基于Cerebot MX4开发板的家用智能监控系统整体方案设计

admin

前言
        未来中国监控市场还将继续向家庭化、民用化方向发展。家庭用户是监控领域不可缺少的重要客户。家用智能监控系统，是一种开放的、使用了多项高新技术的智能化、人本化的集成系统。为此我们设计了一种基于Cerebot MX4开发平台的家用智能监控系统。
         
        在经济快速增长的今天，随着人民生活水平日益提高，安全健康的家居环境越来越受到人们的重视。针对安全问题：系统实时监测烟雾、一氧化碳、贵重物品及人员进出情况等，针对健康问题：实时监控环境的温度和湿度等。此次设计中我们用到了Cerebot MX4开发板的大部分功能，并且依托32位PIC微控制器这个性能卓越的开发平台为监控系统加入了语音模块和GSM通讯模块，使产品设计更具智能化和人性化。
         

        一．系统方案设计

       

        设计总体框图

         

        二．系统工作原理

        利用Cerebot MX4开发板作为本系统的核心控制单元，热释电人体红外传感器、光电传感器及烟雾传感器构成检测单元，键盘和液晶显示组成人机交互界面，LED报警灯和语音模块为声光报警执行单元，无线收发模块为传感器与Cerebot MX4之间的通讯单元。当检测单元检测到信号时，由检测单元传给控制单元，控制单元进行分析和处理并控制声光报警执行单元产生声光报警，同时将实时信号由GSM模块以短信的形式发送给指定手机，显示单元实时显示宿舍内的安防情况，通过按键进行主人身份唯一识别控制系统的运行，另外，系统还加入了真人语音提示、密码保护、禁如时间设定、操作声音开关设置等功能，充分体现了此次设计智能化和人性化的主题。
         

        三．系统硬件设计（单元电路设计及分析）

        3.1核心控制系统

          作为核心控制单元， 我们在设计时主要考虑了Cerebot MX4所具有的以下卓越性能：
        • 单片机采用哈佛结构, 支持MIPSl6e 16位指令集构架
        • 128位宽的闪存，可缩短单个指令的取指时间，，可减少大量代码
        • 高性能32 位 RISC CPU，带5 级流水线的 MIPS32   M4K™ 32 位内核
        • 两组各32 个32 位内核文件寄存器，可减少中断延
        • 预取高速缓存模块可加速从闪存的执行速度
        • 2 个 I2C™ 模块，2 个 UART 模块，2个SPI模块，2 个模拟比较器
        • 5 个 16 位定时器/ 计数器，5 个外部中断引脚
        • 最多 16 路通道的 10 位模数转换器
        • I/O 引脚上的高拉/ 灌电流（18 mA/18 mA），数字 I/O 引脚上的可配置漏极开路输出
        • 硬件实时时钟/  日历（Hardware Real-Time Clock/Calendar，RTCC）
                                        

        3.2人体检测

        一般来说，人体会发出波长为10um 左右的红外线，在本次设计中使用的热式红外探头RE200B作为红外感应源，它能接收到人体发出的波长为10um、频率在0.3HZ~3HZ 的红外线。此类红外线通过菲涅尔透镜滤光片增强后聚集在红外感应源上，感应源接收到人体红外辐射后温度发生变化，继而失去电荷平衡，向外释放电荷，经过后续电路进行信号处理。其感应距离完全能达到题目要求的5米检测范围。为了保证该检测电路不受杂波干扰，我们在信号被采集后设计了带通滤波器，经计算得出其上下截止频率分别为3HZ和0.3HZ 左右，能够有效滤除杂波干扰。
         
        除此之外，我们还采用了光电传感器和热式红外探头配合检测人员进出，这样不仅可以避免由于其他物体进入监测范围造成误报，还可以通过光电传感器感应到来自不同方向的人员进入室内，从而准确识别出当前情况下的室内人数。
         
        BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理芯片 ，其内部由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。在接收到信号后，BIS0001通过内部运算放大器组成信号前级预处理电路，将信号放大。然后耦合给另外一个运算放大器，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高，将输出信号送到由两个比较器组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号经无线模块传送给单片机处理。电路如下图所示：

          

         

