基于2.4G nrf24L01的智能家居无线报警系统的设计外文翻译资料

 2022-03-24 22:29:19

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基于2.4G nrf24L01的智能家居无线报警系统的设计

摘要：本文设计了一个功能完善的智能家居无线报警系统，系统基于2.4G无线网络。它主要由机器报警和主机报警两种主要形式。对于机器报警，它包括由各种传感器探头组成的信息采集电路和STC12C5A60S2 MCU和nRF24L01无线传输模块。它可以收集温度和湿度，气体泄漏，火灾，烟雾，黑客信息，然后将通过收集信息无线传输到终端报警主机。对于报警主机，它包括声光报警器，蜂鸣器和STC12C5A60S2微电子组成电路和nRF24L01无线接收模块。报警主机可以从无线传输接收到报警信号并对其进行处理，使报警动作。系统有响应广泛的检测范围，并且价格便宜。适合绝大多数家庭的报警使用。

关键字：STC单片微机，无线报警系统，传感器模块，声光报警电路，NRF24L01

无线网络。

  1. 引言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，各种日常设备可能会导致许多安全问题。例如，有气体泄漏，火灾，水管爆裂等。如果这些事件发生时不能及时救援，就会造成个人和财产安全的巨大损失。所以作为社会的基本单位，家庭安全问题尤为重要。高科技家居防盗安全报警系统受到越来越广泛的关注和应用（王和东，2011）。目前，国内外安全防范报告已有各种研究和海外技术水平已经很高了，北美最成功的商业模式是网络报警服务模式。

与此同时，它结合了大量的网络管理技术，系统集成技术和电子技术。它已成为一个非常先进的网络报警服务平台。因为国内通信手段和产业发展水平，特别是我国芯片未能赶上国际水平，国内安防技术水平仍处于较低水平。

一个知名品牌在安全市场上大都是进口国外的，并被广泛应用于一些新的区。线性产品具有专线，性能稳定，无电源的优点。但在整个结构和局部严重的线性产品中存在问题。另外，用户想要改进一些新的功能，但他们不知道该怎么做。所以无线产品的市场在这个历史时刻出现了，并且可以解决上述所有问题。但这样昂贵的进口产品是不适合家庭使用，目前全球市场的无线产品是美国ITT系列一般智能公司，但是，它是专业生产美国无线报警产品而且产品价格非常贵。

二十世纪中叶以来，第三次技术革命开始崛起，带领人类社会进入电子信息时代。在二十一世纪，人类充分利用电子信息，人们与信息技术密不可分。还有很多家庭设备同时带来隐藏在人们日常生活中的安全隐患。另外，社会保障在许多城市的情况不好，人民群众的财物安全受到很大的威胁。在目前的社会环境下，必须为人民建立警戒系统，绝大多数都可以使用的家庭和社区。如今，传统的安全酒吧影响到建筑不仅美丽，而且影响存在安全隐患，有线报警方式存在复杂的布线，该接线容易老化，线路故障难以排查等。基于2.4G技术的智能家庭无线报警系统可以解决上述问题。

与传统机械安全系统相比，具有以下优点：（1）不影响城市建筑的美丽干净。 （2）不影响消防救援通道。（3）没有为犯罪者提供便利条件。（4）长时间不会有物体掉落的危险时间。

可以实时监控整个家庭环境的安全状况，监测范围包括室内安全，火灾报警，气体泄漏，管道爆裂等一系列不安全因素。一旦有安全事故报警系统将给出相应的报警信息，可以有效应急报警信息后立即采取措施，也可以处理紧急事故，减少损失的个人财产安全。另外，报警系统的设计研究和实现有一个具有某一确定的现实意义和实践价值，对发展中的公司有一个确定的影响。

2.系统设计

2.1整体系统设计图

整个系统包括报警从站和报警主机，他们通过无线网络数据传输。

（1）报警从机包括：整体设计信息采集和处理电路家庭环境监测通过DHT11的温湿度传感器，进行气体泄漏检测传感器分别为MQ-5，烟雾传感器MQ-2和人体红外检测传感器RE200B。此外，它使用无线模块nRF24L01（Tong2012），它向主机发送异常信号无线网络传输手段。

