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基于网络的教室智能照明系统终端设计本科毕业设计（论文）题 目 基于网络的教室智能照明系统终端设计姓 名 专 业 电气工程及其自动化 学 号 指导教师 郑州科技学院电气工程学院 二一五年五月目录摘要iabstractiii前言v1 基于网络的教室智能照明系统终端系统总体设计11.1 系统的设计原则11.2 系统的总体组成11.2.1 教室控制终端21.2.2 主控上位机31.3 系统的工作过程41.4 本章小结42 基于rf无线通信网络的教室智能照明终端设计52.1 设计要求52.2 设计方案的选择62.2.1 硬件设计的方案选择62.2.2 系统的软件方案73 教室控制终端数据采集的模块的设计83.1 无线通信模块的设计83.1.1 控制模块mcu93.1.2 nrf905外围电路设计113.2 室内人数检测设计143.2.1 关于人数检测的方法143.2.2 教室人员进出检测与统计143.2.3 红外对射系统硬件电路的设计173.3 教室光照强度检测模块设计过程203.4 终端控制系统供电电路的设计224 系统的软件设计234.1 软件设计总体方案分析234.1.1 软件编程的思想234.1.2 软件设计步骤244.2 各模块的软件设计244.2.1 主程序的设计244.2.2 数据采集模块的软件设计255 系统的调试与问题分析315.1 系统的调试工作315.2 出现的问题31结论32致谢32参考文献32v基于网络的教室智能照明系统终端设计摘要随着经济的迅速发展，人民的生活水平的提高，工业规模化、现代化。尤其是在照明方面的应用，更是此起彼伏。“计划用电”、“拉闸限电”已经成为人们生活当中的热门话题。中国高等院校教室多，而且多为教室、实验室，据统计，高等学校的用电量占全国总用电量的40%50%，一些教室包括部分自修室经常会出现室内无人或者人数很少照明设备却保持长时间明亮的浪费电的现象1。该设计的诞生就是为了解决这种浪费电现象。它是由nrf905无线通信模块构成的无线局域网，单片机处理系统，控制终端继电器、开关等，实现照明的智能化、统一管理。此终端系统采用单片机作为控制系统的主控制器，采用无线射频模块nrf905实现与上位机的通信，通过热释电红外线检测技术采集教室人数，光敏电阻构成的电路来检测环境光的强度，加上教室的作息时间表等信息，合理的控制单片机，进而控制室内电气设备开关送电、断电，达到节电的效果。关键词：人数采集；光照强度采集；智能照明；节电classroom-based intelligent lighting system terminal network designabstractwith the development of the economy, the contradiction between supply and demand of energy becomes an increasingly problem. although the electricity power of the electric industry in our country has developed quickly in recent years, the velocity of electricity consumption is much bigger than that. so the “electro-plan”, “electro-limit” and so on has become the hot topics among the people. the college and universities, which integrate the teaching, research, and living in one system, have become the important large consumer of the power. and their electricity consumption of the lighting is more than 40%50% of the total power consumption. but in high schools , the phenomenon of long-lighting is universal and brings the serious waste of the power.in order to solve the problem of power waste in college and university, we design the lighting energy-saving control system based on rf wireless communication network. based on the traditional intelligent