基于物聯(lián)網(wǎng)的景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：近年來由于氣候變暖等原因?qū)е聵O端天氣增多,各種自然災(zāi)害頻發(fā),其中景區(qū)火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險加劇。景區(qū)火災(zāi)不僅帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失,危害群眾生命安全,還會造成生態(tài)環(huán)境的破壞,因此景區(qū)火災(zāi)防護(hù)工作具有重大意義。對此，結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器、LoRa無線模塊和攝像頭模塊組成。傳感器終端設(shè)備安裝在景區(qū)易發(fā)生火災(zāi)的位置，實(shí)時采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過Lora模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)接收控制器，控制器將書數(shù)據(jù)處理后控制WIFI模塊通過MQTT協(xié)議上傳至云平臺。云平臺實(shí)時接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)結(jié)果推送至網(wǎng)頁端。本設(shè)計(jì)通過無線傳輸實(shí)時監(jiān)測景區(qū)是否有火災(zāi)，并實(shí)時響應(yīng)。提高了景區(qū)總體管理效率，降低了景區(qū)火災(zāi)發(fā)生的可能性。關(guān)鍵詞：傳感器；LoRa；MQTT

DesignofFireMonitoringandResponseSysteminScenicSpotsBasedonInternetofThingsAbstract:Inrecentyears,duetoclimatewarmingandotherreasons,extremeweatherhasincreased,andvariousnaturaldisastershaveoccurredfrequently,amongwhichtheriskoffireinscenicspotshasintensified.Fireinscenicspotsnotonlybringsseriouseconomiclosses,endangerspeople'slifesafety,butalsodamagestheecologicalenvironment,sothefireprotectionworkinscenicspotsisofgreatsignificance.Inthisregard,combinedwiththecurrentInternetofThingstechnology,afiremonitoringandresponsesystemforscenicspotsbasedontheInternetofThingsisdesigned.Thesystemconsistsofflamesensor,smokesensor,temperaturesensor,LoRawirelessmoduleandcameramodule.Thesensorterminalequipmentisinstalledinthefire-pronelocationofthescenicspot,whichcollectsdatainrealtimeandsendsthedatatothedatareceivingcontrollerthroughtheLoramodule.Afterthecontrollerprocessesthebookdata,itcontrolstheWIFImoduletouploadtothecloudplatformthroughtheMQTTprotocol.Thecloudplatformreceivesdatainrealtimeandpushesthedataresultstothewebpage.Thisdesignmonitorswhetherthereisafireinthescenicspotinrealtimethroughwirelesstransmission,andrespondsinrealtime.Itimprovestheoverallmanagementefficiencyofthescenicspotandreducesthepossibilityoffireinthescenicspot.Keywords:sensor，LoRa，MQTT目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章緒論 [17]。它的主要特點(diǎn)包括：高性能的32位RISC核心、靈活的靜態(tài)存儲器控制器、豐富的外圍設(shè)備、增強(qiáng)的中斷和事件管理等。該微控制器還支持多種通信協(xié)議，如CAN（控制器局域網(wǎng)）、USB（通用串行總線）等，適用于工業(yè)控制、通信、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)中，采用了STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制器，管理溫度、火焰、煙霧傳感器模塊、攝像頭、數(shù)據(jù)傳輸。溫度傳感器用于檢測實(shí)時溫度數(shù)據(jù)并識別是否達(dá)到閾值，火焰?zhèn)鞲衅饔糜跈z測區(qū)域內(nèi)火光數(shù)據(jù)，煙霧傳感器是檢測煙霧的濃度是否達(dá)到閾值，攝像頭用于實(shí)時監(jiān)測所屬區(qū)域的情況，通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫舜鎯Σl(fā)生至網(wǎng)頁端。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過閾值，系統(tǒng)界面會彈出火災(zāi)信息并通過廣播疏散人群。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了本設(shè)計(jì)使用到的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)數(shù)據(jù)的采集，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離傳輸，32位微控制器技術(shù)，應(yīng)用于本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)交互。對系統(tǒng)的通信模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

