基于rf模块的门窗监控系统设计学位论文.docx
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基于rf模块的门窗监控系统设计学位论文
基于RF模块的门窗监控系统设计
【摘要】本设计中的门窗监控系统是指一种基于SILABS公司的增强型单片机C8051F系列单片机组成的具有多种环境监测途径、集成简单防盗报警功能、智能自主动作及遥控功能的家居门窗系统。
本系统在硬件上可分为两部分,分别为门上系统和遥控系统。
门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测。
将检测到的信号通过处理辨识做出相应动作,并通过RF无线模块与遥控系统进行通信。
遥控系统通过RF无线接受信息并显示在LCD上,将键盘控制命令传输到门上系统使其有相应的动作。
根据目前的方案设计,本系统将包括亮度、温湿度、红外感应装置。
各路装置控制系统在预设定的环境下动作门窗及窗帘或遥控动作门窗。
【关键词】环境监测;RF无线;遥控;LCD显示;8051F;RF无线。
Window-basedRFmodulecontrolsystexmdesign
Abstract
【ABSTRACT】Theobjectiveofthisdesignofdoorandwindowcontrolsystemisbasedonthecompany'senhancedSILABSC8051FMCUMCUcomposedofchannelswithavarietyofenvironmentalmonitoring,integratedsimpleanti-theftalarm,remotecontrolintelligentautonomousmovementsandhomewindowsanddoors.
Thesystemhardwarecanbedividedintotwoparts,namely,thedoorsystemandremotecontrolsystems.
Doorsystembysupportingthevarioussensorsonthedoorsandwindowsofthesurroundingenvironmentfortesting.Thedetectedsignalbyprocessingtheidentificationtomaketheappropriateaction,andthroughRFwirelessmoduletocommunicatewiththeremotecontrolsystem.RFwirelessremotecontrolsystembyreceivinginformationanddisplayedintheLCDonthekeyboardcontrolcommandstransmittedtothedoorsystemtoacorrespondingaction.
Underthecurrentdesign,thesystemwillincludebrightness,rainorshine,infraredsensingdevices.ControlSystemfromvariousquartersinthepre-setenvironmentactiondoors,windowsanddoorandwindowcurtainsorremotecontrolaction.
【KEYWORDS】environmentalmonitoring;RFwireless;remotecontrol;LCDdisplay;8051F;RFWireless
第一章前言
1.1本课题研究的背景意义
随着社会的发展和生产的需要,电子信息技术,控制技术的日益提升,社会信息化的逐步加快,促使人们的生活、工作、学习与通讯的关系日渐紧密,信息化社会在逐步改变我们的生活习惯和工作方式的同时,也对我们的传统住宅提出了挑战。
环顾四周,我们可以发现,人们对家居的要求已经不仅仅局限于单纯的物质空间,更注重一个安全舒适、整洁美观的居住环境,一个先进的通讯设施,完备高效的信息终端,自动、智能的家电,网络化的资源管理和购物方式等。
在生活的各个方面,人们迫切需要一种智能型的家庭安全门窗监控系统,能可靠地进行日常的门窗开关检测工作,在大风或下雨的环境中,自动识别大风或下雨天气,实现自动关窗动作,以便人们能够更安心地工作,同时也保证了居民生活的舒适和生命安全不受损失。
21世纪是经济快速发展和人们生活水平迅速提高的一个时代,人们对健康的要求也变得越来越高。
打开门窗,使得户内外空气流通,保证房间内空气的洁净也逐渐变成人们的生活习惯。
但是,在当如今的的生活环境中,由于时间等的因素,忘记关上门窗却是屡见不鲜,每当天气变阴,便担心是否忘记关上了门窗。