lighting control system for the classroom, the system builds a wireless network using the wireless rf modules to manage and control the whole classroom uniformly, which makes the energy-saving control become more scientific, rationalizing and human. the design of terminal system and its communication module are mainly introduced in this paper.the terminal system by single chip microcomputer as main controller of the control system, and the upper machine is realized by using radio frequency modules nrf905 communication, through the hydroelectric infrared detection technology acquisition classroom number, photosensitive resistance of circuit to test the strength of the ambient light, plus the information such as the classroom schedule, reasonable control of single chip microcomputer, and control room power switch power, electric equipment, to achieve the effect of power saving.keywords: the number of sampling; light intensity to collect; intelligent lighting; saving electricity前言我国的社会主义核心价值观告诉我们要把社会建设成一个资源节约型社会，而高等院校的扩招，校区的不断扩大造成的这种的浪费电现象更加的普遍，这几与我国的宗旨相违背了。合理的规划高校的用电系统、照明系统将是一个比较复杂繁琐的工作，但是其意义将是十分重大的。基于网络化的教室智能照明系统能够使得教室的照明设备智能化开断，统一化管理，更加人性化。计算机技术、通讯技术、控制技术、信号检测技术和微电子技术的迅速发展为照明技术带来了迅猛的发展。实现照明的智能化控制目的就是为了实现统一化管理，节省电能，减少系统的硬件成本以及维护成本。无线通信技术的迅猛发展得到了越来越多人的青睐，人们更愿意用无线通信技术去实现生活工业等领域的实际需求，诸如rf无线通信技术、蓝牙、wifi等无线通信越来越受到人们的青睐2。在众多的无线技术当中，点对点rf通信技术有着它特有的优点，它能够随时随地将远端点的数据实时地传输到中心站，数据采集准确及时，又有一定的环境适应能力和抗干扰能力。射频无线传输系统目前大多采用的是点对点无线通信模块，这种模块的优点是应用灵活，便宜，使用方便。1897年marconi在英格兰海峡的一艘拖船与一个固定站之间完成了无线通信实验，当时的距离为18海里。自那以后，全世界的人们都在不断探索和研究无线通信的方法与途径。2010年6月7日，胡锦涛总书记在中国科学院第十五次院士、中国工程院第十次院士大会上提出推动科技发展工作的8点意见 ，首条便是“大力发展智能科技，坚持节能优先、绿色低碳”。智能科技已被提升到关乎国家科学技术发展和运用的战略级层面。而几乎同时召开的第十五届广州国际照明展上，智能照明系统成为展会的一大亮点，众多知名厂家开始涉足其中，抢占智能领域的掘金至高点。一直坚持“快人一步”发展思想的百分百照明，早在2001年便斥巨资研发天拓智能照明系统（别称“光控猫”），已推向市场的相关产品现已成为行业智能照明产品的先锋代表，技术的先进性、性能的稳定性、款式的新颖性、服务的规范性等领先于行业众多商家。基于网络的教室智能照明系统是利用计算机技术、无线通信技术、自动控制技术、微电子技术等实现照明的智能化管理，也可以根据实际的需要调整设计方案。该系统能够实现对现场各个因素的采集，例如人数、光照强度、预设的作息时间表等信息，经过上位pc机发送给无线通信模块，再传输给以单片机控制为中心的终端模块，达到合理的、智能的控制照明设备的效果。智能化的实现要包括红外线采集系统，收集包括人数，温度；无线通信模块，配以蓝牙技术或者上位pc机实现两者之间短距离的通信，以便将客观要求和用户预定需求等各种信息发送至终端，最终通过单片机或者plc对照明系统进行控制。