（2）报警主机包括：实现声光报警，并具有报警信息的功能，实时显示。它采用LED和蜂鸣器设计声光报警电路，采用LCD12864显示屏显示报警信息，并使用nRF24L01无线模块从从机接收信息。 STC微控制器扫描无线模块是否收到，如果无线模块收到报警来自从机的信息，STC微控制器将处理信息，驱动声音和报警电路报警和实时显示报警信息。

（3）整机系统采用STC微控制器作为主控芯片，结合nRF24L01无线模块用于无线传输数据交换。

2.2系统的总体框图

系统的总体框图如图1，图2和图3所示。

图1.系统架构

图2.报警从站设计图

图3.报警主设计图

3.硬件设计

3.1温湿度传感器

DHT11是一个单总线双向串行数据传输传感器，信息采集电路是真实的，引脚1是连接电源，电源电压从3 V到5.5 V，引脚4连接地（Chenand Liu，2014）。 引脚2是数据端口，与处理器MCU进行数据通信，并连接MCU的I / O端口，当附件小于20米时，需要拾取5 k上拉电阻，如果高于20米，则 需要实际情况选择适当的上拉电阻，并将引脚3挂断。 在实际应用中，电源引脚（VDD，GND）间接连接100n电容，用于去耦滤波，并提高电路性能。温湿度采集电路如图4所示。

图4.温湿度采集电路

MzLH04是串行SPI接口，电路连接非常简单，接口电路如下，单片机处理传感器收集的温湿度信息，驱动LCD12864显示（Veleva和Davcev，2012）温湿度显示 接口电路如图5所示。

图5.温湿度显示接口电路

3.2气体泄漏检测电路设计

气体泄漏检测电路设计ZYMQ - 5气体传感器的工作原理是：在不同浓度气体传感器的环境下，具有不同的电阻，可以视为可变电阻。附加传感器和分压电阻串联在电源两端，气体传感器电阻R_MQ-5电阻随之而来气体浓度的变化，分压比也随着变化，输出电压的变化而变化可以跟随气体浓度变化（Xu and Hu，2013）。 设计电路并处理变更输出电压值，可达到气体泄漏检测的目的。部分压力传感器电路为如图6所示。

图6.部分压力传感器电路

专业电压比较装置采用LM339（Zhang和G.Z. Guo，2015），一般采用LM324，LM358，OP07运算放大器也可以实现电压比较器。 此设计选择OP07

用于电压比较器的运算放大器，处理传感器电路的输出电压信号实现气体检测和报警功能。 OP07的引脚2为负输入，引脚3为正输入，引脚6为输出，引脚7为正功率，引脚4为负电源或GND。电压比较器如图7所示。

图7.电压比较器

OP07运算放大器是双电源芯片，采用单电源，其输出电压有一定的差异，经过实际测量，得出如表1的结论：

表1.单电源比较器

电源

对比

结果

Pin7—VCC ( 5V)
Pin4—VCC（-5V）

正输入电压gt;负输入电压

Voutput = 4.94V

负输入电压gt;正输入电压

Voutput=-0.87V

使用单个电源，输出端具有高低电平的变化，高低电平可用于产生方波或驱动电路。 但是低电平 1.4 V仍然很高，如果发送到SCM I / Oport，进行SCM检测（高和魏，2014），单片机的识别不会稳定，因为STC微控制器在这个设计中更多 高电平为2 V，低电平为0.8 V。 0.8之间V-2 V状态可能高或低，识别不稳定。因此，需要改进方案，最有效的方法之一是采用双电源，采用双电源，实际测量后，包括 表格数据和气体泄漏检测完成电路如图8所示。

表2.双电源比较器

电源

对比

结果

Pin7—VCC ( 5V)
Pin4—VCC（-5V）

正输入电压gt;负输入电压

Voutput = 4.94V

负输入电压gt;正输入电压

Voutput=-0.87V

图8.漏电检测完成电路

3.3烟雾检测电路设计

ZYMQ-2烟雾传感器的原理与ZYMQ-5相同，所以烟雾检测电路设计与气体检测电路设计相似，只进行一定的参数变化（Faetti和Paradiso，2013）。 烟雾检测完成电路如图9所示。

