武漢理工大學畢業設計（論文）武漢理工大學畢業設計（論文）基于物聯網絡的安防系統設計學院（系）：信息工程學院專業班級：電信學生姓名：指導教師：學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：年月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密囗，在年解密后適用本授權書2、不保密囗。（請在以上相應方框內打“√”）作者簽名：年月日導師簽名：年月日STM8SX1278主時鐘晶振STM8SX1278主時鐘晶振蜂鳴報警器燈光報警器圖4.2報警數據接收及報警模塊4.2主控模塊單片機電路原理圖設計該模塊主要分為兩個部分，一個是發送模塊的處理器，一個是接收模塊的處理器，其主要的功能是實現信息的及時處理。將其相關電路設計完畢后，采用不同的程序使之完成不同的功能。在本模塊中采用的芯片主要是STM8，其電路設計原理圖如下：圖4.3主控模塊STM8電路設計原理圖4.3通信模塊電路原理圖設計該模塊分為兩個部分，一個為發送模塊，一個為接收模塊，使用的是同一種芯片以及相同的原理圖，其芯片選型為SX1278，是本次研究課題的核心部分，使用升特公司生產的芯片來組建超遠距離無線通信。為了通信的可靠性，給其每個都配發了相關的天線組件。其電路設計原理圖如下：圖4.4SX1278通信模塊電路設計原理圖4.4傳感模塊電路原理圖設計該模塊主要由兩個傳感器電路組成，分別是：溫度傳感器和煙霧傳感器，這兩個電路在整體設計中主要承擔對外部環境的監測，當外部環境中其監測的值超出相關設定值時，其將相關異常信號發送給發送給主控模塊，由其交由通信模塊將信息發送出去進行后續的處理，其電路設計原理圖如下：圖4.5基于DS18B20的溫度傳感探測器的原理圖圖4.6基于AD590的溫度傳感探測器的原理圖上面給出了兩種溫度傳感探測器的原理圖，其中第一個DS18B20為一個元器件，電路連接方便，但是相應的程序驅動較為復雜。而第二個基于AD590的溫度傳感探測器則是電路較為復雜，但是相應的程序則較為簡單。因為這兩種方案各有優缺點，所以我在這里把他們都列舉出來了。圖4.7基于MQ-2的煙霧傳感探測器原理圖其中信號放大電路如圖4.8，因為本次設計中對于放大電路有三次使用，分別是為了增加報警驅動信號和監測信號，使所要信號得到放大，更方便單片機或者是人耳識別。圖4.8信號放大電路4.5報警器模塊電路原理圖設計由于本次實驗是按照功能來區分各電路模塊的，所以此模塊主要實現報警功能，讓監測方能夠及時準確的知曉被監測方周圍是否發生火災等危險情況，能夠做出相應的提醒。本模塊主要由一個蜂鳴器和LED燈組成，當發生險情時其能夠及時將接收到的指令以聲波的方式報告給監測方，以便及時做出處理。其原電路理圖如下：圖4.9蜂鳴器、燈光報警器的原理圖4.6各模塊通信接口電路原理圖設計由于只有各個模塊只有聯系在一起，才能將分散的各部分聯系起來，實現整體的安防功能。因而聯系各模塊的電子線路在其中就擔任了十分重要的角色。本次設計的接口基本上使用的是串口，以串口通信來聯系各主要模塊。其電路原理圖如下：圖4.10USB轉TTL串口電路原理圖4.7本章小結 本章主要為本次課題研究設計了各個硬件電路，繪制了其相關的原理圖。其中包括傳感模塊電路圖，兩個主控模塊，兩個通信模塊，以及報警模塊和各接口電路的電路原理圖。由AD上繪制的原理圖生成對應的PCB，然后對PCB進行編輯，放好格局，布好線。