第3章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)需求分析本設(shè)計(jì)主要目的是設(shè)計(jì)一種可以檢測景區(qū)火災(zāi)的無線終端以及數(shù)據(jù)接收控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)需求如下：通過傳感器采集數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)。通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至接收控制器。將書采集的數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)信息化，智能化。在發(fā)生火災(zāi)時可以及時的發(fā)出警報響應(yīng)。3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)圍繞設(shè)計(jì)需求，通過各種傳感器采集火災(zāi)數(shù)據(jù)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)時的傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，再發(fā)送至網(wǎng)頁端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，當(dāng)檢測到火災(zāi)發(fā)生時及時的做出響應(yīng)，發(fā)出警報。所以本設(shè)計(jì)要求如下：穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集方案，選用合適的傳感器，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，防止數(shù)據(jù)誤判。高效、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時性高的數(shù)據(jù)傳輸，可以更及時的響應(yīng)，通知相關(guān)人員做出應(yīng)對，及時撲滅。穩(wěn)定可靠的電源設(shè)計(jì)方案，只有穩(wěn)定的電源設(shè)備才可以長期穩(wěn)定的運(yùn)行。3.3系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)旨在通過多種傳感器和通信模塊，包括火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器、LoRa模塊和Wi-Fi模塊，與云服務(wù)器連接，利用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?；鹧?zhèn)鞲衅鞑渴鹪诳赡馨l(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，監(jiān)測明火；煙霧傳感器安裝在潛在的火災(zāi)起源地，檢測煙霧濃度；溫度傳感器分布在景區(qū)各處，監(jiān)測環(huán)境溫度。LoRa模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，Wi-Fi模塊用于景區(qū)內(nèi)部通信。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過MQTT協(xié)議傳送至云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時分析和存儲。系統(tǒng)在檢測到火災(zāi)風(fēng)險時，通過廣播、系統(tǒng)終端推送等方式發(fā)出警報信號，提醒景區(qū)管理人員和相關(guān)部門。因?yàn)檫M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)較為簡單，開發(fā)速度快。攝像頭模塊用于畫面的實(shí)時監(jiān)控。開發(fā)網(wǎng)頁顯示界面，用于數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示。具體如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)工作邏輯圖3.4本章小結(jié)本章主要描述了本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，然后針對設(shè)計(jì)需求提出必要的設(shè)計(jì)要求，然后分析設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)合理的方案完成滿足本設(shè)計(jì)需求的功能。

