移动家庭远程智能安防监控系统的设计与实现毕业论文Word下载.docx
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家庭安防;
短信远程控制;
硬件设计;
软件设计毕业设计(论文)外文摘要DesignandImplementationofaMobileHomeRemoteIntelligentSecurityMonitoringSystemAbstract:
BasedonARMCortex-M3microcontrollercoreprocessingchipdesignedamobileremoteintelligentsecuritymonitoringsystem,whichhasahouseholdequipmentAndroidAPP/SMSremotecontrolandremotehomesecurityandotherfunctions.Thisarticledescribesindetailthedesign,hardwaredesign,softwaredesignandtestfourpartoftheoverallschemeofthesystem.Systemhardwaredesignincludingcontrolmodule,gasleakdetectionmodulecircuitdesign,intrusiondetectionmodule,firecontrolmodule,electricalcontrolmodule,remotecommunicationmoduleandalarmmodule7modules,isnowmakingaphysicalcircuit.Systemsoftwaredesignincludescontrolmodule,remotecommunicationmoduledesignanddebuggingdriversforAndroidAPPnetworkprogrammingdesignanddebuggingofsystemlogicandcommunicationprotocoldesignandwriting.IndependentdesignoftheentirecodeAndrewsAPPclientcontrolhomeappliancesandhardwaresystemconfiguration.Atpresent,thissystemhasbeentestedbytheFBIrealizedhardware,intrusiondetection,remoteSMS/WIFIalarm,remotesmokedetectoralarm,SMS/WIFIremotereversecontrol,remotehomedeviceswitch,remotehomealarmdevicecontrol,anduserscanAPPAndroidphonesdirectlyconfigurethehardwaresystem,withahighmarketingvalueKeywords:
GSMnetwork;
homesecurity;
SCM;
SMScontrol;
remotecontrol;
Android;
networkprogramming;
第3页共46页目录1绪论11.1课题的研究背景与意义11.2课题的调研11.3课题的可行性分析21.4论文各章节简介32系统总体方案设计42.1系统设计要求42.2系统整体设计思路42.3方案的选型与论证52.4各模块方案设计83系统硬件设计133.1主控系统硬件设计133.2防盗检测硬件设计183.3远程烟雾报警检测模块硬件设计203.4防火控制模块硬件电路设计214系统软件设计234.1硬件通信协议234.2软件通信协议244.3主控模块软件设计254.4安卓APP模块软件设计325系统联调测试335.1硬件测试335.2软件测试345.3联调测试346系统评价40结论41致谢42参考文献43附录1:
模块硬件电路图44附录2:
模块PCB电路图45附录3:
系统实物图461绪论1.1课题的研究背景与意义随着社会的不断发展,人们生活水平的不断提高,生活的安全性和便利性越来越多的受到人们的关注。
文献[1]指出城市人口的膨胀、外来人口的不断激增以及煤气、家用电器等在使用过程中的不安全因素都成为了家庭安全的潜在威胁,其中给居民生命和财产安全带来威胁最大的为以下两个方面,第一方面是恶意侵害(如入室偷窃、抢劫、凶杀),第二方面是意外事故(如火灾、煤气泄漏)。
综合这两方面的需求,个人家庭远程安防系统需求的增长越来越快[2]。
安全是人类社会的永恒话题,在当今社会环境下,安全问题变得十分突出,因而采用高科技手段来实现家庭安全防范是当前保障人身、财产安全的正确选择。
随着新技术、新器件的出现,家庭安防系统将会变得更加智能化、自动化,也将为人们提供更加安全可靠的保障。
将是我们家庭安的一道坚固的屏障,在这道屏障的保护下,我们的生活将变得更加安全、更加美好。
从目前的家庭安防系统来看,它们大多数是机械式或单纯依靠人为控制和操作的安防系统在实际使用中已经暴露出了很多隐患和不足,远远达不到人们对远程智能家庭安防的要求[3]。
文献[4]指出这些系统大多采用51单片机为核心以有线或无线方式组建局域网来进行数据传输,文献[5]指出由于51单片机和局域网通信的局限性,使得以51单片机为核心的安防检测系统越来越不能满足人们的要求,在工程施工和日常使用中中暴露出了传感器部署困难、报警信号覆盖面窄、无法远程主动控制的缺点。
就目前的技术实现来说,安防系统的处理能力、远程通信等的硬件技术已经成熟。
文献[6]指出随着技术的进步这些问题的解决成本已经降到了非常低的水平,我们利用这些技术开发基于GSM的移动远程智能家庭安防系统来解决目前智能家庭安防系统中的不足,提高家庭远程安防系统的监控能力,利用安卓手机APP使得智能家庭安防系统更加人性化,让远程安防系统能够真正的服务家庭。
根据市场调研机构eMarketer发布的市场预测数据显示2014年中国智能手机用户首次超过5亿,2018年将超过7亿。
伴随着国务院“互联网+”战略的提出,采用APP交互,基于GSM网络的远程智能家庭安防系统能够有机的结合用户交。
1.2课题的调研近年来,移动远程智能家庭安防的概念被炒的很热,但距离真正的普及还有很长的一段距离,技术水平也没有出现突破性的进步。
对于厂商来说,市场缺乏培育,盲目投资风险较大。
对于普通市民来说缺乏家庭安防的相关概念,家庭安淮海工学院二〇一五届本科毕业设计(论文)第49页共46页防系统还停留在作为公司技术储备的研发阶段,虽然目前市场已经有很多智能家庭安防产品,但考虑到售价,智能远程家庭安防系统依旧很难走进寻常百姓的家中。
从开发公司的角度来说,由于终端设备接口种类繁多,缺乏统一标准,开发者只能针对一个特定的标准进行开发,往往会造成硬件设备的不兼容,在更换标准后整套产品都得重新编写代码,开发工作繁琐、工作量大,同时为了和其他系统的兼容,不同的厂家的模块需要通过转换器进行通信,增加了系统的复杂度和开发成本。
目前,国内的开发企业大多作为模块生产商参与到远程智能家庭安防系统中,通过提供单一功能的模块来实现简单的功能,如热释红外报警器和窗帘控制器等。
这些模块仅仅是被生硬的安装到家庭设备中实现固定功能,无法与家庭环境有机的融合,人机交互仅仅通过报警或者是传感器动作来实现,交互生硬。
缺少系统集成商,将单一的模块整合成为一个系统,让模块作为系统的信息触角来完成信息采集,通过将系统有机的整合到家庭环境中,使模块工作的更加智能化、高效化。
通过系统集成商的系统集成,远程智能安防系统应运而生,利用系统的开发来推动整个行业的迅速发展。
此外,家庭个性化需求得不到满足,定制系统成本过高,普通家庭完全无法承受,无法按照自己的家庭实际构建系统。
但是标准可扩展的家庭安防系统解决了这个难题,通过挂载不同模块完成不同任务,从而达到系统的任意扩展。
文献[7]4G的出现正在掀起一场智能硬件的革命,智能远程安防系统作为智能硬件不可或缺的部分也将迎来巨大的机遇,国内的一些智能手机企业也开始了同硬件企业的合作,例如京东的JD+,小米的小米盒子等。
文献[8]指出由于国内的巨大市场,国外厂商也开始了加快了入华的节奏,在2009年9月,著名企业霍尼韦尔向业内推出HRIS-1000系列智能家居系统,该系统以安防为中心,整合和地暖等温度控制等功能。