隨后將之送廠家腐蝕，接著進行板子的焊接，獲取實物。得到實物后進行分模塊調試，相應模塊的功能得以實現，最后通過接口電路實現各模塊的完整通信，達到相應預期的功能。第5章各模塊內部程序的設計5.1系統程序設計概述本次畢業設計要求寫入相關程序的部件主要有四個，分別是兩片SX1278芯片和兩片STM8芯片，其中空閑時間它們都是進入循環等待的，直到有相關信息的觸發，它們才開始進行相關處理。SX1278芯片一個做接收準備一個做發送準備，由其二者搭建LoRa通信網絡，實現物聯網的通信。5.2單片機控制系統程序設計此部分要分為兩部分進行程序的設計：一部分為傳感探測模塊輸入的信息進行處理；另一部分則是為報警模塊發送指令。這兩部分的單片機都需要與相應的SX1278芯片進行必要的通信和控制。以便能及時將感測模塊探測的信息發送出去，并且將接收模塊接收到的信息及時反饋給報警模塊。因此其流程框圖如下：煙霧探測傳感器煙霧探測傳感器開始STM初始化檢測到異常？將異常信息反饋給通信模塊結束是否圖5.1檢測模塊單片機流程圖開始開始STM8初始化有無信息傳入？將SX1276傳來的信號交付報警模塊結束是否圖5.2報警模塊單片機流程圖該模塊由時鐘來發控制信號，進入開機后的循環等待階段，一個是等待傳感探測模塊發來報警信息，一個是等待通信模塊傳來報警信息，當相關信息傳來時，其就連通相關模塊完成相關操作達到報警目的，當險情處理完畢，就重置探測模塊，重新進入循環等待下一次的觸發，其主要程序見附錄里面的main函數。5.3LORA通信模塊程序設計此部分分為兩大模塊，一個為發送模塊，一個為接收模塊，由其組建成LoRa通信網絡，實現通信。其中發送模塊主要等待STM8發來報警信號，其擔任發送任務，而接收模塊則等待發送模塊傳來的信號，將之傳給STM8處理。這一部分是這次課程研究的最重要部分，也是最突出的創新點。其流程圖如下：開始開始發送初始化CRC正確？發送完成？結束否否是是圖5.3發送模塊SX1278流程圖開始開始接收初始化接收完成？CRC正確？讀緩沖區結束是是否否圖5.4接收模塊SX1278流程圖該模塊同樣是由時鐘來控制，接通電源后進入循環等待階段，等待相關模塊的指令傳輸，由其搭建的LoRa網絡將相應的信息進行傳輸。其核心程序代碼見附錄SX1278通信。5.4本章小結 本章主要介紹了組建LoRa通信進行的物聯網報警系統的程序設計思路，其中相關程序代碼都在附件中。核心部分在于SX1278芯片的組網以及STM8單片機的控制。將每一個核心模塊分解為兩部分，一部分作為接收模塊，一部分作為發送模塊，其實現均用流程圖來表示，而后續的程序代碼則主要由C語言完成，交由相關編譯器編譯后生成芯片可識別代碼。燒錄進入芯片，實現相關功能。第6章系統測試6.1測試環境 本次畢業設計測試的環境是學生宿舍，為了方便報警系統的觸發，沒有做相關煙霧及溫度傳感器的硬件，只是用一個開關代替。將報警設備置于鑒湖主教學樓一樓，探測設備置于學生宿舍學海C棟，將其處于待機狀態。由同學在學生宿舍模擬報警信號的觸發，看在鑒主教學樓的學生能否接收到相應的報警信號并觸發報警器。6.2測試準備 在這個設計中，使用的是白盒、黑盒測試方法對測試的對象進行測試，具體來說就是：黑盒盒測試是作為一個整體，不考慮各個模塊的功能，只考慮輸入輸出，只要我的輸入正確，我的輸出也必須達到我預期的目標；而白盒測試則是對每個模塊采取分模塊測試，例如單片機模塊，通信模塊都可以作為一個最小系統進行測試。