、实验技术与管理,201115 刘宝礼,基于物联网技术的智能安防系统.XX,中科院,201316 Zhu H B, Yang L X, Yu Q. Investigation of technical thought and application strategy for the internet of thing .Journal on Communication,2011,3117 常丹阳,基于物联网技术的智能安防系统设计.数字技术与应用,201418 Ji L, Ding H P,Shen Q H. A new method for bridge structural health monitoring based on wireless sensor networks. Journal of Nanjing University ,2011,4719 Sanjay E. Sarma. RFID Systems and Security and Privacy ImplicationsJ.IEEE.201220 詹青龙,刘建卿.物联网工程导论M.:清华大学,2012. 21 付河.基于SX1276的新能源LED路灯无线控制器.XXXX照明工程学报.XX.201522 胡江波.基于物联网的无线传感网络平台.电脑知识与技术.XX纺织大学.XX.2015附录详情请见附件。