        3.3烟雾检测

        MQ-2传感器成本低，灵敏性能很好。它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当室内有烟雾时，MQ-2的电导率随空气中可燃气体的浓度增大而增大，使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该浓度相对应的输出信号。此外，MQ-2还能检测多种气体，对液化气,丙烷，氢气都有很高的灵敏度，这样还能检测室内煤气泄漏情况，有很好的安防意义。当检测到室内的烟雾或CO等有毒气体时，在后续电路的驱动下使输出电压产生跳变，由无线通讯模块发送给核心控制单元。电路上电后，烟雾传感器需要一个预热过程，需要1min左右，刚上电时第一个比较器的同相输入端的电位高于反相输入端，比较器输出为高，当二极管熄灭时表示预热结束，第一个比较器的的同相输入端的点位被二极管钳位，反相输入端的电压高于同相输入端的电位，此时比较器的输出端输出为低。
         
        电路如图所示：
         

       

         

        3.4 温度和湿度检测

        温度检测：

        我们采用DS18B20来检测室内温度，利用Cerebot MX4自带的10位模数转换器，用到了ADC的第15通道。DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。
         
        温度信号采集传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器，其测温范围为-55℃~125℃，可编程为9位~12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625℃， CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU总线少，可节省大量引线和逻辑电路。接口电路如图所示。
         

          

         

        湿度检测：

        系统采用DHT11数字湿度传感器采集环境的相对湿度，该传感器内部采用电阻式感湿元件，并与高性能的32位PIC单片机相连，应用的数字模块采集技术确保采集到的数据稳定可靠，响应快，抗干扰能力强。DHT11DHT11与开发板之间的通讯采用单总线数据格式，以下是关于DTH11的一些说明：

         

       

                                    

        3.5 无线遥控

        无线发射电路由PT2262实现编码，PT2262芯片的D0-D3设为数据端管脚，设定的地址码从17脚串行输出，用于传感器模块和控制单元之间的通讯。
         
        接收电路由PT2272实现解码，在使用中，采用8位地址码和4为数据码，为保证PT2262和PT2272配对使用，必须为其设置相同的地址码。另外，为方便起见，我们将PT2262和PT2272的8位地址编码端全部悬空，因此只要将二者的1~8脚设置相同就能随意改变地址编码。电路如图所示：
         

       

        PT2262编码电路

         

       

        PT2272解码电路

         
        3.6时钟模块

        Cerebot MX4开发板自带了完整的实时时钟和日历模块（RTCC），使用相关库函数就能将模块初始化，激活RTCC，并在12864液晶屏上实时显示，从而实现一个能显示年月日和具体时间的完整时钟模块。我们在设计时让时钟间隔一段时间才显示一次，并可以很方便地调整间隔时间，充分考虑了时钟模块对系统性能和功耗的影响。

         

        时钟模块采用DS1302芯片，DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片。内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个管脚:线1 RES 复位2 I/O 和数据线3 SCLK。串行时钟时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。电路如图所示：

         

                  

        时钟芯片接口电路

         

        3.7声光报警

        采用录音放音芯片ISD1420，先对录放音设备录入一段音乐，当需要报警时，单片机控制录放音设备放音。采用录放音电路可以针对火情和盗情自己预先设定不同的语音提示，符合电器设备人性化的要求。声报警采用报警LED灯其灯光有警示作用，能更好的起到警示作用。
         
        当接收到报警信号后，语音芯片输出信号，难以直接驱动喇叭工作。为此我们设计一个简单的音频功率放大电路，改变LM386芯片1脚和8脚之间电容值可调整放大电路的增益大小。此外，为降低报警装置的静态电流值，实际制作时还可用三极管做开关控制音频放大电路的工作状态。音频功率放大部分电路如图所示：
         

                   

        音频放大电路

         

        3.8贵重物品检测

        随着电子标签的日益成熟，采用电子标签标识贵重物品，当贵重物品被带到门口时能准确鉴别其是贵重物品有系统产生相应的控制信号。同时和免去线路布置麻烦的问题，同时电子标签页具有一定的隐蔽性，其价格也相对低廉。可靠性也较高。
         

        3.9 EEPROM数据存储

        本设计主要采用AT24C02芯片配合Cerebot MX4开发平台来存储开机密码，声音设置等基本信息。AT24C02是一款比较典型的串行EEPROM，为I2C总线式串行式器件，它通过SDA(串行数据线)和SCL（串行时钟线）连接到I2C总线上，与开发板进行通讯，该串行器件不仅占用很少的资源和IO接口，而且抗干扰能力强，功耗低，存储数据不易丢失。

         

        开发板自带2 个 I2C模块，I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。另外，I2C总线支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。我们用到的I2C接口如下所示：

         

                  

         

        3.9 键盘模块
        键盘模块，考虑到设置密码和其他功能，所以利用端口A设计了4x4矩阵键盘，接法如图
         
                      
             