本论文通过对课题的目的、研究意义、指导思想、工作原理等的描述，分析当下的社会问题以及发展策略，宏观上解决的是能源应急问题，实现节约资源型，环境友好型社会的构建，对我国电力资源进行高效率的管理，节省成本，更加人性化，使人类文明更进一步的向前发展。而课题索要解决的微观上的问题是室内人数的检测与设计问题，如何更加有效的利用红外线，传感器等器件对教室的人数，温度，光线亮度进行准确的采集，如何是这些设计既美观大方又经济实用将是众多研究者关心的问题。此外呢还有下位机控制节点与上位机的通信问题。除了以上要实现的目标以外，通过对论文的详细计划和撰写，也是对我个人 知识的一个积累，对我能力的一种的突破，以前学的都是纯理论的东西，加上一些相对简单的实验能人更加理解，以及大三开始的各种实训都是无法与毕业设计相比较的，相对那些课题简单易懂易做，本课题需要考虑的内容相当的多，用到的技术原理也十分前沿，市场前景也非常好，并且课题研究的意义将对社会的发展做出很大的贡献。所以，我将以饱满的信心，昂扬的斗志去认真完成我的毕业设计，学到更多的只是，掌握更多的技能，了解更加深入的科技文化知识。论文研究的内容主要有以下方面：(1)了解教室照明光强的标准；(2)调研教室灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系；(3)研究人体存在探测技术，探测角度与范围；(4)研究确定热释电红外传感器的有关参数；(5)研究灯光控制器电源问题；(6)研究光敏电阻参数值设定的要求；(7)研究终端主控制器高级单片机的软件编程；(8)研究人工设置参数、掉电保存参数的问题；(9)研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制，易于维护、维修等控制技术；331 基于网络的教室智能照明系统终端系统总体设计本系统的设计与开发主要是针对高校教室照明系统的管理，通过热释电红外感应技术对教室人数的采集，光敏电阻对教室光照亮度的采集，还有预设的课程表，作息时间表，通过无线通信网络，与上位计算机结合，进行信息的采集与处理、分析，合理的控制照明设备的送电、断电。控制终端采用高级单片机，与计算机，无线通信网络形成一个整体，以此来实现教室照明的智能化管理，远程监控，自动化控制，从而达到节省电能的效果。1.1 系统的设计原则基于网络的智能照明相比于传统的照明系统具有智能化、网络化、信息化、系统化等特点，易于管理，能够达到节省电能的效果，因此需要遵循以下几点原则： 系统总体的设备成本费用要低，可靠性能要高，而且可以根据以后的可变因素导致的要求方便的改变现有的设计方案与设施。 各个教室的终端控制器能够独立的运行，不会相互影响，能够独立的接收到上位机的指令进行智能化操作。 系统安装简便、灵活、易于扩展。 具有断电记忆功能 设备本身的耗电量也要低，不然违背了本设计的初衷思想。1.2 系统的总体组成该系统利用无线射频技术，构成由教室控制终端节点和工控上位机组成的数据采集、信息传输与处理系统无线局域网络5。实现教室的智能终端控制，不包括教室与教室之间的通信。系统的总体框图如下图1.2。图 1.2 系统总体结构框图1.2.1 教室控制终端每个教室安装的智能终端是以单片机at89s52为核心的数据采集和处理装置，它直接与各种设备（如光敏传感器、无线通讯模块、红外传感器、显示模块等）相连，实时采集它们发送的数据，经计算机并保存在内部存储器内，并上传教室控制器。为了便于现场对用电设备进行开关操作，在每个教室的智能终端上都安装了一个红外接收器，使用遥控器进行设备调试，方便操作。1.2.2 主控上位机根据预设的教室的使用状态以及作息时间表等信息给教室控制终端发送命令。它由硬件部分即pc机、无线收发模块和pc与单片机接口和软件部分即智能节电控制软件组成。软件部分就是智能节电控制的软件部分，是系统必不可少的一部分3，软件部分能够对现场所采集的数据进行有效的分析处理，然后将这些信息发送给上位机，由上位机再处理与分析最终的控制信息，然后将这些信息发送给单片机，由单片机控制相关照明设备。硬件部分是基于上位pc机，它将与无线通信模块通信，将采集的信息进行处理后就通过无线传输发送给控制终端，实现照明控制的智能化。终端节点还可以对现场进行实时监测，达到节电的效果。此部分硬件系统主要考虑的是pc机与无线通信模块的接口电路，或者说是单片机与pc机的通信接口电路。单片机可以根据自身的存储处理方式实现串口通信，几个单片机可以组成一个分级控制系统。串行通信虽然通信方式简便，但是通信速度慢的缺点是不可避免的，但是在短距离通信切速度要求不是很严格的空间中，采用串行通信方式是最合理的。目前各种cpu之间的通信也是采用了穿行通信方式，得到了普遍应用，例如打印机、逻辑分析仪等等。图 1.2.2 收发模块硬件结构1.3 系统的工作过程系统的工作过程主要分为两个方面：一个是教室控制终端完成对各个传感器信号的采集，并由单片机进行处理，保存至存储器。二是主控上位机的数据的采集与处理，主控上位机通过预设的时间作息表等信息通过无线射频网络发送指令给各个教室终端，教室控制室终端在根据上位机的指令做出相应的动作，达到控制整个教学楼照明系统的作用。