基于Cerebot MX4開發(fā)板的家用智能監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

前言

未來中國監(jiān)控市場還將繼續(xù)向家庭化、民用化方向發(fā)展。家庭用戶是監(jiān)控領(lǐng)域不可缺少的重要客戶。家用智能監(jiān)控系統(tǒng)，是一種開放的、使用了多項(xiàng)高新技術(shù)的智能化、人本化的集成系統(tǒng)。為此我們設(shè)計(jì)了一種基于Cerebot MX4開發(fā)平臺的家用智能監(jiān)控系統(tǒng)。

在經(jīng)濟(jì)快速增長的今天，隨著人民生活水平日益提高，安全健康的家居環(huán)境越來越受到人們的重視。針對安全問題：系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測煙霧、一氧化碳、貴重物品及人員進(jìn)出情況等，針對健康問題：實(shí)時監(jiān)控環(huán)境的溫度和濕度等。此次設(shè)計(jì)中我們用到了Cerebot MX4開發(fā)板的大部分功能，并且依托32位PIC微控制器這個性能卓越的開發(fā)平臺為監(jiān)控系統(tǒng)加入了語音模塊和GSM通訊模塊，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具智能化和人性化。

一．系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)總體框圖

二．系統(tǒng)工作原理

利用Cerebot MX4開發(fā)板作為本系統(tǒng)的核心控制單元，熱釋電人體紅外傳感器、光電傳感器及煙霧傳感器構(gòu)成檢測單元，鍵盤和液晶顯示組成人機(jī)交互界面，LED報警燈和語音模塊為聲光報警執(zhí)行單元，無線收發(fā)模塊為傳感器與Cerebot MX4之間的通訊單元。當(dāng)檢測單元檢測到信號時，由檢測單元傳給控制單元，控制單元進(jìn)行分析和處理并控制聲光報警執(zhí)行單元產(chǎn)生聲光報警，同時將實(shí)時信號由GSM模塊以短信的形式發(fā)送給指定手機(jī)，顯示單元實(shí)時顯示宿舍內(nèi)的安防情況，通過按鍵進(jìn)行主人身份唯一識別控制系統(tǒng)的運(yùn)行，另外，系統(tǒng)還加入了真人語音提示、密碼保護(hù)、禁如時間設(shè)定、操作聲音開關(guān)設(shè)置等功能，充分體現(xiàn)了此次設(shè)計(jì)智能化和人性化的主題。

三．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（單元電路設(shè)計(jì)及分析）

3.1核心控制系統(tǒng)

作為核心控制單元， 我們在設(shè)計(jì)時主要考慮了Cerebot MX4所具有的以下卓越性能：

• 單片機(jī)采用哈佛結(jié)構(gòu), 支持MIPSl6e 16位指令集構(gòu)架

• 128位寬的閃存，可縮短單個指令的取指時間，，可減少大量代碼
• 高性能32 位 RISC CPU，帶5 級流水線的 MIPS32 M4K™ 32 位內(nèi)核

• 兩組各32 個32 位內(nèi)核文件寄存器，可減少中斷延

• 預(yù)取高速緩存模塊可加速從閃存的執(zhí)行速度

• 2 個 I2C™ 模塊，2 個 UART 模塊，2個SPI模塊，2 個模擬比較器

• 5 個 16 位定時器/ 計(jì)數(shù)器，5 個外部中斷引腳

• 最多 16 路通道的 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器

• I/O 引腳上的高拉/ 灌電流（18 mA/18 mA），數(shù)字 I/O 引腳上的可配置漏極開路輸出

• 硬件實(shí)時時鐘/ 日歷（Hardware Real-Time Clock/Calendar，RTCC）

3.2人體檢測

一般來說，人體會發(fā)出波長為10um 左右的紅外線，在本次設(shè)計(jì)中使用的熱式紅外探頭RE200B作為紅外感應(yīng)源，它能接收到人體發(fā)出的波長為10um、頻率在0.3HZ~3HZ 的紅外線。此類紅外線通過菲涅爾透鏡濾光片增強(qiáng)后聚集在紅外感應(yīng)源上，感應(yīng)源接收到人體紅外輻射后溫度發(fā)生變化，繼而失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)過后續(xù)電路進(jìn)行信號處理。其感應(yīng)距離完全能達(dá)到題目要求的5米檢測范圍。為了保證該檢測電路不受雜波干擾，我們在信號被采集后設(shè)計(jì)了帶通濾波器，經(jīng)計(jì)算得出其上下截止頻率分別為3HZ和0.3HZ 左右，能夠有效濾除雜波干擾。