目前虽然还未普及开来,但是远程智能家庭安防系统的概念在近几年一定会深入人心,家庭安防产品必定会受到用户泛关注。
1.3课题的可行性分析本课题研究如何通过远程通信系统来实现家庭远程智能安防监控,就以下几个方面说明本课题的可行性。
(1)从技术上来说:
手机可以通过内部的GSM模块同基站完成通信,手机也可以通过WIFI模块接入网络、电脑通过电平转换模块后通过串口同GSM模块通信完成短信收发、电脑也可以通过串口使用WIFI模块接入网络。
STM32微控制器同样拥有串口,只需要通过电平转换后就能同GSM模块和WIFI模块通信。
从理论上分析,STM32微控制器同样可以通过AT指令来完成对GSM模块/WIFI模块的驱动。
只要STM32微控制器能够完成短信收发、WIFI数据收发就能根据手机短信或者WIFI数据来完成相应信息的获取和远程操作。
(2)从市场上来说:
就目前的市场而言,还没有比较完善的基于GSM和WIFI网络的远程智能家庭安防系统。
采用STM32微控制器作和GSM模块/WIFI模块实现家庭远程安防系统是个比较新颖的课题,基于STM32微控制器的远程智能家庭安防系统成本低廉,系统功能强大,。
1.4论文各章节简介本文主要讲述了移动远程家庭智能安防监控系统的设计与实现,全文共分为七个章节,各章的主要内容如下:
第一章绪论,简要介绍了移动远程智能家庭安防系统的市场背景,并分析基于GSM网络/WIFI网络的智能家庭安防系统的研究意义和可行性。
第二章系统总体方案设计,主要介绍了基于GSM网络的远程智能家居控制系统的设计要求、整体思路以及方案论证与选型。
第三章系统硬件电路设计,主要介绍移动远程家庭智能安防监控系统各模块的硬件电路设计。
第四章系统软件设计,主要介绍移动远程家庭智能安防监控系统中主控系统软件和APP模块软件的设计思路及程序流程图(程序代码见附件),并对一些通信协议进行简要的阐述。
第五章系统联调测试,主要介绍了移动远程智能家庭安防系统的软硬件联调测试方法以及期间遇到的困难。
第六章系统评价,对整个系统做出客观评价,指出不足和未来的发展方向。
2系统总体方案设计2.1系统设计要求、使用方便、人机交互友好能够实现家庭远程安防的智能家庭安防系统。
本系统的基本设计:
(1)防盗功能,要求在后,能够检测是否有人进入,当有人进入后完成报警触发和信息远程发送。
(2)烟雾检测功能,要求系统能够完成在烟雾/可燃气体浓度达到报警门限值后完成自动远程报警的功能。
(3)防火控制功能,要求系统能够在烟雾报警或者接收到防火控制指令后完成远程喷淋的功能。
(4)电器控制,要求系统能够在接收到电器控制信息后完成对电器的开关控制。
(5)人机交互,要求系统有人性化的交互界面、界面简单、交互方便。
(6)兼容性好,移动远程智能家庭安防系统对于安装环境没有要求。
考虑到产品是面向普通家庭的,在完成安防等功能的基础上,价格因素因要优先考虑。
因此本系统在设计是遵循以下设计要求:
(1),整个系统可以通过GSM手机短消息完成双向控制,系统可以将报警信息通过短信上传给用户,用户也可以通过短信完成对家中设备的控制。
(2)WIFI网络控制,用户可以通过安卓手机近端接入无线系统网络,在接入无线网络后可以直接通过手机APP来完成系统中接收方手机号码更改、系统配置和控制。
(3)升级简单,在设计硬件电路时预留升级接口,在以后的系统设计中仅需安装新加模块并更新程序即可。
(4)性价比高,在完成功能后,整套系统的成本压缩在300元左右。
性价比极高。
2.2系统整体设计思路本课题是移动家庭远程智能安防监控系统的设计与实现。
按照设计要求,考虑到成本和系统模块性能的平衡,本系统采用性价比非常高的ARM微控制器作为系统核心。
此外,系统需要短信双向远程控制,因而需要一个GSM模块,通过ARM微控制器的串行通信口和GSM模块进行通信。
由于还需要使用WIFI网络近端控制,因而需要添加一个WIFI模块,通过WIFI模块完成WIFI信号的收发。
整个系统分为8个模块:
、防火控制模块、电器控制模块、远程通信模块、报警模块、APP模块。