1.4 本章小结本章通过对系统总体框图的介绍，总体设计的阐述以及各个模块的工作原理，工作过程的描述，使整个系统的设计模型更加清晰，实现了整个系统的初始化，指明了论文研究的内容，方向，目标。在接下来的几章将对各个模块的具体电路原理，引脚连接，软硬件的准备以及调试做进一步解释。2 基于rf无线通信网络的教室智能照明终端设计2.1 设计要求现在的教室的功能有三种用途：上课、自习、考试。如果教室是上课或者考试状态，主控上位机根据时间作息表，给教室控制终端发出命令，光敏电阻开始检测教室的光照强度，如果强度超过了预设的值则不开灯，否则教室的所有灯都要打开。如果根据作息时间表主控上位机判断是自习时间，则向红外线探测信号发出命令检测教室的人数，向光敏电阻发出指令检测光照强度，如果光照超过了预设的值则不打开任何照明设备，否则根据教室的人数打开部分照明设备。经过试验证明可以实现上述要求error! reference source not found.。单片机外围电路的设计框图如下图所示，包括了电源模块，复位模块，光照强度检测模块，红外探测模块，无线通信模块，下载线模块，灯及风扇驱动模块，遥控器模块以及遥控器接收模块。由于电子元器件都会收到环境等多方面因素的干扰，因此在安装过程中，应充分考虑所选取电子元器件的抗干扰性能，安装的灵活性、可靠性，以及线路的布置等因素。图 2.1 单片机外围电路设计框图2.2 设计方案的选择2.2.1 硬件设计的方案选择1 核心控制芯片的选择本系统采用ats系列的单片机，故采用at89s52，这种单片机是一种低功耗、高性能ccmos8位微控制器，在atmel公司的高密度非易失性存储器下制造，该单片机的指令与引脚与89c51系列的单片机完全兼容。可以在偏上实现在系统编程，编程方法与常规编程器相同。由于它有8位cpu和在系统可编程flash，使得at89s52为许多嵌入式控制应用系统提供了高灵活、超有效的解决方案。at89s52具有以下功能：8k字节flash，256字节ram，32位i/o接口线，看门狗定时器，2个数据接口5。2 无线射频模块的选择无线射频芯片的选择成功与否将关乎到整个无线通信系统信息采集部分的工作效率，工作性能，工作周期。基于本系统的实际需要，选择无线收发芯片时应考虑需要以下几点因素71011： 发射频率采用发射频率较高的产品，这样才能通信的有效性和可靠性。 收发芯片数据传输的编码方式如果说芯片中采用曼彻斯特编码，就需要较高的编码技巧与经验，硬件上也更需要更多的内存和程序的容量。但是串口传输的芯片编程相对简单，传输效率也很高，标称的速率就是实际速率。 功耗综合对比选择功耗比较小的产品。 收发芯片所需的外围元件数量为了减小成本，应该选用外围元件少的收发芯片。 收发芯片的封装和管脚数为了减少pcb板的使用面积，降低成本，更加便于携带，易于开发和生产等因素，选择管脚数较少以及较小的封装。综合考虑各种因素，本方案选用nordic公司的nrf905无线射频收发一体芯片12error! reference source not found.。nrf905有三个ism频道，分别是433/868/915，,460dbm的接收灵敏度，采用spi穿行外设接口与微处理器通信，自动处理字头和循环冗余码校验，使用相当方便，功耗低，输出功率大，数据传输快，所需的外围元件少，并且采用了比fsk调制抗干扰能力更强的gfsk调制，数据传输更加稳定可靠，内部集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块。3 光敏传感器与红外传感器的选择系统主要是为了控制教室的照明设备，光照的强度与人数是系统的两个主要的参数，涉及到的两个传感器主要也就是光敏电阻与红外线探测仪，此外还需要一个动静检测器检测是否有人进入教室。用于检测人数传感器的选择，应基于成本低、设计方便、检测灵敏度高而且误差小的选择原则13。因此综合考虑以上因素，采用红外传感器来检测教室的人数，统计的人数将作为照明设备的使用数量的依据。光敏电阻选用灵敏度较高的线性光敏电阻。2.2.2 系统的软件方案软件部分是在硬件电路的基础上实现数据的接收和发送，是系统不可缺少的灵魂，软件的设计应从功能的实现、可扩充性、易修改性，可维护等方面着手。本系统采用自上而下的设计思想，设计好主程序，各个模块或者子程序按照主程序展开，分别对其进行编程。其中包括两大模块，智能照明控制系统的软件设计和上位机指令的无线射频模块的软件设计。程序语言的选择上，采用c语言，虽然c语言的软件开发存在着生成率低，不如汇编语言的高，内存开销大，容易产生堆栈溢出，造成死机等缺点，但是随着低价的大容量存储器和高性能的单片机的发展，这些已经不再是问题了13。3 教室控制终端数据采集的模块的设计3.1 无线通信模块的设计短距离无线通信模块是整个系统设计的重点，它的设计要求要满足通信质量、通信速度、通信距离、组网方便、抗干扰、便于携带、易于布控和功耗等。