在我們進行測試的時候，被測試雙方要求拿著對應的設備，到達指定的位置等待指令，每人攜帶自己帶有USB接口的供電設備，給硬件供電，等待相關觸發。第三個同學則告知拿著傳感探測模塊的同學，現在煙霧濃度已經達到并超過預設值，請撥下相關開關代表報警觸發。第三個同學詢問拿著接收模塊硬件的同學，是否接到報警信號。如果接到報警信號，那么就說明我們的報警裝備基本功能已經實現。6.3測試結果及分析經過測試，可以得到我們預期的目標已經實現。在通信距離大致在5Km以內，我們的通信基本可以實現，而且相關模塊基本功能也實現了。但是我們的蜂鳴器的響聲卻不如人意，究其原因主要是設計的時候沒有考慮蜂鳴器的驅動電壓，沒有給與相應的放大電路，導致驅動電流小，蜂鳴器響聲小。所以在設計硬件電路原理圖的時候特地添加了一個放大電路，而且它在本次畢業設計過程中有多個地方需要用到，第一個地方是傳感器模塊，煙霧報警器觸發信號小，要將其信號放大了之后再傳給單片機處理，這樣才能有明確的觸發信號，另外溫度傳感器發出溫度報警信號后也需要一個放大器來放大其信號，后續蜂鳴器由于驅動電壓高，同樣需要一個放大器來達到較為宏亮的報警聲音。而且經過測試，如果相關模塊不加天線，通信距離會大大降低，因此，天線也是一個不可以忽略的重要組件。6.4本章小結 通過對硬件的測試，基本上是達到了LoRa網絡的組建和通信。當然，測試過程不會是一帆風順的，剛開始分模塊測試的時候，每個模塊都實現了其要求的功能，但是將模塊一起連接后，就并不是簡單模塊的疊加了，各個部分的接口，以及對主要模塊的連接都是一些大問題，經過多次的調整，基本上可以到達預期目標，但是蜂鳴器卻怎么都不會響起。剛開始的方案是將蜂鳴器一個引腳接地，一個引腳接在信號線上，由于自己沒有對信號添加放大電路，所以信號太微弱，導致基本上聽不到蜂鳴器的聲音，后來提出了一個解決方法（當然直接添加一個信號放大器就可以解決問題，但是由于自己的硬件目前不方便再到廠家腐蝕因此再添加硬件不太現實），就是將蜂鳴器一個引腳接到VCC上，另一個接到信號線上，聲音就有了，但不大。不過至少基本實現了相關功能，感覺蠻開心的。其實物圖如下：圖6.1信息的采集與發送模塊實物圖圖6.2信息的接收和報警處理模塊實物圖總結伴隨著科學技術的不斷發展，各方面的安防問題備受社會關注。作為一名在學校學習、生活的學生，接觸的當然主要是校內生活，因此因地制宜的就設計了此款基于物聯網的安防系統，以確保在學生宿舍發生險情的時候可以及時的處理，避免更加大的損失。而因為搭建安防系統需要大量的傳感檢測器，但目前經濟情況無法滿足相關需求，故本文中設計的探測器比較少，只有溫度報警器和煙霧報警器等，而且在后續的答辯過程中為了滿足答辯時能夠立即得到應答，它的觸發用了一個觸發開關來解決。總的來說，本次畢業設計主要做的工作有以下幾個：（1）對現代社會環境中存在的安全隱患進行了比較細致的分析，特別是關于校園環境中的安全隱患。在結合國外安防現狀分析的同時，將國內的情形也做了一番對比，得出目前我們現階段國內安防系統的現狀以及其發展的特點。（2）對于多個無線組網技術的分析和研究，并選擇了以SX1278芯片為核心的LoRa系統作為組網技術實現超遠距離、無失真通信。同時這也是本次研究的核心創新點，因為此種LoRA組網技術目前在國內屬于比較前沿，應用比較少的一項技術。但是其比以前的藍牙組網或者是ZigBee組網好很多，而且有很多優點。