而现在市场上主流的门窗控制都是钢丝绳手拉式或滑轨式。
而少部分的门窗智能控制虽然有很多种,但只有少部分家庭已采用,又或是应用在一些高级建筑物或公共场合上,而且主要是和窗户一起定做,价格也相对较高。
因此,经济便宜的智能化的门窗监控系统已经拥有广阔的市场。
随着城市的流动人口地不断增加,偷窃、入室抢劫等各种犯罪事件也越发严重,人们对于一个舒适安全的家居空间也越发期望。
可是普通的民居用的大多是防盗安全门、安全窗之类的防盗措施,它的防盗效果虽然不差,但在现实中不仅影响了城市的整体形象,而且对人们的生活也造成了不便。
因此,人们迫切需要一种智能的门窗监控系统,使其能可靠进行日常安全防范工作,及时发现各种警情并做出相应处理,以便将警情消灭在萌芽状态,保障居民生命和财产的安全。
但是因经济、技术等原因,目前门窗监控系统设计不尽合理的情况比较普遍,在信号检测、信号处理上还存在一定问题,致使一些系统经常出现误报或者漏报,以及报警系统不动作。
因此,对门窗监控系统的研究对现实意义重大。
1.2门窗监控系统的发展现况
门窗监控系统是指通过光纤、同轴电缆、无线等通讯介质将被监控对象的信息传输到控制检测端,并在控制检测端对信息进行存储、分析处理,同时根据处理结果的不同给执行机构下达不同的命令的系统。
它能实时、形象、真实地反应被监控对象的情况,可以代替人眼对被检测对象的监控,它可以在恶劣的环境下代替人眼进行长时间的监控和智能处理,报警系统对非法行为进行及时报警。
门窗监控系统也是需要自动检测技术,它可以检测温湿度、烟雨与人体,而且自动检测技术由于微电子技术、计算机技术、通讯技术及网络技术的快速发展,对电量的测量技术相应地得到提高,如反应速率、准确率、能够进行连续测量、自动记录、远距离传输和组成控制网络等。
由于现在系统的设计技术的不同,现今门窗监控系统的设计方向也越来越多样化。
目前门窗监控系统大概有以下几种。
(1)利用红外技术的门窗监控系统
利用红外技术的门窗监控系统采用红外遥控方式与处理器控制器相连的方式,遥控端没有可视界面;或者有单工显示,显示内容主观性强,显示内容为遥控器下达的状态命令,且遥控距离短,方向性强,可靠性低。
(2)利用RF无线技术的门窗监控系统
利用RF无线技术的门窗监控系统其遥控段与被控端为半双工工作方式,两端都可以作为接受数据与发散数据的终端,可以实现遥控端液晶显示内容为被控端主动发送的实时数据,保证显示内容的准确可靠性。
1.3基于RF的门窗监控系统的概述
基于RF的门窗监控系统是通过RF无线技术,将被监控对象检测到的信息传输到控制监督端,并在控制监督端对信息进行存储、分析处理,同时根据处理结果给执行机构下达动作命令的系统。
基于RF的门窗监控系统硬件上可分为两部分,分别为门上系统和遥控系统。
门上系统包括门体、门框、传动机构、拖动电机、电机驱动、编码套件、限位传感部件、多个环境传感部件、主控芯片、LED状态显示、声光报警模块、RF无线收发模块。
遥控系统包括LCD液晶显示、键盘模块、主控芯片、无线收发模块。
具体来说要实现的功能是门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测,将检测到的信号通过处理辨识做出相应动作,并通过RF无线模块与遥控系统进行通信。
遥控系统通过RF无线接受信息并显示在LCD上,将键盘控制命令传输到门上系统使其有相应的动作。
根据目前的方案设计,本系统将包括亮度、晴雨、红外感应装置。
各路装置控制系统在预设定的环境下动作门窗及窗帘或遥控动作门窗。
分别包括:
-天黑自动关窗亮度传感器监测室外明亮度,在夜晚不能采光时自动拉上窗,提高室内灯光利用率。
-下雨自动关窗湿度传感器检测室外湿度,在检测到室外湿度过高时认为为下雨或大雾,自动关闭门窗。
在下雨时及时关门窗确保室内不受户外高湿度影响室内居住环境。
-防盗报警功能红外对射传感器检测门窗,阳台、窗外有小偷爬窗进来时立即报警。
-遥控功能基于RF无线的遥控器实现在中远距离对门窗进行监控。
包括对门窗、窗帘的开关状态的查看及开关动作的控制。
1.4本课题的研究内容
该课题中就是为设计一种单片机为核心的具有多种环境监测途径、集成简单防盗报警功能、智能自主动作及遥控功能的家具门窗系统。
本系统在硬件上可分为两部分,分别为门上系统和遥控系统。
1)门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测。
2)遥控系统通过RF无线接受信息并显示。
第二章系统整体方案的选择与分析
2.1总体方案论证
由本课题可知,该系统是通过传感器将检测到的信号传输到单片机,再由单片机将信号对信息进行分析处理、逻辑分析,将分析结果分别下达到执行机构、显示部分和报警部分;因此,由于传输装置的不同,该设计的方案有两个:
设计方案一、采用红外遥控。
