畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立研究所取得的成果。除了文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果或作品。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：日期：2024年4月10日畢業(yè)設(shè)計（論文）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)設(shè)計（論文）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保存，使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)畢業(yè)設(shè)計（論文）管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)本學(xué)校及以上級別優(yōu)秀畢業(yè)論文評選機構(gòu)將本畢業(yè)論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫以資檢索，可以采用復(fù)印，縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文。畢業(yè)設(shè)計（論文）作者簽名：日期：2024年4月10日基于NB-IOT智能宿舍安防系統(tǒng)設(shè)計摘要針對傳統(tǒng)的宿舍安防系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用中的不足之處，本次研究中將以NB-IOT技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)一種新型的智能宿舍安防系統(tǒng)。根據(jù)NB-IOT技術(shù)應(yīng)用要求，系統(tǒng)設(shè)計中擬采用STM32作為系統(tǒng)主控制器，利用NB-IOT通信模塊實現(xiàn)系統(tǒng)運行中各項數(shù)據(jù)的傳輸，由此搭建起系統(tǒng)的整體框架。在此框架上實現(xiàn)對宿舍非法入侵行為監(jiān)測預(yù)警、煙霧報警、宿舍室內(nèi)溫濕度變化感應(yīng)等各項功能，全方位加強宿舍人員與財產(chǎn)安全保障。以NB-IOT技術(shù)為基礎(chǔ)技術(shù)路線開展智能化宿舍安防系統(tǒng)搞設(shè)計，具有安裝簡便、成本低廉、能耗低等諸多優(yōu)勢，該類型系統(tǒng)在宿舍安全管理中有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：NB-IOT；宿舍；安全系統(tǒng)IntelligentdormitorysecuritysystemdesignbasedonNB-IOTAbstractInviewoftheshortcomingsinthedesignandapplicationofthetraditionaldormitorysecuritysystem,anewintelligentdormitorysecuritysystemwillbedevelopedbasedonNB-IOTtechnology.AccordingtotheapplicationrequirementsofNB-IOTtechnology,STM32isusedasthemaincontrollerinthesystemdesign,andNB-IOTcommunicationmoduleisusedtorealizethetransmissionofvariousdatainthesystemoperation,thusbuildingtheoverallframeworkofthesystem.Inthisframework,thefunctionsofmonitoringandearlywarning,smokealarm,dormitorytemperatureandhumiditychangeinduction,arerealizedtostrengthenthesecurityofdormitorypersonnelandproperty.NB-IOTtechnologyasthedesignofintelligentdormitorysecuritysystemhasmanyadvantagesofsimpleinstallation,lowcostandlowenergyconsumption.Thistypeofsystemhasabroadapplicationprospectindormitorysecuritymanagement.Keywords:NB-IOT;dormitory;securitysystem目錄TOC\o"1-3"\h\u3235第一章引言 6240311.1研究背景與意義 6319861.2研究現(xiàn)狀 717938第二章系統(tǒng)總體框架設(shè)計 1070662.1整體方案設(shè)計 10236752.2硬件模塊選型 106363第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 13236543.1STM32F103單片機 1317153.2DHT11溫濕度檢測模塊 14195043.3MQ-2煙霧監(jiān)測模塊 1512803.4光敏電阻模塊 16315923.5人體紅外檢測模塊 16162753.6OLED顯示模塊 1779623.7NB-IOT模塊 17219823.8按鍵模塊 18259123.9蜂鳴器模塊 19166833.10系統(tǒng)終端傳感器設(shè)置 20246993.11系統(tǒng)終端傳感器各部分器件選用與電路設(shè)計 2113697第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計 23307804.1系統(tǒng)終端與云平臺對接流程設(shè)計 2368074.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計 2592284.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集流程設(shè)計 26259984.4系統(tǒng)NB-IOT模塊初始化設(shè)計 2714613第五章系統(tǒng)運行測試環(huán)節(jié)設(shè)計 3085185.1測試環(huán)境搭建 31326575.2系統(tǒng)測試 318839結(jié)論 3414546致謝 353676參考文獻 36第一章引言1.1研究背景與意義宿舍是企業(yè)、學(xué)校等大規(guī)模的集體組織為內(nèi)部成員提供的公共居住空間，宿舍在日常使用中一方面要為大量人員提供住宿服務(wù)，同時還承擔(dān)著保管存放個人財物的功能。因此，對于企業(yè)與學(xué)校而言，加強宿舍安全管理尤為必要。隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展，在宿舍安全管理工作中，信息化工作系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，為提高宿舍安全管理工作效果提供了有力的幫助。以往很多工廠或?qū)W校使用的宿舍安防系統(tǒng)大多基于RS232/485一類有線通信技術(shù)，而隨著無線通信技術(shù)的普及，以ZigBee、GPRS、GSM等無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的宿舍安防系統(tǒng)被應(yīng)用于宿舍安全管理中。以上各種類型的系統(tǒng)在實際應(yīng)用都暴露出施工難度大、安裝復(fù)雜、后期管理維護成本高等問題，而且以上系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，當(dāng)面臨網(wǎng)絡(luò)波動時會發(fā)生報警信號傳輸不及時，故障信息無法在第一時間獲取等現(xiàn)象，大大影響到系統(tǒng)實際應(yīng)用的效能。近期興起并迅速普及的窄頻物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）在環(huán)境監(jiān)測、智能路燈管理、以及遙控生態(tài)管理等諸多應(yīng)用領(lǐng)域已展現(xiàn)出其低能耗、廣覆蓋范圍和持久耐用的顯著特性。