它同时也是终端设计的基础，它完成了数据采集的功能，为上位机信息管理系统提供了信息基础。它的硬件部分由控制模块和收发模块构成，两者相互协调，相互配合，来完成数据、命令的采集功能。图3.1 无线接收与发送电路原理图下面介绍具体硬件电路的设计。3.1.1 控制模块mcu在上一章中已经对控制芯片的选择做了一般的描述，选用atmel s52型单片机。下面对单片机的外围电路做详细说明。图 3.2 at89s52 最小系统电路图各引脚的功能见下面描述：p0 口：p0口是一个具有双向传输的i/o口，具有8个漏极开路。当作为输出口时每位能驱动8个ttl逻辑电平。p0口写“1”时，该引脚便用作高阻抗输入了。在flash编程时，p0口用来接收字节指令，程序校验时就输出指令字节。p1 口：p1 口是一个8位的双向i/o口，具有上拉电阻，p1输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。p1.0与p1.1还可以作为定时器/计数器的外部计数输入和触发输出，在线编程时，p1口还接收低8位的地址字节。引脚号的功能：p1.0 t2（定时器/计数器t2的外部计数输入），时钟输出p1.1 t2ex（定时器/计数器t2的捕捉/重载触发信号和方向控制）p1.5 mosi（在系统编程用）p1.6 miso（在系统编程用）p1.7 sck（在系统编程用）p2 口：p2口也是一个双向的8位i/o口，其内部有上拉电阻，它输出的缓冲器能驱动at89s52引脚图plcc封装4个ttl逻辑电平。当作为输入口时，可以将p2端口写“1”，上拉电阻就会把端口拉高。p2口之所以送出高八位地址，是因为该口访问了外部程序存储器活着用16位地址读取外部数据存储器。此时p2口使用内部很强的上拉电阻置“1”。在使用p2口的8位地址访问外部存储器时，p2口输出的是其自身锁存器的内容。在系统编程和校验时，p2端口同时接受高8位地址字节和一些控制信号。p3 口：双向8位i/o端口，具有上拉电阻，如同p2口输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。p3口也具有如下第二功能，无论是在编程还是在校验时，p3口都能接收一些控制信号。端口引脚第二功能：p3.0 rxd(串行输入口)p3.1 txd(串行输出口)p3.2 into(外中断0)p3.3 int1(外中断1)p3.4 to(定时/计数器0)p3.5 t1(定时/计数器1)p3.6 wr(外部数据存储器写选通)p3.7 rd(外部数据存储器读选通)此外，p3口还接收一些用于flash闪存编程和程序校验的控制信号。rst：作为复位输入端口，振荡器工作时，如果rst引脚出现了两个机器周期以上的高电平将是单片机复位。ale/prog：该端口如果访问外部程序存储器或者数据存储器，地址锁存允许端口就会输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。ale可以以时钟振荡频率输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该位置位后，只有一条movx和movc指令才能将ale激活。psen：程序存储许可证(psen)输出的外部程序存储器读选通脉冲信号，在一个外部程序记忆法当数据库取指令(或数据),每台机器psen有效循环两次,两个脉冲的输出,与此同时,当访问外部数据存储器,psen两次信号将被忽略。ea/vpp：允许外部访问,声称cpu访问只有外部程序内存(地址0000h-ffffh),ea必须保持低电平（地面）。应该注意的是:ea内部锁存lb1如果安全编程,最终状态复位14。作为ea的高端(连接到vcc),cpu内部程序内存的指令执行。flash编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是使用12v编程电压vpp。xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.2 nrf905外围电路设计一些简单的外围设备需要nrf905，只是外围设备将能够实现发送和接收功能,图3.1 xc1之前,xc2晶振参考输入和输出,外部参考振荡器是16兆赫兹,内部频率合成器合成所需的操作频率。达到最大传输功率的射频偏压电阻器是22 k,连接到一个外部天线，以差分方式接在nrf905的ant1和ant2一侧，天线端的阻抗为400。当nrf905接收模式工作时，针ant1和ant2提供射频低噪声放大器(低噪声放大器)输入；nrf905操作在传输模式下，引脚ant1和ant2提供pa(功率放大器)输出。两个开路输出晶体管放大器是准备一个查分配对方式。nrf905无线通信模块与单片机相连，中间加一个连接器，根据工作特点可以将无线通信模块与单片机的接口分为三组：1、 模式控制接口该接口由tx_en、trx_ce、per_up引脚组成，分别与单片机p1.0-p1.2口连接控制实现四中工作模式：两种节电模式：掉电和spi编程模式、standay和spi编程模式；两种活动模式：shock burst tx(发射模式)、shock burst rx(接收模式)。