基于NB-IOT智能宿舍安防系统设计

毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下，独立研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果或作品。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名：日期：2024年4月10日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保存，使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向有关毕业设计（论文）管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权本学校及以上级别优秀毕业论文评选机构将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库以资检索，可以采用复印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。毕业设计（论文）作者签名：日期：2024年4月10日基于NB-IOT智能宿舍安防系统设计摘要针对传统的宿舍安防系统设计与应用中的不足之处，本次研究中将以NB-IOT技术为基础，设计开发一种新型的智能宿舍安防系统。根据NB-IOT技术应用要求，系统设计中拟采用STM32作为系统主控制器，利用NB-IOT通信模块实现系统运行中各项数据的传输，由此搭建起系统的整体框架。在此框架上实现对宿舍非法入侵行为监测预警、烟雾报警、宿舍室内温湿度变化感应等各项功能，全方位加强宿舍人员与财产安全保障。以NB-IOT技术为基础技术路线开展智能化宿舍安防系统搞设计，具有安装简便、成本低廉、能耗低等诸多优势，该类型系统在宿舍安全管理中有着广阔的应用前景。关键词：NB-IOT；宿舍；安全系统IntelligentdormitorysecuritysystemdesignbasedonNB-IOTAbstractInviewoftheshortcomingsinthedesignandapplicationofthetraditionaldormitorysecuritysystem,anewintelligentdormitorysecuritysystemwillbedevelopedbasedonNB-IOTtechnology.AccordingtotheapplicationrequirementsofNB-IOTtechnology,STM32isusedasthemaincontrollerinthesystemdesign,andNB-IOTcommunicationmoduleisusedtorealizethetransmissionofvariousdatainthesystemoperation,thusbuildingtheoverallframeworkofthesystem.Inthisframework,thefunctionsofmonitoringandearlywarning,smokealarm,dormitorytemperatureandhumiditychangeinduction,arerealizedtostrengthenthesecurityofdormitorypersonnelandproperty.NB-IOTtechnologyasthedesignofintelligentdormitorysecuritysystemhasmanyadvantagesofsimpleinstallation,lowcostandlowenergyconsumption.Thistypeofsystemhasabroadapplicationprospectindormitorysecuritymanagement.Keywords:NB-IOT;dormitory;securitysystem目录TOC\o"1-3"\h\u3235第一章引言 6240311.1研究背景与意义 6319861.2研究现状 717938第二章系统总体框架设计 1070662.1整体方案设计 10236752.2硬件模块选型 106363第三章系统硬件设计 13236543.1STM32F103单片机 1317153.2DHT11温湿度检测模块 14195043.3MQ-2烟雾监测模块 1512803.4光敏电阻模块 16315923.5人体红外检测模块 16162753.6OLED显示模块 1779623.7NB-IOT模块 17219823.8按键模块 18259123.9蜂鸣器模块 19166833.10系统终端传感器设置 20246993.11系统终端传感器各部分器件选用与电路设计 2113697第四章系统软件设计 23307804.1系统终端与云平台对接流程设计 2368074.2系统数据通信协议设计 2592284.3系统数据收集流程设计 26259984.4系统NB-IOT模块初始化设计 2714613第五章系统运行测试环节设计 3085185.1测试环境搭建 31326575.2系统测试 318839结论 3414546致谢 353676参考文献 36第一章引言1.1研究背景与意义宿舍是企业、学校等大规模的集体组织为内部成员提供的公共居住空间，宿舍在日常使用中一方面要为大量人员提供住宿服务，同时还承担着保管存放个人财物的功能。因此，对于企业与学校而言，加强宿舍安全管理尤为必要。随着信息化技术的高速发展，在宿舍安全管理工作中，信息化工作系统得到广泛应用，为提高宿舍安全管理工作效果提供了有力的帮助。以往很多工厂或学校使用的宿舍安防系统大多基于RS232/485一类有线通信技术，而随着无线通信技术的普及，以ZigBee、GPRS、GSM等无线通信技术为基础的宿舍安防系统被应用于宿舍安全管理中。以上各种类型的系统在实际应用都暴露出施工难度大、安装复杂、后期管理维护成本高等问题，而且以上系统在实际应用中，当面临网络波动时会发生报警信号传输不及时，故障信息无法在第一时间获取等现象，大大影响到系统实际应用的效能。近期兴起并迅速普及的窄频物联网（NB-IoT）在环境监测、智能路灯管理、以及遥控生态管理等诸多应用领域已展现出其低能耗、广覆盖范围和持久耐用的显著特性。