畢業設計（論文）原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計（論文），是本人在指導教師的指導下，獨立研究所取得的成果。除了文中已經注明引用的內容外，本畢業設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果或作品。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。畢業設計（論文）作者簽名：日期：2024年4月10日畢業設計（論文）版權使用授權書本畢業設計（論文）作者完全了解學校有關保存，使用畢業設計（論文）的規定，同意學校保留并向有關畢業設計（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。本人授權本學校及以上級別優秀畢業論文評選機構將本畢業論文的全部或部分內容編入有關數據庫以資檢索，可以采用復印，縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業論文。畢業設計（論文）作者簽名：日期：2024年4月10日基于NB-IOT智能宿舍安防系統設計摘要針對傳統的宿舍安防系統設計與應用中的不足之處，本次研究中將以NB-IOT技術為基礎，設計開發一種新型的智能宿舍安防系統。根據NB-IOT技術應用要求，系統設計中擬采用STM32作為系統主控制器，利用NB-IOT通信模塊實現系統運行中各項數據的傳輸，由此搭建起系統的整體框架。在此框架上實現對宿舍非法入侵行為監測預警、煙霧報警、宿舍室內溫濕度變化感應等各項功能，全方位加強宿舍人員與財產安全保障。以NB-IOT技術為基礎技術路線開展智能化宿舍安防系統搞設計，具有安裝簡便、成本低廉、能耗低等諸多優勢，該類型系統在宿舍安全管理中有著廣闊的應用前景。關鍵詞：NB-IOT；宿舍；安全系統IntelligentdormitorysecuritysystemdesignbasedonNB-IOTAbstractInviewoftheshortcomingsinthedesignandapplicationofthetraditionaldormitorysecuritysystem,anewintelligentdormitorysecuritysystemwillbedevelopedbasedonNB-IOTtechnology.AccordingtotheapplicationrequirementsofNB-IOTtechnology,STM32isusedasthemaincontrollerinthesystemdesign,andNB-IOTcommunicationmoduleisusedtorealizethetransmissionofvariousdatainthesystemoperation,thusbuildingtheoverallframeworkofthesystem.Inthisframework,thefunctionsofmonitoringandearlywarning,smokealarm,dormitorytemperatureandhumiditychangeinduction,arerealizedtostrengthenthesecurityofdormitorypersonnelandproperty.NB-IOTtechnologyasthedesignofintelligentdormitorysecuritysystemhasmanyadvantagesofsimpleinstallation,lowcostandlowenergyconsumption.Thistypeofsystemhasabroadapplicationprospectindormitorysecuritymanagement.Keywords:NB-IOT;dormitory;securitysystem目錄TOC\o"1-3"\h\u3235第一章引言 6240311.1研究背景與意義 6319861.2研究現狀 717938第二章系統總體框架設計 1070662.1整體方案設計 10236752.2硬件模塊選型 106363第三章系統硬件設計 13236543.1STM32F103單片機 1317153.2DHT11溫濕度檢測模塊 14195043.3MQ-2煙霧監測模塊 1512803.4光敏電阻模塊 16315923.5人體紅外檢測模塊 16162753.6OLED顯示模塊 1779623.7NB-IOT模塊 17219823.8按鍵模塊 18259123.9蜂鳴器模塊 19166833.10系統終端傳感器設置 20246993.11系統終端傳感器各部分器件選用與電路設計 2113697第四章系統軟件設計 23307804.1系統終端與云平臺對接流程設計 2368074.2系統數據通信協議設計 2592284.3系統數據收集流程設計 26259984.4系統NB-IOT模塊初始化設計 2714613第五章系統運行測試環節設計 3085185.1測試環境搭建 31326575.2系統測試 318839結論 3414546致謝 353676參考文獻 36第一章引言1.1研究背景與意義宿舍是企業、學校等大規模的集體組織為內部成員提供的公共居住空間，宿舍在日常使用中一方面要為大量人員提供住宿服務，同時還承擔著保管存放個人財物的功能。