第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1元器件選型4.1.1單片機(jī)選型單片機(jī)是電路系統(tǒng)的核心處理元器件，單片機(jī)一般由CPU、儲存器、以及對外的I/O接口。目前在市場使用和流通的單片機(jī)種類非常多。不同系列的單片機(jī)有著自己的特點(diǎn)以及使用場景，有些單片機(jī)主打低功耗，有些單片機(jī)主打性價比。經(jīng)過對本次課題產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前期預(yù)研以及相關(guān)文獻(xiàn)查找，對市場上的單片機(jī)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比。確定一下兩種方案是可供本次系統(tǒng)開發(fā)選擇。方案一：STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)在電子行業(yè)使用非常廣泛，STM32系列單片機(jī)在低功耗、底成本方面做的非常有競爭力。STM32系列單片機(jī)內(nèi)核采用ARM架構(gòu)的CortexM內(nèi)核，其中STM32F103C8T6單片機(jī)內(nèi)部自帶Flash存儲器，以及靜態(tài)SRAM儲存空間。有37個通用的I/0接口，支持I/O輸入、輸出、高阻狀態(tài)。I/O接口的引腳編號為PA0~PA15、PB0~PB15、PC13~PC15以及PD0~PD1，這些編號引腳大多都正常復(fù)用，通過程序設(shè)置不同的工作模式，可以實(shí)現(xiàn)通用GPIO接口、ADC采集、IIC通信、SPI通信等外部連接協(xié)議接口。STM32系列單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，支持I/O復(fù)用，因此需要比較熟悉各種配置模式，開發(fā)門檻相對較高，并且相對8位結(jié)構(gòu)的單片機(jī)成本相對較高。方案二：STC89C51單片機(jī)。STC89C51單片機(jī)是由STC公司開發(fā)的一款經(jīng)典8位單片機(jī)，目前市場上大量的電子產(chǎn)品在使用，網(wǎng)上資料豐富，開發(fā)門檻底，價格便宜。，AT89C51單片總共有四組I/O接口，分別為P0、P1、P2以及P3四組雙向I/O口，其中P0口內(nèi)部沒接上拉電阻，由于單片機(jī)的I/O輸出電流較小，因此在時間使用場景中，P0口一般都配合上拉電阻使用。P2、P3口除了正常的通用輸入輸出功能外，還支持其他外部中斷以及數(shù)據(jù)地址接口功能。P3口支持外部中斷、定時器中斷、串口通信等功能。STC89C51單片機(jī)的缺點(diǎn)是內(nèi)部不帶AD采樣、只有一個串口接口，不支持硬件SPI、IIC接口，外部擴(kuò)展能力差。選STM32。綜合以上兩種單片機(jī)方案，對照本課題設(shè)計(jì)的需求分析，STM32F103C8T6單片機(jī)功能強(qiáng)大，網(wǎng)上資料豐富。適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)。所以本次設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6單片機(jī)。4.1.2溫度傳感器選型方案一：選DHT11。DHT11溫濕度傳感器內(nèi)部集成了測溫元器件與感濕元件，并且內(nèi)部自帶了A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路?？梢酝ㄟ^單片機(jī)進(jìn)行軟件溫濕度校準(zhǔn)，在實(shí)際的工作中，可以通過校準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行溫濕度檢測與采集，能有效提高溫濕度采集的精度。DHT11溫濕度傳感器網(wǎng)上資料豐富，出現(xiàn)問題方便定位。軟硬件調(diào)試方便，不需要其他工具進(jìn)行輔助驗(yàn)證。方案二：選用DS1B20。DS18B20是一款使用非常廣泛的數(shù)字溫度傳感器，該器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了集成芯片，集成芯片內(nèi)部包含了A/D轉(zhuǎn)換模塊、存儲電路等。并且該傳感器體積小，外部硬件開銷非常低，抗干擾能力出眾，精度在同類產(chǎn)品中有優(yōu)勢。DS18B20溫度傳感器利用單總線數(shù)據(jù)輸出方式，可以在多點(diǎn)溫度采集模式下，非常有優(yōu)勢。很方便進(jìn)行多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)部署采集。選DS18B20。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)需要采集環(huán)境的溫度，系統(tǒng)對溫度采集的靈敏度和精度要求不是很高，考慮到成本和開發(fā)難度，本次系統(tǒng)溫度采集選擇DS18B20溫度傳感器。4.1.3顯示模塊選型方案一：LCD1602顯示屏。它的工作原理是基于一定的物理特性，利用電壓來控制屏幕內(nèi)部的電子矩陣，在屏幕按照正常的軟件配置后，就可以在指定的位置顯示數(shù)字或者字母，LCD1602顯示的功耗在同類型的顯示中功耗最低，并且顯示的數(shù)據(jù)無閃爍，顯示效果好，正常使用下不需要外部擴(kuò)展外圍電路?？梢酝ㄟ^單片機(jī)直接控制進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。方案二：OLED顯示屏。OLED又叫有機(jī)發(fā)光二極管，它在顯示數(shù)據(jù)時，不需要額外的外部光源進(jìn)行背景參照和控制，不同與LCD顯示屏。OLED在曲面的情況下也能進(jìn)行數(shù)字圖像等顯示，市場的全面屏基本上使用OLED模式，常見的OLED屏幕驅(qū)動顯示通信一般為IIC和SPI兩種接口，它的特點(diǎn)是外部接線少，硬件設(shè)計(jì)和焊接點(diǎn)方便，出現(xiàn)問題方便定位，軟件開發(fā)難度適中。選OLED。