wifi智能報警器

1、wifi智能報警器wifi智能報警器摘 要現(xiàn)代化使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，讓生活更加便利。城市天然氣的使用已經(jīng)普及，還有天然氣加熱器，可以自動控溫方便洗浴。現(xiàn)代化給我們生活帶來了極大的方便。但是帶來的負面影響也不容忽視，尤其是天然氣使用不當泄漏等引起的安全問題。一旦泄漏就會對用戶的生命財產(chǎn)帶來極大的威脅。城市上班族居多上班后家中無人，給不法分子有了可趁之機。針對以上問題，有了本設(shè)計。本設(shè)計主要功能是通過檢測室內(nèi)天然氣和室內(nèi)在沒人期間對非法進入的人員進行檢測，對室內(nèi)空氣中天然氣含量進行檢測，同時利用多普勒傳感器和人體紅外熱釋電傳感器共同采集數(shù)據(jù)來分析室內(nèi)是否有人在。利用M451單片機將采

2、集數(shù)據(jù)通wifi過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給服務(wù)器，然后經(jīng)服務(wù)器再將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶計算機上。也就是說用戶只要有網(wǎng)絡(luò)有一臺計算機就可以看到室內(nèi)的情況。關(guān)鍵詞：天然氣檢測，熱釋電，多普勒傳感器，M451單片機- I - 目 錄摘 要I第一章緒論21.1設(shè)計背景21.2所涉技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3Wifi智能報警器3第二章 wifi智能報警器方案論證52.1單片機選擇52.2煙霧傳感器52.3人體運動傳感器62.3.1熱釋電62.3.2多普勒傳感器72.4通風(fēng)電機選擇8第三章 wifi智能報警器93.1硬件電路設(shè)計93.2傳感器信息融合93.3軟件設(shè)計11第四章 計算機網(wǎng)絡(luò)連接134.1用戶客戶端134.2數(shù)據(jù)

3、服務(wù)器15第五章 實物展示17致 謝18參考文獻19第一章 緒論1.1 設(shè)計背景現(xiàn)代化給我們生活帶來了極大的方便。但是也帶來了其他的問題，如電梯故障，會臨時給生活帶來不便。但是天然氣泄漏會直接威脅到生命財產(chǎn)的安全，人們面對天然氣泄漏而造成的種種事故威脅。據(jù)有關(guān)報導(dǎo)僅2014年4月1日-6月30日，不完全統(tǒng)計全國發(fā)生燃氣爆炸事故70余起，事故造成死亡14人，受傷180余人，損失財產(chǎn)約1300萬余元。2014年7月1日-9月30日，據(jù)不完全統(tǒng)計發(fā)生燃氣爆炸事故150余起，事故造成死亡56人，受傷480余人，損失財產(chǎn)約2500萬。這還僅僅是統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)，還有更多小的天然氣事故沒有在這統(tǒng)計之列。就真的

4、沒有一個徹底的解決辦法嗎？據(jù)有關(guān)專家介紹，使用天然氣泄漏報警器是對付天然氣無形殺手的重要手段之一。天然氣專家指出，天然氣泄漏或廢氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是煤氣中毒事響應(yīng)的根源，如采有用天然氣泄漏報警器就能得到及時的警示。事故出現(xiàn)的可能行將會大大降低。城市里多數(shù)是上班族，在上班時間多數(shù)的家庭家里是沒有人的，煤氣泄漏不能及時發(fā)現(xiàn)并且處理。而且在家里沒人期間室內(nèi)安全也是值得考慮的事情，不能排除存在不法分子趁家中無人期間入室行竊等安全問題。 本設(shè)計針對這些問題而提出的。通過采集室內(nèi)天然氣的含量狀況，來檢測室內(nèi)是否有天然氣泄漏，通過運動檢測模塊來檢測是否在無人期間有人非法進如。一旦發(fā)生天然氣泄漏，或者