（3）學習了AD軟件的使用，對各個模塊進行電路圖的繪制以及PCB的生成，交有廠家燒蝕得到相關硬件產品，以達到本次畢設研究的要求。（4）學習了IAR軟件的使用，學會了如何使用IAR軟件對單片機進行程序的燒錄，以及相關的調試。（5）對于目前比較前沿的芯片SX1278以及比較實用的單片機STM8做了相關的學習和研究，明白基本使用原則和方法，將之付諸于本次畢業設計的相關模塊的設計。（6）在傳感模塊，自己著手設計了相關的檢測電路，對檢測電路的原理圖繪制，PCB的生成都做了相關工作。總之，在這一學期的學習研究中，自己感悟很多。雖然很艱辛，但是確實是學到了不少的知識，自己的動手能力也有了很大的提升，接觸了很多以前沒有接觸的軟件。雖然這些軟件對于曾經參加過電子大賽的人來說，確實是挺簡單的，畢竟他們很早就學會了如何使用AD，如何將程序由電腦編譯后導入單片機里面，以實現相應的功能。但是對于剛入門的我來說，確實一切真的并不是那么的容易。經過這簡短的一學期，學了單片機（當然剛開始的時候還學錯了好多，首先學的是51單片機，然后開始了msp430超低功耗單片機的學習，再然后就是STM32單片機的學習，到最后自己用于完成本次研究的單片機卻是STM8，不過由于這幾款單片機或多或少都是有些相通的，因此有了一點基礎，學其他的起來也就不是那么艱難了），學習了如何使用AD繪制原理圖，生成PCB，原理圖中各元器件庫的繪制，簡單的各種操作，以及IAR的運用。從來只有艱苦奮斗的人，在收獲的季節才能碩果累累。經過自己這一學期的努力，果然功夫不負有心人，基本上完成了這一門課題的相關研究，做出了相關的硬件部分。展望本文設計中雖然從本質上來說是設計好了一個完整的安防系統，但是卻有許多需要完善的地方，單從傳感檢測模塊來說，就缺少各種探測器，例如紅外感應器，光敏探測器等等。對于一個安防來說，探測的探頭越多，得到的信息也就越是全面，這樣才能做出更加準確的裁決。因此，本文設計的基于物聯網的安防系統的設計有待進一步完善，具體可以從以下幾個方面進行研究：（1）增加探測用的傳感器，使傳感檢測模塊的信息收集更加完善，使收集的信息更加準確。（2）對于報警模塊，不僅僅只是停留在報警燈閃爍，蜂鳴器響起的程度，需要最優化報警電路，最好是可以設計一個相應的界面，接上相應的串口電路后可以從顯示器上明確看到各個探測傳感器的參數，哪一個指數出現超出預設值而導致報警。（3）對于各個部件，不要只停留在一對一的通信基礎上，要能夠實現各個網絡的互聯，一個接收器可以接收多個發送器發來的各種參數。例如一個大樓，總共有32個獨立房間，我在每個房間只需要安裝一個相應的監測和通信模塊，而將全部的信息發送到一臺接收設備上進行匯總分析，而不需要為每一臺設備配上一套接收設備（每一臺設備配上一套接收設備會導致成本的大大提高，不實用）。（4）為了實現無線探測網絡的報警高可靠性，低功耗性，范圍寬廣性，對系統的各個節點部署可以進行相應的優化，盡量使用較少的元器件達到相同的安防要求。（5）本文中也未曾涉及信息傳輸的安全性和保密性，如果有相關需求和允許，可以在后續的研究中對這方面加以研究和發展。（6）由于本次畢業設計研究范圍廣，涉及軟件也不少，因此在做此次畢業設計研究的時候就沒有過多的研究目前技術已經比較成熟的傳感檢測模塊，和蜂鳴器報警模塊。而且在答辯時這些模塊有的因為答辯需要做了相關的改變，有的因為時間倉促沒有相應的驅動源放大電路導致蜂鳴器無法正常工作。