智能环境监测系统的设计_毕业设计.docx

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1、智能环境监测系统的设计_毕业设计智能环境监测系统的设计Designontheintelligentsystemofmonitoringenvironment摘要系统主要由数据收集端和移动监控终端两部分组成。采用16位单片机SPCE061A为处理核心，在数据收集端，利用两片CD4067BE分别挂接16只DHT11温湿度传感器和16只光照强度传感器；采用10位ADC实现对环境声音的实时录制，参加OV7670摄像头进行实时拍照监控，最后把所收集到的数据帧通过NRF905无线传输模块传送到移动监控终端。在移动监控终端，通过NRF905接收数据，将处理后的环境参数数据进行显示，接收到的语音压缩编码通过1

2、0位DAC进行解码播放，通过按键切换进入全屏环境参数显示形式或全屏监控照片显示形式，并将接遭到的环境参数、声音、照片存储到SD卡中。本文以SPCE061A超低功耗单片机为核心，设计了通用智能终端和智能温湿度传感器，重点介绍了该终端和传感器的任务、硬件、软件以及控制算法的设计与实现。硬件方面，介绍了系统各个部分的设计思想、原理电路以及，并给出了系统总硬件原理图；另外，为了实现系统的低成本和低功耗，在知足设计要求的前提下，尽可能选用了价格低廉和低功耗的元器件。软件方面，采用了时间触发的混合调度器形式设计，对系统各个任务进行了设计，并给出了系统软件低功耗设计方法。关键词：SPCE061A；多节点；无

3、线传输；HMIAbstractThesystemisdesignedfortwopartsofdataacquisitionterminalandmobilemonitoringterminal.ItsprocessingcoreisSPCE061Awhichisa16bitsmcu.Inthedataacquisitionterminal,16DHT11ofsinglebustemperature,humiditysensorand16lightintensitysensorarehungontwoCD4067BE.Theenvironmentalsoundisrecordedtocodin

4、gandcompressionwith10bitsADCwhichisbuiltinthemcuatanytime.AddOV7670whichisacameramoduletomonitoratanytime.ALLcollecteddataistransmittedtothemobilemonitoringterminalthroughNRF905ofwirelesstransmissionmodule.Inthemobilemonitoringterminal,thedataisreceivedthroughNRF905.Theenvironmentalparameterdataisdi

5、splayedafterdealingwithandthecompressioncodingofspeechisdecodedtoplaywith10bitsDAC.Wecanswitchtofull-screenenvironmentparameterdisplaymodeorfull-screenpicturedisplaymodewiththekeys.Atlast,theenvironmentalparameter,soundandphotosarestoredtotheSDcard.BasedontheSPCE061Aultralowpowermicrocontrollerasthe

6、core,ageneralintelligentterminalandintelligenttemperatureandhumiditysensordesign,focusesontheterminalandsensortask,hardware,softwareandthedesignofcontrolalgorithmandrealization.Intermsofhardware,introducesthevariouspartsofthesystemdesignthought,theprinciplecircuitandsystem,andthetotalhardwareprincip

7、lediagramisgiven;inaddition,inordertorealizethesystemoflowcostandlowpowerconsumption,insatisfiesthedesignrequestunderthepremise,thelowpriceandlowpowerconsumptioncomponentsaspossible.Intermsofsoftware,usingmixedschedulermodedesigntimetriggered,thevarioustasksforthedesign,andgivesthelowpowerdesignmeth

8、odofsystemsoftware.Keywords:SPCE061A;Multinode;Wirelesstransmission;HMI目录第1章绪论(1)1.1课题提出的背景(1)1.2国内外发展现状(1)1.3目前监控系统中存在的问题(2)1.4课题研究任务(3)第2章智能环境监控系统总体设计(4)2.1系统总体设计(4)2.2工作原理(5)第3章系统硬件选择(6)3.1处理器的选择(6)3.1.1基础单片机概述(6)3.1.2SPCE061A单片机(7)3.1.3方案选择(7)3.2温度传感器的选择(7)3.2.1热敏电阻简介(7)3.2.2DS18B20温度传感器简介(8)3.2

9、.3DHT11数字温湿度传感器(8)3.3湿度传感器的选择(9)3.3.1湿敏电阻简介(9)3.3.2DHT11数字温湿度传感器(9)3.4光照强度传感器的选择(10)3.4.1光感芯片(10)3.4.2光敏电阻比拟电路(10)3.5传感器数据输入方式选择(10)3.5.1单片机IO口并行输入方式(10)3.5.2CMOS模拟开关(10)3.6图像收集方式的选择(11)3.6.1实时收集(11)3.6.2存储芯片(11)3.7数据存储方式的选择(12)3.7.1片外ROM芯片(12)3.7.2SD卡读写模块(12)3.8显示方式的选择(12)3.8.1TFT彩色液晶屏(12)3.8.2HMI串

10、口液晶屏(12)第4章系统硬件设计(13)4.1SPCE061A单片机最小系统(13)4.2光照强度收集电路(15)4.3传感器数据选择输入电路(15)4.4语音输入处理电路(16)4.5语音播放电路(17)第5章系统软件设计(18)第6章结论(20)谢辞.错误！未定义书签。参考文献：.(22)附录(23)第1章绪论1.1课题提出的背景从国内现状来看，监控系统无处不在，但总体来讲都处在单一分离形式，语音摄像需要一套系统，温湿度等环境参数监控也需要一套系统，而且价值不菲，功耗较大，移动性较差，需要较高的硬件与软件支持，数据收集端与监控端需要通过很多很长的通信线进行连接，进而使得系统稳定性不高，对