在自然生態(tài)防護這一領(lǐng)域，基于NB-IoT技術(shù)打造、并以STM32微型控制單元作為中心的生態(tài)環(huán)境監(jiān)視裝置可以探測包括溫度濕度、甲醛、總揮發(fā)性有機化合物、灰塵等在內(nèi)的諸多環(huán)境參數(shù)。這種系統(tǒng)也因其廣闊的監(jiān)控領(lǐng)域及低耗能特性而備受贊譽。在都市公用設(shè)施營運與管理這一領(lǐng)域，研究報告中提出了依托NB-IoT技術(shù)的街燈遠(yuǎn)程監(jiān)測方案，此系統(tǒng)能夠搜集街燈四周的溫濕度數(shù)據(jù)、光線強度以及地理位置信息，并且用戶可以通過智能手機應(yīng)用程序?qū)譄暨M行在線監(jiān)測和智能控制。在其他關(guān)于NB-IoT智能系統(tǒng)開發(fā)的研究中，結(jié)合了傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和模糊PID多級控制方法，研制了一款以NB-IoT技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化自動調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在各自領(lǐng)域的實際應(yīng)用中都展現(xiàn)出極為突出的效果，基于以上基于NB-IOT技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的成功經(jīng)驗，本次研究中將從宿舍安全管理的實際需求出發(fā)以NB-IOT技術(shù)為基礎(chǔ)，進行智能化宿舍安全系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，通過更先進安防系統(tǒng)應(yīng)用促進宿舍安全管理效率的進一步提升。根據(jù)題目要求，以NB-IOT為基礎(chǔ)開展智能宿舍安防系統(tǒng)設(shè)計，能夠以系統(tǒng)設(shè)計為切入點，對NB-IOT技術(shù)這項物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新技術(shù)開展更加深入的研究，并通過系統(tǒng)設(shè)計更充分了解信息技術(shù)高速發(fā)展下信息通信技術(shù)發(fā)展與實際應(yīng)用形勢變化，為何能實現(xiàn)不同國家地區(qū)的溝通與交流，在高效進行通信的同時，探討可持續(xù)發(fā)展的意義，有效提升對當(dāng)前以及未來通信發(fā)展的深度思考能力。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1智能家居安防報警行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)初，安防報警系統(tǒng)雛形出現(xiàn)在北美地區(qū)，在街頭設(shè)置的呼救箱采用有線的方式與警局進行連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警;1984年，美國聯(lián)合科技公司改造了美國康涅狄格洲的一棟舊式大樓，在這座大廈中采用有線連接的形式對空調(diào)、電梯和防災(zāi)、防盜等設(shè)備進行管理，通過計算機進行控制和監(jiān)測，實現(xiàn)了建筑的初步信息化管理，由此掀起一股“智能建筑”的熱潮。世界上第一座智能大廈誕生，其中包括了防災(zāi)、防盜和監(jiān)測功能，這是早期的智能建筑物中安防報警系統(tǒng)。北美地區(qū)的安防產(chǎn)業(yè)一直處于領(lǐng)先地位，后期以美國為首的發(fā)達(dá)國家中一些大型安防公司引領(lǐng)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢。在亞洲地區(qū)的日本、新加坡等國家，也紛紛開發(fā)具有報警功能智能化建筑。中國的智能建筑起源于1990年，北京發(fā)展大廈是我國智能建筑的雛形,其中包含了安防相關(guān)功能。1995年，我國開始加快住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進了國內(nèi)家庭安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但智能化發(fā)展非常緩慢，全部依賴國外技術(shù)，比如美國的X-I0O電力線載波通信技術(shù)、歐洲的EIB電氣安裝總線技術(shù)、日本的HBS家庭總線技術(shù)，但上述幾種通信技術(shù)在中國一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。1997年，我國開始制定《小康住宅電氣設(shè)計(標(biāo)準(zhǔn))導(dǎo)則》(討論稿)，對小康住宅和小區(qū)建設(shè)在安全防范、家庭設(shè)備自動化和通信與網(wǎng)絡(luò)配置等方面提出了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。自此之后，智能家居安防報警系統(tǒng)多采基于公共電話線或GSM網(wǎng)絡(luò)通信。2007年，中國、韓國兩個國家聯(lián)合三星集團推出智能家居系統(tǒng)，此系統(tǒng)將自動化控制、信息家電、安防設(shè)備以及娛樂和信息中心集成為一個控制網(wǎng)絡(luò)。從此我國的智能家居行業(yè)正開始發(fā)展，2014年被稱為中國智能家居元年，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)和家電行業(yè)的巨頭公司以及運營商全部加入智能家居行業(yè)?，F(xiàn)有的小米物聯(lián)、紫光UIOT超級智慧家、海爾U-Home、美的智慧等都是相對比較成熟的智能家居系統(tǒng)，其中均增加了安防報警等功能。雖然我國的智能家居安防報警系統(tǒng)發(fā)展至今取得了巨大成就，但還存在監(jiān)控不全面以及防范非法入侵智能化不足的問題。早期的防止非法入侵的手段為人為看守或采用防盜門窗等設(shè)備，發(fā)展過程中結(jié)合當(dāng)時先進的電子、通信等行業(yè)技術(shù)，采用傳感器或攝像頭設(shè)備對非法入侵監(jiān)測實現(xiàn)了智能化，但存在報警信息不明確以及需要值班人員24小時實時看守等端，仍需改進。1.2.2NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀物聯(lián)網(wǎng)的概念正式提出于2005年，ITU在突尼斯召開信息社會世界峰會(WorldSummitofInformationSociety,WSIS)上發(fā)布的《ITUInternetreports2005--theInternetofthings》,明確了物聯(lián)網(wǎng)的特征和相關(guān)技術(shù)，并闡明了該行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和未來市場產(chǎn)生的機遇需求等內(nèi)容。ITU報告的推出，使得全球各個國家的政府和相關(guān)行業(yè)重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，該領(lǐng)域認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)可以促進其加快發(fā)展和變革，并提供了前所未有的機遇，以美國為首的歐美發(fā)達(dá)國家將物聯(lián)網(wǎng)作為國家的新興產(chǎn)業(yè)，為了能夠盡早的落實物聯(lián)網(wǎng)這一產(chǎn)業(yè)相繼出臺相關(guān)戰(zhàn)略措施予以幫扶。NB-IoT技術(shù)是當(dāng)前流行的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)之一，屬于低功耗廣域網(wǎng)(LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN)中的一員，LPWAN是一種新型的通信模式,專為遠(yuǎn)距離、低功耗、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各種需求。