图9.检测完成电路

3.4人体红外传感器设计

有两种最常见的红外防盗报警器：主动和被动。

（1）第一种方案是有效的两个探头，一个适应红外线发射管发射红外线

光;另一个红外线接收管来检测非法入侵。这个解决方案需要设计一个反光

处理电路和接收电路。

（2）第二个方案是被动的，只有一个探头，而不是主动发射红外线功能，而是检测人体红外光谱的报警。该方案只需要设计一个电路，处理无源传感器探头的信号。

通过上述两种方案比较，发现方案2简单，成本低，可靠性高，软件设计更简单，所以本设计采用方案2实现人

身体检测报警。使用RE200B（Hoey和Zakaria，2012）红外传感器获得人体红外信号采集，经过BISS0001芯片处理后的单片机，​​微控制器等相应的操作，如灯光，驱动蜂鸣器等。

根据运算放大器电路的工作原理，多级放大器的电路电压比为：

而这个公式意味着多级放大器电路的电压放大比等于所有电平放大电路电压放大倍数的乘积。 所以你可以在BIS0001（Choi and Beom，2013）看到它的运算放大器放大倍数：

电阻R4可以调节放大器增益的大小，手册中给出的信息为10 K，但实际应用中，使用3.3 K电阻，可以提高电路增益，提高电路性能。 BISS0001的Pin1连接GND，A = 0，不重复触发工作方式。 而这个电路的总增益为66 DB（Choi and Jie，2014）。

图10.机器连接电路

3.5从机设计

使用STC12C5A60S2作为主控芯片，扫描，读取传感器信息采集和处理信息，同时组合nRF24L01模块，通过无线向主机发送报警信号，实现远程报警（Wei和Rim，2012）。 输出延迟时间由外部R8和C6的值决定，TI由外部R7和C7决定，运算放大器放大增益：电路总阻抗为66 DB。 通过COP1和COP2处理双向学习后，有效触发信号检测Vs启动延迟定时器，输出信号。机架连接电路如图10所示。

3.6主机设计

主机设计使用STC12C5A60S2作为主控芯片，首先通过传感器读取信息采集并处理信息，如果收到信息，让P0.5获得高电平来控制LED，驱动蜂鸣器，实现功能 声光报警，液晶显示屏上显示的报警信息（Park和Lyu，2012）。主机连接电路如图11所示。

图11.主机连接电路

4.软件系统设计

4.1温湿度信息采集模块软件设计

读取温湿度采样

Y

N

LED开，蜂鸣器开

返回

LCD显示

清除显示

LED熄灭，蜂鸣器关闭

Limit?

数据转换

T1

打开中断

LCD

开始

图12.主要程序流程图的温湿度信息采集模块

MCU从传感器读取数据，首先，MCU的P1.1获得高电平，并将初始脉冲信号发送到传感器并延迟一段时间等待DHT11响应，如果DHT11响应开始接收数据，则无响应继续 等待。温湿度信息采集模块的主程序流程图如图12所示。用于数据转换和驱动LCD显示的SCM，调用RH（）功能，读取数据，数据不能直接用于显示， 需要转换您收到的数据，然后调用LCD驱动功能显示温湿度值。

MCU的代码用于数据转换和驱动LCD显示:

RH();
displayRH =U8RH_data_H/10;
disRH=U8RH_data_H;
displayT =U8T_data_H/10;
disT=U8T_data_H;
for(i=0;ilt;20;i )
FontSet_cn(1,1);
PutString_cn(10,5,'Welcome You!');
PutString_cn(0,25,'humidity:');
PutString_cn(0,45,'temperature:');
FontSet(1,1);
ShowChar(50,25,displayRH,1);
ShowChar(50,45,displayT,1);
PutString(65,25,'. %RH');
PutString(65,45,'. C');
PutChar(72,25,disRH 48);
PutChar(72,45,disT 48);
SetBackLight(

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