對比上述顯示介紹，結(jié)合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要顯示的數(shù)據(jù)，兩款顯示屏都可以滿足需求，結(jié)合自身對這兩款屏幕的熟悉程度，已經(jīng)軟硬件開發(fā)難度，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)本地?cái)?shù)據(jù)顯示選擇OLED。4.1.4煙霧傳感器選型方案一：MQ-2煙霧傳感。MQ-2煙霧傳感器是一種氣體敏感型氣體探測器，適用于家用、工業(yè)等場所。適用于氣體氣體，煙霧等氣體的探測。該器件具有靈敏度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，使用壽命長等特點(diǎn)，而驅(qū)動電路比較簡單。該傳感器是利用二氧化錫（SnO2）作為氣體傳感器來工作的。該傳感器具有多種用途，如家用煤氣泄漏報警器、工業(yè)可燃煙氣報警器和便攜式煙霧探測器等。方案二：YH-MQ-01煙霧探測器。YH-MQ-01煙霧探測器是一種以金屬-半導(dǎo)體工藝為基礎(chǔ)，特別針對可燃?xì)怏w及煙氣進(jìn)行檢測的儀器。本項(xiàng)目以氧化錫基為敏感材料，在潔凈空氣中導(dǎo)電率不高，但在有可燃?xì)怏w存在的情況下，其導(dǎo)電性會隨著濃度的升高而變大，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號。該傳感器是一款適合家用或工業(yè)使用的監(jiān)控設(shè)備。該傳感器靈敏度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，使用壽命長。對比上述兩款煙霧傳感器介紹，MQ-2模塊與YH-MQ-01模塊，都滿足本次系統(tǒng)煙霧檢測功能要求。其中MQ-2價格更加便宜，網(wǎng)上資料豐富。因此，本次系統(tǒng)選擇MQ-2煙霧傳感器作為本次解決方案。4.1.5通信模塊選型LoRa芯片的選擇關(guān)系到工作站的收發(fā)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，也影響到工作站的整體功耗，以下將對三種不同的LoRa芯片進(jìn)行介紹和對比選型。如表4-1所示為三種不同的LoRa芯片的詳細(xì)參數(shù)對比，從表中可以看出，最新的SX1262芯片相比于舊款的SX1268和SX1276最顯著的區(qū)別在于，當(dāng)處于同樣的射頻性能下，SX1262芯片無論是接收狀態(tài)還是休眠狀態(tài)下的電流都更小，相比其它兩款芯片更加省電。此外，三塊芯片支持的頻段都不相同SX1276支持的頻段為137-525MHz，SX1268支持的頻段為410MHz~810MHz，SX1262支持的頻段為150-960MHz，基本能夠覆蓋其他兩款芯片支持的頻率范圍。在LoRa調(diào)制下，SX1278的擴(kuò)頻因子6-12，空口數(shù)據(jù)速率0.018-37.5kbps。SX1262的擴(kuò)頻因子為5-12，空口數(shù)據(jù)速率0.018-62.5kbps，比SX1278/6大。表4-1三種LoRa芯片參數(shù)對比芯片型號SX1276SX1268SX1262工作電壓1.8V~3.7V1.8V~3.7V1.8V~3.7V頻率范圍137MHz~525MHz410MHz~810MHz150MHz~960MHz發(fā)射電流20mA32mA32mA接收電流10.8mA4.2mA4.2mA休眠狀態(tài)≤2μA≤2μA≤1μA數(shù)據(jù)速率300Kbps300Kbps300Kbps靈敏度-148dBm-148dBm-148dBm接口SPISPISPI輸出功率20dBm22dBm22dBm工作溫度-40℃~+85℃-40℃~+85℃-40℃~+85℃根據(jù)以上對三種LoRa芯片的對比，結(jié)合本設(shè)計(jì)對LoRa通信技術(shù)的要求，最終選擇SX1262芯片作為LoRa通信的無線收發(fā)芯片。4.2系統(tǒng)硬件組成本系統(tǒng)的硬件由兩大部分組成，第一部分為景區(qū)火災(zāi)報警數(shù)據(jù)采集和發(fā)送終端；第二部分為數(shù)據(jù)接收處理控制器部分。兩個部分共同組成了本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)。其中第一部分的硬件電路設(shè)計(jì)，是在以STM32為主控的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)該芯片的最小系統(tǒng)電路，以及本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集終端模塊需要采集的各種數(shù)據(jù)而使用到的各種傳感器模塊電路。實(shí)現(xiàn)無線通信的無線數(shù)據(jù)通信模塊電路。第二部分的電路組成也是以STM32作為處理器，設(shè)計(jì)其最小系統(tǒng)電路，以及和終端模塊通信的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路，以及網(wǎng)絡(luò)通信的無線數(shù)據(jù)模塊。4.3STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)STM32最小系統(tǒng)電路，整個系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控MCU，內(nèi)核是Cortex-M3，采用ARMV7架構(gòu)，它不僅有編碼密度高、中斷可靠、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。并且具備豐富的軟硬件開發(fā)工具和擴(kuò)展接口，是實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)硬件功能的理想選擇。即讓芯片可以運(yùn)行的最基本的電路組成，最小系統(tǒng)硬件電路組成主要有：電源電路，復(fù)位電路、時鐘電路、下載電路、啟動電路組成。具體如圖4-1所示。