家庭安防巡邏定位系統的設計(硬件部分)畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，實現規模效應 進而發展壯 大整個行業 。大到政府、企業辦公寫字樓，小到別墅、公寓、倉庫，甚至街頭小店， 這些 幾乎都與當地警局或安防公司聯網 。 一旦發生 了危險情況 ，警局或 者 安防公司 就 會 在 第一時間 獲取到警情，并采取 相應 的 行動，真正做到了安防 的 規模化、一體化 [4],大部分 的 安防監測信息是通過無線網絡進行傳輸 的 ，所以無線網絡在安防系統中也起到關鍵性的作用 ，無線網絡也是一個重點 。 課題在國內的研究現狀 在國內，我國的智能安防 行業相對來說 起步 是 比較晚 的 ，但是 不容置疑，我們的 發展速度確實 是 十分迅猛的。隨著近些年來人們熱衷于高度自動化的熱潮，安 防報警系統也在向著集成化、智能化的方向發展了。在北京、東南沿海等地區智能報警系統已經發展了一定的規模。目前 而言 ，建設部、公安部 等部委， 均要求智能 家庭 住宅小區 都 必須 要 配備安防系統 作為基本的公共的配置設施 。尤其伴隨我國經濟、社會的不斷發展，人們生活水平的不斷提高，住宅小區是否具備智能化， 安全化 將成為評價住宅小區的重要 的 指標 [2]。 目前中國 的 安防企業和產業發展的主要特點是：一是發展速度快，營業收入 高 。二是行業的企業規模大，產業高度集中。三是企業重視科技創新。四是產品質量穩步提高。五是市場需求旺盛。 智能 安防 的 產品 應用領域 逐漸變廣 ，人們收入 也不斷在 提高， 人們 對安防產品的需求量 也在 不斷 地 增加 。 智能 化的 家居 、 建筑 等 迅速興起 也 勢必會刺激安防產品的迅速發展 壯大 [5]。 課題研究的意義 本課題 是 根據目前安防系統的發展現狀及其發展趨勢，研究并設計了一個相對比較完整的安防系統，其中重點設計是基于 STC12C5A60S2 的 單片機和 RFID 無線射頻技術對位置定位 的安防系統。本課題安防系統是依托智能小車為平臺，又包括 各種 傳感器模塊、 GSM模塊、 RFID 定位模塊、循跡模塊、電機驅動模塊等組成部分 。本設計在程序設計中又 引入 了 模塊化 的 設計 思想，從而使 整個的 系統整體更簡潔、完善。本課題重點設計了 溫濕度采集 部分 、 GSM 發送短信模塊部分 和 RFID 無線射頻 定位 的 部分，其中 利用 RFID 無線射頻技術對房屋的 定位的工作原理作了詳細分析 和設計 。本 設計的 內容 是 屬于軟件和硬件電路的設計 和 應用方面 的 ，實現過程包括 了 元器件 的 選擇 和 特性 的 測試 、 電路原理 的 設計、編寫程序及軟件調試、 以及 系統 的 整體調試 等 等。 住宅智能安防系統是我國未來智能住宅建筑的重點發展方向，需求量大，應用更是十分廣泛，因此，開發功能和結構 都趨于 合理 ，并且 包含多技術和高性價比 功能 的新型安防巡邏 定位 系統是具有 十分 重要的現實意義 的 。 設計的主要任務 設計的主要任務包括： 家庭安防巡邏定位系統的 設計 （硬件部分） 3 （ 1） 選用 STC12C5A60S2 單片機作為 整個系統的 主控芯片 對數據進行 快速處理。 （ 2） 選用合適的傳感器，采集溫度、濕度、煙霧以及門口開關狀態。 （ 3） 使用 RFID 對房屋需要監測的每一個位置精確定位。 （ 4） 實現單片機與 GSM 模塊之間的連接控制 ，工作過程中保證數據不丟失 。 （ 5）使用四路光電循跡模塊對房屋巡邏路線精確循跡。 （ 6）系統的布局合理、規范，體積小，成本低，可靠性強。 福州大學本科生畢業設計（論文） 4 第 2 章 系統方案的提出 系統 設計思想 本系統主要應用于尋常百姓家中、大型無人值守倉庫等地方，對于住戶而言，最為關心的一點就是家中是否安全，這也是從一開始家庭安防巡邏定位系統時的初衷。所以，如何有效精確監控家中各個方位的安全狀況 并且讓用戶知道 成為了我們設計這個系統的唯一目的。我們需要這個系統能夠準確的采集我們想要的環境參數，并且能夠將采集到的信息反饋給住戶，最重要的一點在于用戶可以不在家中就能了解到各個方位的安全情況，即系統的使用不受到時間和空間的限制。經過總結，系統設計的重點包括以下幾個方面： （ 1）信息采集準確 確保能夠準確的采集到指定地點的環境參數，并能將采集到的數據反饋給單片機進行處理。 （ 2）實現遠程監控 系統監控信息不受時間和空間的限制，即便觀察者身處外地也能夠很方便的了解家中安全情況。 （ 3）人機交互良好 系統使用方便簡單，用戶僅需要通過對手機就能接收到所需要的安全信息。 （ 4）提高可靠性 在系統功能完善的基礎上，盡可能的提高系統的可靠性，穩定性。 系統方案概述 在本系統中， 我們需要得到房屋內設定好位置的溫度、濕度、煙霧等信息 ， 還要檢測門是否關上。 所以需要采用 各種 相關的 傳感器來實現采 集并傳輸信息的目的。本設計 依托智能 小車 作 為 系統的 平臺， 利用單片機 STC12C5A60S2 作為主控芯片 對數字信號的敏感可控性，以及溫 濕 度傳感器 DHT11 和光 電開關 對環境變量的數字式采集傳輸， 并利用 RFID無線射頻 技術對地點進行 了 精確定位， 再加上單片機對 GSM 模塊的指令控制實現了對 房屋 內部的空氣濕度、溫度信息 、煙霧信息 以及大門的開關狀態 進行實時采集，并能夠發送到 客戶 手機上 供遠程查看監控。本設計的核心是 STC12C5A60S2 單片機，亮點在于利用RFID 無線射頻技術 對位置進行 精確 定位，以及 通過 GSM 模塊實現遠程 的 傳輸信息。 系統方案框圖 本系統包括單片機、溫濕度檢測、 RFID 模塊 、 GSM 模塊、 電機驅動模塊 ， 四路循跡模塊、光電開關、煙霧檢測模塊 。系統的整體框圖如圖 21 所示： 家庭安防巡邏定位系統的 設計 （硬件部分） 5 圖 21 系統方案框圖 系統 模塊化設計 系統整體是以單片機為核心的控制系統，傳感器為采集端，利用 GSM 模塊實現遠程消息推送，根據系統的設計需求，分為了以下幾個模塊進行設計： （ 1）最小系統模塊 （ 2） RFID 定位模塊 （ 3）溫濕度采集模塊 （ 4）煙霧采集模塊 （ 5） GSM 控制模塊 （ 6）電機驅動模塊 （ 7）多路循跡模塊 （ 8）光電開關模塊 福州大學本科生畢業設計（論文） 6 第 3 章 硬件電路 硬件電路概述 本 系統的硬件電路主要可以分為 以下的 六 個部分，分別是： （ 1）核心控制部分 STC12C5A60S2 單片機：是整個系統的心臟部分，負責控制各個傳感器， 控制 RFID 讀寫器，利用 RFID 無線射頻識別技術對房間內的位置進行定位，負責控制電機的轉向，并 接收傳感器采集到的信息并處理，控制 GSM 模塊的遠程傳輸等工作。 （ 2）傳感器 部分 ：是系統電路的關鍵組成部分，可以實現對 家庭 內部的溫度、濕度以及 煙霧 的監控， 還可以對大門開關狀態進行檢測。 其中 利用 DHT11 溫濕度傳感器模塊是 可以將采集到的溫度和濕度信息直接轉換成數字信號后 ，進而能 反饋給單片機， 且煙霧傳感器 采集 到的數字信號也能發送給單片機 ， 并用光電開關采集到的數字信號反饋給單片機來達到檢測大門開關狀態的目的。 各個 傳感器的工作過程 都 是由單片機采用軟件代碼 的方式來 控制實現的。 （ 3） RFID 定位 ： 利用 RFID 無線 射頻識別技術，通過使用 MFRC522 讀卡器對非接觸式 IC 卡 M1 卡進行讀取 信息 ，由于 每一張 M1 卡 都 具有唯一的 標識 編號，繼而根據不同的編號對應不同的位置這一原理，對我們所需要定位的地點進行精確的管理定位， 工作過程 是 “ 尋卡 ， 防沖突 ， 選卡 ， 讀 /寫卡”操作，如果成功，則返回 M1 卡的 卡號信息 。 （ 4） GSM 模塊： 單片機 接收各個傳感器的信息，并 將 所收集到的 傳感器的信息處理后，利用 GSM 技術，將單片機 與客戶端 手機 之間 進行 通訊， 并將 在不同地點采集相應的信息發送 給 客戶端 ，工作過程 是 由單片機發 出 的 AT 指令實現。 （ 5） 多路循跡模塊 ： 采用四個紅外對管，分別置于小車 的 車 頭部分，并讓四個紅外對管分布在 前軌道的兩側，根據四只光電開關接受到白線與黑線的 不同 情況 做出判斷，根據判斷進而 來控制小車轉向來調整 小車前進的方向 。 （ 6） 電機驅動模 塊 ： 模塊 采用 了 功率三極管作為功率放大器的輸出 ，去 控制 兩個 直流 減速 電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，采用由達林頓管組成的 H 型橋式電路。