低功耗廣域網(wǎng)應(yīng)用前景廣泛，據(jù)統(tǒng)計全球300億部物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，約有四分之一的設(shè)備將通過低功耗廣域網(wǎng)進行連接。低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中現(xiàn)有流行技術(shù)比如ZigBee、藍(lán)牙、Z-Wave、Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)(GlobalSystemGSM)、長期演進網(wǎng)絡(luò)(LongTermEvolution，LTE)forMobileCommunications,等進行了不同的權(quán)衡，能夠補充傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)和短距離無線通信技術(shù)的部分缺陷。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)覆蓋直徑最大只有幾百米，大多適用于室內(nèi)環(huán)境的部署，不適用連接分布在大面積區(qū)域的低功耗設(shè)備。2009年溫家寶總理提出的“感知中國”目標(biāo)，同時物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IOT)在四部委聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于加快培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中被列為國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，全國上下掀起發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的熱潮B1,32,為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2017年6月，工信部下發(fā)通知明確表明2017年末NB-IOT基站建立數(shù)量達(dá)到40萬，終端設(shè)備連接數(shù)量達(dá)到2000萬;至2020年，NB-IoT基站數(shù)量達(dá)到150萬，終端設(shè)備連接數(shù)量超過2億。NB-I0T技術(shù)首先在上海試驗，早在2016年，中國聯(lián)通在部署10個室外NB-I0T基站覆蓋迪士尼園區(qū)，聯(lián)合華為開展并完成智能停車項目，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)停車位信息采集與查詢;2017年6月，中國電信與ofo、華為共同發(fā)布了基于NB-IoT技術(shù)的ofo智能單車正式商用。2019年三大運營商全部實現(xiàn)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)的商用。第二章系統(tǒng)總體框架設(shè)計2.1整體方案設(shè)計基于NB-IOT技術(shù)的體系結(jié)構(gòu),開發(fā)了依托于此技術(shù)的智能寢室防范系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含的關(guān)鍵組件有監(jiān)測端點、云端防護中心以及智能移動設(shè)備。每個探測接口進一步由含有NB-IoT單元和感應(yīng)器數(shù)據(jù)搜集模塊的監(jiān)測器構(gòu)成，這些監(jiān)測器由功能各異的傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)執(zhí)行盜竊預(yù)警、環(huán)境監(jiān)察以及火警偵測等任務(wù)。搜集設(shè)備會將搜集到的感應(yīng)數(shù)據(jù)以及設(shè)備運作狀態(tài)信息發(fā)送至NB-IoT模塊。隨后，這些信息通過NB-IoT信號塔傳遞至互聯(lián)網(wǎng)上的云服務(wù)器，用戶可以借助網(wǎng)絡(luò)或是直接登錄云服務(wù)器來訪問并獲取這些信息。根據(jù)以上內(nèi)容，系統(tǒng)的整體框架設(shè)計如下：圖1.系統(tǒng)總體框架2.2硬件模塊選型在設(shè)計基于NB-IOT智能宿舍安防系統(tǒng)時,合理選擇硬件模塊對于系統(tǒng)的性能、成本和可靠性至關(guān)重要。我們需要對各個模塊進行全面的對比分析,權(quán)衡利弊,最終選擇最佳方案。在模塊選型過程中,我們不僅要考慮單個模塊的性能參數(shù),還要結(jié)合整個系統(tǒng)的需求,從系統(tǒng)層面上進行綜合評估,確保各個模塊之間能夠無縫集成,協(xié)同工作,發(fā)揮出最大的效能。2.2.1單片機模塊的選型方案一:STM32F103是一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位單片機,具有較高的運算能力、豐富的外設(shè)資源和較低的功耗。它采用了ARM公司先進的Cortex-M3內(nèi)核,可以實現(xiàn)卓越的實時響應(yīng)能力和中斷處理性能,非常適合于實時控制類應(yīng)用。此外,STM32F103還集成了豐富的外設(shè),如UART、SPI、I2C、CAN、USB等,可以方便地與各種外圍設(shè)備進行通信。同時,它還支持多種低功耗模式,在待機狀態(tài)下功耗極低,有助于延長系統(tǒng)的電池壽命。然而,STM32F103的價格相對較高,開發(fā)環(huán)境和編程復(fù)雜度也較大,需要一定的學(xué)習(xí)成本。方案二:STC89C52是一款基于8051內(nèi)核的傳統(tǒng)8位單片機,價格低廉,編程相對簡單,但處理能力和外設(shè)資源有限,無法滿足本系統(tǒng)對計算能力的需求。STC89C52雖然成本低廉,但它僅支持8位數(shù)據(jù)處理,運算能力有限,無法勝任復(fù)雜的控制和運算任務(wù)。此外,它集成的外設(shè)也相對較少,無法滿足與多種外設(shè)進行通信的需求。雖然編程相對簡單,但由于硬件資源有限,未來的擴展性也較差。綜合考慮性能、成本和開發(fā)難度等因素,我們最終選擇STM32F103作為本系統(tǒng)的主控單片機。盡管價格較高,但其強大的處理能力和豐富的外設(shè)資源可以滿足系統(tǒng)的各種需求,同時也為未來的功能擴展留有余地。雖然開發(fā)難度較大,但通過合理的硬件設(shè)計和軟件架構(gòu),我們可以充分發(fā)揮STM32F103的性能優(yōu)勢,實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行和可靠控制。2.2.2溫濕度檢測模塊的選型舒適的溫濕度環(huán)境對于宿舍生活品質(zhì)至關(guān)重要。過高或過低的溫濕度不僅會影響人體健康,還可能導(dǎo)致霉菌滋生、家具受損等問題。因此,在智能宿舍安防系統(tǒng)中集成溫濕度檢測功能就顯得尤為必要。通過實時監(jiān)測室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù),系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的舒適范圍,自動調(diào)節(jié)空調(diào)、加濕器等設(shè)備,為宿舍創(chuàng)造一個舒適宜人的環(huán)境。方案一:SHT30是一款高精度數(shù)字溫濕度傳感器,采用CMOS工藝制造,具有優(yōu)異的測量精度和響應(yīng)速度。它可以直接輸出已經(jīng)經(jīng)過數(shù)字校準(zhǔn)的溫度和相對濕度數(shù)據(jù),無需進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算,極大地簡化了數(shù)據(jù)處理過程。此外,SHT30還支持多種通信接口,如I2C、單總線等,可以方便地與微控制器進行連接。然而,SHT30的價格較高,且需要使用I2C通信接口,增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。