红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波;红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成,它们将红外发射器发射雕红外光转换为相应的电信号,再送后置放大器。
设计方案二、采用用射频芯片实现无线收发,用RF无线收发模块和微处理器通过SPI接口交换信息,RF12是一款低成本高集成的收发IC,其内部集成了所有RF收发功能模块电路,外围只须一个MCU,一个晶振,一个旁路电容和一个外置天线就可组成一个高可靠性的收发系统,其主要特点有:
1、高功率输出,可设置功率输出大小。
2、高集成度,外围零件少。
3、成本低,设计简单,生产无需调试。
4、抗干扰能力强。
根据分析,本设计实际选择方案二。
因为本设计准备设计的是一定距离内对门窗的监控(至少100m),具有一定的穿墙能力,收发性能稳定可靠。
红外的没有穿透能力和短距离不适合本设计的理念。
射频无线作为遥控领域异军突起的一种无线类型,目前已在产品中得到广泛的应用。
射频无线的应用原理框图如下图所示。
2.2微处理器单元选择
本设计中分别有门上系统与遥控系统的微处理器部分,考虑到门上系统与遥控系统工作量与处理能力的要求,以及设计开发周期的长度控制,决定两大系统将使用同一类型的MCU芯片。
无论从设计的简便性,还是硬件成本上考虑我们选择单片机是比较合适的。
通过分析可知,系统微处理器需要的硬件资源有SPI总线、集成的AD转换器件、多个IO口。
满足要求的单片机主要有以下几种型号可以选择:
设计方案一:
采用STC系列的8051单片机,优点是硬件成本比较低,编程时有许多可得到的参考资料可以参考。
不过,用8051也存在一些缺点,比如它的程序写入需要专门的烧写器件提供很高的电压。
在需要硬件程序仿真的时候,其仿真器比较贵。
设计方案二:
用最新的8051F系列单片机。
它有CIP-51TM的微控制器核,与8051完全兼容。
C8051F330/1系列单片机使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM的指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件,包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及17个I/O端口。
因此综全考虑,采用8051F单片机作为系统微处理器,它的资源完全可以满足本设计的硬件要求。
2.3门体模型选择
由于该系统涉及到对门窗的控制,;因此,门体的选择对对该系统也有一定的影响。
,
设计方案一:
订制木质门体。
本方案优点是订制的门体美观,而且容易控制,运行可靠。
缺点是由于对知识方面的欠缺,定做的门体完善度低,且修改不易。
设计方案二:
自制泡沫材质的门体。
本方案的优势在于可以依据本人的要求制作门体形状。
而且门体由于是泡沫制成,可塑性高,可以随意修改。
缺点是门体不够美观和结实。
综合优缺点,本设计实际选择方案二。
2.4电机及驱动部分选择
电机和驱动部分作为系统的执行机构,其方案在被控和运行时的稳定性能决定着整个系统的运行可靠性。
一、电机类型选择
设计方案一:
使用步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
改变脉冲的顺序,可以方便的改变转动的方向。
缺点是运行转速慢噪声大,控制麻烦,成本高。
在本系统中对位移距离要求不高,步进电机的优势不能发挥。
设计方案二:
使用直流无刷电机。
直流无刷电动机的机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。
但是价格高,控制器要求高,且低速起动时有轻微振动。
设计方案三:
使用直流有刷电机。
优点:
控制方便变速平稳,几乎感觉不到振动;温升低,可靠性好;价格低,所以被较多厂家选用,技术成熟。
缺点:
碳刷易磨损,更换较为麻烦,寿命短;运行电流大,电机磁钢易退磁,降低了电机与电池的作用寿命。
综合三种电机特点,本设计实际选择方案三。
由于本设计对电机运行时间的要求不高,而对启动和控制方面有较高的要求,所以方案三的缺点在本设计中影响不大优势却很明显。
二、电机驱动方案的选择
设计方案一:
使用分立元件搭建H桥驱动电路。
优点价格便宜,使用实验室已有元件搭建省去采购的花销。
缺点控制电路可靠性低,功能少。
设计方案二:
使用集成块驱动芯片。
优点性能稳点,电路简单,控制便捷,功能强大。
缺点是成本较高。
由于实际应用中驱动芯片由于运行可靠与使用便捷性受到了许多厂家选用。
集成块故障率小,技术成熟,本设计中电机为控制门窗,对可靠性要求较高,故选用方案二。
2.5检测元件的选择