因此，對于企業與學校而言，加強宿舍安全管理尤為必要。隨著信息化技術的高速發展，在宿舍安全管理工作中，信息化工作系統得到廣泛應用，為提高宿舍安全管理工作效果提供了有力的幫助。以往很多工廠或學校使用的宿舍安防系統大多基于RS232/485一類有線通信技術，而隨著無線通信技術的普及，以ZigBee、GPRS、GSM等無線通信技術為基礎的宿舍安防系統被應用于宿舍安全管理中。以上各種類型的系統在實際應用都暴露出施工難度大、安裝復雜、后期管理維護成本高等問題，而且以上系統在實際應用中，當面臨網絡波動時會發生報警信號傳輸不及時，故障信息無法在第一時間獲取等現象，大大影響到系統實際應用的效能。近期興起并迅速普及的窄頻物聯網（NB-IoT）在環境監測、智能路燈管理、以及遙控生態管理等諸多應用領域已展現出其低能耗、廣覆蓋范圍和持久耐用的顯著特性。在自然生態防護這一領域，基于NB-IoT技術打造、并以STM32微型控制單元作為中心的生態環境監視裝置可以探測包括溫度濕度、甲醛、總揮發性有機化合物、灰塵等在內的諸多環境參數。這種系統也因其廣闊的監控領域及低耗能特性而備受贊譽。在都市公用設施營運與管理這一領域，研究報告中提出了依托NB-IoT技術的街燈遠程監測方案，此系統能夠搜集街燈四周的溫濕度數據、光線強度以及地理位置信息，并且用戶可以通過智能手機應用程序對街燈進行在線監測和智能控制。在其他關于NB-IoT智能系統開發的研究中，結合了傳感器數據融合技術和模糊PID多級控制方法，研制了一款以NB-IoT技術為基礎的智能化自動調節溫室環境的系統。這些系統在各自領域的實際應用中都展現出極為突出的效果，基于以上基于NB-IOT技術系統設計開發的成功經驗，本次研究中將從宿舍安全管理的實際需求出發以NB-IOT技術為基礎，進行智能化宿舍安全系統設計開發，通過更先進安防系統應用促進宿舍安全管理效率的進一步提升。根據題目要求，以NB-IOT為基礎開展智能宿舍安防系統設計，能夠以系統設計為切入點，對NB-IOT技術這項物聯網領域的新技術開展更加深入的研究，并通過系統設計更充分了解信息技術高速發展下信息通信技術發展與實際應用形勢變化，為何能實現不同國家地區的溝通與交流，在高效進行通信的同時，探討可持續發展的意義，有效提升對當前以及未來通信發展的深度思考能力。1.2研究現狀1.2.1智能家居安防報警行業發展現狀20世紀初，安防報警系統雛形出現在北美地區，在街頭設置的呼救箱采用有線的方式與警局進行連接，實現遠程報警;1984年，美國聯合科技公司改造了美國康涅狄格洲的一棟舊式大樓，在這座大廈中采用有線連接的形式對空調、電梯和防災、防盜等設備進行管理，通過計算機進行控制和監測，實現了建筑的初步信息化管理，由此掀起一股“智能建筑”的熱潮。世界上第一座智能大廈誕生，其中包括了防災、防盜和監測功能，這是早期的智能建筑物中安防報警系統。北美地區的安防產業一直處于領先地位，后期以美國為首的發達國家中一些大型安防公司引領該產業的發展態勢。在亞洲地區的日本、新加坡等國家，也紛紛開發具有報警功能智能化建筑。中國的智能建筑起源于1990年，北京發展大廈是我國智能建筑的雛形,其中包含了安防相關功能。1995年，我國開始加快住宅產業的發展，促進了國內家庭安防產業的發展，但智能化發展非常緩慢，全部依賴國外技術，比如美國的X-I0O電力線載波通信技術、歐洲的EIB電氣安裝總線技術、日本的HBS家庭總線技術，但上述幾種通信技術在中國一直沒有得到廣泛的應用。1997年，我國開始制定《小康住宅電氣設計(標準)導則》(討論稿)，對小康住宅和小區建設在安全防范、家庭設備自動化和通信與網絡配置等方面提出了設計標準。自此之后，智能家居安防報警系統多采基于公共電話線或GSM網絡通信。2007年，中國、韓國兩個國家聯合三星集團推出智能家居系統，此系統將自動化控制、信息家電、安防設備以及娛樂和信息中心集成為一個控制網絡。從此我國的智能家居行業正開始發展，2014年被稱為中國智能家居元年，互聯網行業和家電行業的巨頭公司以及運營商全部加入智能家居行業。現有的小米物聯、紫光UIOT超級智慧家、海爾U-Home、美的智慧等都是相對比較成熟的智能家居系統，其中均增加了安防報警等功能。雖然我國的智能家居安防報警系統發展至今取得了巨大成就，但還存在監控不全面以及防范非法入侵智能化不足的問題。早期的防止非法入侵的手段為人為看守或采用防盜門窗等設備，發展過程中結合當時先進的電子、通信等行業技術，采用傳感器或攝像頭設備對非法入侵監測實現了智能化，但存在報警信息不明確以及需要值班人員24小時實時看守等端，仍需改進。1.2.2NB-IoT發展現狀物聯網的概念正式提出于2005年，ITU在突尼斯召開信息社會世界峰會(WorldSummitofInformationSociety,WSIS)上發布的《ITUInternetreports2005--theInternetofthings》,明確了物聯網的特征和相關技術，并闡明了該行業面臨的挑戰和未來市場產生的機遇需求等內容。