方案二:DHT11是一款低成本的數(shù)字溫濕度傳感器,價格低廉、使用方便,滿足本系統(tǒng)的基本需求。它采用專用的單線雙向通信方式,只需要一根數(shù)據(jù)線即可與微控制器進行通信,無需占用多個I/O口,節(jié)省了硬件資源。DHT11內(nèi)置了溫濕度傳感元件和A/D轉(zhuǎn)換電路,可以直接輸出校準(zhǔn)后的數(shù)字信號,方便數(shù)據(jù)處理。盡管測量精度和響應(yīng)速度略低于SHT30,但對于宿舍環(huán)境監(jiān)測來說已經(jīng)足夠?？紤]到成本和簡單性,我們選擇DHT11作為本系統(tǒng)的溫濕度檢測模塊。它的性價比較高,且集成了數(shù)字信號輸出接口,可以直接連接到單片機,無需額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。雖然精度略低于SHT30,但對于舒適度評估而言,DHT11的測量精度已經(jīng)足夠。同時,DHT11的簡單的通信方式也有利于降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提高可靠性。2.2.3煙霧監(jiān)測模塊的選型火災(zāi)是威脅人身安全和財產(chǎn)安全的重大隱患,因此在智能宿舍安防系統(tǒng)中集成煙霧監(jiān)測功能就顯得尤為必要。通過實時檢測室內(nèi)煙霧濃度,一旦發(fā)現(xiàn)異常,系統(tǒng)可以立即發(fā)出警報,并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施,如噴灑滅火劑、切斷電源等。方案一:MQ-4是一款可燃?xì)怏w傳感器,主要用于檢測天然氣、丙烷等可燃?xì)怏w,對于檢測煙霧的性能不佳。MQ-4采用的是電化學(xué)原理,通過測量氣體與傳感器表面反應(yīng)時產(chǎn)生的電流變化來檢測氣體濃度。由于其優(yōu)先響應(yīng)可燃?xì)怏w,因此對于煙霧的檢測靈敏度較低,存在一定的延遲和漏報風(fēng)險。方案二:MQ-2是一款設(shè)計用于檢測可燃?xì)怏w和煙霧的傳感器,對煙霧的響應(yīng)靈敏度較高,更適合本系統(tǒng)的需求。與MQ-4類似,MQ-2也采用電化學(xué)原理,但它的傳感材料經(jīng)過了優(yōu)化,對煙霧的響應(yīng)更加迅速和靈敏。此外,MQ-2不僅可以檢測到煙霧,還能夠檢測到一氧化碳、甲烷等有害氣體,提高了系統(tǒng)的安全性能。綜合考慮,我們選擇MQ-2作為本系統(tǒng)的煙霧監(jiān)測模塊。相比MQ-4,MQ-2對于煙霧的檢測更加準(zhǔn)確及時,可以最大程度地降低漏報風(fēng)險,確?；馂?zāi)發(fā)生時能夠及時發(fā)出警報。2.2.4通信模塊的選型通信模塊是智能宿舍安防系統(tǒng)與外界連接的紐帶,它決定了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制能力。選擇合適的通信模塊,不僅關(guān)系到系統(tǒng)的實時性和可靠性,還影響到系統(tǒng)的部署和維護成本。方案一:ESP8266是一款低成本的WiFi模塊,可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。它集成了完整的WiFi協(xié)議棧,支持標(biāo)準(zhǔn)的802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn),可以與各種WiFi路由器和熱點設(shè)備兼容。ESP8266擁有強大的處理能力,內(nèi)置了32位低功耗處理器,可以獨立運行應(yīng)用程序。然而,WiFi通信功耗較高,且需要連接到現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò),在一些偏遠(yuǎn)或覆蓋不佳的地區(qū)可能無法使用。方案二:NB-IOT是一種新興的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術(shù),具有低功耗、大覆蓋范圍、低成本等優(yōu)點,非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。與傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)相比,NB-IOT在硬件復(fù)雜度、功耗和成本方面都有顯著優(yōu)勢。它可以實現(xiàn)深度覆蓋,信號可以穿透地下室和厚重的建筑物。此外,NB-IOT模塊的硬件成本也較低,有利于大規(guī)模部署。盡管目前NB-IOT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍尚有限制,但未來發(fā)展前景廣闊。為了提高系統(tǒng)的可靠性和擴展性,我們選擇NB-IOT作為本系統(tǒng)的通信模塊。NB-IOT技術(shù)的低功耗特性可以延長系統(tǒng)的電池壽命,減少維護成本。同時,NB-IOT的廣域覆蓋能力也確保了系統(tǒng)可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)穩(wěn)定運行,滿足未來的發(fā)展需求。雖然目前NB-IOT網(wǎng)絡(luò)覆蓋仍在不斷擴大中,但我們相信隨著技術(shù)的發(fā)展和商用推廣,NB-IOT必將成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主流通信方式。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計本次研究中，以NB-IOT技術(shù)為基礎(chǔ)開展學(xué)校智能宿舍安防系統(tǒng)設(shè)計，出于節(jié)約項目開發(fā)成本，避免系統(tǒng)設(shè)計中功能模塊的重復(fù)建設(shè)。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計環(huán)境，依托現(xiàn)有的學(xué)校安全管理網(wǎng)絡(luò)，利用成熟的校園安全管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置相同的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)置系統(tǒng)中需要使用的智能傳感器、微控制器以及通信模塊等各種系統(tǒng)運行中需要應(yīng)用的設(shè)備。3.1STM32F103單片機STM32F103作為系統(tǒng)的主控制器,扮演著至關(guān)重要的角色。它集成了強大的ARMCortex-M3內(nèi)核,擁有高達(dá)72MHz的主頻,可以高效處理各種復(fù)雜的控制算法和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。同時,STM32F103還集成了豐富的外設(shè)資源,包括多個UART、SPI、I2C、CAN等通信接口,以及定時器、看門狗、RTC等多種功能外設(shè),為系統(tǒng)的功能擴展提供了充足的硬件支持。在硬件設(shè)計中,我們將STM32F103的UART1接口連接到NB-IoT模塊,實現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信;UART2接口連接到OLED顯示模塊,用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)和傳感器數(shù)據(jù);I2C接口連接到OLED和部分?jǐn)?shù)字傳感器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;而ADC接口則連接到模擬傳感器,如MQ-2煙霧傳感器和光敏電阻,完成模擬量的數(shù)字化。此外,我們還利用STM32F103的多個定時器資源,實現(xiàn)對各個傳感器的定時掃描和數(shù)據(jù)采集,確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。圖2.STM32F103單片機3.2DHT11溫濕度檢測模塊溫濕度是評估室內(nèi)舒適度的重要參數(shù)。DHT11溫濕度傳感器采用專利的數(shù)字傳感技術(shù),可以精準(zhǔn)地測量環(huán)境溫度和相對濕度。