整个系统结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图2.3方案的选型与论证本课题以ARM微控制器为核心处理器,采用GSM网络作为远程通信控制平台,以NRF24L01无线数据传输模块作为各无线传感器模块和主控模块通信的桥梁,以ESP8266WIFI模块作为手机APP和主控系统通信的纽带,实现远程家庭安防监控的功能。
在设计的初始阶段需要对设备,以确保功能实现,最终确。
2.3.1通信平台的选择本课题是基于GSM网络完成远程信息交互,因此需要通过一个GSM模块来完成短信收发。
从目前看来,国内使用比较广泛的是GSM/GPRS模块,特别是华为的GTM900C,它具有传统手机所有的功能,可以完成短信收发、语音通话等,而且价格仅仅只需100元左右,非常适合GSM通信方面的远程通信系统开发。
采用华为的GTM900C作为通信模块的优点如下:
(1)配置简单,直接通过串口操作,系统配置简单灵活
(2)模块灵活,GTM900C软件、硬件兼容GTM900B、TC35i等模块跟换容易,通用性强。
(3)利于升级,GTM900C内部集成了TCP/IP协议模块,利于以后的纯网络模式的升级。
经过市场调研最终选择了华为的GTM900C模块作为本系统的通信模块,2.2所示。
该模块采用的网络制式为900/1800MHzGSM频段,或国联通的手机SIM卡,目前市场价格为128元/个。
图2.2GTM900C模块2.3.2无线数据传输方案选择无线通信大体可分为四种分别是无线数据传输、红外通信、蓝牙通信和WIFI通信。
以下分别简述几种通信方式的优缺点。
(1)无线数据传输,目前在无线遥控、无线数据终端采集等领域使用较为广泛。
其中NRF系列无线通信模块是无线数据传输的典型代表。
该模块工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段,模块配置通过SPI口进行,通信速度高。
空中速率最大能达到2Mbps,高速的数据传输速率极大的减少了数据在空中传输的时间,从而大大减少数据空中碰撞现象的发生。
在模块内部还集成了CRC检错和点对点、点对多通信配置,可设置收发地址,避免同一区域内所有模块都被唤醒,从而完成信息过滤。
模块可用标准的DIP2.54mm间距接口,非常适合嵌入式应用。
(2)红外通信是通过以近红外载波作为载体的通信方案,是用波长为950nm的近红外波作为载波。
发送端通过PP脉冲调试的方式,将二进制数据调制成脉冲序列,并通过红外管发射出去。
泛应用于家电设备的遥控器上。
红外通信设备具有简单、可靠、成本低廉的优点。
但是红外通信设备通信距离短并且无法完成穿墙通信,因而不适合作为本系统的内部通信模块。
(3)蓝牙是一种短距通信技术,工作在全球开放的2.4-2.5GHzISM免许可证频段上,传输速率为1Mbps,采用时分双工通信方案,传输距离一般在10M以内,因而不适合作为与APP交互的通信模块。
(4)WIFI通信是采用2.4-2.5GHzISM免许可证通信频段,具有通信速率高、技术成熟、同手机信息交互方便、安全性好的特点。
适合作为本系统与手机端交互的近端通信模块。
考虑到成本问题在内部通信模块选择采用以下方案:
在无线传感器和主控模块间采用NRF24L01作为无线数据传输模块,手机APP和主控系统之间的数据通信采用ESP8266WIFI模块作为。
2.3.3传感器选型防盗检测采用的一般方法有人体红外检测、超声波测距、遮蔽式检测,除此之外还有加速度计等其他检测方法。
(1)超声波测距人体识别是通过回声测距的方式来检测是否有人闯入,当有人进入到房间时,人体会遮挡住超声波的路径,从而导致超声波测距数值的变化,单片机通过这个变化来检测是否有人进入,进而产生报警信号。
但是超声波测距有一大缺点即在遇到蓬松物体时,由于蓬松物体对超声波的吸收会导致成回波大量减少甚至没有回波,从而引起测距的错误导致误报率的激增。
(2)遮蔽式检测是通过红外对射的方式来进行监测,但遮蔽式检测也存在较大的检测漏洞,当发射/接收探头被污渍或者其他物体遮挡时,系统的检测能力就会急剧下降。
(3)人体红外感应是通过热释电传感器单元检测人体在传感器前横向移动进而产生报警信号,误报率极低,完全符合家庭安防的要求。