5、有非法入侵就會向用戶發(fā)送信息，通知險情。1.2 所涉技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀針對天然氣事故，國內(nèi)外有關(guān)人士也是花了很大力氣去改善。設(shè)計出了各種檢測報警裝置。而且已經(jīng)有了很多產(chǎn)品，功能也很豐富比如：1背光液晶屏顯示；2各通道自動巡回檢測；3各通道報警優(yōu)先鎖定顯示；4各通道報警點可任意設(shè)定；5各通道故障自動診斷；6聲光報警；7具有報警存儲記憶；8歷史紀錄查詢功能；9永久時鐘顯示。已經(jīng)具備很多功能，但是都有一個共同的問題，事故發(fā)生后設(shè)備不能自動處理，或者家中無人時，報警顯得很無力，不能遠程通知用戶。家中最大的安全隱患就主要有兩個，一是防火，二是防盜。即便是其他安防產(chǎn)品也沒有使防火和防盜相結(jié)合，而且遠程通知

6、用戶的。1.3 Wifi智能報警器首先是可燃氣體泄漏的問題，本設(shè)計是通過傳感器檢測空氣中可燃氣體濃度來判斷是否有燃氣泄漏，預(yù)先設(shè)定好的等級會給用戶不同的提示。其次是使用運動傳感器檢測室內(nèi)是否有人。最終檢測的數(shù)據(jù)都是通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給用戶，可以隨時得到室內(nèi)的不安全因素，無論你是上班還是放假出去旅行，本設(shè)計會使用戶家中無人時，也不必擔心家中的安全問題。因此我們把這個設(shè)計叫做家用智能wifi智能報警器。簡稱wifi智能報警器。工作原理框圖見下圖。主要功能：（1） 可以透過網(wǎng)絡(luò)遠程通訊，在只有有互聯(lián)網(wǎng)就可以通訊；（2） 檢測可燃氣體，遠程監(jiān)控，會自動開窗通風(fēng)；（3） 通過人體運動傳感器檢測數(shù)據(jù)加上數(shù)學(xué)分

7、析，確定室內(nèi)是否有人；（4） 遠程客戶端監(jiān)視一目了然，還可以遠程操控。向用戶計算機發(fā)送信息可燃氣體濃度過高開啟通風(fēng)MCU處理傳感器發(fā)來的信息并作出判斷多普勒和熱釋電天然氣檢測圖1：工作原理圖第二章 wifi智能報警器方案論證2.1 單片機選擇如今單片機家族已經(jīng)十分龐大，世界上有很多廠商生產(chǎn)的單片機都很有特色，但是新唐M451是ARM® Cortex-M4 with DSP and FPU內(nèi)核在計算能力和性能上有很大的優(yōu)勢，而且相對于其他單片機容易上手。內(nèi)部資源： - 256 KB of Flash Memory - 32 KB of SRAM 12-bit ADC (16 通道) 1

8、2-bit DAC 16-bit PWM (12 通道) 定時器 - 4個 32bit 定時器 - RTC 連接 - USB 2.0 OTG - CAN 總線接口 - 四個 UART 串口 - 三個 SPI 總線接口 - 兩個 I²C總線接口 (1 MHz) - Smart card 接口 - 兩 個 I²S 總線接口安全 - CRC engine2.2 煙霧傳感器MQ- 2氣體傳感器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(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體

9、濃度相對應(yīng)的輸出信號。 MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。可以用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、煙霧等的探測。原理圖如下圖：圖2：煙霧傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3 人體運動傳感器2.3.1 熱釋電熱釋電主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓

10、信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，這樣就可以測出20米范圍內(nèi)人的行動。菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。人體輻射的紅外線中心波長為910um，而探測元件的波長靈敏度在0.22