它通過專用的單總線接口與單片機相連,只需要一根數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,節(jié)省了硬件資源。在硬件設(shè)計中,我們將DHT11模塊直接連接到STM32F103的IO口,利用單總線通信協(xié)議與單片機進行數(shù)據(jù)交互。DHT11每隔一定時間就會對環(huán)境進行采樣,并將溫濕度數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式傳輸給單片機。單片機接收到數(shù)據(jù)后,可以直接解析處理,無需進行模數(shù)轉(zhuǎn)換等復(fù)雜操作。如果檢測到溫濕度超出預(yù)設(shè)的舒適范圍,單片機將觸發(fā)相應(yīng)的控制措施,如啟動空調(diào)、加濕器等設(shè)備,為宿舍營造一個舒適宜人的環(huán)境。圖3.DHT11溫濕度檢測模塊3.3MQ-2煙霧監(jiān)測模塊火災(zāi)是威脅人身和財產(chǎn)安全的重大隱患,因此在智能宿舍系統(tǒng)中集成煙霧檢測功能就顯得尤為重要。MQ-2是一種低成本的氣體傳感器,它不僅能夠檢測到煙霧,還可以檢測到一氧化碳、甲烷等有害氣體,提高了系統(tǒng)的安全性能。MQ-2模塊是一種模擬式傳感器,它的輸出是一個模擬電壓信號,該電壓值與被測氣體的濃度存在特定的對應(yīng)關(guān)系。在硬件設(shè)計中,我們將MQ-2模塊與STM32F103的模擬輸入通道相連。單片機通過AD轉(zhuǎn)換器,周期性地對MQ-2進行采樣,讀取其輸出的模擬電壓值,并根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的曲線,將其轉(zhuǎn)換為實際的氣體濃度值。一旦檢測到異常高的煙霧或有害氣體濃度,單片機將立即觸發(fā)報警,并執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急措施,如噴灑滅火劑、切斷電源等,最大限度地減少火災(zāi)帶來的損失。圖4.MQ-2煙霧監(jiān)測模塊3.4光敏電阻模塊光敏電阻是一種光電器件,它的電阻值會隨著光照強度的變化而發(fā)生改變。通過檢測光敏電阻的電阻值,我們可以對環(huán)境光線強度進行監(jiān)測,并根據(jù)檢測結(jié)果采取相應(yīng)的措施。在硬件設(shè)計中,我們將光敏電阻模塊與STM32F103的模擬輸入通道相連。光敏電阻的兩端會形成一個電壓分壓回路,單片機通過AD轉(zhuǎn)換器,周期性地對這個電壓值進行采樣。根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的曲線,單片機可以將采樣的電壓值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的光強度值。在夜間或者黑暗環(huán)境下,系統(tǒng)可以自動啟用紅外監(jiān)控功能,提高安全性。同時,光線強度數(shù)據(jù)也可以用于控制照明設(shè)備,實現(xiàn)自動調(diào)光等節(jié)能功能。圖5.光敏電阻模塊3.5人體紅外檢測模塊人體紅外檢測模塊利用被動紅外線原理,可以檢測到人體運動和存在。它通常由兩個獨立的紅外傳感器組成,當(dāng)人體移動時,兩個傳感器接收到的紅外線輻射量會發(fā)生變化,從而觸發(fā)檢測信號。在硬件設(shè)計中,我們將人體紅外檢測模塊直接連接到STM32F103的數(shù)字輸入端口。當(dāng)模塊檢測到人體運動時,它會向單片機發(fā)送一個高電平的脈沖信號。單片機接收到這個信號后,可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的策略,執(zhí)行相應(yīng)的動作,如觸發(fā)警報、開啟監(jiān)控攝像頭等。人體紅外檢測模塊可以用于入室檢測、防盜報警等多種場合,提高了系統(tǒng)的安全性能。圖6.人體紅外檢測模塊3.6OLED顯示模塊OLED顯示模塊為系統(tǒng)提供了人機交互界面,用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)等信息,方便用戶查看和操作。相比傳統(tǒng)的LCD顯示屏,OLED具有自發(fā)光、視角廣、對比度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。在硬件設(shè)計中,我們將OLED顯示模塊通過I2C接口與STM32F103相連。利用I2C總線的并行傳輸特性,單片機可以高效地向OLED傳輸顯示數(shù)據(jù)。OLED模塊內(nèi)置了顯示驅(qū)動芯片和控制器,可以根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)自動生成圖像,減輕了單片機的處理負(fù)擔(dān)。在軟件設(shè)計中,我們可以編寫相應(yīng)的圖形庫,實現(xiàn)文本、圖形、圖標(biāo)等多種顯示效果,為用戶提供豐富的交互體驗。圖7.OLED顯示模塊3.7NB-IOT模塊NB-IOT模塊是系統(tǒng)與外界連接的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信,將警報信息和傳感器數(shù)據(jù)上傳到云端,同時也可以接收來自遠(yuǎn)程的控制命令。在硬件設(shè)計中,我們將NB-IOT模塊通過UART接口與STM32F103相連。UART是一種廣泛應(yīng)用的異步通信接口,通信效率較高,資源占用少。NB-IOT模塊集成了NB-IOT通信芯片和天線,支持與運營商的NB-IOT網(wǎng)絡(luò)連接。它可以在超低功耗的情況下,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸,非常適合于智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。通過NB-IOT模塊,系統(tǒng)可以實時將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器,由服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析和存儲。一旦發(fā)生異常情況,如火災(zāi)、入室等,系統(tǒng)可以第一時間通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報警信息,讓相關(guān)人員了解現(xiàn)場情況并作出及時響應(yīng)。同時,云端服務(wù)器也可以向NB-IOT模塊下發(fā)控制指令,實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。圖8.NB-IOT模塊3.8按鍵模塊按鍵模塊提供了一些基本的控制按鈕,如開關(guān)機、復(fù)位等,方便用戶對系統(tǒng)進行操作。它與單片機的數(shù)字輸入端口相連,通過檢測按鍵的按下和釋放,執(zhí)行相應(yīng)的功能。在硬件設(shè)計中,我們采用了硬件去抖動電路,有效消除了按鍵抖動導(dǎo)致的誤操作。每個按鍵都與單片機的一個數(shù)字輸入端口相連,端口狀態(tài)的變化就代表著按鍵的動作。通過編程,我們可以對按鍵的動作進行識別和響應(yīng)。例如,長按復(fù)位按鈕可以將系統(tǒng)恢復(fù)出廠設(shè)置;短按菜單按鈕可以切換OLED顯示的界面等。按鍵模塊為系統(tǒng)提供了簡單直觀的人機交互方式,提高了用戶體驗。圖9.按鍵模塊3.9蜂鳴器模塊蜂鳴器模塊用于發(fā)出聲音警報,可以與單片機的數(shù)字輸出端口相連。一旦系統(tǒng)檢測到異常情況,如火情或者非法入室等,蜂鳴器將發(fā)出尖銳的聲音,提醒用戶采取相應(yīng)措施。在硬件設(shè)計中,我們將蜂鳴器模塊直接連接到STM32F103的IO口。通過控制IO口的電平狀態(tài),即可驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲或靜音。我們可以在軟件中編寫不同的聲音模式,如持續(xù)鳴響、間歇鳴響等,用于表示不同的警報級別和事件類型。例如,當(dāng)檢測到輕微異常時,蜂鳴器可以每隔一段時間發(fā)出"嘀嘀"聲響,提醒用戶注意;而一旦發(fā)生嚴(yán)重事故,如火災(zāi),蜂鳴器將持續(xù)發(fā)出刺耳的鳴叫聲,讓用戶立即采取應(yīng)急措施。圖10.