2019-8-8 14:22:29 [显示全部楼层]
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[2019参赛作品] 【脑洞大赛】基于WIFI和ZigBee的烟雾报警系统

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本帖最后由 利刃1979 于 2019-8-20 12:20 编辑

1  作品介绍
1.1  作品功能
    本作品借助物联网技术开发了一种烟雾报警系统,用于监控火灾、煤气泄漏等不安全事故的发生。该烟雾报警系统由无线传感器网络节点和监控系统两个部分组成。无线传感器网络节点由多个感知模块组成,用于实时检测多个监控区域的环境参数(如烟雾气体浓度、一氧化碳浓度等),并通过传感器网络将所有数据传输至监控系统。监控系统由下位机、PC上位机、手机APP三个部分组成:下位机安装在用户监控场所,通过无线传感器网络实时接收传感器节点的环境参数,并利用ZigBee网络和WIFI网络将监控数据分别发送至监控中心的PC上位机和用户手机的APP,若被监控的区域发生火灾、煤气泄漏等安全事故,三者将同时报警,从而极大程度地减低了无法获取安全事故发生的问题的风险,能够第一时间对受灾的地点进行抢救。
    本作品可用于普通家庭住宅用户安全事故的监控,一旦发生安全事故,家庭住宅的下位机、小区物业部门安装的PC上位机、住户手机的APP三者将同时发出报警信号,能够第一时间对事故地点进行抢救
;同时,本作品可用于酒店、办公楼、商业广场、工厂操作间等需要大面积多区域监控的场所。
1.2  作品创新点
    本作品的创新点在于:
    1、通过下位机、PC上位机、手机APP三种终端报警的方式降低无法第一时间获取安全事故发生的风险,能够第一时间对事故地点进行抢救;
    2、利用无线传感器网络的优势,将监控传感器和监控系统分离成独立的模块,实现了增加监控区域只需安装独立的传感器节点的特性,极大程度地提升了系统的可扩展性,同时使得系统具有较低的扩展成本。

2  准备事项
2.1  作品原理
    如图2.1所示,本作品由无线传感器网络节点和监控系统两个部分组成。
    无线传感器网络节点对监控点的环境参数进行采集并处理,通过无线通信模块将处理后的数据发送至下位机。
监控系统由下位机、PC上位机和手机APP三个部分组成。下位机对无线传感器网络节点传输的环境参数进行分析,同时在LCD进行显示,并通过WIFIZigBee网络将数据分别发送至手机APPPC上位机;若接收的环境参数数据满足安全事故发生的条件,下位机将通过语音模块发出报警提醒,同时手机APPPC上位机也将发出报警信号;若用户发现发出的报警信号为误触信号,用户可通过按键或者语音识别模块关闭报警。
2.1.png
图2.1  作品系统设计框图

2.2  作品设计
2.2.1  主控制器

作品传感器节点采用STM32F103C8T6型号的单片机,下位机采用STM32F103RCT6型号的单片机。

2.1.2  传感器

    传感器模块选用了市面上常见也是应用较为广泛的两种传感器,分别是烟雾浓度传感器MQ-2和一氧化碳浓度传感器MQ-7。
MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置,适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。故因此,MQ-2可以准确来说是一个多种气体探测器MQ-2的探测范围极其的广泛。它的优点:灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式N型半导体。处于200至300摄氏度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化,就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息,烟雾的浓度越大,导电率越大,输出电阻越低,则输出的模拟信号就越大。
MQ-7是一氧化碳气体传感器,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(SnO2),采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳,传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大,高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化,转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高,这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。
    MQ-2、MQ-7模块的实物图片如图2.2所示。


2.2.png 2.2.2.png

图2.2  MQ-2与MQ-7传感器实物图片

2.2.3  无线传输模块
    无线传输模块的功能是将传感器采集到的监测数据发送到监控点,本作品采用NRF24L01 2.4GHz无线传输模块。NRF24L01是一款工作在2.4至2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。极低的电流消耗,当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。设备中需要两块NRF24L01配合才能实现数据传输,分别配置为主机和从机,传感器节点为主机。
NRF24L01模块的实物图片如图2.3所示。

2.2.4  WIFI模块

    WIFI模块选用了消费级领域应用较为广泛的ESP8266模块,ESP8266是一个完整且自成体系的 WiFi 网络解决方案,能够独立运行,也可以作为 slave 搭载于其他 Host 运行。
    ESP8266 在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时,能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能,并减少内存需求。另外一种情况是,无线上网接入承担 WiFi 适配器的任务时,可以将其添加到任何基于微控制器的设计中,连接简单易行,只需通过 SPI/SDIO 接口或中央处理器 AHB 桥接口即可。ESP8266 强大的片上处理和存储能力,使其可通过 GPIO 口集成传感器及其他应用的特定设备,实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。ESP8266 高度片内集成,包括天线开关balun、电源管理转换器,因此仅需极少的外部电路,且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最低。装有ESP8266的系统表现出来的领先特征有:节能VoIP在睡眠/唤醒模式之间的快速切换、配合低功率操作的自适应无线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和无线电系统共存特性为消除蜂窝/蓝牙/DDR/LVDS/LCD干扰。
    ESP8266模块的实物图片如图2.4所示。