通过查阅资料,本课题采用HC-SR501人体热式感应模块,HC-SR501采用LH1778探头设计,具有灵敏度高、可靠性强,超低工作电压的特点。
模块工作电压为4.5V~20V,静态电流小于50ua,输出电平为3.3V/0V,具有检测角度大、高性能、低功耗的特点。
感应模块为双元探头,当人体横向走过探头时双元探头检测到红外光谱的变化产生差值进而发出报警信号。
鉴于无法检测上下走向的移动,模块需要添加透镜以增加探测范围。
综合考虑,HC-SR501模块非常适合直接接入到ARM微控制器中使用。
(4)对于烟雾和可燃气体检测报警,目前市场上使用的最多的是MQ-2型烟雾传感器。
MQ-2烟雾/可燃气体传感器工作电压为5V,输出为TTL数字量0和1(0.1和5V),可检可燃气体测浓度为300—10000ppm。
尤其在对天然气和液化气的检测灵敏度非常高,十分适合家庭可燃气体检测使用。
烟雾/可燃气体检测模块和人体检测模块实物图如图2.3所示。
图2.3烟雾/可燃气体检测模块和人体检测模块实物图2.3.4单片机选型本课题采用一片单片机作为核心处理器,所有的功能集成到一块PCB电路板上,通过增减插件来完成不同的功能。
硬件模块设计采用了模块化的设计思想,预留了插件接口,不同的模块采用了不同的通信接口,如NRF24L01的SPI口,WIFI模块和GSM模块的串行通信口等,因而需要单片机有丰富的外部接口电路。
同时,本系统需要处理大量的信息因而对单片机的时钟频率和处理速度有一定的要求。
由于51单片机不但在处理速度相对于Cortex-M3系列单片机有着巨大的差距而且在外设电路上也有着十分明显的差距例如51单片机没有硬件SPI、没有DMA、没有多串口等而Cortex-M3内核单片机均具有上述功能,综合以上考虑本课题采用基于ARMCortex-M3内核的意法半导体STM32F103C8单片机作为系统的核心处理器。
STM32F103C8单片机的具体参数如表2-1所示。
表2-1STM32F103C8的性能参数名称性能参数说明工作电压(V)2.0-3.5低电压供电,系统功耗低最高时钟频率(Hz)72MHZ指令周期短,工作速度快FLASH程序存储器(字节)32K程序运行速度快I2C口2个支持硬件I2C协议串口3个支持串口通信协议SPI通信口2个支持SPI通信协议定时器7个选择方式多STM32F103C8单片机支持串口ISP烧录,同时支持SWD和JTAG的在线调试功能,利于开发过程中的程序调试,也利于后期批量的程序烧录工作。
2.4各模块方案设计2.4.1主控模块主控模块是移动智能家庭安防系统的核心它控制整个系统的运行,是系统和用户交互的桥梁。
主控模块包含了供电单元、指示单元、WIFI单元、远程通信单元、报警单元、内部无线通信单元。
供电单元是整个系统能运行的基础,供电单元的功能是将输入的5V电源转换为3.3V的MCU电源向MCU、通信芯片、WIFI芯片供电。
指示单元对系统硬件供电状态进行指示,通过不同的指示灯来标明不同模块供电是否正常。
WIFI单元是WIFI通信的部分,通过WIFI模块完成手机和主控模块之间的通信建立,接收用户通过APP发送的命令、上传模块状态信息。
远程通信单元是系统和用户沟通的桥梁,它完成家庭事件信息的远程推送、用户指令的接收。
报警单元负责当满足报警事件触发条件时自动触发或者用户远程开启发出报警音提示或者警告室内人员。
内部通信模块主要完成主控模块和传感器模块间的数据通信,是传感器数据上传的核心。
主控模块模型图如图2.4所示。
图2.4主控模块模型图2.4.2防盗检测模块防盗检测模块通过人体传感器、门磁传感器检测入侵信号,通过单片机直接读取相应I/O口的数据并根据I/O口的电平状态完成防盗消息判别,并将信息通过内部无线数据传输模块将报警信息传输给主控模块。
①人体传感器传感器在窗户前,当有盗贼破窗而入时会触发报警。
②门磁传感器为防止非法人员破门进入住户家中,可在门上安装该传感器,传感器由永磁体和干簧管两部分组成,将其分别安装在门边和门框上,当永磁体与干
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