ITU報告的推出，使得全球各個國家的政府和相關行業重視物聯網的發展，該領域認為物聯網可以促進其加快發展和變革，并提供了前所未有的機遇，以美國為首的歐美發達國家將物聯網作為國家的新興產業，為了能夠盡早的落實物聯網這一產業相繼出臺相關戰略措施予以幫扶。NB-IoT技術是當前流行的物聯網通信技術之一，屬于低功耗廣域網(LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN)中的一員，LPWAN是一種新型的通信模式,專為遠距離、低功耗、大量連接的物聯網應用設計，以滿足物聯網應用的各種需求。低功耗廣域網應用前景廣泛，據統計全球300億部物聯網設備中，約有四分之一的設備將通過低功耗廣域網進行連接。低功耗廣域網通信技術與物聯網領域中現有流行技術比如ZigBee、藍牙、Z-Wave、Wi-Fi、蜂窩網絡(GlobalSystemGSM)、長期演進網絡(LongTermEvolution，LTE)forMobileCommunications,等進行了不同的權衡，能夠補充傳統的蜂窩網絡和短距離無線通信技術的部分缺陷。傳統的物聯網無線通信技術覆蓋直徑最大只有幾百米，大多適用于室內環境的部署，不適用連接分布在大面積區域的低功耗設備。2009年溫家寶總理提出的“感知中國”目標，同時物聯網(InternetofThings，IOT)在四部委聯合下發的《關于加快培育戰略性新興產業的決定》中被列為國家七大戰略性新興產業之一，全國上下掀起發展物聯網的熱潮B1,32,為物聯網的發展奠定了基礎。2017年6月，工信部下發通知明確表明2017年末NB-IOT基站建立數量達到40萬，終端設備連接數量達到2000萬;至2020年，NB-IoT基站數量達到150萬，終端設備連接數量超過2億。NB-I0T技術首先在上海試驗，早在2016年，中國聯通在部署10個室外NB-I0T基站覆蓋迪士尼園區，聯合華為開展并完成智能停車項目，實現園區內停車位信息采集與查詢;2017年6月，中國電信與ofo、華為共同發布了基于NB-IoT技術的ofo智能單車正式商用。2019年三大運營商全部實現NB-IOT網絡的商用。第二章系統總體框架設計2.1整體方案設計基于NB-IOT技術的體系結構,開發了依托于此技術的智能寢室防范系統。該系統包含的關鍵組件有監測端點、云端防護中心以及智能移動設備。每個探測接口進一步由含有NB-IoT單元和感應器數據搜集模塊的監測器構成，這些監測器由功能各異的傳感器構成，負責執行盜竊預警、環境監察以及火警偵測等任務。搜集設備會將搜集到的感應數據以及設備運作狀態信息發送至NB-IoT模塊。隨后，這些信息通過NB-IoT信號塔傳遞至互聯網上的云服務器，用戶可以借助網絡或是直接登錄云服務器來訪問并獲取這些信息。根據以上內容，系統的整體框架設計如下：圖1.系統總體框架2.2硬件模塊選型在設計基于NB-IOT智能宿舍安防系統時,合理選擇硬件模塊對于系統的性能、成本和可靠性至關重要。我們需要對各個模塊進行全面的對比分析,權衡利弊,最終選擇最佳方案。在模塊選型過程中,我們不僅要考慮單個模塊的性能參數,還要結合整個系統的需求,從系統層面上進行綜合評估,確保各個模塊之間能夠無縫集成,協同工作,發揮出最大的效能。2.2.1單片機模塊的選型方案一:STM32F103是一款基于ARMCortex-M3內核的32位單片機,具有較高的運算能力、豐富的外設資源和較低的功耗。它采用了ARM公司先進的Cortex-M3內核,可以實現卓越的實時響應能力和中斷處理性能,非常適合于實時控制類應用。此外,STM32F103還集成了豐富的外設,如UART、SPI、I2C、CAN、USB等,可以方便地與各種外圍設備進行通信。同時,它還支持多種低功耗模式,在待機狀態下功耗極低,有助于延長系統的電池壽命。然而,STM32F103的價格相對較高,開發環境和編程復雜度也較大,需要一定的學習成本。方案二:STC89C52是一款基于8051內核的傳統8位單片機,價格低廉,編程相對簡單,但處理能力和外設資源有限,無法滿足本系統對計算能力的需求。STC89C52雖然成本低廉,但它僅支持8位數據處理,運算能力有限,無法勝任復雜的控制和運算任務。此外,它集成的外設也相對較少,無法滿足與多種外設進行通信的需求。雖然編程相對簡單,但由于硬件資源有限,未來的擴展性也較差。綜合考慮性能、成本和開發難度等因素,我們最終選擇STM32F103作為本系統的主控單片機。盡管價格較高,但其強大的處理能力和豐富的外設資源可以滿足系統的各種需求,同時也為未來的功能擴展留有余地。雖然開發難度較大,但通過合理的硬件設計和軟件架構,我們可以充分發揮STM32F103的性能優勢,實現系統的高效運行和可靠控制。2.2.2溫濕度檢測模塊的選型舒適的溫濕度環境對于宿舍生活品質至關重要。過高或過低的溫濕度不僅會影響人體健康,還可能導致霉菌滋生、家具受損等問題。因此,在智能宿舍安防系統中集成溫濕度檢測功能就顯得尤為必要。通過實時監測室內溫濕度數據,系統可以根據預設的舒適范圍,自動調節空調、加濕器等設備,為宿舍創造一個舒適宜人的環境。方案一:SHT30是一款高精度數字溫濕度傳感器,采用CMOS工藝制造,具有優異的測量精度和響應速度。