nrf905的shockburst技术为nrf905提供高速数据传输，shockburst技术将速度信号处理相关射频协议安置在芯片的背部，这可以减少能源消耗，同时减少系统成本(低处理器进行高速射频收发器)，在数据空间,停留时间短，所以抗干扰能力强。nrf905提供给主控制器spi配置接口，通过shockburst模式降低速度数字应用射频部分的最大速度在应用程序连接时减少平均电流消耗。在shockburst tx模式下，nrf905自动生产前导码和crc校验码,数据准备完毕，信号数据传输已经完成。简而言之，这意味着减少单片机的内存需求，降低单片机的成本，而且还缩短软件开发周期。2、 spi接口spi是一种高速，全双工，同步通信总线，在芯片上只占四行储存管脚，为节省空间的pcb布局，提供方便。这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这个通信协议。nrf905 spi接口sck、csn，即连接到单片机p1.7,p3.2-p3.4嘴。在配置模式下，单片机通过spi接口配置nrf905的操作参数，在发射和接收模式下,单片机通过spi接口向nrf905发送和接收数据。3、 状态输出接口提供载波检测输出cd（连接p1.4口）、地址匹配输出am（连接p1.5口）、数据就绪输出dr（连接p1.6口）。短距离通信天线的选型：天线作为无线通信接口的一个组成部分在无线通讯，能量转换的功能,能量传输装置，可以生成一个高频电流转换为电磁波能量模式，而且还可以将电磁能量转换成高频电流模式。因此，天线是一个电源转换器，具有特殊的功能,具有可逆能量转换的角色属性相同的天线发射机,它可以用作接收器，发射和接收天线之间的互惠的特性13。天线是通信系统的重要组成部分,它的性能直接影响通信系统指标,天线的选择必须关注其性能。具体来说，有两个方面，首先选择天线的类型；第二个选择天线的电气性能。选择天线类型的要求是:选择的天线方向图的设计满足系统要求电台频带宽度,选择天线电气性能要求是:选择天线带宽、增益和其他电气指标满足系统设计要求。所有天线和其它电子组件一样，比如连接至少两个点。拉杆天线,他们必须一端和地面相连，天线和地面之间的电路平面之间形成磁场，当电流通过字段时，形成一个整体电路。鞭天线设计很简单，只是为了一个1/4波长天线垂直于地面和射频模块可以连接，您可以简单地使用适当的铜线的长度。由于无线电通信环境的不确定性,各种传播环境的影响预测是不可能的。由于传输距离还取决于以下因素:路径损耗、建筑物的影响、人类的影响、干扰、多径现象，吸收周围环境中，传输距离根据实际情况定。因为一个拉杆天线传输效果更好，所以该系统的射频收发器电路是按照一个拉杆天线的设计。在本课题研究短程无线电系统中，天线部分使用50单端天线，根据当前的实际测试结果，有效的沟通距离100米，或可以满足一般需求。3.2 室内人数检测设计3.2.1 关于人数检测的方法这个问题最初是用红外传感器的方式，使用“双型”实现人体热释电红外传感器作为探头，以确定运动方向。双型热释电红外传感器有两个相同的传感器，根据极化方向他们反向串联或并联，只有一个传感器用于检测红外,和其他表面的整个红外反射膜补偿噪声。然而，这种方法已经证明反应迟缓，在实际应用过程中，大量的判断错误和其他缺点，表现不佳。基于图像处理和模式识别操作跟踪人的判断的运动方式，因为它的成本相对较高，因此数字摄像头就在二千元或更全面的成本在5000 - 8000元，用于大学教室智能照明和风扇控制没有实用价值，虽然节能，但这“节电钱不省”方法用户难以接受，这不是一种好推广。各种实际情况，结合系统的特点和使用前提检测对象，具有成本效益，稳定的原则，最终选择遮断式主动红外探测模式，并作相应的改善：1、该红外线探测方式是利用两束光线对射，以一个人通过之后的红外线被挡住的先后顺序，来判断是人员进出还是其他物体的干扰，并判断人员进出的方向；2、红外探测外壳部分采用特殊的材料，这样做是为了能够滤除其他自然光对探头的干扰，只能允许红外光穿过它。3.2.2 教室人员进出检测与统计各个教室的人数采集系统核心芯片是单片机，其功能是16： 检测各个教室的进出口人数，并贮存； 能够接收pc机的命令，执行； 将所采集的数据再传送给上位机。一、 遮断式主动红外线探测方式的检测方案分析（1） 红外对射的发射与接收安装在1m左右的高度程序中使用了大量的探测器计划，将无线电发射和接收安装在约1米的高度，通过检测光屏障来确定躯干进出，几乎可以做到人流量不大的数量统计，但如果两个人很近，如图3.5所示，有一些重叠的话说，探测器只能识别作为一个人。这种方案通常只在一个非常狭窄的通道,发现只允许一个人。它可以设置在电影院,图书馆阅览室入口。 