除此之外，我們還采用了光電傳感器和熱式紅外探頭配合檢測人員進(jìn)出，這樣不僅可以避免由于其他物體進(jìn)入監(jiān)測范圍造成誤報，還可以通過光電傳感器感應(yīng)到來自不同方向的人員進(jìn)入室內(nèi)，從而準(zhǔn)確識別出當(dāng)前情況下的室內(nèi)人數(shù)。

BIS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理芯片 ，其內(nèi)部由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰Ｔ诮邮盏叫盘柡?，BIS0001通過內(nèi)部運(yùn)算放大器組成信號前級預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給另外一個運(yùn)算放大器，再進(jìn)行第二級放大，同時將直流電位抬高，將輸出信號送到由兩個比較器組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號經(jīng)無線模塊傳送給單片機(jī)處理。電路如下圖所示：

3.3煙霧檢測

MQ-2傳感器成本低，靈敏性能很好。它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)室內(nèi)有煙霧時，MQ-2的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w的濃度增大而增大，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該濃度相對應(yīng)的輸出信號。此外，MQ-2還能檢測多種氣體，對液化氣,丙烷，氫氣都有很高的靈敏度，這樣還能檢測室內(nèi)煤氣泄漏情況，有很好的安防意義。當(dāng)檢測到室內(nèi)的煙霧或CO等有毒氣體時，在后續(xù)電路的驅(qū)動下使輸出電壓產(chǎn)生跳變，由無線通訊模塊發(fā)送給核心控制單元。電路上電后，煙霧傳感器需要一個預(yù)熱過程，需要1min左右，剛上電時第一個比較器的同相輸入端的電位高于反相輸入端，比較器輸出為高，當(dāng)二極管熄滅時表示預(yù)熱結(jié)束，第一個比較器的的同相輸入端的點(diǎn)位被二極管鉗位，反相輸入端的電壓高于同相輸入端的電位，此時比較器的輸出端輸出為低。

電路如圖所示：

3.4 溫度和濕度檢測

溫度檢測：

我們采用DS18B20來檢測室內(nèi)溫度，利用Cerebot MX4自帶的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用到了ADC的第15通道。DS18B20可以滿足從-55攝氏度到+125攝氏度測量范圍，且DS18B20測量精度高，增值量為0.5攝氏度，在一秒內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字，測得的溫度值的存儲在兩個八位的RAM中，單片機(jī)直接從中讀出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制就是溫度，使用方便。

溫度信號采集傳感器采用DALLAS公司DS18B20的單總線數(shù)字化溫度傳感器，其測溫范圍為-55℃~125℃，可編程為9位~12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率達(dá)到0.0625℃， CPU只需一根口線便能與DS18B20通信，占用CPU總線少，可節(jié)省大量引線和邏輯電路。接口電路如圖所示。

濕度檢測：

系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字濕度傳感器采集環(huán)境的相對濕度，該傳感器內(nèi)部采用電阻式感濕元件，并與高性能的32位PIC單片機(jī)相連，應(yīng)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)確保采集到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)。DHT11DHT11與開發(fā)板之間的通訊采用單總線數(shù)據(jù)格式，以下是關(guān)于DTH11的一些說明：

3.5 無線遙控

無線發(fā)射電路由PT2262實(shí)現(xiàn)編碼，PT2262芯片的D0-D3設(shè)為數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼從17腳串行輸出，用于傳感器模塊和控制單元之間的通訊。

接收電路由PT2272實(shí)現(xiàn)解碼，在使用中，采用8位地址碼和4為數(shù)據(jù)碼，為保證PT2262和PT2272配對使用，必須為其設(shè)置相同的地址碼。另外，為方便起見，我們將PT2262和PT2272的8位地址編碼端全部懸空，因此只要將二者的1~8腳設(shè)置相同就能隨意改變地址編碼。電路如圖所示：