它可以直接輸出已經經過數字校準的溫度和相對濕度數據,無需進行復雜的數學運算,極大地簡化了數據處理過程。此外,SHT30還支持多種通信接口,如I2C、單總線等,可以方便地與微控制器進行連接。然而,SHT30的價格較高,且需要使用I2C通信接口,增加了系統復雜度。方案二:DHT11是一款低成本的數字溫濕度傳感器,價格低廉、使用方便,滿足本系統的基本需求。它采用專用的單線雙向通信方式,只需要一根數據線即可與微控制器進行通信,無需占用多個I/O口,節省了硬件資源。DHT11內置了溫濕度傳感元件和A/D轉換電路,可以直接輸出校準后的數字信號,方便數據處理。盡管測量精度和響應速度略低于SHT30,但對于宿舍環境監測來說已經足夠。考慮到成本和簡單性,我們選擇DHT11作為本系統的溫濕度檢測模塊。它的性價比較高,且集成了數字信號輸出接口,可以直接連接到單片機,無需額外的模數轉換電路。雖然精度略低于SHT30,但對于舒適度評估而言,DHT11的測量精度已經足夠。同時,DHT11的簡單的通信方式也有利于降低系統復雜度,提高可靠性。2.2.3煙霧監測模塊的選型火災是威脅人身安全和財產安全的重大隱患,因此在智能宿舍安防系統中集成煙霧監測功能就顯得尤為必要。通過實時檢測室內煙霧濃度,一旦發現異常,系統可以立即發出警報,并采取相應的應急措施,如噴灑滅火劑、切斷電源等。方案一:MQ-4是一款可燃氣體傳感器,主要用于檢測天然氣、丙烷等可燃氣體,對于檢測煙霧的性能不佳。MQ-4采用的是電化學原理,通過測量氣體與傳感器表面反應時產生的電流變化來檢測氣體濃度。由于其優先響應可燃氣體,因此對于煙霧的檢測靈敏度較低,存在一定的延遲和漏報風險。方案二:MQ-2是一款設計用于檢測可燃氣體和煙霧的傳感器,對煙霧的響應靈敏度較高,更適合本系統的需求。與MQ-4類似,MQ-2也采用電化學原理,但它的傳感材料經過了優化,對煙霧的響應更加迅速和靈敏。此外,MQ-2不僅可以檢測到煙霧,還能夠檢測到一氧化碳、甲烷等有害氣體,提高了系統的安全性能。綜合考慮,我們選擇MQ-2作為本系統的煙霧監測模塊。相比MQ-4,MQ-2對于煙霧的檢測更加準確及時,可以最大程度地降低漏報風險,確保火災發生時能夠及時發出警報。2.2.4通信模塊的選型通信模塊是智能宿舍安防系統與外界連接的紐帶,它決定了系統的遠程監控和控制能力。選擇合適的通信模塊,不僅關系到系統的實時性和可靠性,還影響到系統的部署和維護成本。方案一:ESP8266是一款低成本的WiFi模塊,可以實現無線數據傳輸。它集成了完整的WiFi協議棧,支持標準的802.11b/g/n無線標準,可以與各種WiFi路由器和熱點設備兼容。ESP8266擁有強大的處理能力,內置了32位低功耗處理器,可以獨立運行應用程序。然而,WiFi通信功耗較高,且需要連接到現有的WiFi網絡,在一些偏遠或覆蓋不佳的地區可能無法使用。方案二:NB-IOT是一種新興的低功耗廣域網(LPWAN)技術,具有低功耗、大覆蓋范圍、低成本等優點,非常適合于物聯網應用場景。與傳統的蜂窩通信網絡相比,NB-IOT在硬件復雜度、功耗和成本方面都有顯著優勢。它可以實現深度覆蓋,信號可以穿透地下室和厚重的建筑物。此外,NB-IOT模塊的硬件成本也較低,有利于大規模部署。盡管目前NB-IOT網絡覆蓋范圍尚有限制,但未來發展前景廣闊。為了提高系統的可靠性和擴展性,我們選擇NB-IOT作為本系統的通信模塊。NB-IOT技術的低功耗特性可以延長系統的電池壽命,減少維護成本。同時,NB-IOT的廣域覆蓋能力也確保了系統可以在偏遠地區穩定運行,滿足未來的發展需求。雖然目前NB-IOT網絡覆蓋仍在不斷擴大中,但我們相信隨著技術的發展和商用推廣,NB-IOT必將成為物聯網領域的主流通信方式。第三章系統硬件設計本次研究中，以NB-IOT技術為基礎開展學校智能宿舍安防系統設計，出于節約項目開發成本，避免系統設計中功能模塊的重復建設。在系統的硬件設計環境，依托現有的學校安全管理網絡，利用成熟的校園安全管理網絡結構設置相同的硬件結構，設置系統中需要使用的智能傳感器、微控制器以及通信模塊等各種系統運行中需要應用的設備。3.1STM32F103單片機STM32F103作為系統的主控制器,扮演著至關重要的角色。它集成了強大的ARMCortex-M3內核,擁有高達72MHz的主頻,可以高效處理各種復雜的控制算法和數據處理任務。同時,STM32F103還集成了豐富的外設資源,包括多個UART、SPI、I2C、CAN等通信接口,以及定時器、看門狗、RTC等多種功能外設,為系統的功能擴展提供了充足的硬件支持。在硬件設計中,我們將STM32F103的UART1接口連接到NB-IoT模塊,實現與遠程服務器的數據通信;UART2接口連接到OLED顯示模塊,用于顯示系統狀態和傳感器數據;I2C接口連接到OLED和部分數字傳感器,實現數據傳輸;而ADC接口則連接到模擬傳感器,如MQ-2煙霧傳感器和光敏電阻,完成模擬量的數字化。此外,我們還利用STM32F103的多個定時器資源,實現對各個傳感器的定時掃描和數據采集,確保系統的實時性和可靠性。圖2.STM32F103單片機3.2DHT11溫濕度檢測模塊溫濕度是評估室內舒適度的重要參數。