        3.10 液晶显示
        系统采用12864液晶显示器，用于显示系统信息，如温度、湿度、密码设置、声音设置、实时时钟、室内人数等等。
         
        12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集,利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，还可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。12864控制接口如下：
         

       

         
        3.11 语音模块
        我们采用ISD4004语音录放芯片作为系统语音提示的控制单元，录音时，以0X05为起始地址，分多段录音，配合键盘输入使用，每按键一次就录一段音。当单片机检测到室内危险情况，如起火，有盗贼进入等情况或者主人回家时都会进行相应语音提示。
         
        ISD4004主要技术参数如下所示：
         
        •单片8 至16 分钟语音录放          •不耗电信息保存100 年(典型值)
        •高质量、自然的语音还原技术        •内置微控制器串行通信接口
        •10 万次录音周期(典型值)           •自动静噪功能
        •多段信息处理                      •工作电流25-30mA,维持电流1 μA
         
        ISD4004 工作于SPI 串行接口。Crebot MX4开发板内部集成SPI模块，方便调用。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI 移位寄存器在SCLK 的下降沿动作,因此对ISD4004 而言,在时钟止升沿锁存MOSI 引脚的数据,在下降沿将 数据送至MISO 引脚。SPI端口的控制位如下所示：
         

       

         

        我们用到的开发板SPI接口如下：

         

       

         

         

        另外，我们将在论文最后给出语音模块的部分电路设计图。

         
        3.12 GSM通讯模块
        通信模块主要完成Crebot MX4、TC35和SIM卡之间的连接和控制功能，本系统设计使用 西门子公司GSM模块。它是西门子公司最新推出的无线通讯模块,可以快速安全的实现数据、 语音等的传输,短信息服务 SMS。可以工作在 GSM 900 kHz 和1800 kHz2 个频段。该模块集射频电路和基带于一体,向用户提供标准的 A T命令接口为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输。GSM是通信体制中较为成熟、完善、应用广泛的一种系统。GSM系统集中了现代信源编码技术、信道编码、交织、均衡技术、数字调制技术、话音编码技术以及慢调频技术，同时在系统中引入了大量计算机控制和管理，因而保证了数据传输的正确性、安全性和可靠性。其中短消息业务是GSM提供的一种不需要建立端到端连接的业务，是GSM中最简单，最方便的数据通信方式。开发板通过通用异步收发器(Universal Asynchronous Recei-ver Transmitter)向TC35发送AT指令，利用GSM网络模块的SMS短信业务，实现家庭安全远程智能监控。GSM模块与开发板通讯时采用异步串行通讯（UART），设置报警短信时采用Unicode进行字符编码。以下是我们用到的UART2接口：
         

       

         

        另外，我们将在论文最后给出GSM模块的部分电路设计图。

         

        四．系统软件设计

        4.1主程序流程如图

        软件设计是基于MAPLAB IDE集成开发环境进行的，MAPLAB IDE集成了程序编辑、调试、编译、链接、下载等功能，使用十分方便。并且在设计时我们大量采用了编译器提供的库函数进行模块化设计，其中的外围函数库<plib.h>就被多次调用。由于篇幅有限，软件流程图过大，在此我们只上传了部分流程图，具体的软件设计思想将在我们提交的程序中体现。

         

       

         
        五 设计总结
        “2010 MIPS-Based&trade; PIC32嵌入式创新大赛”旨在为学生提供无限的作品发挥空间，提高学生的设计兴趣与设计技巧，充分发挥和实现其创新与创造能力。 大赛希望所有勇于梦想、敢于挑战的学生，在比赛中体验团队精神，并让所有的想象力充分展现。在整个比赛的过程中，从基本方案的制定，在到硬件电路的选择，到制作电路制作，最后进行程序调试。在此期间我们遇到很多困难，尽管很艰苦，但是我们各自分工，相互协作，一次又一次品尝到了解决问题的喜悦,最终完成了要求的全部功能，在竞赛中我们发现了自己知识的不足，通过联系技术支持和在论坛与其他参赛选手的交流，我们学到了很多东西，最重要的是我们学会了一种精神——永不放弃。在以后的时间里面我们会用这种精神去学习，百尺竿头，更进一步。
         
        附录：
        1设计时用到的一些功能模块：
         

       

         

        无线收发模块
         

       

        GSM模块
         

       

         

        热释电红外传感器
         

       

         
        ISD4004语音模块
         

       

         

        光电传感器

         

       

         
        2部分PCB图
         

       

         
         
        3、源程序代码说明
        源程序主要包括：LCD   显示、存储模块、GSM模块、温湿度检测、语音提示等等，具体代码详见我们提交的程序