本设计中包括多种传感器,包括:
亮度传感器,温度传感器,湿度传感器,红外传感器分别用来对门窗周边天气环境和不明物体的监测。
一、亮度传感器选择
设计方案一:
使用分立元件光敏电阻配合高性能的ADC模拟数据采集。
优点为成本低性能却很好,输出为实时真实数据。
缺点是需要配置合适的ADC元件,需要与MCU紧密的编程配合协作。
设计方案二:
使用集成块亮度传感芯片。
优点电路简单使用,使用方便。
缺点是成本高,且输出多为开关量,不能获得实时数据。
综合上述优缺点,本设计实际选择方案一。
本设计中将选用一款内部集成高性能ADC部件,故方案一的缺点被补偿,是理想的选择。
二、温度、湿度传感器选择
设计方案一:
温度湿度选用独立元件设计使用。
温度传感器使用Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820,可以程序设定9~12位的分辨率,精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围。
分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中。
使用“一线总线”方式与控制器通讯。
湿度传感器采用湿敏电阻配合高性能的ADC模拟数据采集。
本方案有传感器性能高,精度大的优点。
但是同时也有电路复杂,运行可靠性低,控制麻烦、占用资源较多的缺点。
设计方案二:
使用集成了温度和湿度传感器的一体式智能温湿度传感芯片DHT11。
本方案优点有电路简单使用,使用方便,智能温湿度传感芯片DHT11可以通过SPI总线与单片机进行通讯,将温度和湿度的实际值直接传送到单片机中,省去了转换和矫正的的工序,大大提高系统的开发周期。
综上所述,本设计实际选择方案二。
智能温湿度传感芯片DHT11的高使用便捷度和高效的SPI、总线称为本系统选择它的理由。
三、红外传感器选择
由于红外传感器功能的相似性,影响其使用效果的主要是传感器的封装形式,所以在选择红外传感器时主要是对红外传感器的封装的选择。
设计方案一:
封装形式为发射端与接受端独立的红外对射管。
本方案中的传感器具有安装方便,形式多样的特点。
但是对安装的精度要求较高,当发射端与接受端安装距离较远或没对准时容易出现对管无法正常工作的情况。
设计方案二:
封装形式为槽型的红外传感器。
此类封装的传感器功能比较单一,主要是对槽内切割红外线的薄片的运动情况进行采集。
设计方案三:
封装形式为并列反射型的红外传感器。
此类封装的传感器适用性强,可以对传感器指向面的障碍监测。
根据实际应用,本设计在不同的场合分别使用了方案二与方案三的封装形式红外传感器。
2.6人机界面的选择
人机界面(Human-ComputerInterface,简写HCI,又称用户界面或使用者界面)包括了键盘部分和显示部分。
一、键盘部分
设计方案一、是用ZLG7289的芯片和显示与键盘专用模块配合主机实现人机信息交互,其优点是用与微处理器用SPI接口,可以节省很多I/O口线,而且硬件电路规范化,只要看懂原理就可以用软件实现各种相关功能。
不足之处是这个人机交互模块不容易重复利用,而且在软硬件上也是结合紧密,不容易分离和移植到其它系统。
设计方案二、采用独立按键键盘。
本设计采用最简单的键盘设计方法,具有电路简单,原理清晰,编程便捷的优点,缺点是需要按键较多时占用I/O口多。
综合以上二种方案,结合本课题的实际后选择第二种方案。
因为它除了有以上两种方案的优点外,还具有扩展性、通用性等优势,从而为未来发展与扩充作铺垫。
二、显示部分
设计方案一、采用多位八段数码管LED显示。
在微处理器的配合下通过多个段选式的数码管动态扫描显示,以完成人机信息交互任务。
其优点是数码管价格相对于液晶要便宜,简单可靠,显示亮度高,显示数值时优势明显。
缺点是其显示的容量有限,不能显示汉字,硬件连线麻烦占用的I/O口线较多。
设计方案二、是用ZLG7289的芯片和显示与键盘专用模块。
本方案解决得占用引脚多的问题,但是还是采用数码管显示。
设计方案三、采用单颗LED灯配合相应位置汉字指示。
本方案解决了指示汉字的问题,价格低廉,在显示内容不多且变化少时优势明显。
但是缺点也很明显,汉字不能改变,不能显示数字。
设计方案四、LCD显示指示。
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称,LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体,两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线,透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向,将光线折射出来产生画面。