图3.5 检测方案一 红外对射的发射与接收安装在距离地面20cm左右的距离该方法检测在几个应用程序,主要是通过检测脚通过遮光的行动来判断某人,如果两个传感器接近,不到10厘米,每检测到两个脚记一次数,如果在一段时间内两英尺内检测到了三只脚,需要一个特定的算法，确定为两只脚。因为同样的步伐的可能性的两种对立的两个解决方案与接近人体所引起的错误决定的可能性相对较小,因此,检测精度相对较高。可用于入站和出站流量不是单人出入的场合。 图3.6 检测方案二二、 遮断式主动红外线探测方式的安装高度分析遮断式主动红外探测器现场安装如图3.7所示,因为大部分的设备设计和开发对象是大学课堂,检测到的对象主要是大学教师和学生,通常高度1.5厘米- 1.9厘米之间,为了试图消除摆臂的影响检测可以增加高度安装,安装在1.3 - -1.4之间,这1.5米检测到人的头塞行动,在大多数人在1.5米- 1.8米之间，检测的是肩部附近，1.9m的则是检测胸部至肩部之间，通过一次也只会产生一次挡光，如果此时安装高度h为1m，则有可能产生三次挡光，而形成误判21。 图3.7 高度分析3.2.3 红外对射系统硬件电路的设计在发射机中，低频振荡器输出的是f0信号，对38khz的副载波进行振幅键控调制（ask），这样做的目的主要是为了提高系统的抗干扰能力且与光电一致的接收机前端电路。调制信号的发光二极管检测光信号。close-emitting二极管、激光作为光源，距离接收方光电二极管放大器和滤波器解调电路前端电路,一般使用威世的综合红外遥控接收机电路hs0038 f0解调的低频信号。通过检测电路检测f0信号，你可以得到一个识别信号和f0如果检测到信号检测电路的输出很高,否则输出低1819。a、b双向可逆计数器识别信号，可以计算出基于脉冲的数量按时间顺序和双向信号检测领域的访问和出口数量，然后累计的总数有多少人数在教室内。判断执行电路再根据设置的数量,执行不同的控制策略。例如根据多教室多少人开多少灯。1、 调制发射电路（图3.8）图3.8调制发射电路在发射电路中使用一片高速cmos型二输入“与非”门74hc00。其中“与非”门u1c,u1d组成载波震荡发生器，振荡频率f0设置在38khz左右；“与非”门u1a、u1b组成低频振荡器，振荡频率f1设置值不必精准，大约4khz。f1对f0进行调制，所以从“与非”门u1d输出的波形是断续的载波，也即是f1的低频起到了对高频f0间断的作用，然后再经567产生的更低频率方波调制，这也是红外发光二极管的传送波形2224。图3.9是其方波图形。 图3.9 调制关键点的大体波形红外接收器电路采用红外接收器hs0038装置,红外探测器和放大器电路集成在一个体积小,密封好,灵敏度高,和较低的价格,市场价格只有1 2元。分别只有3个管脚,具体是电源负极、电源的正极、信号输出，操作电压5 v。只是把它连接到电源,是一个完整的红外接收器放大器,易于使用。当它收到一个38 k信号终端输出低,否则输出高,但只能接受hs0038 38 khz频率斩波信号,因此调制电路由硬件实现就提出一定的要求。lm567音频解码电路如下图，如图3.10图3.10 lm567音频解码电路图中lm567是锁相环电路，、脚外部电阻器和电容器确定内部vco中心频率f2,f2 1/1.1rc,为了方便调整使用的传输信号使用了可调振荡器电路。,脚通常通过电容接地,分别形成了输出滤波器网络和循环单级低通滤波器网络。脚连接电容的锁相环捕获带宽:调大电容值,就缩小环路带宽。脚连接至少两次脚电容的2倍。脚需要输入信号25 mv。为脚逻辑输出,其内部是一个开路集电极晶体管,允许的最大反向电流约8ma。lm567内部电路和详细的工作过程非常复杂,这里只总结如下:当lm567的销输入振幅25 mv,频率信号带宽内,脚从高到低水平。我们正在使用的电路lm567接到相同的载波信号的频率和相位,脚从高到低这一特性来控制控制对象的形式25。在实际应用中红外线发射管发射红外线是有一定角度的，由于一些客观因素的限制两个接头之间的距离不能太大，两个接收头便会相互影响。但是红外线具有被聚焦的特性，故可以利用这一特性避免它们之间的干扰。采取的措施就是在红外接收头之前加一个凸透镜，给红外线聚焦，如下图3.11所示 图3.11 接收头加透镜示意图根据凸透镜的光学原理，对于平行于主光轴的入射光线将使其聚焦于凸透镜的焦点处，而其他角度入射的光线不会聚焦，利用这一特性23。可将接收头发放于焦点处只接收正对其发射的红外光，这样可以避免另一个发射头的干扰。3.3 教室光照强度检测模块设计过程室内的光照强度是系统中重要的输入参数之一，必须对环境光进行准确检测，并检测其是否达到预设值，微处理器对该信号做出处理，及时的输出控制参数给执行器来控制教室的照明设备。选择照明灯光设计是一个重要的问题。照度太低，它会损害视力的人员，影响学习效率，合理的高照度是浪费电力，照明必须根据视觉工作进行调整。学校照明可以由国家gb50034 - 2004建筑照明设计标准选择必要的照明和照明质量，考虑整个照明系统的效率。此模块的功能是检测光照的变化，和输出特定的信号在相应的光强条件下，设计核心主要是选择迟滞比较器电路和相应的外围电路。