DHT11溫濕度傳感器采用專利的數字傳感技術,可以精準地測量環境溫度和相對濕度。它通過專用的單總線接口與單片機相連,只需要一根數據線即可實現數據傳輸,節省了硬件資源。在硬件設計中,我們將DHT11模塊直接連接到STM32F103的IO口,利用單總線通信協議與單片機進行數據交互。DHT11每隔一定時間就會對環境進行采樣,并將溫濕度數據以數字量的形式傳輸給單片機。單片機接收到數據后,可以直接解析處理,無需進行模數轉換等復雜操作。如果檢測到溫濕度超出預設的舒適范圍,單片機將觸發相應的控制措施,如啟動空調、加濕器等設備,為宿舍營造一個舒適宜人的環境。圖3.DHT11溫濕度檢測模塊3.3MQ-2煙霧監測模塊火災是威脅人身和財產安全的重大隱患,因此在智能宿舍系統中集成煙霧檢測功能就顯得尤為重要。MQ-2是一種低成本的氣體傳感器,它不僅能夠檢測到煙霧,還可以檢測到一氧化碳、甲烷等有害氣體,提高了系統的安全性能。MQ-2模塊是一種模擬式傳感器,它的輸出是一個模擬電壓信號,該電壓值與被測氣體的濃度存在特定的對應關系。在硬件設計中,我們將MQ-2模塊與STM32F103的模擬輸入通道相連。單片機通過AD轉換器,周期性地對MQ-2進行采樣,讀取其輸出的模擬電壓值,并根據預先標定的曲線,將其轉換為實際的氣體濃度值。一旦檢測到異常高的煙霧或有害氣體濃度,單片機將立即觸發報警,并執行相應的應急措施,如噴灑滅火劑、切斷電源等,最大限度地減少火災帶來的損失。圖4.MQ-2煙霧監測模塊3.4光敏電阻模塊光敏電阻是一種光電器件,它的電阻值會隨著光照強度的變化而發生改變。通過檢測光敏電阻的電阻值,我們可以對環境光線強度進行監測,并根據檢測結果采取相應的措施。在硬件設計中,我們將光敏電阻模塊與STM32F103的模擬輸入通道相連。光敏電阻的兩端會形成一個電壓分壓回路,單片機通過AD轉換器,周期性地對這個電壓值進行采樣。根據預先標定的曲線,單片機可以將采樣的電壓值轉換為對應的光強度值。在夜間或者黑暗環境下,系統可以自動啟用紅外監控功能,提高安全性。同時,光線強度數據也可以用于控制照明設備,實現自動調光等節能功能。圖5.光敏電阻模塊3.5人體紅外檢測模塊人體紅外檢測模塊利用被動紅外線原理,可以檢測到人體運動和存在。它通常由兩個獨立的紅外傳感器組成,當人體移動時,兩個傳感器接收到的紅外線輻射量會發生變化,從而觸發檢測信號。在硬件設計中,我們將人體紅外檢測模塊直接連接到STM32F103的數字輸入端口。當模塊檢測到人體運動時,它會向單片機發送一個高電平的脈沖信號。單片機接收到這個信號后,可以根據預先設定的策略,執行相應的動作,如觸發警報、開啟監控攝像頭等。人體紅外檢測模塊可以用于入室檢測、防盜報警等多種場合,提高了系統的安全性能。圖6.人體紅外檢測模塊3.6OLED顯示模塊OLED顯示模塊為系統提供了人機交互界面,用于顯示系統的工作狀態、傳感器數據等信息,方便用戶查看和操作。相比傳統的LCD顯示屏,OLED具有自發光、視角廣、對比度高、響應速度快等優點。在硬件設計中,我們將OLED顯示模塊通過I2C接口與STM32F103相連。利用I2C總線的并行傳輸特性,單片機可以高效地向OLED傳輸顯示數據。OLED模塊內置了顯示驅動芯片和控制器,可以根據接收到的數據自動生成圖像,減輕了單片機的處理負擔。在軟件設計中,我們可以編寫相應的圖形庫,實現文本、圖形、圖標等多種顯示效果,為用戶提供豐富的交互體驗。圖7.OLED顯示模塊3.7NB-IOT模塊NB-IOT模塊是系統與外界連接的關鍵環節,它負責與遠程服務器進行數據通信,將警報信息和傳感器數據上傳到云端,同時也可以接收來自遠程的控制命令。在硬件設計中,我們將NB-IOT模塊通過UART接口與STM32F103相連。UART是一種廣泛應用的異步通信接口,通信效率較高,資源占用少。NB-IOT模塊集成了NB-IOT通信芯片和天線,支持與運營商的NB-IOT網絡連接。它可以在超低功耗的情況下,實現遠距離數據傳輸,非常適合于智能家居、遠程監控等物聯網應用場景。通過NB-IOT模塊,系統可以實時將采集到的環境數據上傳至云端服務器,由服務器進行數據分析和存儲。一旦發生異常情況,如火災、入室等,系統可以第一時間通過NB-IOT網絡發送報警信息,讓相關人員了解現場情況并作出及時響應。同時,云端服務器也可以向NB-IOT模塊下發控制指令,實現對系統的遠程監控和管理。圖8.NB-IOT模塊3.8按鍵模塊按鍵模塊提供了一些基本的控制按鈕,如開關機、復位等,方便用戶對系統進行操作。它與單片機的數字輸入端口相連,通過檢測按鍵的按下和釋放,執行相應的功能。在硬件設計中,我們采用了硬件去抖動電路,有效消除了按鍵抖動導致的誤操作。每個按鍵都與單片機的一個數字輸入端口相連,端口狀態的變化就代表著按鍵的動作。通過編程,我們可以對按鍵的動作進行識別和響應。例如,長按復位按鈕可以將系統恢復出廠設置;短按菜單按鈕可以切換OLED顯示的界面等。按鍵模塊為系統提供了簡單直觀的人機交互方式,提高了用戶體驗。圖9.按鍵模塊3.9蜂鳴器模塊蜂鳴器模塊用于發出聲音警報,可以與單片機的數字輸出端口相連。一旦系統檢測到異常情況,如火情或者非法入室等,蜂鳴器將發出尖銳的聲音,提醒用戶采取相應措施。