2.3.png 2.4.png

图2.3  NRF24L01模块实物图片        图2.4  ESP8266模块实物图片

2.2.5  语音识别模块
    语音识别模块采用LD3320模块,该模块采用ICRoute公司的高性能LD3320语音识别芯片和相关控制电路,设计实现了声控小车的语音控制系统。由于LD3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路,包括AD和DA转换器、麦克风、声音输出等接口,且不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等[7-8]。在现有的产品中直接集成即可实现语音识别/声控/人机对话功能,识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的,因而满足了小体积、低功耗和可通用的要求,适用于本设备。
    LD3320模块的实物图片如图2.5 所示。
2.2.6  语音播放模块

    语音播放采用SYN6288模块,它是一款性/价比更高,效果更自然的一款中高端语音合成芯片。SYN6288通过异步串口(UART)通讯方式,接收待合成的文本数据,实现文本到语音(或TTS语音)的转换。SYN6288模块特色十分明显:最小SSOP28L贴片封装、硬件接口简单、低功耗、音色清亮圆润、极高的性/价比;除此之外,SYN6288在识别文本/数字/字符串更智能、更准确,语音合成自然度更好、可懂度更高。SYN6288语音合成效果和智能化程度均得到大幅度提高,是一款真正面向中高端行业应用领域的中文语音合成芯片。
    SYN6288模块的实物图片如图2.6所示。

2.5.png 2.6.png

图2.5  LD3320模块实物图片        图2.6  SYN6288模块实物图片

2.2.7  液晶显示模块
    液晶显示模块选用16*2的LCD1602模块,1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM,显示效果也不好)。但在监控点设备系统中,并不需要自定义图形,仅需显示数据英文名称以及数据,能够满足显示要求,且能够降低硬件成本。
    1602 LCD模块的实物图片如图2.7所示。

2.7.png 2.8.png

图2.7  1602 LCD模块实物图片          图2.8  ZigBee模块实物图片

2.2.8  ZigBee模块

    如图2.8 所示,本次设计选用TI 公司的CC2530 无线ZigBee 通信模块完成机器人之间的信息传递。该模块能够设置成带ID 的无线局域网通信模式,该模式下,ZigBee模块发送的数据帧前两个字节为待接收模块的ID 地址,ZigBee 模块在接收到数据帧后,先判断数据帧目的地址和本机是否相同,如果相同则说明是属于自己的数据帧,此时将接收的数据帧通过RS232 协议传出,数据帧的最后两个字节为发送模块ID 值;如果数据帧的目的地址和本机不相同,此时ZigBee 接收模块自动忽略该数据包。该模块为半双工通信模块,通信波特率范围为4800bps 到115200 bps。

3  制作过程

3.1  硬件制作
    根据附件中的传感器节点和下位机原理图,使用Altium Designer软件绘制PCB文件,并将文件发给淘宝PCB打样卖家进行PCB打样,将上诉准备的电子元件焊接在PCB电路板上,最终得到图3.1传感器节点和图3.2下位机实物图片。
3.1.png 3.2.png

图3.1  传感器节点实物图片                  图3.2  下位机实物图片

3.2  连接手机APP
    在制作好传感器节点和下位机硬件后,需要设置下位机的WIFI信息连接手机APP。首先打开附件中软件程序文件夹,找到WIFI.h文件并打开,将可用的WIFI账号和密码分别覆盖到图3.3中红框中的内容,并进行编译烧录。
3.3.png

图3.3  需要更改的WIFI信息

    烧录好下位机的固件后,将附件中的传感器节点固件烧录至传感器节点硬件,此时可观察到下位机的LCD可正常显示传感器节点传输的传感器数据,如图3.4所示。
3.4.png

图3.4  系统正常启动后的效果图

    在下位机和传感器节点能够正常工作后,需要进行手机APP的测试。安装附件中的手机APP软件,打开安装后的文件,此时可观察到手机APP能够正常从云端读取到传感器数据,如图3.5所示。
3.5.1.png 3.5.png

图3.5  手机APP正常启动效果图


3.3  连接PC上位机

    在测试完手机APP的功能后,需要对PC上位机的功能进行测试。
    首先安装LABVIEW 2013软件和VISA 540工具,通过LABVIEW软件运行附件中的PC上位机程序,此时可观察到图3.5的PC上位机界面。插入ZigBee Sink节点模块,在PC软件中选择模块的串口号,并将波特率调整为115200,点击“打开连接”按钮,此时PC上位机的界面能够正常显示下位机发送的传感器数据。
3.6.png

图3.6  PC上位机正常启动效果图

4  演示视频
4.png

图4.1  手机APP报警效果
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图4.2  云端服务器数据显示


图4.3  传感器节点数据采集功能


图4.4  下位机与手机APP监控功能


图4.5  PC上位机监控功能

5  相关文件

基于WIFI和ZigBee的烟雾报警系统(2019.8.18更新).pdf (869.23 KB, 下载次数: 162)

bidezhi7777  学徒

发表于 2019-9-14 18:51:38

好东东,太感谢了!!!!
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DFrJWGGErgL  学徒

发表于 2020-1-13 20:40:34

问一下手机APP制作用的是哪款软件
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DFrJWGGErgL  学徒

发表于 2020-1-13 20:41:22

希望大咖能分享一下,好多学习点东西
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DFrJWGGErgL  学徒

发表于 2020-1-14 08:59:59

大佬还没上线吗?
在线求答。
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DFrJWGGErgL  学徒

发表于 2020-2-27 23:35:04

这个云端使用的是百度云还是阿里云呢?
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