PT2262編碼電路

PT2272解碼電路

3.6時鐘模塊

Cerebot MX4開發(fā)板自帶了完整的實(shí)時時鐘和日歷模塊（RTCC），使用相關(guān)庫函數(shù)就能將模塊初始化，激活RTCC，并在12864液晶屏上實(shí)時顯示，從而實(shí)現(xiàn)一個能顯示年月日和具體時間的完整時鐘模塊。我們在設(shè)計(jì)時讓時鐘間隔一段時間才顯示一次，并可以很方便地調(diào)整間隔時間，充分考慮了時鐘模塊對系統(tǒng)性能和功耗的影響。

時鐘模塊采用DS1302芯片，DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時鐘芯片。內(nèi)含有一個實(shí)時時鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)RAM 通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信實(shí)時時鐘/日歷電路提供秒分時日日期月年的信息每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整時鐘操作可通過AM/PM 指示決定采用24 或12 小時格式DS1302 與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信僅需用到三個管腳:線1 RES 復(fù)位2 I/O 和數(shù)據(jù)線3 SCLK。串行時鐘時鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá)31 個字節(jié)的字符組方式通信。電路如圖所示：

時鐘芯片接口電路

3.7聲光報警

采用錄音放音芯片ISD1420，先對錄放音設(shè)備錄入一段音樂，當(dāng)需要報警時，單片機(jī)控制錄放音設(shè)備放音。采用錄放音電路可以針對火情和盜情自己預(yù)先設(shè)定不同的語音提示，符合電器設(shè)備人性化的要求。聲報警采用報警LED燈其燈光有警示作用，能更好的起到警示作用。

當(dāng)接收到報警信號后，語音芯片輸出信號，難以直接驅(qū)動喇叭工作。為此我們設(shè)計(jì)一個簡單的音頻功率放大電路，改變LM386芯片1腳和8腳之間電容值可調(diào)整放大電路的增益大小。此外，為降低報警裝置的靜態(tài)電流值，實(shí)際制作時還可用三極管做開關(guān)控制音頻放大電路的工作狀態(tài)。音頻功率放大部分電路如圖所示：

音頻放大電路

3.8貴重物品檢測

隨著電子標(biāo)簽的日益成熟，采用電子標(biāo)簽標(biāo)識貴重物品，當(dāng)貴重物品被帶到門口時能準(zhǔn)確鑒別其是貴重物品有系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。同時和免去線路布置麻煩的問題，同時電子標(biāo)簽頁具有一定的隱蔽性，其價格也相對低廉?？煽啃砸草^高。

3.9 EEPROM數(shù)據(jù)存儲

本設(shè)計(jì)主要采用AT24C02芯片配合Cerebot MX4開發(fā)平臺來存儲開機(jī)密碼，聲音設(shè)置等基本信息。AT24C02是一款比較典型的串行EEPROM，為I2C總線式串行式器件，它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)和SCL（串行時鐘線）連接到I2C總線上，與開發(fā)板進(jìn)行通訊，該串行器件不僅占用很少的資源和IO接口，而且抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，存儲數(shù)據(jù)不易丟失。

開發(fā)板自帶2 個 I2C模塊，I²C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I²C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。另外，I²C總線支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。我們用到的I2C接口如下所示：

3.9 鍵盤模塊

鍵盤模塊，考慮到設(shè)置密碼和其他功能，所以利用端口A設(shè)計(jì)了4x4矩陣鍵盤，接法如圖

3.10 液晶顯示

系統(tǒng)采用12864液晶顯示器，用于顯示系統(tǒng)信息，如溫度、濕度、密碼設(shè)置、聲音設(shè)置、實(shí)時時鐘、室內(nèi)人數(shù)等等。

12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字，和128個16*8點(diǎn)ASCII字符集,利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，還可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多。12864控制接口如下：

3.11 語音模塊

我們采用ISD4004語音錄放芯片作為系統(tǒng)語音提示的控制單元，錄音時，以0X05為起始地址，分多段錄音，配合鍵盤輸入使用，每按鍵一次就錄一段音。當(dāng)單片機(jī)檢測到室內(nèi)危險情況，如起火，有盜賊進(jìn)入等情況或者主人回家時都會進(jìn)行相應(yīng)語音提示。

ISD4004主要技術(shù)參數(shù)如下所示：

•單片8 至16 分鐘語音錄放 •不耗電信息保存100 年(典型值)