在硬件設計中,我們將蜂鳴器模塊直接連接到STM32F103的IO口。通過控制IO口的電平狀態,即可驅動蜂鳴器發聲或靜音。我們可以在軟件中編寫不同的聲音模式,如持續鳴響、間歇鳴響等,用于表示不同的警報級別和事件類型。例如,當檢測到輕微異常時,蜂鳴器可以每隔一段時間發出"嘀嘀"聲響,提醒用戶注意;而一旦發生嚴重事故,如火災,蜂鳴器將持續發出刺耳的鳴叫聲,讓用戶立即采取應急措施。圖10.蜂鳴器模塊3.10系統終端傳感器設置在系統硬件設計中，系統的終端傳感器是系統硬件中的最核心部分。依據NB-IOT技術規范，該系統由若干模塊組建，包括微型微控制單元、非法闖入偵測組件、煙霧檢測裝置、溫濕感應器、光線強度檢測設備、NB-IOT通訊模塊、系統運作狀態指示器及電源硬件等。系統終端傳感器的整體硬件設置如下圖所示：圖11.系統終端傳感器硬件構成從上圖中能夠看到，在系統終端傳感器的硬件結構中，微控制器是所有硬件設備運行的核心。在系統實際工作中，系統終端傳感器中的微控制器需要將下屬的各個節點的傳感器實時運行數據內容整理打包向NB-IOT模塊發送，數據發送過程由系統中的UART程序主導。在各個傳感器模塊的運行數據上傳至校園安全管理網絡的云平臺上之后，云平臺向系統發布對應的指令，并通過系統的微控制器將運行指令下達到指定的功能模塊，由此完成對平臺指令的完整響應過程。系統終端傳感器硬件設置中的非法入侵檢測模塊硬件設計中，以低能耗的熱釋電紅外傳感器作為硬件基礎。當系統運行進入布防模式時，該模塊會自動對區域內的非法入侵情況進行全面檢測。檢測發現區域內無非法入侵行為的情況下，該模塊自動進入休眠狀態，以節約系統運行的能耗。當區域內出現非法入侵行為時，系統中的單片機裝置會在第一時間喚醒系統終端傳感器中的NB-IOT模塊，將區域內的異常數據信息通過NB網絡向校園安全管理云平臺發送，云平臺根據系統反饋信息向系統終端傳感器硬件系統發出非法入侵模塊響應的指令。接到指令后，非法入侵模塊重啟對區域非法入侵情況進行檢測，并通過微控制器向云平臺發送檢測結果，供平臺作下一步的處置決策。系統終端傳感器中其他的功能模塊在運行機制設計上與非常入侵功能模塊相同。在具體功能方面，煙霧傳感器與溫濕度傳感器模塊主要負責對區域內的火災風險預警。當宿舍內出現火災險情時，室內煙霧濃度會出現明顯提升，而煙霧傳感器會立即對宿舍室內的煙霧濃度變化做出響應，提示宿舍內部的火災險情。煙霧傳感器在實際運行中，會根據區域內煙霧的實際濃度做出不同的響應。煙霧探測器與溫度探測器被運用以偵察火警是否爆發。一旦發作火災，濃煙密布時煙霧探測器將率先察覺到危機；而當煙霧稀薄，從現場氣溫的驟變或異常升高可以辨認火勢緊急。整合使用煙霧與溫度探測器，有助于迅速且有效地識別火災的出現。此外，終端傳感器中設置的溫濕度傳感器實時監測宿舍空間內的溫濕度變化情況，通過將這一模塊反饋數據與煙霧傳感器模塊的預警數據結合能夠更精確判斷宿舍空間內的火災險情。最后，光照度傳感器的反饋數據作為上述模塊中反饋數據的輔助判定參考，用于對宿舍室內實際情況的判定分析。在系統整體的終端傳感器硬件設置中作為輔助設置使用。3.11系統終端傳感器各部分器件選用與電路設計在硬件設計部分中，針對系統終端傳感器整體運行的電路設計，在系統主控制器部分應用STM32L051C6T6單片機裝備，該型號的單片機裝置設置有48個引腳，Fiaash容量可達到64kb，能夠充分滿足系統運行中的宿舍空間安防管理的需求。該型號單片機裝備共設有3個UART接口，能夠有效降低設備運行中的能耗。終端傳感器中的熱釋電外外線傳感器運行電路設置采用SB312模塊，該模塊供電范圍可以在3-12V之間自主調節，待機狀態下能耗在20μA以下，能夠滿足系統硬件使用電池供電的需求。終端傳感器硬件構成中的溫濕度傳感器應用SHT30-DIS型號的傳感器，該型號傳感器實際應用中對空間濕度監測的誤差能夠控制在±2%之間，溫度監測的誤差能夠控制在±0.3℃上下，設備運行精度表現符合系統實際應用要求。在傳感器供電電壓設置上，該型號傳感器供電電壓可以在2.4-5.5V之間自由切換。此外，系統硬件中的煙霧傳感器同樣使用低能耗的紅外傳感器，光照度傳感器在整體的系統硬件設置中屬于相對次要的部分，這一部分的具體選用造假更低的光敏電阻。為提高系統硬件對使用場景的適應性，系統運行總體電源采用電池供電的形式，電池使用3.6V的一次性鋰電池。系統中各個功能模塊以3.3VLDO作為電源。根據系統終端傳感器硬件選型與使用要求，將各個傳感器器件連接起來的電路系統具體如下：圖12.系統終端傳感器硬件電路另外，在進行NB-IOT模塊的電子線路構建時，必須注意確保模塊與學校安保系統的聯接性。NB-IoT無線通訊模塊的核心作用是實現數據節點與云服務平臺之間的信息互動。鑒于此項基本需求，設計NB-IOT模塊硬件時，應該采用包括NB-IoT模塊、SIM卡插槽、供電電路、串行通訊電平轉換線路和重置線路在內的相關組件。在NB-IOT模塊的硬件配置方面，BC26模塊作為核心硬件組成部分，該模塊具備在實際使用場景下支持運行TCP、UDP及COAP等通訊協議的能力。此外，BC26模塊的電源電壓可以在2.1至3.6伏特范圍內進行自適應調整。