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

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)實時監(jiān)測煙霧、一氧化碳、貴重物品及人員進出情況等，針對健康問題：實時監(jiān)控環(huán)境的溫度和濕度等。此次設(shè)計中我們用到了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)計更具智能化和人性化。

一．系統(tǒng)方案設(shè)計

設(shè)計總體框圖

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，同時將實時信號由GSM模塊以短信的形式發(fā)送給指定手機，顯示單元實時顯示宿舍內(nèi)的安防情況，通過按鍵進行主人身份唯一識別控制系統(tǒng)的運行，另外，系統(tǒng)還加入了真人語音提示、密碼保護、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)計智能化和人性化的主題。

三．系統(tǒng)硬件設(shè)計（單元電路設(shè)計及分析）

3.1核心控制系統(tǒng)

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

• 單片機采用哈佛結(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)電路進行信號處理。其感應(yīng)距離完全能達到題目要求的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)計了帶通濾波器，經(jīng)計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出，這樣不僅可以避免由于其他物體進入監(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入室內(nèi)，從而準確識別出當前情況下的室內(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?。在接收到信號后，BIS0001通過內(nèi)部運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算放大器，再進行第二級放大，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，當室內(nèi)有煙霧時，MQ-2的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體的濃度增大而增大，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，單片機直接從中讀出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制就是溫度，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。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液晶屏上實時顯示，從而實現(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進行通信實時時鐘/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 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進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，當需要報警時，單片機控制錄放音設(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

隨著電子標簽的日益成熟，采用電子標簽標識貴重物品，當貴重物品被帶到門口時能準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)計主要采用AT24C02芯片配合Cerebot MX4開發(fā)平臺來存儲開機密碼，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，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)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點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點漢字，和128個16*8點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)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，還可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點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。當單片機檢測到室內(nèi)危險情況，如起火，有盜賊進入等情況或者主人回家時都會進行相應(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,可以快速安全的實現(xiàn)數(shù)據(jù)、 語音等的傳輸,短信息服務(wù) SMS。可以工作在 GSM 900 kHz 和1800 kHz2 個頻段。該模塊集射頻電路和基帶于一體,向用戶提供標準的 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)中引入了大量計算機控制和管理，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)，實現(xiàn)家庭安全遠程智能監(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)計圖。

四．系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1主程序流程如圖

軟件設(shè)計是基于MAPLAB IDE集成開發(fā)環(huán)境進行的，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)計時我們大量采用了編譯器提供的庫函數(shù)進行模塊化設(shè)計，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)計思想將在我們提交的程序中體現(xiàn)。

五 設(shè)計總結(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)計興趣與設(shè)計技巧，充分發(fā)揮和實現(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，在比賽中體驗團隊精神，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，百尺竿頭，更進一步。

附錄：

1設(shè)計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