11、0-um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為710-um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。實物展示圖：圖3：熱釋電實物圖單獨一個熱釋電很難準確的判斷室內(nèi)是否有人，比如其他也能輻射紅外的動物很難準確識別，還需要其他的配合。2.3.2 多普勒傳感器多普勒理論是以時間為基礎(chǔ)的，當無線電波在行進過程中碰到物體時該電波會被反射，反射波的頻率會隨碰到物體的移動狀態(tài)而改變。如果無線電波碰到的物體的位置是固定的，那么反射波的頻率和發(fā)射波的頻率應(yīng)該相等。如果物體朝著發(fā)射

12、的方向移動，則反射回來的波會被壓縮，就是說反射波的頻率會增加；反之反射回來的波的頻率會隨之減小。根據(jù)多普勒原理設(shè)計的微波探測器由FET介質(zhì)DRO微波震蕩源（10.525GHz）、功率分配器、發(fā)射天線、接收天線、混頻器、檢波器等電路組成。發(fā)射天線向外定向發(fā)射微波，遇到物體時被反射，反射波被接收天線接收，然后到混合器與振蕩波混合，混合、檢波后的低頻信號反應(yīng)了物體移動的速度。圖3為實物圖展示圖：圖4：多普勒傳感器實物圖2.4 通風(fēng)電機選擇當可燃氣體濃度過高時最有效的辦法就是開窗通風(fēng)，但是一般電動機在開啟的時候很容易產(chǎn)生電火花，反而會帶來危險。因此這里電機的開關(guān)電路不能使用傳統(tǒng)的繼電器，必須選擇無觸點

13、的晶閘管。而且電機也不能使用普通的電機，必須使用防爆電機。防爆電機是一種可以在易燃易爆場所使用的一種電機，運行時不產(chǎn)生電火花。第三章 wifi智能報警器3.1 硬件電路設(shè)計家用智能wifi智能報警器原理設(shè)計。首先是采集信息，使用MQ- 2氣體傳感器采集空氣中可燃氣體的濃度，經(jīng)過放大后與單片機的AD采集通道連接，M451單片機通過AD采集將MQ- 2氣體傳感器的數(shù)據(jù)采集存儲到單片機中。如果可燃氣體濃度過高會不經(jīng)過用戶系統(tǒng)自動開窗通風(fēng)。同時會根據(jù)熱釋電和多普勒傳感器讀取到的信息一起通過Wi-Fi連接到萬維網(wǎng)服務(wù)器，轉(zhuǎn)發(fā)給用戶計算機。設(shè)計的總體電路圖見下圖。圖5：系統(tǒng)總電路圖3.2 傳感器信息融合當

14、物體在多普勒傳感器的有效探測范圍內(nèi)以1m/s的速度相對于HB100的天線面（非鋁質(zhì)屏蔽罩的那一面為天線面）做徑向移動時，HB100的IF輸出為72Hz/ s，IF的脈動輸出頻率與物體相對徑向移動速度成近似線性關(guān)系。IF的輸出幅度與物體的大小、距離有關(guān)，輸出幅度與距離的平方成近似反比關(guān)系。但是實際情況運動不可能是徑向的而且面對的面積大小又很不確定。想把物體大小，速度的數(shù)據(jù)和采集的數(shù)據(jù)建立直觀的數(shù)學(xué)關(guān)系是非常困難的。見下圖是傳感器在無人和有人在前面運動時的波形圖。圖6：多普勒輸出的波形圖圖中波形是經(jīng)放大過后的波形，左邊的圖是在沒有運動的物體情況下的波形圖，右圖是檢測到運動后的波形圖，但是從圖中可以

