幼儿园实时监测控制系统的设计

目  录

摘要----------------------------------------------------------------- I

ABSTRACT------------------------------------------------------------ II

1  绪论-------------------------------------------------------------- 1

1.1  研究背景与意义---------------------------------------------- 1

1.2  国内外的研究状况-------------------------------------------- 1

1.3  本文主要内容------------------------------------------------ 2

2  系统的总体设计---------------------------------------------------- 3

2.1  系统的研究任务---------------------------------------------- 3

2.2  系统结构设计------------------------------------------------ 3

3  系统硬件设计------------------------------------------------------ 5

3.1  控制系统模块------------------------------------------------ 5

3.2  电源模块---------------------------------------------------- 6

3.3  温度传感器模块---------------------------------------------- 7

3.4  烟雾传感器模块---------------------------------------------- 8

3.5  定位监测模块----------------------------------------------- 10

3.6  图像采集模块----------------------------------------------- 10

3.7  无线通信模块----------------------------------------------- 11

3.8  显示模块--------------------------------------------------- 12

3.9  系统整体电路图--------------------------------------------- 13

4  系统软件设计----------------------------------------------------- 14

4.1  主程序设计------------------------------------------------- 14

4.2  温度传感器的软件设计--------------------------------------- 15

4.3  烟雾传感器的软件设计--------------------------------------- 16

4.4  定位监测软件的设计----------------------------------------- 17

4.5  图像采集软件设计------------------------------------------- 18

4.6  WIFI模块的软件设计---------------------------------------- 20

4.7  手机端的连接----------------------------------------------- 21

5  系统调试--------------------------------------------------------- 23

5.1  实物测试--------------------------------------------------- 23

5.2  测试结果--------------------------------------------------- 24

6  总结与展望------------------------------------------------------- 25

6.1  总结------------------------------------------------------- 25

6.2  展望------------------------------------------------------- 25

参考文献------------------------------------------------------------ 26

致谢---------------------------------------------------------------- 28

附录---------------------------------------------------------------- 29

摘  要

幼儿园的教育都是建立在安全之上的，只有在安全的环境中，我们才能谈论儿童的教育和成长。它关系到成千上万家庭的幸福与国家的长期发展和未来。近年来，幼儿园常常发生各种安全事故，幼儿的生命安全和健康成长受到了严重威胁，我们必须对儿童的生命健康给予高度重视。幼儿园是教书育人的场所，幼儿园的安全保障是教书育人的基础。

该设计主要采用STM32嵌入式为处理器核心，利用无线通信ESP8266和各种传感器组成覆盖整个校园的实时监测控制系统。通过手机端实现对温湿度、烟雾、实时位置和学生的各种状态的监测，并通过STM32设定的温湿度、烟雾阈值控制继电器的吸合来控制电源的通断。同时该系统实现了手机终端控制继电器。

STM32为主控电路，利用温湿度传感器DHT11来监测温湿度度的高低，温湿度过高时系统开启空调，为儿童制造一个舒适的教室环境；利用烟雾传感器监测烟雾浓度，烟雾浓度过高时控制排气扇进行排气并进行报警，防止火灾的发生；利用射频识别技术KL4000设计儿童定位，防止儿童走丢；利用CMOS系列OV7725摄像头完成对儿童室内的各种状态的采集，实时采集并传输到手机端。

关键词：智能监控  射频识别技术  远程控制

ABSTRACT

Kindergarten education is all based on safety and only in a safe environment can we talk about the education and development of children. It is a matter of the well-being of thousands of families and the long-term development and future of the country. In recent years, various safety accidents have often occurred in kindergartens, and the safety and healthy growth of young children has been seriously threatened, and we must pay great attention to the lives and health of children. Kindergarten is a place for teaching and educating people, and the safety and security of kindergarten is the foundation of teaching and educating people.

The design mainly adopts STM32 embedded as the processor core, using wireless communication ESP8266 and various sensors to form a real-time monitoring control system covering the whole campus. Through the mobile phone terminal to achieve the monitoring of temperature and humidity, smoke, real-time location and various states of students, and through the STM32 set temperature and humidity, smoke threshold control relay suction to control the power on and off. The system also implements a mobile phone terminal to control the relays.