并使 用單片機 去 控制達林頓管 ，讓達林頓管 工作在占空比可調的開關狀態下， 并調整占空比，繼而可以 精確調整 了直流減速 電動機 的 轉速 。 STC12C5A60S2 單片機 STC12C5A60S2 的簡介 單片機即是 一種 嵌入式的微控制器，它將一個計算機系統集成到一塊芯片上 ，集成度家庭安防巡邏定位系統的 設計 （硬件部分） 7 高，速度快 。單片機的組成包括存儲器、運算器、控制器、輸入設備與輸出設備，除了缺少外圍設備，單片 機就是相當于一個微型的計算機 [6]。單片機具有體積小、功耗低、成本比較 便宜、操作 相對 可靠、環境適應能力 很 強等優點， 非常 適合用于工業 的 控制領域和智能產品 的 領域。在本 系統的 設計中， 是 采用 了 宏晶公司的 STC12C5A60S2 這一款 單片機來做 為系統的核心 的 控制部分。 STC12C5A60S2 是一種 單時鐘 /機器周期 (1T)的單片機，與 51 系列微處理器兼容，但比普通 8051 處理速度 快 到 8 倍 以上 ，具有高速、低功耗、超強抗干擾 等 的特點的新一代8051 單片機 。 STC12C5A60S2 的功能特性包括以下幾點 [7]： （ 1）兼容 MCS51 指令系統 （ 2） 寬工作電壓范圍： （ 3） 工作頻率范圍： 035MHz （ 4） 片上集成 1280 字節 RAM （ 5） 片內集成 2 路 PWM， 8 路 10 位 AD （ 6） 60K 大容量 可反復擦寫 (10 萬 次） Flash ROM （ 7） 40 個具有準雙向，強推挽，高阻和開漏四種狀態的可編程 I/O 口 （ 8） 具有 全雙工異步串行口（ UART） （ 9） 共 4 個 16 位定時器 （ 10） 單片機 片內集成看門狗電路 STC12C5A60S2 引腳說明 STC12C5A60S2 的具體引腳如圖 31 所示： 圖 31 STC12C5A60S2 引腳圖 福州大學本科生畢業設計（論文） 8 各個引腳的對應功能為： （ 1） ~: 一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口 ，能夠 用作地址 /數據總線 復用口。 （ 2） ~：一組帶有上拉電阻的 I/O 口， 管腳復用成 8 路 ADC 輸入通道 。 （ 3） ~：一組帶有上拉電阻的 I/O 口，在代碼編譯或者校驗時可接受高位地址或者控制信號。 （ 4） ~：一組帶有 上拉電阻的 I/O 口，但其部分引腳的第二功能更常被使用到，如表 31 所示： 表 31 P3 口引腳的第二功能 引腳號 引腳名稱 第二功能 RXD 串行輸入 TXD 串行輸出 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0/INT 定時器 0 外部輸入 T1/INT 定時器 1 外部輸入 WR 外部數據存儲器允許寫 RD 外部數據存儲器允許讀 （ 5） RST：復位引腳，通過檢測按鍵是否按下控制單片機的復位， RST 引腳上 連續出現兩個機器周期或以上的高電平將使得單片機復位。 （ 6） ALE：當訪問外部的程序存儲器時，地址鎖存信號 ALE 可以鎖存地址的低 8 位 （ 7） SS： SPI 同步串行并接口的從機選擇信號 ，片選信號 。 （ 8） ECI/MOSI： ECI 是 PCA 計數 器的外部脈沖輸入 管 腳 。 MOSI 是 SPI 同步串行接口的主出從入。 （ 9） MISO： SPI 同步串行接口的主入從出。 （ 10） XLAT XLAT2：分別為 晶體 振蕩器 的 反相放大器 以 及 其 內部時鐘發生器的輸入端和輸出端。 STC12C5A60S2 在本系統中的具體應用 在本系 統中， STC12C5A60S2 的 XLAT XLAT2 引腳外接 的晶振； P1_3和 P1_4 控制左右車輪速度， P1_5 和 P1_6 控制左右車輪方向； P2_4 到 P2_7 分配給四路光電循跡； P2_0、 P2_2 和 P3_2 分別作為溫濕度、煙霧和大門開關狀態檢測； P3_0 和 P3_1分別和 GSM 模塊的 TXD、 RXD 相連用于串口通信，控制 GSM 模塊的工作狀態； P3_3P3_7家庭安防巡邏定位系統的 設計 （硬件部分） 9 控制 RFID 無線射頻 RC522 讀卡器，將讀取到的 M1 卡號發送給單片機。