15、看到波形規(guī)律性不強。而且多普勒傳感器靈敏度極高，很容易檢測到無用信號，如風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，或者窗簾的擺動。因此采用紅外主導(dǎo)、微波輔助、單片機智能處理的綜合探測技術(shù)，當被動紅外發(fā)現(xiàn)目標后，微波探測器開始工作，MCU開始檢測物體移動信號。MCU通過對紅外信號分析，可以判斷出紅外源的出入情況，以此可以排除熱空氣以及非熱源移動物體的干擾（如飄動的窗簾、轉(zhuǎn)動的電扇等），同時綜合微波探測器的信號，可以排除多種熱源的干擾。當兩種信號均有效并通過單片機智能處理，符合報警輸出條件時，由單片機給出報警信號。合理的給MCU加入數(shù)學(xué)模型和編制科學(xué)的計算程序，可以識別出體重小于10kg寵物?；旧峡梢韵龑櫸锏囊鸬恼`報。經(jīng)

16、過長時間的實驗，以及通過對大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將多普勒采集到的數(shù)據(jù)取平均值與所有值之間的差值超出一定范圍的數(shù)據(jù)量的多少，以及所有數(shù)據(jù)的方差計算通過加權(quán)計算綜合分析，得到了很好的效果。在這里就采用這個方法對傳感器數(shù)據(jù)進行處理。3.3 軟件設(shè)計開始檢查WIFI連接檢查WIFI連接檢查服務(wù)器連接讀取多普勒和熱釋電電人體信息數(shù)據(jù)處理向服務(wù)器發(fā)送檢測信息，并接受服務(wù)器命令重新連接NY=Y=重新連接N讀取可燃氣體傳感器數(shù)據(jù)與給定值比較開啟通風(fēng)模式關(guān)閉通風(fēng)模式大于小于給定值圖7：軟件流程圖系統(tǒng)軟件構(gòu)成，單片機上電后要做很多工作，流程圖大小有限并未能全部列出。單片機在上電后首先要初始化系統(tǒng)時鐘，時鐘對于單片機來時

17、就像是人的時間 沒有穩(wěn)定精確的時鐘單片機是不能正常工作的。接下來初始化串口，采用115200bps的波特率，wifi模塊使用的串行通訊，雖然本設(shè)計只需要一個串口通訊，但是本次設(shè)計卻很復(fù)雜，想一次性調(diào)試好是不可能的，所以在制作過程中要不斷的讓串口發(fā)送數(shù)據(jù)，用來觀測系統(tǒng)運行情況，可以很好的檢查軟件錯誤和很多設(shè)計的不足之處，所以在測試的時候還多使用了一個串口。還要初始化AD采集功能，以采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，先配置ADC外設(shè)時鐘；配置ADC相應(yīng)的IO口使能，使能相應(yīng)通道就可以采集數(shù)據(jù)。Wi-Fi初始化最為復(fù)雜，僅這一項就有近200行代碼，這里只簡要說明，Wi-Fi要初始化很多相關(guān)的協(xié)議，然后嘗試獲取網(wǎng)

18、絡(luò)連接，在檢查網(wǎng)絡(luò)連接，如果檢查連接失敗會重新連接，直到連接成功為止。連接成功后還要接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，還要不斷檢測網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是否斷開，如果斷開還要重新連接。單片機在初始化完成后就開始不斷的檢測發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，對于這些傳感器相對于單片機的速度來說也不用每次循環(huán)都檢測，在里面專門設(shè)置了一個計數(shù)的變量，有的傳感器檢測需要快一點的，就設(shè)定計數(shù)次數(shù)少一點執(zhí)行一次，比如無線發(fā)送幾十毫秒發(fā)送一次就可以，就可以讓計數(shù)次數(shù)多一點在執(zhí)行。這樣不會出現(xiàn)長時間的延時函數(shù)阻塞CPU，可以為后續(xù)的擴展帶來很大的方便。第四章 計算機網(wǎng)絡(luò)連接計算機網(wǎng)絡(luò)連接主要分兩部分，一部分是用戶使用的客戶端，客戶端負責接收wi