圖4-1主控芯片結(jié)構(gòu)圖STM32F103C8T6共有48個引腳，其中16個GPIO口（GPIOA~GPIOE）可用于輸入/輸出，同時還包括ADC、定時器、UART、SPI等專用功能引腳。內(nèi)置3個同步串行通信口(UART)，用于與外部設(shè)備進(jìn)行串行通信，支持多路模擬輸入和單通道轉(zhuǎn)換、多通道轉(zhuǎn)換以及連續(xù)轉(zhuǎn)換，都能夠匹配外部模擬或數(shù)字信號。主控引腳如圖4-2所示。圖4-2主控引腳圖4.3.1電源電路電源電路，STM32芯片使用3.3V電壓作為芯片的工作電壓，系統(tǒng)中會使用穩(wěn)壓芯片從而得到3.3V電壓源，但此時的電壓源有較大的紋波，需要在電源輸入芯片的引腳附近增加去耦電容，對輸入的電壓進(jìn)行濾波處理，使輸入芯片的電壓更穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源濾波電路如圖4-4所示。圖4-4電源濾波電路圖4.3.2復(fù)位電路復(fù)位電路，STM32單片機(jī)的復(fù)位電路的作用是在進(jìn)行復(fù)位的時候，讓單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器回到0000H這個地址，從而讓程序從開始處重新執(zhí)行。復(fù)位操作還會將一些寄存器、存儲單元的值重新設(shè)置為初始的設(shè)定值，讓單片機(jī)重新開始執(zhí)行。STM32單片機(jī)的三種復(fù)位方式1.上電復(fù)位；是在單片機(jī)上電啟動的時候進(jìn)行復(fù)位的，不需要人為干預(yù)，自動完成復(fù)位；2.手動復(fù)位；通過外部的復(fù)位電路手動進(jìn)行復(fù)位，比如按鈕、開關(guān)之類的；3.程序復(fù)位；通過程序內(nèi)部的程序進(jìn)行復(fù)位，一般有內(nèi)核復(fù)位函數(shù)、看門狗復(fù)位等的軟件復(fù)位方式。其中上電復(fù)位和手動復(fù)位通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)，程序復(fù)位通過軟件程序來實(shí)現(xiàn)。硬件復(fù)位電路通過一個4.7K的上拉電阻和一個0.1uF的下拉電容組成上電復(fù)電路，通過一個接地按鍵來實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位電路。硬件復(fù)位電路如圖4-5所示。圖4-5復(fù)位電路圖4.3.3時鐘電路時鐘電路，時鐘電路組成包括晶振和起振電阻，主時鐘晶振一般選用8MHz方便倍頻。晶振一般分為兩種，一種是有源晶振，有源晶振的特點(diǎn)是，穩(wěn)定性高，需要接電源供電，不需要外圍電路，成本相對較高。另一種是無源晶振，其使用精度相對較低，但成本相對較低。一般需要配合10pF的起振電容使用。本設(shè)計(jì)選用了成本較低的無源晶振作為時鐘電路。電路如圖4-6所示。圖4-6時鐘電路圖4.3.4下載電路下載電路，程序開發(fā)的過程中，需要下載bin/hex文件，為了方便調(diào)試下載程序，以及在線仿真調(diào)試，可采用SWD或者JTAG的方式。SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠，且只需4引腳，實(shí)際開發(fā)中一般都采用SWD方式。其中的時鐘線CLK是用于Jlink和芯片的時鐘同步，一般頻率設(shè)置為4MHz，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整頻率。下載接口電路如圖4-7所示。圖4-7下載電路圖4.3.5啟動電路啟動方式選擇電路，啟動方式通過芯片的BOOT0和BOOT1的高低電平選擇來實(shí)現(xiàn)，芯片的啟動方式分為三種；用戶閃存啟動;芯片內(nèi)置RAM啟動；以及系統(tǒng)存儲器啟動。通過選擇BOOT0和BOOT1的高低電平來選擇啟動方式。電路如圖4-8所示。圖4-8啟動方式選擇電路圖4.3溫度檢測電路本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的景區(qū)火災(zāi)檢測與響應(yīng)系統(tǒng),使用到了溫度傳感器、火焰檢測傳感器、CO2傳感器。使用合適的傳感器可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)檢測的靈敏度。溫度傳感器采用DS18B20可編程分辨率單總線溫度傳感器，采用單總線接口，只需要一個端口引腳進(jìn)行通信，外圍電路設(shè)計(jì)簡單，具有多點(diǎn)分步式測溫功能無需外圍元器件，供電范圍廣，供電在2.5到5.5V之間，測量溫度范圍在負(fù)55度到125度之間，測溫分辨率在9-12位之間可選。本系統(tǒng)的溫度傳感器選用TO-92封裝，有三個引腳，一腳為接地腳，二腳為信號輸出引腳，三腳為電源管腳。DS18B20的另一個功能是可以在沒有外部電源供電的情況下工作。當(dāng)總線處于高電平狀態(tài)，信號引腳與上拉電阻連接通過單總線對器件供電。同時處于高電平狀態(tài)的總線信號對內(nèi)部電容充電，在總線處于低電平狀態(tài)時，該電容提供能量給器件，該提供能量的方式成為“寄生電源”。當(dāng)然DS18B20可以通過VDD管腳連接外部電源供電。如圖4-9所示圖4-9DS18B20傳感器DS18B20供電一般采用外部供電方式，并且在數(shù)據(jù)線上并聯(lián)一個上拉電阻，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的抗干擾能力。單個DS18B20接線方式為VDD接到電源，DQ接單片機(jī)引腳，同時外加上拉電阻，GND接地。表4-1DS18B20傳感器引腳功能序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，開漏單總線接口引腳，當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源3VDD可選擇的VDD引腳，當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地4.4火焰檢測電路火焰?zhèn)鞲衅髂K采用紅外火焰檢測模塊，該傳感器模塊可以檢測火焰火災(zāi)波長在760納米到1100納米范圍內(nèi)的光源，對火焰光譜特別靈敏，檢測靈敏度可調(diào)。