图3.15是光敏电路原理图，本模块的功能就是检测光照强度的变化，在必要的时候开灯信号，这部分电路由光敏二极管、电压比较器组成。 图3.15 光敏电路原理图迟滞电压比较器由lm393构成，防止光强度在临界条件故障引起的轻微变化。工作原理是：当光强度达到一定值d2传导，lm393反相端电压高于非反相终端参考电压，然后lm393输出低电平，为信号，反之亦然，输出高是开放的光信号24。在应用过程中硬件传感电路逐渐出现的一个严重的问题:感光灯点了灯调不好，容易“眨眼”，光强度，但不是现象的灯光。鉴于这引入软件设置回差，光敏信号通过a / d转换器，数字信号，使用软件算法设置反弹。光传感电路以提高其准确性和负载能力(低输出阻抗)，因此光敏和a / d之间的电压跟随器，电压跟随器的显著特点是高输入阻抗，但输出阻抗低,一般是到几兆字节欧姆输入阻抗非常容易做到。低输出阻抗几欧姆或更少。在电路电压跟随器缓冲阶段,一般做隔离级别。因为,隔离器的输出阻抗的电压相对较高,通常几十到几千欧姆或千欧姆,如果后续阶段的输入阻抗相对较小,那么信号将消耗相当一部分的输出电阻前阶段。在这个时候,我们需要一个电压跟随器在图3.16中,缓冲起到连接作用。应用电压跟随器的另外一个优势是提高输入阻抗,这样,输入电容显著减少,为应用程序提供一个保证高质量的电容器。 图3.16 电压跟随器电路图3.4 终端控制系统供电电路的设计为了有效的抑制外部干扰，该系统采用三路电源独立供电。一是直流稳压电源5v供电，二是显示模块供电也为5v，三为无线射频nrf905模块供电为3.3v。供电电路如下图3.17。图3.17 系统供电电路4 系统的软件设计4.1 软件设计总体方案分析4.1.1 软件编程的思想软件编程的过程中，除了要实现基本的功能外还应该具备以下几点：1、系统的可扩展性。25262、程序的可读性。3、系统更新。当系统微控制器或某些器件被更高性能的器件代替时，系统的程序要易于更新。4、易于维护，运行可靠。模块化编程具有以下优点2728：1、采用模块化结构的最大优点是效率高。小块程序更容易理解和调试。当知道模块的输入、输出，就可直接调用该模块。由于模块之间共享数据，可以互相调试。2、当相同的功能需要更多时，可以把程序存入库中，以供将来使用。如果需要升级到一个功能模块，只需要重写相应的模块，而不需要改变整个软件结构。当需要增加系统功能，只需要添加适当的软件功能模块。3、模块化编程来解决这个问题，因此只有与特定的模块，出现故障时，很容易找到出错的模块，大大简化了调试,使系统更容易维护。4.1.2 软件设计步骤 （1） 需求分析； （2） 建立系统结构图； （3） 软件编织； （4） 软件调试； （5） 现场测试。4.2 各模块的软件设计4.2.1 主程序的设计系统程序按模块分为控制主程序和命令处理子程序29。基本任务是主程序调用子程序，主程序可以调用多个子程序，主程序通常是一个无线循环的过程，这是一个迭代过程子程序调用。子程序和函数分为中断子程序的子程序。应用软件设计，每个模块子程序书面形式，由主程序调用。命令处理程序操作各种命令来完成具体的条款，根据各种命令分为不同的子程序模块，及其编程密切相关的功能需求和系统应用程序。控制主程序是整个控制系统的核心,其他外围模块通常监控模块和它在控制系统中的作用。从键盘上接收和分析主程序命令,然后将控制转给相应的条目处理例程,发挥主导作用30。图4.1 主程序流程图4.2.2 数据采集模块的软件设计一、无线射频模块无线数据通信设计本系统中我们主要利用无线射频模块nrf905构建一个小型的无线局域网络，将主控室与整个教学楼的所有教室纳入到统一的网络中集中进行控制，这就需要主控室与各个教室进行通信。与射频数据包有关的高速度数据处理都在nrf905片内自动进行，由于nrf905采用shockburst模式，因此即使使用低速的微处理器也能获得很高的射频数据速率。nrf905发送一帧数据和接收一帧数据的具体流程图如下：a 发送一帧数据（图4.2）图4.2 无线发送数据程序流程图b 接收一帧数据（图4.3） 图4.3 无线接收与接收中断流程图二、 光照强度检测软件设计光照强度检测软件设计流程图（图4.4）如下：图4.4 照度检测流程图三、人数检测模块程序设计前面已经阐述了人数检测模块采用遮断式红外线探测的方式来检测教室是否有人进出，发射模块发出的是周期性的红外波形，接收模块利用单片机定时器计时，当有人通过门是，发射模块的红外波被挡住，接收模块接收不到发射模块的信号，此时就导致了单片机的溢出，则可以判断有人进出。红外波形的波形周期和定时器的定时时间是本系统的关键，间隔周期必须小于定时时间，否则就会不断溢出，造成误判。如果间隔时间和定时时间大于人体通过红外线的时间就会导致漏记。其流程图（图4.5）如下： 图4.5 人数检测程序流程图5 系统的调试与问题分析系统经过了硬件电路的焊接、软件编程下载等一系列的工作以后，就要开始接下来最后的关键一步，系统的调试。并且在实物演示过程