所以就算是這個最小的安防模塊，也是有很多可以提升的空間。總之，從這個安防系統設計的各個方面（如：傳感檢測模塊、報警模塊、通信模塊等）都是可以提高和發展的。致謝本次畢業論文即將完成，在這里，我首先要感謝我的指導老師--蘇楊老師，感謝他對我孜孜不倦的教導。對此，我想對他表達崇高的敬意。沒有蘇老師的指導和幫助，我的這次課題研究也就很難完成。畢業論文的完成以及后續答辯的結束也就預示著我的大學四年的學習生活也即將結束，回顧自己四年來的學習生活，感慨也是不少。目前印象最深的還是近期畢業論文完成期間導師那不厭其煩的悉心教導，剛開始著手本次課題的時候，由于自己沒有一點點的基礎，所以自己曾經也有過放棄這個課題的沖動，改換一個簡單一點的課題。但是導師的鼓勵和指導卻讓我點燃了希望的燈火，每次課題遇到困難，進展難以繼續的時候，我就會首先自己查找相關文獻資料，能解決最好，不能解決就會詢問有關方面的同學，在這個方面基本上也能解決好多問題。如果這些都做了，問題還是難以解決，這個時候我就會毫不猶豫的去找自己的導師。顯然經過這么多波折遺留下來的問題是不會那么簡單的，但是導師那博廣的知識也是深深的令我折服。三下五除二就把我的問題給分析通了。同時也會給我提出多套解決的方案，并且對于每套方案都會替我不厭其煩的分析其優劣。讓我結合自己的處理能力和自己的水平，選擇一個最合適的方案。每當一個方案定下來，我在后續的操作中稍有松懈，導師就會及時指出，將我引入正軌。而且對于我的每一個模塊的設計都以一種趨于苛刻的要求來要求我。正是導師這種嚴謹的治學態度，最終促使我能夠將我的硬件最難的部分設計完成并實現，從導師給我講解原理、流程以及實現方案、開發工具和設計方法中，我學到了許多東西。蘇老師求真務實的工作作風也讓我著實欽佩。從中我學到，無論以后是繼續學習深造還是步入職場，態度是很重要的。對于此，我想再一次對我的導師表達最衷心、最崇高的謝意！同時，在自己的日常處理中，有很多熱心的老師和同學給過我許多幫助，使我能夠比較順利的完成論文的框架和后續硬件的實現，真心地謝謝你們。最后，對于不辭勞苦來評閱我的論文和能在百忙之中參加我的論文答辯的每一位專家或教授表示最衷心的感謝。參考文獻[1]武士濤，基于物聯網技術的智能安防系統應用研究，故宮博物院，2012，1【1】2【2】[2]王鵬，明察秋毫:基于物聯網技術的智能安防，中科院，20132【3】[3]劉薇，基于物聯網技術校園智能安防系統的設計與實現，成都，電子科技大學，20134【4】[4]龔宸，基于GSM的物聯網無線報警系統的設計與實現，華中師范大學，20134【5】4【6】[5]SemtechCorporationSX1276/77/78數據手冊..2013[6]李建華.物聯網智能安防系統設計.湖南城市學院學報.湖南.2015[7]彭力.基于案例的物聯網導論[M].北京:化學工業出版社,2012.[8]楊虎.住宅小區安全防范系統的設計.BI智能建筑與城市信息，2005[9]肖俊芳.無線傳感器網絡的若干關鍵技術研究[D].上海交通大學,2009[10]VladimirOleshehuk.Internetofthingsandprivacypreservingtechnologies[J].WirelessVITAE.2011.[11]石志國,王志良,丁大偉.物聯網技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2012.[12]謝