STM32 is the main control circuit, using the temperature and humidity sensor DHT11 to monitor the temperature and humidity degree, the system turns on the air conditioning when the temperature and humidity is too high to create a comfortable classroom environment for children; using the smoke sensor to monitor the smoke concentration, when the smoke concentration is too high to control the exhaust fan for exhaust and alarm to prevent fire; using the radio frequency identification technology KL4000 to design the positioning of children to prevent Using the CMOS series OV7725 camera to complete the collection of various states of the children's room, real-time collection and transmission to the mobile phone terminal.

Keywords: Intelligent Monitoring  RFID  Remote control

1  绪论 1.1  研究背景与意义

制定和实施国家中长期课程提高了学前教育的重要性，学前教育的重要性得到越来越多的人认可，并将其作为基础教育的基础。幼儿教育是学校教育和终身学习的起点....

近年来，幼儿园安全事故频发，对幼儿的生命构成极大威胁，给家庭、学校造成一定的伤害和损失。《幼儿园教育指导纲要》中明确指出：“幼儿园须把保护幼儿的生.....

1.2  国内外的研究状况

随着科技的发展，时代的进步，在物联网和互联网高速发展的情况下，全球教育呈现多样化、信息化、个性化和安全化。随着教育事业的发展趋势以及互联网时代的发展，.....

2014年以来，中国各大生产及科研厂商已经开始快速的进军智能化产业，.....

从近几年智能化的发展以及成效来看，有着很大的改变，几乎已.....

目前国外智能化教室、智能化校园建设等方面的人工智能化功能.....

1.3  本文主要内容

本文主要分析了在科技高速发展的21世纪，在物联网和互联网的作用下，....文内容安排如下。

第一章是介绍了系统的研究背景意义，....

第二章是根据研究任务提出了系统的整体概述.....

第三章是根据系统框架研究和分析.....

第四章是介绍了各个模块的.....

第五章是进行系统的测.....

第六章是总结与展望....

2  系统的总体设计 2.1  系统的研究任务

幼儿园实时监测控制系统整体采用模块化的设计方式，有效的提升了系统的兼容性，.....

（1）通过温湿度、烟雾、定位、摄像头等传感器能够实现对环境、儿童位置....

（2）当主控模块接收到采集的数据时将于系统中的阈值数据进行对比，.....

（3）用户可通过手机APP实时查看幼儿园教室的温湿度情况....

（4）通过OLED能够实时显示传感器采集到的温湿度、烟....

2.2  系统结构设计

该设计分为核心控制器模块、采集模块、报警模块、显示模块和手机端。.....

幼儿园控制系统的基础控制器为STM32系列的STM32F103C8T6芯片，....

采集模块主要分为温.....

（1）选用的是DHT11温湿度传感器对室内的温湿.....

（2）选用MQ-2烟雾传感器对室内......

手机端是借助中国移动物联网云平台.....

显示模块采用OLED屏对各个.....

系统内部通信是实现控制器与各个.....

系统外部通信是用户通过互联网对家用电器进行远程操作和控制的功能实现，并对幼儿园内幼儿的状态进行实时监控。系统整体框图如图2-1所示。

图2-1  系统设计整体框图

3  系统硬件设计 3.1  控制系统模块

本设计选用具有32位微控制器STM32系列的STM32F103C8T6，....

（1）卓越的能源管理

高性能并不意味着高耗能。.....

（2）高性能和创新的片.....

STM32处理器片上外围的优势来源于双APB总线结构，其中有一个高速APB（......

（3）高度集成化

STM32处理器最大程度地实现了集成，尽可能地减少对外部器件的............

（4）易于开发

STM32处理器系列易于开发，可以快速将产品推向市场。

对于STM32来说也相比51复杂。MCU微.........

图3-1  STM32F103C8T6最小系统电路图

本次设计选型用LQPF44封装的STM32F103C8T6为主控，如图中U1，供电电源为3.3V，主要由电源滤波电路.......

系统硬件控制部分是幼儿园监测系统的控制核心，调动各项任务，控制系统首先对采集的数据进行判断，.........

3.2  电源模块

该设计对电源的要求并不是太高，用基本的USB5V供电就可以实现，........