模塊與中央處理單元（MCU）的交互可經由UART或SPI接口實現，并借助AT命令進行模塊工作狀況的檢測及與物聯網平臺間的數據互動等多項操作。在設計該硬件模塊的連接電路時，選用了3.6V的鋰電池作為主要電源，供電給BC26模塊，該模塊亦采納相同型號電池提供能量。為實現MCU對模塊電源開關的簡便操控，電池經由PMOS管的轉接供電至BC26模塊。由于BC26模塊內部需要1.8V電壓，而主控MCU工作于3.3V電壓之下，因而系統間的通訊要借助TI公司生產的TXS0102型號的低消耗雙向電平轉換器以實現電壓匹配。此外，BC26模塊的重置端子RESET和電源時序控制端子PWRKEY與MCU的連接是通過構建成OC門電路的NPN型三極管來實現的。該模塊電路設計具體如下：圖4.系統NB-IOT模塊硬件電路第四章系統軟件設計基于NB-IOT的智能宿舍安防系統軟件設計具體以包括系統中奪冠與云平臺數據通信協議，節點數據采集、NB模塊初始化以及平臺數據通信4部分內容。4.1系統終端與云平臺對接流程設計系統終端和云平臺對接流程具體如下圖所示。根據圖中內容，平臺對接需要先在電信平臺注冊賬戶，接著.登錄到平臺進行設備對接協議Profile的設計,然后在平臺添加設備并綁定IMEI碼,從而建立起設備與云平臺之間的連接。圖5.系統終端與云平臺對接流程設置在系統終端與云平臺的數據對接體系設計中，具體根據下圖中所示的編解碼插件結果將系統運行數據在二進制格式與Json格式之間進行切換，通過這一方式實現系統終端與云平臺的即時數據通信。圖6.系統終端與云平臺對接的編解碼插件結構4.2系統數據通信協議設計系統硬件設計中，針對系統中的NB-IOT模塊搭建以BC26模塊為基礎，該模塊為系統運行提供LWM2M協議對應的專項指令，系統中的主控單片機裝備可以借助這些固定的制定將系統終端與云平臺進行高速連接，而系統終端與云平臺之間的通信協議可以直接進入平臺門戶網站，獲取系統硬件與平臺硬件設備編解碼插件的線上編輯與上傳功能。系統終端與云平臺通信協議設計包含系統各模塊檢測數據定時上傳、平臺對系統數據的響應機制、平臺指令分布與系統終端對平臺指令響應等系統功能運行關聯的協議。其中，系統終端各模塊檢測數據定時上傳的通信協議內容具體如下：表1.系統終端各模塊檢測數據定時上傳通信協議通信協議中使用的各項序號具體用于對平臺接收數據信息完整性的識別，數據上傳設置有明確的時間格式，不同時間單位均設置對應的字節。根據表格截圖中所示的通信協議信息，云平臺在接收到系統終端各個模塊發送的定時檢測數據之后，云平臺會向系統終端發送數據接收無誤的對應序號信息。云平臺對系統終端上傳數據的應答協議具體如下：表2.云平臺應答系統終端數據上傳通信協議云平臺下發設置指令協議如下所示。協議中設置使能為7字節，不同的字節具體對應系統電源電池的最低門限、非法入侵預警、火災險情預警、室內空間溫度上限預警、濕度上限預警、光照度低門限以及系統終端模塊數據反饋設置等各項功能模塊運行的使能，對應字段為1時為設置使能，字段為0時部隊系統終端設置做出修改。表3.云平臺指令下發設置通信協議系統終端運行中接收到平臺發出的對應設置指令，終端傳感器中的對應功能模塊需要根據指令做出具體的響應動作，并同時將當前字段設置值向云平臺回傳，由平臺判定系統終端動作是否與指令要求一致。系統終端指令應答的通信協議設置具體如下：表4.系統終端指令應答設置通信協議4.3系統數據收集流程設計本次智能宿舍安防系統的軟件設計部分，根據系統實際應用需求，系統終端需要具備系統運行數據的初始化，系統運行主程序、串口接收中斷運行服務、系統各模塊實時運行數據采集等各項功能。在系統硬件設計環節中，為提高系統硬件應用便捷性與對宿舍復雜環境的適應能力，系統終端傳感器硬件采用電池供電的形式，為節約能耗，系統硬件在日常會處于休眠待機狀態。針對這一情況，針對宿舍安防信息采集，需要設置緊急中斷與定時收集兩種形式。針對宿舍內非法入侵預警、火災險情預警等緊急情況，系統軟件設計中以緊急中斷作為數據收集的形式，以此方式確保系統對這些數據內容收集與響應的即時性，便于宿舍安防管理第一時間開展險情的處置。而針對系統終端供電電池電壓變化、宿舍空間內溫濕度和光照度變化等實時性要求比較低的數據，系統在這些信息收集與反饋中采用定時收集的形式，并根據傳感器數據的正常與否，再確定是否需要向平臺發送數據。系統終端軟件設計中，數據收集流程設計具體如下所示：圖7.系統終端數據收集流程設計4.4系統NB-IOT模塊初始化設計在本次系統設計中，出于系統整體運行低能耗的考慮，系統中的NB-IOT在非必要的情況下處于休眠的狀態，只有當系統終端模塊需要與云平臺互聯，進行系統終端傳感器模塊監測數據定時上傳并接受平臺指令時，系統中的NB-IOT模塊作為系統終端與平臺的連接組件才會開啟運行模式。因此，在系統投入實際應用的過程中，每一次進行系統終端數據上傳或平臺指令接收之前都需要對系統終端的NB模塊進行初始化，將上一次的運行數據覆蓋，避免影響到系統終端與平臺之間的通信連接。根據系統終端軟件設計中應用的LWM2M基礎流程設計，NB模塊初始化流程具體如下所示：圖8.系統NB模塊初始化流程設計根據上圖中內容顯示，系統中NB模塊初始化第一項流程為模塊的供電，對模塊進行供電時，在恢復NB模塊供電指令發出之后，需要等待系統終端供電的響應，而后借助AT指令獲取系統終端SIM卡的IMEI信息，查看當前系統終端的實時入網狀態，同時檢查系統終端的NB模塊當前獲取的IP地址是否能夠進行長正常的數據訪問。