工作電壓采用3.3V供電，可選擇模擬電壓輸出信號和數(shù)字開關(guān)量信號輸出信號，模塊在環(huán)境火焰光譜或者光源達(dá)不到設(shè)定閾值時，信號口輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境火焰光譜或者光源超過設(shè)定閾值時，模塊輸出低電平。如圖4-10所示。圖4-10火焰?zhèn)鞲衅?.5煙霧檢測電路煙霧傳感器，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(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w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)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對丙烷、煙霧的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸氣的檢測也很理想。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。如圖4-11、4-12所示圖4-11煙霧傳感器4.6無線通信電路由于本設(shè)計(jì)的無線通信需要在較遠(yuǎn)的距離上實(shí)現(xiàn)，Zigbee模塊的通信距離比較近，不適合本設(shè)計(jì)的無線通信，藍(lán)牙的傳輸距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，綜合考慮遠(yuǎn)距離通信的設(shè)計(jì)要求，最終選擇了Lora模塊作為本設(shè)計(jì)的無線傳輸模塊，模塊采用SX1278射頻芯片設(shè)計(jì)，模塊的射頻芯片SX1268主要采用LoRa?遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，用于超長距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強(qiáng)，能夠最大限度降低電流消耗。借助SEMTECH的LoRa?專利調(diào)制技術(shù)，SX1268具有超過-148dBm的高靈敏度，+22dBm的功率輸出，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高。同時，相對傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，LoRa?調(diào)制技術(shù)在抗阻塞和選擇方面也具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗的問題。模塊的引腳定義如下，1腳為天線引腳，2腳為GND引腳，3腳為供電引腳，4腳為復(fù)位引腳，當(dāng)芯片上電可通過復(fù)位引腳，將射頻模塊復(fù)位，模塊通過SPI通信方式，四線SPI通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全雙工通信。模塊將通信引腳和電壓引腳通過排針引出，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)難度。模塊如圖4-13所示。圖4-13LoRa通信模塊4.7本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)硬件組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)，傳感器環(huán)境采集的相關(guān)軟硬件電路說明。對景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件的選型，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測功能，感知終端需要有主控芯片、傳感器、通信模塊等硬件以及主控制器各個傳感器的引腳分配實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，對整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行完善分析。

第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境本設(shè)計(jì)所用到的編程軟件為Keil5，其界面如圖5-1所示：本次系統(tǒng)開發(fā)是基于keil5編譯IDE，keil5相對keil4功能更加強(qiáng)大。Keil5軟件網(wǎng)上資料豐富，上手簡單，深受廣大學(xué)生和資深軟件開發(fā)工程師的喜歡，keil5軟件支持STM32、51系列單片機(jī)、NXP系列等絕大多數(shù)單片機(jī)，keil5能支持在線調(diào)試和一鍵編寫程序。綜合來看keil5比IAR上手更加簡單，網(wǎng)上資料更大。圖5-1Keil5開發(fā)界面5.2主程序設(shè)計(jì)如圖5-2所示，系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將各個外接設(shè)備按照要求初始化為默認(rèn)狀態(tài)，通過讀取系統(tǒng)設(shè)定，將各個工作站分別設(shè)定為發(fā)射工作站、中繼工作站和接收工作站。發(fā)射工作站首先檢測外部接入的傳感器和按鍵，讀取需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，接著將數(shù)據(jù)信息通過LoRa通信模塊發(fā)送出去。