为了保证幼儿园实时监测系统可正常运作，需要电源模块对该系统进行可持续性供电，由于单片机STM32F103C8T6芯片、WIFI模块、........

图3-2  稳压电路图

3.3  温度传感器模块

温湿度传感器模块由于控制系统的设计需要收集室内温度，室内温度相对分散，DHT11传感器可以实现多点..........

图3-3  DHT11的实物图

DHT11型温湿传感器与单片机相接实现温湿度采集，然后通........

传感器DHT11的1引脚与电源相接，2脚为信号输入输出脚DATA接单片机的........

图3-4  DHT11的电路图

3.4  烟雾传感器模块

烟雾传感器模块的应用场景是在幼儿园教室内，因此烟雾传感器需要具有较高的灵敏度、响应速度较快.......

图3-5  MQ-2的实物图

烟雾监测方面采用的是MQ-2烟雾传感器，MQ-2烟雾传感器的应用电路一般有两种，一种是采用比较器电路进行监测，另一种是采用ADC电路进行检测。本论文采用比较器电路监测，电路如图3-6所示。

图3-6  烟雾信号比较电路图

MQ-2传感器的4引脚输出的烟雾浓度为直流信号，输出的信号被送到比较器当中，当输出电压高于中间的阈值电压时，比较器输出为0，电路发出警报；反之，报警关闭；可以通过.....

本次设计采用MQ-2集成模块，不需要对传感器进行信号处理，直接通过A/D转换器模拟量输出脚即可。由于该模块工作电压为5V，模拟量输出电压范围为0-4.5V左右.......电路连接图如图3-7所示。

图3-7  MQ-2传感器电路连接图

通过查阅大量相关文献，结合国家统一标准，......，如表3-1所示。

表3-1  教室环境参数阈值表

环境参数

阈值设置

温度

18℃~28℃

湿度

30%~80％RH

烟雾

<2000PM

系统主要是温度、烟雾过高时控制电器设备，......电路连接图如图3-8所示。电路与单片机的PA0相连。

图3-8  控制电路的连接图

3.5  定位监测模块

学生位置监测是选用的集成天线模块为KL400的读取器，内有8位8051单片机，包括256B内存，16KB程序存储器，3个定时器，串口数据位8位，......

RFID模块是对校园内学生位置的一个监测，装置在校园门口，通过RFID读写器，将学生个人信息作为标签录入数据库，将标签缝制在校服上，当......连接图如图3-9所示。

图3-9  KL400模块电路连接图

3.6  图像采集模块

图像传感器模块采用光电转换装置，把感光面的图像转换成与图像对应的电子信号。......

这种传感器可将半导体图像中的电子直接转换为不需复杂处理的电压信号，速度很快。......中采用CMOS的OV7725摄像头。

COMS系列的OV7725型摄像头用于图像采集模块，其时钟像素速率可达24MHz，这使其难以直接通过单片机的IO接口捕获图像，并且占用了大量的CPU资源，......

OV7725是CMOS系列具有30万分辨率的摄像头.....

AL422B是专门为FIFO设计视频存储器，支持同时写入同时读取。

其数据脚D0-D7与单片机的PB8-PB15相接......电路连接图如图3-10所示。

图3-10  OV7725连接图

3.7  无线通信模块

无线通信模块采用WIFI技术的ESP8266芯片，实现教室内温湿度监测、烟雾检测、学生流动状况和监控进行上传，通过与STM32的串口通信接入无线网络，......连接电路图如图3-11所示。

图3-11  ESP8266WIFI模块连接电路图

3.8  显示模块

显示屏模块采用OLED显示器，OLED具有功耗低，体积小，显示精准度高等特点，并且其功能强大，适合体积小的嵌入式设备开发。具有功耗低、显示明确、驱动简单等优点。采用的是OLED屏IIC-4针接口显示屏。

该OLED具有多种驱动方式，常用的方式主要有SPI和IIC驱动，本次采用IIC接口的方式，IIC只需要两根数据线即可驱动显示，使用原理简单。该模块具有4个引脚，VCC接电源3.3V供电，GND接地线，SCL接STM32F103C8T6的IICSCL脚PB6，SDA接STM32F103C8T6的IICSDA脚PB7。电路连接图如图3-12所示。