采用128X64点阵的LCD可以显示四行汉字,显示资源丰富。
综合以上四种方案,结合本课题的实际后选择第三种和第四种方案分别作为门上系统与遥控系统。
因为本系统遥控部分对显示要求较高,显示文字内容较多。
而门上部分显示内容少,不用显示数值,故不采用数码管而直接采用单颗LED显示
2.7报警元件的选择
该系统中,报警系统作为其中的一个重要组成部分,报警元件的选择显得十分重要,关系到整个系统的安全性。
设计方案一、语音报警。
通过人声报警,报警内容明确,系统产品显得高档智能。
缺点是成本高,控制麻烦,警告性不高,适合提示性场合。
设计方案二、蜂鸣器报警。
通过对蜂鸣器发声类型的控制,可以编制多种报警声用于各种不同的报警场合。
优点是音量大,警报性好,价格低廉,可靠性高,控制方便。
根据优劣势分析,本系统采用方案二。
方案二在控制了成本的前提下提高了系统警报系统的实用性和易开发性。
2.8电源模块的选择
由于系统需要分别给门上系统与遥控系统进行供电,因此,对于门上系统和遥控系统的供电应该分开考虑,考虑到门上系统与遥控系统各自的特性进行设计雨安排。
一、门上系统电源供电方案选择
设计方案一:
电池供电。
电池供电的优势是不用担心系统受外界供电电源的的影响。
但缺点是门上系统需要向电机供电,电机运行与带负载需要较大的电能,所以电池供电的持久性不能保证。
设计方案二:
外部电源供电。
本方案可以为系统带来无穷的电力,能保证长时间运行。
但是在停电时会导致系统不能工作。
根据实际应用,本设计择优选择了方案二。
二、遥控系统电源供电方案选择
为保证遥控系统的遥控器可移动性,只能为本系统配备电池供电。
在设计时考虑的是电池的类型。
设计方案一:
锂离子电池供电。
锂离子电池供电的优势是可以反复充电使用,且体积可以做得比较小。
缺点是锂离子电池价格昂贵成本高。
设计方案二:
普通五号电池供电。
这类电池供电的优势是价格便宜,且体积也不是很大,在电池消耗光时通过换电池就可以使系统继续工作。
综上所述,本设计择优选择了方案二,低廉的价格极大地降低了开发成本。
2.9论证总结
我们对系统设计方案有了初步的决定。
微处理器单元选用C8051F系列增强型单片机C8051F330;无线模块选用RF12射频无线收发模块;门体模型使用泡沫材质自制门体;电机及驱动部分电机选用直流有刷电机,驱动选用专用电机驱动芯片33886集成块;传感器模块分别采用温湿度一体DTH-11传感器,光敏电阻搭建亮度传感器,槽型及反射型红外对射管;人机界面选择MzL05-12864液晶显示和红色LED灯管显示;报警模块选用5V蜂鸣器报警;电源供电部分门上系统与遥控系统分别采用市电变压整流调制到5V、3.3V直流电为系统供电与两节5号电池供电。
最终决定的方案有取材方便,性价比高,开发周期短的优势。
第三章系统硬件设计
根据设计方案,系统的硬件电路应包括门上系统和遥控系统,门上系统分为由传输部分、控制部分、显示部分;遥控系统分为前端部分、传输部分、执行机构、报警部分。
前端部分:
前端进行对门窗周围环境变量的采集。
采集工具包括温度、湿度、光亮度传感器对温湿度、亮度的参数采集;以及摄像头红外对射管等设备对门窗周围物体进行监视。
传输部分:
应用RF无线模块将前端部分采集的信号实时可靠地传输到控制部分。
控制部分:
单片机,对信息进行分析处理、逻辑分析,将分析结果分别下达到执行机构、显示部分和报警部分。
执行机构:
电机,受控制部分控制命令控制。
显示部分:
LCD液晶显示,显示内容由控制部分控制。
报警部分:
蜂鸣器,警报状态由控制部分控制。
门上部分遥控部分
3.18051F330最小系统
8051F采用的是最新SOC工艺,从8051发展而来的,在51的基础上增加的许多功能:
C8051F330/1系列MCU在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供14个中断源(标准8051只有7个中断源),允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预,因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。
C8051F330/1器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为24.5MHz±2%,该振荡器的周期可以由用户以大约0.5%的增量编程;片内还集成了一个低速振荡器,更适合于低功耗操作。
器件内集成了外部振荡器驱动电路,允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部C
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