19、fi智能報警器發(fā)送來的信息，可以向wifi智能報警器發(fā)送命令。另一部分是服務(wù)器，在計算機網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器就是起到中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的作用。下面詳細的介紹這兩部分。4.1 用戶客戶端用戶客戶端就是用戶需要安裝的軟件，用戶可以通過客戶端讀取室內(nèi)情況，也可以發(fā)送遠程操作命令，打開客戶端后要先連接服務(wù)器，在計算機網(wǎng)絡(luò)中連接就是依靠IP地址和端口來尋找目標的，上面的IP是測試時用的IP地址。在wifi智能報警器和客戶端都連接上服務(wù)器后，他們就會自動通訊。中間圖片顯示空房間時代表室內(nèi)沒人，在wifi智能報警器檢測到室內(nèi)有人時，中間的圖片里就會出現(xiàn)個卡通的人物，代表房間中有人。打開防盜開關(guān)后，如果房間中有人，客戶端就會使

20、電腦發(fā)出報警音提醒用戶，在這里多說一句在不打開防盜時也會檢測室內(nèi)是否有人，但是不會發(fā)報警音。電機打開通風(fēng)電機就可以打開室內(nèi)的通風(fēng)電機，打開后就能看到電機狀態(tài)，綠色代表停止。最后可燃氣體檢測傳感器檢測的信息會在客戶端右下角顯示，綠色代表正常，黃色代表室內(nèi)可燃氣濃度偏高。紅色代表很高，當?shù)胶芨邥r會自動打開通風(fēng)電機，而且會在客戶端上看到通風(fēng)電機已經(jīng)打開，這是客戶端不允許關(guān)閉，直到可燃氣體濃度降低到正常水平時才會自動停止。圖8：客戶端窗口客戶端工作需要很多線程，在連接服務(wù)器之后，會打開所有線程工作流程圖見下圖。圖9：客戶端4.2 數(shù)據(jù)服務(wù)器在互聯(lián)網(wǎng)通訊中一切連接都是依靠IP地址的，不知道IP地址就無法

21、連接。但是我們每個用戶一般是無法有一個固定的IP地址，所以直接連接是不可能的。因此互聯(lián)網(wǎng)通訊采用的方法是只建立一個有固定IP的計算機，來做為服務(wù)器，這樣做也可以使軟件開發(fā)有個統(tǒng)一的設(shè)定。所有的用戶和設(shè)備都連接到這個服務(wù)器上，再由服務(wù)器根據(jù)定義好的數(shù)據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)發(fā)送給目標用戶，當然目標用戶未連接也是無法發(fā)送到的。我們沒有專業(yè)的服務(wù)器系統(tǒng)，也沒有固定的IP，為了制作的使用，自己開發(fā)了一個小型服務(wù)器軟件。因為是實驗階段目前只支持十個設(shè)備同時在線，只要稍加修改就可以支持上千個設(shè)備。在服務(wù)器里加入了連接超時機制，長時間占用服務(wù)器連接但是又不收發(fā)數(shù)據(jù)的設(shè)備會被自動斷開連接，好讓出線程共給其他設(shè)備。為了開發(fā)方便，在服務(wù)器中加入了一些連接信息。用來更好的調(diào)試設(shè)備。圖10：服務(wù)器第五章 實物展示制作的硬件電路圖片。通風(fēng)電機在這里使用一個小電機來代替。左側(cè)是多普勒傳感器和熱釋電傳感器，下方是可燃氣體傳感器，右側(cè)M451的實驗板。通過Wi-Fi接入互聯(lián)網(wǎng)給，實現(xiàn)遠程通訊。圖11：實物模型圖下面是用戶客戶端圖片，左圖是初始狀態(tài)，也是一切都正常的狀態(tài)，從圖中可以看出，當傳感器檢測到有人時窗口中間的圖片中就會有個卡通人物。此時開啟防盜功能計算機就會發(fā)出報警音。從左右圖對比也可以看到可燃氣體濃度過高時會在右下角有狀態(tài)顯示，右圖中顯