中繼工作站不斷接收數(shù)據(jù)信息，如果接收到數(shù)據(jù)信息，就將其按照原來的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)發(fā)出去。接收工作站不斷的接收數(shù)據(jù)信息，如果接收到數(shù)據(jù)信息就將其存儲起來。各個工作站在工作過程中會不斷地檢測按鍵狀態(tài)，根據(jù)按鍵狀態(tài)更換其工作模式。并且工作站會實(shí)時顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)、工作模式和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。圖5-2系統(tǒng)主程序工作流程圖5.3LoRa程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電初始化，檢測LoRa是否成功入網(wǎng)，就開啟周期定時數(shù)據(jù)采集，采集LoRa采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較。檢測是否需要執(zhí)行關(guān)閉或者打開相關(guān)設(shè)備執(zhí)行操控。檢測的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送AT指令，LoRa模塊將檢測的數(shù)據(jù)上傳到LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)本地保存，并且上傳到指定的服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器可以通過DeviceID+指令遠(yuǎn)程控制硬件設(shè)備的執(zhí)行和啟停。具體工作流程如圖5-3所示。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個傳感器數(shù)據(jù)包括溫度，二氧化碳濃度，火焰燈數(shù)據(jù)，通過LoRa將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳到云端。圖5-3LoRa軟件工作流程圖5.4顯示程序設(shè)計(jì)如圖5-4所示，顯示程序的基本步驟為：（1）復(fù)位：通過拉低RST（RES）管腳，使OLED顯示器復(fù)位，清除內(nèi)部寄存器和顯存的數(shù)據(jù)。（2）初始化：通過發(fā)送一系列的命令字節(jié)，設(shè)置OLED顯示器的工作參數(shù)，如對比度、亮度、分辨率、映射方式、電荷泵等。（3）開啟顯示：通過發(fā)送開啟顯示命令（0xAF），使OLED顯示器開始工作。（4）清零顯存：OLED顯示緩存是一個用于存儲OLED顯示內(nèi)容的數(shù)組，它的大小為128×64/8=1024字節(jié)，每個字節(jié)對應(yīng)一個8×8的點(diǎn)陣，每個點(diǎn)陣的亮滅由字節(jié)的每一位控制。通過發(fā)送全0或全1的數(shù)據(jù)字節(jié)，清除OLED顯示器的顯存內(nèi)容，使屏幕全黑或全白。（5）開始顯示：通過設(shè)置頁地址和列地址，選擇要寫入或讀取的顯存位置，然后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)或讀取數(shù)據(jù)字節(jié)，實(shí)現(xiàn)圖形、文字、圖像等內(nèi)容的顯示。圖5-4顯示程序結(jié)構(gòu)5.5傳感器程序設(shè)計(jì)各個傳感器工作流程如圖5-5所示。單片機(jī)系統(tǒng)上電，初始化外設(shè)，讀取溫度數(shù)據(jù)，讀取火焰，二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，檢測是否超過閾值，如果超過閾值就進(jìn)行報警，并且通過LoRa通信進(jìn)行數(shù)據(jù)異常上報。如果檢測各個傳感器沒有超過閾值，就周期性檢測。圖5-5傳感器工作流程圖5.6本章小結(jié)本章重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)過程以及其中幾個子程序流程概述出來。對系統(tǒng)工作主流程工作流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對景區(qū)火災(zāi)檢測工作流程進(jìn)行了工作流程介紹，對通信程序工作流程進(jìn)行了描述。本章重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)各個模塊軟件的工作流程和功能實(shí)現(xiàn)。

第6章系統(tǒng)測試與結(jié)果分析6.1系統(tǒng)調(diào)試本系統(tǒng)的大多軟硬件的調(diào)試均在單片機(jī)開發(fā)板上完成。在開發(fā)板上實(shí)驗(yàn)成功后，開始焊接，簡單連線即可實(shí)現(xiàn)功能。硬件模塊作為整個系統(tǒng)的骨架，屬于整個系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)問題的部分，如果硬件出現(xiàn)問題，軟件就不能正常運(yùn)行和調(diào)試。硬件模塊主要包括元器件損壞直接到系統(tǒng)不能正常工作、硬件模塊軟件虛焊導(dǎo)致硬件偶發(fā)運(yùn)行出問題等情況。本次將使用畫圖軟件進(jìn)行電路原理圖的制作，按照設(shè)計(jì)需求，繪制出各個模塊與電路。考慮到繪圖效率，運(yùn)用了軟件提供的簡便工具，如網(wǎng)表生成、電路搜索等。在完成各個模塊后，對其電源和單片機(jī)I/O連接進(jìn)行比對，以保證連接正常。最后，對原理圖進(jìn)行必要的審查和修改，以確保原理圖沒有邏輯上的錯誤和不合理的設(shè)計(jì)。焊接調(diào)試是一個不可或缺的工作階段，需要在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行。