•高質(zhì)量、自然的語音還原技術(shù) •內(nèi)置微控制器串行通信接口

•10 萬次錄音周期(典型值) •自動靜噪功能

•多段信息處理 •工作電流25-30mA,維持電流1 μA

ISD4004 工作于SPI 串行接口。Crebot MX4開發(fā)板內(nèi)部集成SPI模塊，方便調(diào)用。SPI 協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,協(xié)議假定微控制器的SPI 移位寄存器在SCLK 的下降沿動作,因此對ISD4004 而言,在時鐘止升沿鎖存MOSI 引腳的數(shù)據(jù),在下降沿將 數(shù)據(jù)送至MISO 引腳。SPI端口的控制位如下所示：

我們用到的開發(fā)板SPI接口如下：

另外，我們將在論文最后給出語音模塊的部分電路設(shè)計(jì)圖。

3.12 GSM通訊模塊

通信模塊主要完成Crebot MX4、TC35和SIM卡之間的連接和控制功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用 西門子公司GSM模塊。它是西門子公司最新推出的無線通訊模塊,可以快速安全的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、 語音等的傳輸,短信息服務(wù) SMS?？梢怨ぷ髟?GSM 900 kHz 和1800 kHz2 個頻段。該模塊集射頻電路和基帶于一體,向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的 A T命令接口為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸。GSM是通信體制中較為成熟、完善、應(yīng)用廣泛的一種系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)集中了現(xiàn)代信源編碼技術(shù)、信道編碼、交織、均衡技術(shù)、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、話音編碼技術(shù)以及慢調(diào)頻技術(shù)，同時在系統(tǒng)中引入了大量計(jì)算機(jī)控制和管理，因而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、安全性和可靠性。其中短消息業(yè)務(wù)是GSM提供的一種不需要建立端到端連接的業(yè)務(wù)，是GSM中最簡單，最方便的數(shù)據(jù)通信方式。開發(fā)板通過通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Recei-ver Transmitter)向TC35發(fā)送AT指令，利用GSM網(wǎng)絡(luò)模塊的SMS短信業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)家庭安全遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。GSM模塊與開發(fā)板通訊時采用異步串行通訊（UART），設(shè)置報警短信時采用Unicode進(jìn)行字符編碼。以下是我們用到的UART2接口：

另外，我們將在論文最后給出GSM模塊的部分電路設(shè)計(jì)圖。

四．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序流程如圖

軟件設(shè)計(jì)是基于MAPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行的，MAPLAB IDE集成了程序編輯、調(diào)試、編譯、鏈接、下載等功能，使用十分方便。并且在設(shè)計(jì)時我們大量采用了編譯器提供的庫函數(shù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其中的外圍函數(shù)庫plib.h>就被多次調(diào)用。由于篇幅有限，軟件流程圖過大，在此我們只上傳了部分流程圖，具體的軟件設(shè)計(jì)思想將在我們提交的程序中體現(xiàn)。

五 設(shè)計(jì)總結(jié)

“2010 MIPS-Based™ PIC32嵌入式創(chuàng)新大賽”旨在為學(xué)生提供無限的作品發(fā)揮空間，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣與設(shè)計(jì)技巧，充分發(fā)揮和實(shí)現(xiàn)其創(chuàng)新與創(chuàng)造能力。 大賽希望所有勇于夢想、敢于挑戰(zhàn)的學(xué)生，在比賽中體驗(yàn)團(tuán)隊(duì)精神，并讓所有的想象力充分展現(xiàn)。在整個比賽的過程中，從基本方案的制定，在到硬件電路的選擇，到制作電路制作，最后進(jìn)行程序調(diào)試。在此期間我們遇到很多困難，盡管很艱苦，但是我們各自分工，相互協(xié)作，一次又一次品嘗到了解決問題的喜悅,最終完成了要求的全部功能，在競賽中我們發(fā)現(xiàn)了自己知識的不足，通過聯(lián)系技術(shù)支持和在論壇與其他參賽選手的交流，我們學(xué)到了很多東西，最重要的是我們學(xué)會了一種精神——永不放棄。在以后的時間里面我們會用這種精神去學(xué)習(xí)，百尺竿頭，更進(jìn)一步。

附錄：

1設(shè)計(jì)時用到的一些功能模塊：

無線收發(fā)模塊

GSM模塊

熱釋電紅外傳感器

ISD4004語音模塊

光電傳感器

2部分PCB圖

3、源程序代碼說明

源程序主要包括：LCD 顯示、存儲模塊、GSM模塊、溫濕度檢測、語音提示等等，具體代碼詳見我們提交的程序