11、于多参数多点监控的场所，传统设备不能知足其节点数量的要求，可行度不高，空间占用率较大。一些传统设备对于传感器的更换极不方便，更换完传感器后要对所有传感器进行重新编号，不便于维护。鉴于以上缺乏之处，我们拟采取下面措施：1、设计一种可移动式的智能环境监控系统，以方便和适应当代化的信息管理形式。2、该系统采用数字化数据收集，模块化处理，便于系统维护以及数据采集。1.2国内外发展现状20世纪70年代，国外的温室生产开场以较快的速度发展，十分是欧美发达国家，如荷兰、美国等国家实现了机械化。当时由于水平的限制，对于生态环境因素采用单因子控制，即对温度、湿度、光照和二氧化碳浓度进行单独分别控制的方法，主要是

12、控制温度，其次是湿度(空气湿度、土壤湿度)。例如，在控制温度时，控制的只是温度的改变，而不影在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，十分是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，第三代基于网络摄像机的网络视频监控系统正兴起，以它特有的优势会逐步成为监控系统新的潮流。视频监控系统的发展方向。前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展

13、方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。数字化，数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流包括视频、音频、控制等从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心的构造，根本上改变视频监控系统的信息收集、数据处理、传输、系统控制等的方式和构造形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上

14、实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。网络化，视频监控系统的网络化将意味着系统的构造将由集总式向集散式系统过渡。集散式系统采用多层分级的构造形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵敏、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界线。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源分享以及任务和负载分享，这也是系统集成

15、的一个重要概念12。纵观以上观点，就不难理解为什么网络数字视频监控系统正成为视频监控领域研究的热门和发展方向。1.3目前监控系统中存在的问题随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用经过中，也暴露出一些缺乏，主要是系统工作的不稳定性。硬件设计的缺点：PC机，兼容PC机用于24小时不间断工作时，其性能是不很稳定的，工控PC机相对于兼容PC机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境；视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频收集卡可采用多卡方式，可以采用单卡方式。一般讲，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式容易构成硬件冲突，对其稳定性会有很大的影响。

16、目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行迭加的多路单卡设备，但其仍在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。系统软件：操作系统，以Windows98为操作平台的系统，业内人士都知道，Win98的稳定性是有一定问题的，假如应用软件又不是很规范，这样就容易在使用经过中出现工作不稳定、死机等问题，而基于PC机的视频监控录像系统其软件的实现是在Windows95/98/NT、Unix、Linux等通用操作系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑如Windows的FAT32已无法适应，以致极易产生系统

17、的不稳定性，造成死机现象；应用软件，采用简易应用软件的系统是不能够用于安防领域的，视频监控系统的应用软件能力上应支持多任务并发处理，如监视、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多工处理能力。1.4课题研究任务本课题研究对象是可移动式数字化智能环境监控系统，由于传统的监控系统存在不稳定不便携等特点，对该系统的研究设计及制作提出了特殊要求，因而，本课题的研究任务可归纳为下面几点：1.准确可靠的主控电路及其软件设计；2.便于移动，以及能较好的收集温度湿度等数据；3.明晰易懂的数据显示功能；4.其它辅助电路及构造设计。第2章智能环境监控系统总体设计2.1系统总体设计该智能环境监控系统分为数据收集

18、端和移动监控终端两大部分，数据收集端包括SPCE061A核心板、16路温湿度收集模块、16路光照强度收集模块、CD4067数据切换输入模块、语音输入处理电路、OV7670带FIFO摄像头模块、SD卡读写模块、NRF905无线发射模块，移动监控终端包括SPCE061A核心板、SD卡读写模块、NRF905无线接收模块、语音播放电路、3.2寸HMI串口人机界面液晶屏，构造框图如图1-1所示。图1-1系统总体构造框图2.2工作原理在数据收集端：16路温湿度收集模块、16路光照强度收集模块将收集到的数据传输给CD4067数据切换输入模块，该模块进行模数信号转换后，将模拟信号转换成电信号。语音输入处理电路

19、、OV7670带FIFO摄像头模块将收集到的数据连同CD4067数据切换输入模块的信号一并传输给SPCE061A核心板。该核心单片机一方面将信息存入SD卡备用，一方面把信息通过NRF905无线发射模块发射出去。在移动监控终端：首先，NRF905无线接收模块接受NRF905无线发射模块发射的信息，并传输给移动监控终端的SPCE061A核心板。通过特定的软件设计控制，使核心板接受的信息分成三部分展现：一，存入SD卡作为备用资料；二，通过语音数模转换得到人能够识别的语音信号，并播放；三，视频信息则是通过3.2寸HMI串口人机界面液晶屏实现人机信息交互。第3章系统硬件选择3.1处理器的选择3.1.1基

20、础单片机概述51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机获得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。若采用普通型的的51单片机例如AT89S51、STC89C51，数据收集与处理速度、片内RAM大小、片内ROM大小以及对语音、视频、图片等数字信号的处理能力，是远远不能知足本系

21、统的要求，即便采用加强型的51单片机例如STC12C5A60S2，也是不够的。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的加强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机能够广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。相对51单片机而言，数据处理速度有一定的提升，如采用ATMEGA128等高档型的单片机还是能够的，但对语音、视频、图

22、片等数字信号的处理还是较费事的，需要较复杂的软件编程支持，开发周期较长，不便于维护。DSPDigitalSignalProcessor是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作AcornRISCMachine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴诸多。1、体积小、低功耗、低成本、高性能；2、支持Thumb16位/ARM32位双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；4、大多数数据操作都在寄存器中完成；