蜂鳴器模塊3.10系統(tǒng)終端傳感器設(shè)置在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，系統(tǒng)的終端傳感器是系統(tǒng)硬件中的最核心部分。依據(jù)NB-IOT技術(shù)規(guī)范，該系統(tǒng)由若干模塊組建，包括微型微控制單元、非法闖入偵測組件、煙霧檢測裝置、溫濕感應(yīng)器、光線強度檢測設(shè)備、NB-IOT通訊模塊、系統(tǒng)運作狀態(tài)指示器及電源硬件等。系統(tǒng)終端傳感器的整體硬件設(shè)置如下圖所示：圖11.系統(tǒng)終端傳感器硬件構(gòu)成從上圖中能夠看到，在系統(tǒng)終端傳感器的硬件結(jié)構(gòu)中，微控制器是所有硬件設(shè)備運行的核心。在系統(tǒng)實際工作中，系統(tǒng)終端傳感器中的微控制器需要將下屬的各個節(jié)點的傳感器實時運行數(shù)據(jù)內(nèi)容整理打包向NB-IOT模塊發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送過程由系統(tǒng)中的UART程序主導(dǎo)。在各個傳感器模塊的運行數(shù)據(jù)上傳至校園安全管理網(wǎng)絡(luò)的云平臺上之后，云平臺向系統(tǒng)發(fā)布對應(yīng)的指令，并通過系統(tǒng)的微控制器將運行指令下達(dá)到指定的功能模塊，由此完成對平臺指令的完整響應(yīng)過程。系統(tǒng)終端傳感器硬件設(shè)置中的非法入侵檢測模塊硬件設(shè)計中，以低能耗的熱釋電紅外傳感器作為硬件基礎(chǔ)。當(dāng)系統(tǒng)運行進入布防模式時，該模塊會自動對區(qū)域內(nèi)的非法入侵情況進行全面檢測。檢測發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)無非法入侵行為的情況下，該模塊自動進入休眠狀態(tài)，以節(jié)約系統(tǒng)運行的能耗。當(dāng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)非法入侵行為時，系統(tǒng)中的單片機裝置會在第一時間喚醒系統(tǒng)終端傳感器中的NB-IOT模塊，將區(qū)域內(nèi)的異常數(shù)據(jù)信息通過NB網(wǎng)絡(luò)向校園安全管理云平臺發(fā)送，云平臺根據(jù)系統(tǒng)反饋信息向系統(tǒng)終端傳感器硬件系統(tǒng)發(fā)出非法入侵模塊響應(yīng)的指令。接到指令后，非法入侵模塊重啟對區(qū)域非法入侵情況進行檢測，并通過微控制器向云平臺發(fā)送檢測結(jié)果，供平臺作下一步的處置決策。系統(tǒng)終端傳感器中其他的功能模塊在運行機制設(shè)計上與非常入侵功能模塊相同。在具體功能方面，煙霧傳感器與溫濕度傳感器模塊主要負(fù)責(zé)對區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)風(fēng)險預(yù)警。當(dāng)宿舍內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)險情時，室內(nèi)煙霧濃度會出現(xiàn)明顯提升，而煙霧傳感器會立即對宿舍室內(nèi)的煙霧濃度變化做出響應(yīng)，提示宿舍內(nèi)部的火災(zāi)險情。煙霧傳感器在實際運行中，會根據(jù)區(qū)域內(nèi)煙霧的實際濃度做出不同的響應(yīng)。煙霧探測器與溫度探測器被運用以偵察火警是否爆發(fā)。一旦發(fā)作火災(zāi)，濃煙密布時煙霧探測器將率先察覺到危機；而當(dāng)煙霧稀薄，從現(xiàn)場氣溫的驟變或異常升高可以辨認(rèn)火勢緊急。整合使用煙霧與溫度探測器，有助于迅速且有效地識別火災(zāi)的出現(xiàn)。此外，終端傳感器中設(shè)置的溫濕度傳感器實時監(jiān)測宿舍空間內(nèi)的溫濕度變化情況，通過將這一模塊反饋數(shù)據(jù)與煙霧傳感器模塊的預(yù)警數(shù)據(jù)結(jié)合能夠更精確判斷宿舍空間內(nèi)的火災(zāi)險情。最后，光照度傳感器的反饋數(shù)據(jù)作為上述模塊中反饋數(shù)據(jù)的輔助判定參考，用于對宿舍室內(nèi)實際情況的判定分析。在系統(tǒng)整體的終端傳感器硬件設(shè)置中作為輔助設(shè)置使用。3.11系統(tǒng)終端傳感器各部分器件選用與電路設(shè)計在硬件設(shè)計部分中，針對系統(tǒng)終端傳感器整體運行的電路設(shè)計，在系統(tǒng)主控制器部分應(yīng)用STM32L051C6T6單片機裝備，該型號的單片機裝置設(shè)置有48個引腳，F(xiàn)iaash容量可達(dá)到64kb，能夠充分滿足系統(tǒng)運行中的宿舍空間安防管理的需求。該型號單片機裝備共設(shè)有3個UART接口，能夠有效降低設(shè)備運行中的能耗。終端傳感器中的熱釋電外外線傳感器運行電路設(shè)置采用SB312模塊，該模塊供電范圍可以在3-12V之間自主調(diào)節(jié)，待機狀態(tài)下能耗在20μA以下，能夠滿足系統(tǒng)硬件使用電池供電的需求。終端傳感器硬件構(gòu)成中的溫濕度傳感器應(yīng)用SHT30-DIS型號的傳感器，該型號傳感器實際應(yīng)用中對空間濕度監(jiān)測的誤差能夠控制在±2%之間，溫度監(jiān)測的誤差能夠控制在±0.3℃上下，設(shè)備運行精度表現(xiàn)符合系統(tǒng)實際應(yīng)用要求。在傳感器供電電壓設(shè)置上，該型號傳感器供電電壓可以在2.4-5.5V之間自由切換。此外，系統(tǒng)硬件中的煙霧傳感器同樣使用低能耗的紅外傳感器，光照度傳感器在整體的系統(tǒng)硬件設(shè)置中屬于相對次要的部分，這一部分的具體選用造假更低的光敏電阻。為提高系統(tǒng)硬件對使用場景的適應(yīng)性，系統(tǒng)運行總體電源采用電池供電的形式，電池使用3.6V的一次性鋰電池。系統(tǒng)中各個功能模塊以3.3VLDO作為電源。根據(jù)系統(tǒng)終端傳感器硬件選型與使用要求，將各個傳感器器件連接起來的電路系統(tǒng)具體如下：圖12.系統(tǒng)終端傳感器硬件電路另外，在進行NB-IOT模塊的電子線路構(gòu)建時，必須注意確保模塊與學(xué)校安保系統(tǒng)的聯(lián)接性。NB-IoT無線通訊模塊的核心作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點與云服務(wù)平臺之間的信息互動。鑒于此項基本需求，設(shè)計NB-IOT模塊硬件時，應(yīng)該采用包括NB-IoT模塊、SIM卡插槽、供電電路、串行通訊電平轉(zhuǎn)換線路和重置線路在內(nèi)的相關(guān)組件。在NB-IOT模塊的硬件配置方面，BC26模塊作為核心硬件組成部分，該模塊具備在實際使用場景下支持運行TCP、UDP及COAP等通訊協(xié)議的能力。此外，BC26模塊的電源電壓可以在2.1至3.6伏特范圍內(nèi)進行自適應(yīng)調(diào)整。模塊與中央處理單元（MCU）的交互可經(jīng)由UART或SPI接口實現(xiàn)，并借助AT命令進行模塊工作狀況的檢測及與物聯(lián)網(wǎng)平臺間的數(shù)據(jù)互動等多項操作。在設(shè)計該硬件模塊的連接電路時，選用了3.6V的鋰電池作為主要電源，供電給BC26模塊，該模塊亦采納相同型號電池提供能量。為實現(xiàn)MCU對模塊電源開關(guān)的簡便操控，電池經(jīng)由PMOS管的轉(zhuǎn)接供電至BC26模塊。由于BC26模塊內(nèi)部需要1.8V電壓，而主控MCU工作于3.3V電壓之下，因而系統(tǒng)間的通訊要借助TI公司生產(chǎn)的TXS0102型號的低消耗雙向電平轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)電壓匹配。此外，BC26模塊的重置端子RESET和電源時序控制端子PWRKEY與MCU的連接是通過構(gòu)建成OC門電路的NPN型三極管來實現(xiàn)的。該模塊電路設(shè)計具體如下：圖4.系統(tǒng)NB-IOT模塊硬件電路第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計基于NB-IOT的智能宿舍安防系統(tǒng)軟件設(shè)計具體以包括系統(tǒng)中奪冠與云平臺數(shù)據(jù)通信協(xié)議，節(jié)點數(shù)據(jù)采集、NB模塊初始化以及平臺數(shù)據(jù)通信4部分內(nèi)容。