這個過程對于整個項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。焊接是將電子元器件和其他硬件部件焊接到焊接板上，從而實(shí)現(xiàn)它們的互聯(lián)互通的過程。一旦焊接完成后，程序編寫和燒錄才能進(jìn)行。6.2系統(tǒng)功能測試在單片機(jī)系統(tǒng)中，電源調(diào)試是至關(guān)重要的，在確保系統(tǒng)正常運(yùn)行和長期穩(wěn)定方面扮演著關(guān)鍵性角色。其主要包括電路設(shè)計(jì)、穩(wěn)壓電路檢測和電源電量管理等方面。在進(jìn)行電源調(diào)試之前，需要對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的電源輸出電壓、電流和功率。采用電源濾波器和穩(wěn)壓器等元器件使輸出的電流和電壓保持穩(wěn)定。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中有溫度感器、煙霧傳感器，火焰?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)采集、在程序中已經(jīng)將底層程序做好，利用OLED顯示，測試煙霧傳感器檢測是否出現(xiàn)火情，然后測試溫濕度傳感器采集的溫濕度是否正常，火焰參數(shù)是否發(fā)生改變。當(dāng)OLED顯示器上的讀數(shù)符合要求，則傳感器調(diào)試完成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求OLED作為顯示器件，使用測試代碼，先調(diào)通顯示內(nèi)容，然后根據(jù)需要對屏幕上的顯示內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，當(dāng)屏幕無法顯示時，檢查其供電與背光電源的供電、對比度的調(diào)節(jié)。一搬排除這些問題是能夠顯示，若無法顯示就是測試程序的問題，可能是時序或者寫入地址錯誤，排除問題即可。液晶顯示調(diào)通后為后續(xù)的測試提供基礎(chǔ)。具體如圖6-1所示。圖6-1系統(tǒng)實(shí)物測試6.3結(jié)果分析表6-1測試用例表編號模塊名稱測試內(nèi)容預(yù)期結(jié)果實(shí)際結(jié)果01OLED屏數(shù)據(jù)顯示測試OLED顯示數(shù)據(jù)是否正常OLED可以正常顯示溫度，火焰，煙霧傳感器檢測的數(shù)據(jù)正確02煙霧濃度測試通過蠟燭在煙霧傳感器旁邊燃燒，查看OLED煙霧濃度數(shù)據(jù)是否動態(tài)變化蠟燭燃燒，煙霧傳感器數(shù)據(jù)快速增加，超過閾值蜂鳴器報警正確03通信測試通過測試WiFi模塊數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器是否正常通過改變傳感器的檢測環(huán)境，各個傳感器的數(shù)據(jù)動態(tài)變化，數(shù)據(jù)可以實(shí)時上傳數(shù)據(jù)到云端。正常04溫度傳感器測試通過將溫度傳感器握在手中，查看OLED溫度數(shù)據(jù)是否動態(tài)變化OLED數(shù)據(jù)可以動態(tài)變化，溫度檢測正常正確05報警測試通過改變測試環(huán)境，將各個傳感器的數(shù)據(jù)參數(shù)超過閾值，查看蜂鳴器是否正常報警當(dāng)各個傳感器檢測超過閾值時，蜂鳴器正常報警正確06火焰?zhèn)鞲衅鳒y試通過打火機(jī)靠近火焰?zhèn)鞲衅?，檢測OLED和蜂鳴器是否狀態(tài)改變和報警檢測火焰?zhèn)鞲衅鳡顟B(tài)正常正確6.4本章小結(jié)本章主要介紹基于物聯(lián)網(wǎng)景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件調(diào)試方案與結(jié)論，經(jīng)過對物聯(lián)網(wǎng)景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行軟硬件調(diào)試，可得出物聯(lián)網(wǎng)景區(qū)火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成良好，可運(yùn)用在實(shí)際環(huán)境的結(jié)論。

第7章結(jié)論本次課題設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了景區(qū)火災(zāi)檢測與響應(yīng)的設(shè)計(jì)，并通過硬件單片機(jī)的控制，搭配外圍檢測、處理等電路實(shí)現(xiàn)了檢測工作流程。通過合理的硬件電路配合、軟件邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳感器采集數(shù)據(jù)并傳輸。通過檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度和火焰及煙霧，以及當(dāng)前環(huán)境是否有人等因素，進(jìn)行數(shù)據(jù)識別實(shí)時數(shù)據(jù)反饋終端作出反應(yīng)。整個設(shè)計(jì)工程中，主要考慮了硬件電路的穩(wěn)定性和軟件邏輯的高效性。在硬件電路方面主要采用了獨(dú)立式按鍵電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，減少了硬件電路的復(fù)雜度。而在軟件邏輯方面，通過合理地編程實(shí)現(xiàn)了各種傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí)時性，這兩個方面的設(shè)計(jì)相互配合，確保智能檢測與響應(yīng)功能的順利實(shí)現(xiàn)。在整個設(shè)計(jì)中，我們還注意到了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定獲取，以及數(shù)據(jù)輸出格式的規(guī)劃，從