图3-12  显示器的电路连接

3.9  系统整体电路图

图3-13  系统整体硬件电路图

4  系统软件设计

4.1  主程序设计

在硬件控制系统的程序开发中，以Keil5为编译环境，用C语言编译程序，并输出HEX文件，实际上，我们用的是串行调试助手和网络调试助手。串行调试助手和网络调试助手，.....主流程图如图4-1图所示。

图4-1  主程序流程图

4.2  温度传感器的软件设计

设计中采用DHT11温湿度传感器读取温湿度，利用单片机的I/O模拟一定时序实现温湿度的读取，该传感器只有一个数据输入输出口，在单片机进行温湿度读取时，.....如图4-2所示DHT11温湿度传感器工作流程图。

图4-2  DHT11工作流程

4.3  烟雾传感器的软件设计

MQ-2有通过模数转换器输出的浓度值和TTL高低电平数字量的两种输出模式。用STM32的ADC采集易燃气体，并进行采样。

采样时需要设置串口及相应的传送功能，并且需要每隔1秒向串口输......工作流程图如图4-3所示。

图4-3  烟雾浓度采集

4.4  定位监测软件的设计

学生在校的位置监测由射频识别技术来完成，该模块监测电子标签并读取个人信息。......则终端发出异常提示。子程序如图4-4所示。

图4-4  RFID学生监管流程图

RFID阅读器采用实时扫描电子标签的方式对学习者的学习行为进行监测。扫描过程中，读取器读取标签信息后，立即将其送至单片机进行处理。读取器使用双通道模式处理标记信息：......

4.5  图像采集软件设计

摄像图像的采集应该在使用之前初始化，摄像OV7725应该通过SCCB总线与STM32通讯，摄像内寄存器应该在使用之前配置好。

OV7725芯片实现QVGA分辨率的视频采集。.....

当VSYNC为低电平时，图像正在传送；在VSYNC从低电平到高电平时，表示已传输完图像。HREF信号是在VSYNC值从0到1时使用的。HREF值由1变0时，表示已经传输......

摄像机的中断信号被传输到微处理器。微处理器接收到中断信号后，WEN引脚的电平上升，因此可以写入FIFO，然后将完整的图像数据存储在FIFO中。如果微控制器收到另一......图像采集流程流程图如图4-7所示。

图4-5  图像采集中断流程图                      图4-6  图像采集流程图

4.6  WIFI模块的软件设计

该系统使用WIFI无线模块ESP8266连接到服务器，所以必须配置模块的操作设置......工作流程图如图4-7所示。

图4-7  WIFI工作流程图

4.7  手机端的连接

该设计手机端主要是借助了中国移动物联网云平台，实现物联网功能。中国移动物联网平台与单片机的连接主要有以下几个步骤。

（1）注册账号、应用创建、数据.....

（2）Esp8266的AT指令的配置，第一步先初始化串口，......

（3）与平台建立连接，将产品ID、设备ID、鉴权信心和平台默认......

（4）数据上传，以EDP的Type格式上传。函数中.....

（5）命令下发。

如果设备在平台默认时间内没有向平台发送数据或者心跳包，.....

5  系统调试 5.1  实物测试

根据这个设计方案，制作了最终的电路板，并焊接了各个电路模块。焊机应按顺序进行，先焊电路模块，再焊电路接口及电源开关，断开电源。再用万用表检查各动力点是否正常，检......最后焊接完成的实物如图5-1所示。

图5-1  实物图

在系统板在开机正常工作后，等待5秒左右，最小系统板上绿色LED会亮，表示ESP8266模块正常；反之异常。

操作流程如下：首先在保证手机有网络的情况下打开OneNet官方APP设备云，......APP界面如图5-2所示。

图5-2  APP界面效果图

5.2  测试结果

（1）烟雾传感器模块MQ-2测试范围300ppm~10000ppm之间，当设备启动后，......

（2）温湿度传感器模块DHT11测试范围在5℃~45℃之间精度在3%，......

（3）当设备启动后，报警模块当烟雾值、温度值和湿度值任意一个.......

（4）当设备启动后，WIFI无线通信模块，在100米范围内，系统正常连接手机热点，屏.......