4.1系統(tǒng)終端與云平臺對接流程設(shè)計系統(tǒng)終端和云平臺對接流程具體如下圖所示。根據(jù)圖中內(nèi)容，平臺對接需要先在電信平臺注冊賬戶，接著.登錄到平臺進行設(shè)備對接協(xié)議Profile的設(shè)計,然后在平臺添加設(shè)備并綁定IMEI碼,從而建立起設(shè)備與云平臺之間的連接。圖5.系統(tǒng)終端與云平臺對接流程設(shè)置在系統(tǒng)終端與云平臺的數(shù)據(jù)對接體系設(shè)計中，具體根據(jù)下圖中所示的編解碼插件結(jié)果將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)在二進制格式與Json格式之間進行切換，通過這一方式實現(xiàn)系統(tǒng)終端與云平臺的即時數(shù)據(jù)通信。圖6.系統(tǒng)終端與云平臺對接的編解碼插件結(jié)構(gòu)4.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計中，針對系統(tǒng)中的NB-IOT模塊搭建以BC26模塊為基礎(chǔ)，該模塊為系統(tǒng)運行提供LWM2M協(xié)議對應(yīng)的專項指令，系統(tǒng)中的主控單片機裝備可以借助這些固定的制定將系統(tǒng)終端與云平臺進行高速連接，而系統(tǒng)終端與云平臺之間的通信協(xié)議可以直接進入平臺門戶網(wǎng)站，獲取系統(tǒng)硬件與平臺硬件設(shè)備編解碼插件的線上編輯與上傳功能。系統(tǒng)終端與云平臺通信協(xié)議設(shè)計包含系統(tǒng)各模塊檢測數(shù)據(jù)定時上傳、平臺對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的響應(yīng)機制、平臺指令分布與系統(tǒng)終端對平臺指令響應(yīng)等系統(tǒng)功能運行關(guān)聯(lián)的協(xié)議。其中，系統(tǒng)終端各模塊檢測數(shù)據(jù)定時上傳的通信協(xié)議內(nèi)容具體如下：表1.系統(tǒng)終端各模塊檢測數(shù)據(jù)定時上傳通信協(xié)議通信協(xié)議中使用的各項序號具體用于對平臺接收數(shù)據(jù)信息完整性的識別，數(shù)據(jù)上傳設(shè)置有明確的時間格式，不同時間單位均設(shè)置對應(yīng)的字節(jié)。根據(jù)表格截圖中所示的通信協(xié)議信息，云平臺在接收到系統(tǒng)終端各個模塊發(fā)送的定時檢測數(shù)據(jù)之后，云平臺會向系統(tǒng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)接收無誤的對應(yīng)序號信息。云平臺對系統(tǒng)終端上傳數(shù)據(jù)的應(yīng)答協(xié)議具體如下：表2.云平臺應(yīng)答系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)上傳通信協(xié)議云平臺下發(fā)設(shè)置指令協(xié)議如下所示。協(xié)議中設(shè)置使能為7字節(jié)，不同的字節(jié)具體對應(yīng)系統(tǒng)電源電池的最低門限、非法入侵預(yù)警、火災(zāi)險情預(yù)警、室內(nèi)空間溫度上限預(yù)警、濕度上限預(yù)警、光照度低門限以及系統(tǒng)終端模塊數(shù)據(jù)反饋設(shè)置等各項功能模塊運行的使能，對應(yīng)字段為1時為設(shè)置使能，字段為0時部隊系統(tǒng)終端設(shè)置做出修改。表3.云平臺指令下發(fā)設(shè)置通信協(xié)議系統(tǒng)終端運行中接收到平臺發(fā)出的對應(yīng)設(shè)置指令，終端傳感器中的對應(yīng)功能模塊需要根據(jù)指令做出具體的響應(yīng)動作，并同時將當(dāng)前字段設(shè)置值向云平臺回傳，由平臺判定系統(tǒng)終端動作是否與指令要求一致。系統(tǒng)終端指令應(yīng)答的通信協(xié)議設(shè)置具體如下：表4.系統(tǒng)終端指令應(yīng)答設(shè)置通信協(xié)議4.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集流程設(shè)計本次智能宿舍安防系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，根據(jù)系統(tǒng)實際應(yīng)用需求，系統(tǒng)終端需要具備系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的初始化，系統(tǒng)運行主程序、串口接收中斷運行服務(wù)、系統(tǒng)各模塊實時運行數(shù)據(jù)采集等各項功能。在系統(tǒng)硬件設(shè)計環(huán)節(jié)中，為提高系統(tǒng)硬件應(yīng)用便捷性與對宿舍復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，系統(tǒng)終端傳感器硬件采用電池供電的形式，為節(jié)約能耗，系統(tǒng)硬件在日常會處于休眠待機狀態(tài)。針對這一情況，針對宿舍安防信息采集，需要設(shè)置緊急中斷與定時收集兩種形式。針對宿舍內(nèi)非法入侵預(yù)警、火災(zāi)險情預(yù)警等緊急情況，系統(tǒng)軟件設(shè)計中以緊急中斷作為數(shù)據(jù)收集的形式，以此方式確保系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)內(nèi)容收集與響應(yīng)的即時性，便于宿舍安防管理第一時間開展險情的處置。而針對系統(tǒng)終端供電電池電壓變化、宿舍空間內(nèi)溫濕度和光照度變化等實時性要求比較低的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在這些信息收集與反饋中采用定時收集的形式，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)的正常與否，再確定是否需要向平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)終端軟件設(shè)計中，數(shù)據(jù)收集流程設(shè)計具體如下所示：圖7.系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)收集流程設(shè)計4.4系統(tǒng)NB-IOT模塊初始化設(shè)計在本次系統(tǒng)設(shè)計中，出于系統(tǒng)整體運行低能耗的考慮，系統(tǒng)中的NB-IOT在非必要的情況下處于休眠的狀態(tài)，只有當(dāng)系統(tǒng)終端模塊需要與云平臺互聯(lián)，進行系統(tǒng)終端傳感器模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)定時上傳并接受平臺指令時，系統(tǒng)中的NB-IOT模塊作為系統(tǒng)終端與平臺的連接組件才會開啟運行模式。因此，在系統(tǒng)投入實際應(yīng)用的過程中，每一次進行系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)上傳或平臺指令接收之前都需要對系統(tǒng)終端的NB模塊進行初始化，將上一次的運行數(shù)據(jù)覆蓋，避免影響到系統(tǒng)終端與平臺之間的通信連接。根據(jù)系統(tǒng)終端軟件設(shè)計中應(yīng)用的LWM2M基礎(chǔ)流程設(shè)計，NB模塊初始化流程具體如下所示：圖8.系統(tǒng)NB模塊初始化流程設(shè)計根據(jù)上圖中內(nèi)容顯示，系統(tǒng)中NB模塊初始化第一項流程為模塊的供電，對模塊進行供電時，在恢復(fù)NB模塊供電指令發(fā)出之后，需要等待系統(tǒng)終端供電的響應(yīng)，而后借助AT指令獲取系統(tǒng)終端SIM卡的IMEI信息，查看當(dāng)前系統(tǒng)終端的實時入網(wǎng)狀態(tài)，同時檢查系統(tǒng)終端的NB模塊當(dāng)前獲取的IP地址是否能夠進行長正常的數(shù)據(jù)訪問。