如果顯示IP地址有效，能夠正常進行數據訪問，系統終端做出響應，配置IOT平臺地址與Port，保持系統終端與云平臺數據對接上行通道與下行通道的開啟狀態，之后就可以通過NB模塊進行系統終端與云平臺的即時通信，做出下一步系統運行動作。系統終端中使用的NB模塊與云平臺的通信機制設置與以往的智能化安防系統中的通信模塊在通信原理與結構等方面都有一定的差異。NB模塊支持的PSM模式能夠確保NB硬件設備在長時間的休眠狀態下仍然能夠正常開啟與使用。NB模塊運行的機制設置，模塊首先將系統終端各個傳感器模塊的監測數據發送至云平臺中，而系統終端各項功能傳感器下一步的動作由平臺分析上傳數據后具體發出，NB模塊在其中具體承擔數據信息格式轉換與向對應傳感器模塊發出動作指令的智能。該模塊完成初始化之后可以與云平臺進行互聯通信，整體的流程設計如下：圖9.系統NB模塊與云平臺通信流程設計根據上圖內容所示，系統終端的NB-IoT模塊在初始化程序結束之后,與云平臺進行通信，首先需要先配置NB-IoT模塊的發送和接收數據流格式，借助指令“AT+QLWUPDATE"將數據發送中使用的格式信息同步到平臺中，之后就可以以這一格式將系統終端中各個傳感器模塊的監測數據發送至云平臺(非應答模式下不需要物聯網平臺的ACK,應答模式下需要等待物聯網平臺的ACK),之后該模塊根據平臺對發送內容的應答讀取相關數據，并將數據信息轉換成系統終端可接受的格式傳回到系統終端的各個功能傳感器模塊中，而后引發對應的傳感器模塊動作；通信完成后NB模塊向平臺發送通信注銷請求,刪除LwM2M連接等；NB模塊結束上述動作，根據系統運行要求重新進入休眠狀態。第五章系統運行測試環節設計完成系統整體的硬件與軟件設計之后，為驗證系統實際運行效果需要對系統進行實際運行測試。針對系統測試環節設計，測試中第一步將系統與校園安全管理的云平臺連接到一起，之后對系統終端與云平臺的實時連接狀態、數據上傳完整性以及數據上傳速率，云平臺向系統終端下達指令的響應速率與響應準確性等分別進行模擬測試。5.1測試環境搭建本系統的部署環境為宿舍，監控攝像頭被放置于通道末端，其監控范圍覆蓋門和窗戶以便偵測任何非法闖入者；煙感探測器和可燃氣檢測儀主要安裝在了樓道，按照10米左右的間距進行安裝，用于檢測區域內的火災和煙霧的情況，進行迅速的相應和報警。在宿舍房間內布置了環境檢測傳感器，可以用于檢測宿舍內環境情況。這樣實現了對于環境的檢測和對于火災的檢測。5.2系統測試系統構建完畢，需要對系統開展驗證，涉及環境檢測模塊、火災預防、目標識別環節以及系統全面檢驗。感知裝置分布于室內外，搭載在系統之上，通電啟動后，預設每隔兩分鐘就讓末端接入點報告數據一次，連續作業六十分鐘，總計傳送數據三十次。隨后，通過云端平臺對接收到的數據執行匯總分析，以便監測數據遺漏或不正常波動的狀況。而后，依據云服務平臺所匯總的數據顯示，提交的資料被完全接收，通過查詢歷史記錄，可以看到系統每隔2秒鐘進行一次數據的接收，并且未檢測到遺漏或異常數據，完全達到了系統的運作要求。為檢驗系統內的煙感是否運作正常，需對它們分別進行煙霧及易燃氣體的實驗。這種探測器都安裝于室內，具體來說，香炷的燃燒煙被吹入煙霧探測器的感應部件以激活警報機制，通過香炷的燃燒煙來進行相應測試；同時也可以采用替代的方式，因為煙霧傳感器對于丁烷也體現出敏感性，所以測試過程中，煙霧部分可以通過打火機內的丁烷氣體代替，通過啟動打火機并熄滅其火苗，使其持續釋放氣體，以考核氣感報警器的響應能力。每個傳感器分別測試了10次，記錄數據，計算相應時間后進行平均，計算結果表明傳感器相應速度良好，滿足檢測和報警的需求。本系統的目標檢測功能檢測環境中的入侵主體，并將其轉換為本文信息進行上報。通過對人員進行實際測試，測試時啟動傳感器和攝像頭，人員在室內來回走動，攝像頭拍攝到人員后進行檢測，把輸出的文信息發送至云平臺。5.3綜合測試第一部分，系統調試。在設計系統時，一般需要進行整體調試，以確定其功能是否滿足設計要求。通過系統調試，可以完善系統，達到設計目的。根據系統硬件設計內容進行硬件組裝。組裝完畢后進行系統整體電路策略，排查潛在的電路短路與連接異常等問題。在軟件部分，通過設置斷點和一步執行來確認程序的正確執行速度，確定軟件和硬件在執行過程中沒有問題，可以直接用Keil軟件燒錄程序，也可以通過串口控制和顯示界面驗證系統是否達到了預先設計的功能，直至最終整體調試完畢。第二部分，系統演示測試。接通系統電源，系統進入運行狀態。根據系統外接屏幕內容顯示：當前室內溫度21℃，濕度60%。系統運行中溫度閾值下限為24℃，上限為39℃；濕度閾值下限為40%，上限為82%。將當前使用標準溫度計與濕度計測得的室內溫濕度與系統數據對比顯示結果一致，證明系統中溫濕度監控精度有充分保證，系統中設定溫濕度的閾值上下限測量精度也能夠得到有力保障。針對系統對室內火災、非法入侵等突出情況數據反饋效率，系統測試環節中在完成設備與云平臺之間的對接后，分別對設備連接狀態、上傳數據和下發指令等進行了模擬測試。具體測試結構如下圖所示：圖10.系統數據接收與命令