如果顯示IP地址有效，能夠正常進行數(shù)據(jù)訪問，系統(tǒng)終端做出響應(yīng)，配置IOT平臺地址與Port，保持系統(tǒng)終端與云平臺數(shù)據(jù)對接上行通道與下行通道的開啟狀態(tài)，之后就可以通過NB模塊進行系統(tǒng)終端與云平臺的即時通信，做出下一步系統(tǒng)運行動作。系統(tǒng)終端中使用的NB模塊與云平臺的通信機制設(shè)置與以往的智能化安防系統(tǒng)中的通信模塊在通信原理與結(jié)構(gòu)等方面都有一定的差異。NB模塊支持的PSM模式能夠確保NB硬件設(shè)備在長時間的休眠狀態(tài)下仍然能夠正常開啟與使用。NB模塊運行的機制設(shè)置，模塊首先將系統(tǒng)終端各個傳感器模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺中，而系統(tǒng)終端各項功能傳感器下一步的動作由平臺分析上傳數(shù)據(jù)后具體發(fā)出，NB模塊在其中具體承擔(dān)數(shù)據(jù)信息格式轉(zhuǎn)換與向?qū)?yīng)傳感器模塊發(fā)出動作指令的智能。該模塊完成初始化之后可以與云平臺進行互聯(lián)通信，整體的流程設(shè)計如下：圖9.系統(tǒng)NB模塊與云平臺通信流程設(shè)計根據(jù)上圖內(nèi)容所示，系統(tǒng)終端的NB-IoT模塊在初始化程序結(jié)束之后,與云平臺進行通信，首先需要先配置NB-IoT模塊的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流格式，借助指令“AT+QLWUPDATE"將數(shù)據(jù)發(fā)送中使用的格式信息同步到平臺中，之后就可以以這一格式將系統(tǒng)終端中各個傳感器模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(非應(yīng)答模式下不需要物聯(lián)網(wǎng)平臺的ACK,應(yīng)答模式下需要等待物聯(lián)網(wǎng)平臺的ACK),之后該模塊根據(jù)平臺對發(fā)送內(nèi)容的應(yīng)答讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)終端可接受的格式傳回到系統(tǒng)終端的各個功能傳感器模塊中，而后引發(fā)對應(yīng)的傳感器模塊動作；通信完成后NB模塊向平臺發(fā)送通信注銷請求,刪除LwM2M連接等；NB模塊結(jié)束上述動作，根據(jù)系統(tǒng)運行要求重新進入休眠狀態(tài)。第五章系統(tǒng)運行測試環(huán)節(jié)設(shè)計完成系統(tǒng)整體的硬件與軟件設(shè)計之后，為驗證系統(tǒng)實際運行效果需要對系統(tǒng)進行實際運行測試。針對系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)設(shè)計，測試中第一步將系統(tǒng)與校園安全管理的云平臺連接到一起，之后對系統(tǒng)終端與云平臺的實時連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)上傳完整性以及數(shù)據(jù)上傳速率，云平臺向系統(tǒng)終端下達(dá)指令的響應(yīng)速率與響應(yīng)準(zhǔn)確性等分別進行模擬測試。5.1測試環(huán)境搭建本系統(tǒng)的部署環(huán)境為宿舍，監(jiān)控攝像頭被放置于通道末端，其監(jiān)控范圍覆蓋門和窗戶以便偵測任何非法闖入者；煙感探測器和可燃?xì)鈾z測儀主要安裝在了樓道，按照10米左右的間距進行安裝，用于檢測區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)和煙霧的情況，進行迅速的相應(yīng)和報警。在宿舍房間內(nèi)布置了環(huán)境檢測傳感器，可以用于檢測宿舍內(nèi)環(huán)境情況。這樣實現(xiàn)了對于環(huán)境的檢測和對于火災(zāi)的檢測。5.2系統(tǒng)測試系統(tǒng)構(gòu)建完畢，需要對系統(tǒng)開展驗證，涉及環(huán)境檢測模塊、火災(zāi)預(yù)防、目標(biāo)識別環(huán)節(jié)以及系統(tǒng)全面檢驗。感知裝置分布于室內(nèi)外，搭載在系統(tǒng)之上，通電啟動后，預(yù)設(shè)每隔兩分鐘就讓末端接入點報告數(shù)據(jù)一次，連續(xù)作業(yè)六十分鐘，總計傳送數(shù)據(jù)三十次。隨后，通過云端平臺對接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行匯總分析，以便監(jiān)測數(shù)據(jù)遺漏或不正常波動的狀況。而后，依據(jù)云服務(wù)平臺所匯總的數(shù)據(jù)顯示，提交的資料被完全接收，通過查詢歷史記錄，可以看到系統(tǒng)每隔2秒鐘進行一次數(shù)據(jù)的接收，并且未檢測到遺漏或異常數(shù)據(jù)，完全達(dá)到了系統(tǒng)的運作要求。為檢驗系統(tǒng)內(nèi)的煙感是否運作正常，需對它們分別進行煙霧及易燃?xì)怏w的實驗。這種探測器都安裝于室內(nèi)，具體來說，香炷的燃燒煙被吹入煙霧探測器的感應(yīng)部件以激活警報機制，通過香炷的燃燒煙來進行相應(yīng)測試；同時也可以采用替代的方式，因為煙霧傳感器對于丁烷也體現(xiàn)出敏感性，所以測試過程中，煙霧部分可以通過打火機內(nèi)的丁烷氣體代替，通過啟動打火機并熄滅其火苗，使其持續(xù)釋放氣體，以考核氣感報警器的響應(yīng)能力。每個傳感器分別測試了10次，記錄數(shù)據(jù)，計算相應(yīng)時間后進行平均，計算結(jié)果表明傳感器相應(yīng)速度良好，滿足檢測和報警的需求。本系統(tǒng)的目標(biāo)檢測功能檢測環(huán)境中的入侵主體，并將其轉(zhuǎn)換為本文信息進行上報。通過對人員進行實際測試，測試時啟動傳感器和攝像頭，人員在室內(nèi)來回走動，攝像頭拍攝到人員后進行檢測，把輸出的文信息發(fā)送至云平臺。5.3綜合測試第一部分，系統(tǒng)調(diào)試。在設(shè)計系統(tǒng)時，一般需要進行整體調(diào)試，以確定其功能是否滿足設(shè)計要求。通過系統(tǒng)調(diào)試，可以完善系統(tǒng)，達(dá)到設(shè)計目的。根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計內(nèi)容進行硬件組裝。組裝完畢后進行系統(tǒng)整體電路策略，排查潛在的電路短路與連接異常等問題。在軟件部分，通過設(shè)置斷點和一步執(zhí)行來確認(rèn)程序的正確執(zhí)行速度，確定軟件和硬件在執(zhí)行過程中沒有問題，可以直接用Keil軟件燒錄程序，也可以通過串口控制和顯示界面驗證系統(tǒng)是否達(dá)到了預(yù)先設(shè)計的功能，直至最終整體調(diào)試完畢。第二部分，系統(tǒng)演示測試。接通系統(tǒng)電源，系統(tǒng)進入運行狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)外接屏幕內(nèi)容顯示：當(dāng)前室內(nèi)溫度21℃，濕度60%。系統(tǒng)運行中溫度閾值下限為24℃，上限為39℃；濕度閾值下限為40%，上限為82%。將當(dāng)前使用標(biāo)準(zhǔn)溫度計與濕度計測得的室內(nèi)溫濕度與系統(tǒng)數(shù)據(jù)對比顯示結(jié)果一致，證明系統(tǒng)中溫濕度監(jiān)控精度有充分保證，系統(tǒng)中設(shè)定溫濕度的閾值上下限測量精度也能夠得到有力保障。針對系統(tǒng)對室內(nèi)火災(zāi)、非法入侵等突出情況數(shù)據(jù)反饋效率，系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)中在完成設(shè)備與云平臺之間的對接后，分別對設(shè)備連接狀態(tài)、上傳數(shù)據(jù)和下發(fā)指令等進行了模擬測試。具體測試結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖10.系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與命令