在自然生态防护这一领域，基于NB-IoT技术打造、并以STM32微型控制单元作为中心的生态环境监视装置可以探测包括温度湿度、甲醛、总挥发性有机化合物、灰尘等在内的诸多环境参数。这种系统也因其广阔的监控领域及低耗能特性而备受赞誉。在都市公用设施营运与管理这一领域，研究报告中提出了依托NB-IoT技术的街灯远程监测方案，此系统能够搜集街灯四周的温湿度数据、光线强度以及地理位置信息，并且用户可以通过智能手机应用程序对街灯进行在线监测和智能控制。在其他关于NB-IoT智能系统开发的研究中，结合了传感器数据融合技术和模糊PID多级控制方法，研制了一款以NB-IoT技术为基础的智能化自动调节温室环境的系统。这些系统在各自领域的实际应用中都展现出极为突出的效果，基于以上基于NB-IOT技术系统设计开发的成功经验，本次研究中将从宿舍安全管理的实际需求出发以NB-IOT技术为基础，进行智能化宿舍安全系统设计开发，通过更先进安防系统应用促进宿舍安全管理效率的进一步提升。根据题目要求，以NB-IOT为基础开展智能宿舍安防系统设计，能够以系统设计为切入点，对NB-IOT技术这项物联网领域的新技术开展更加深入的研究，并通过系统设计更充分了解信息技术高速发展下信息通信技术发展与实际应用形势变化，为何能实现不同国家地区的沟通与交流，在高效进行通信的同时，探讨可持续发展的意义，有效提升对当前以及未来通信发展的深度思考能力。1.2研究现状1.2.1智能家居安防报警行业发展现状20世纪初，安防报警系统雏形出现在北美地区，在街头设置的呼救箱采用有线的方式与警局进行连接，实现远程报警;1984年，美国联合科技公司改造了美国康涅狄格洲的一栋旧式大楼，在这座大厦中采用有线连接的形式对空调、电梯和防灾、防盗等设备进行管理，通过计算机进行控制和监测，实现了建筑的初步信息化管理，由此掀起一股“智能建筑”的热潮。世界上第一座智能大厦诞生，其中包括了防灾、防盗和监测功能，这是早期的智能建筑物中安防报警系统。北美地区的安防产业一直处于领先地位，后期以美国为首的发达国家中一些大型安防公司引领该产业的发展态势。在亚洲地区的日本、新加坡等国家，也纷纷开发具有报警功能智能化建筑。中国的智能建筑起源于1990年，北京发展大厦是我国智能建筑的雏形,其中包含了安防相关功能。1995年，我国开始加快住宅产业的发展，促进了国内家庭安防产业的发展，但智能化发展非常缓慢，全部依赖国外技术，比如美国的X-I0O电力线载波通信技术、欧洲的EIB电气安装总线技术、日本的HBS家庭总线技术，但上述几种通信技术在中国一直没有得到广泛的应用。1997年，我国开始制定《小康住宅电气设计(标准)导则》(讨论稿)，对小康住宅和小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通信与网络配置等方面提出了设计标准。自此之后，智能家居安防报警系统多采基于公共电话线或GSM网络通信。2007年，中国、韩国两个国家联合三星集团推出智能家居系统，此系统将自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心集成为一个控制网络。从此我国的智能家居行业正开始发展，2014年被称为中国智能家居元年，互联网行业和家电行业的巨头公司以及运营商全部加入智能家居行业。现有的小米物联、紫光UIOT超级智慧家、海尔U-Home、美的智慧等都是相对比较成熟的智能家居系统，其中均增加了安防报警等功能。虽然我国的智能家居安防报警系统发展至今取得了巨大成就，但还存在监控不全面以及防范非法入侵智能化不足的问题。早期的防止非法入侵的手段为人为看守或采用防盗门窗等设备，发展过程中结合当时先进的电子、通信等行业技术，采用传感器或摄像头设备对非法入侵监测实现了智能化，但存在报警信息不明确以及需要值班人员24小时实时看守等端，仍需改进。1.2.2NB-IoT发展现状物联网的概念正式提出于2005年，ITU在突尼斯召开信息社会世界峰会(WorldSummitofInformationSociety,WSIS)上发布的《ITUInternetreports2005--theInternetofthings》,明确了物联网的特征和相关技术，并阐明了该行业面临的挑战和未来市场产生的机遇需求等内容。ITU报告的推出，使得全球各个国家的政府和相关行业重视物联网的发展，该领域认为物联网可以促进其加快发展和变革，并提供了前所未有的机遇，以美国为首的欧美发达国家将物联网作为国家的新兴产业，为了能够尽早的落实物联网这一产业相继出台相关战略措施予以帮扶。NB-IoT技术是当前流行的物联网通信技术之一，属于低功耗广域网(LowPowerWideAreaNetwork，LPWAN)中的一员，LPWAN是一种新型的通信模式,专为远距离、低功耗、大量连接的物联网应用设计，以满足物联网应用的各种需求。低功耗广域网应用前景广泛，据统计全球300亿部物联网设备中，约有四分之一的设备将通过低功耗广域网进行连接。低功耗广域网通信技术与物联网领域中现有流行技术比如ZigBee、蓝牙、Z-Wave、Wi-Fi、蜂窝网络(GlobalSystemGSM)、长期演进网络(LongTermEvolution，LTE)forMobileCommunications,等进行了不同的权衡，能够补充传统的蜂窝网络和短距离无线通信技术的部分缺陷。传统的物联网无线通信技术覆盖直径最大只有几百米，大多适用于室内环境的部署，不适用连接分布在大面积区域的低功耗设备。2009年温家宝总理提出的“感知中国”目标，同时物联网(InternetofThings，IOT)在四部委联合下发的《关于加快培育战略性新兴产业的决定》中被列为国家七大战略性新兴产业之一，全国上下掀起发展物联网的热潮B1,32,为物联网的发展奠定了基础。2017年6月，工信部下发通知明确表明2017年末NB-IOT基站建立数量达到40万，终端设备连接数量达到2000万;至2020年，NB-IoT基站数量达到150万，终端设备连接数量超过2亿。NB-I0T技术首先在上海试验，早在2016年，中国联通在部署10个室外NB-I0T基站覆盖迪士尼园区，联合华为开展并完成智能停车项目，实现园区内停车位信息采集与查询;2017年6月，中国电信与ofo、华为共同发布了基于NB-IoT技术的ofo智能单车正式商用。2019年三大运营商全部实现NB-IOT网络的商用。第二章系统总体框架设计2.1整体方案设计基于NB-IOT技术的体系结构,开发了依托于此技术的智能寝室防范系统。该系统包含的关键组件有监测端点、云端防护中心以及智能移动设备。每个探测接口进一步由含有NB-IoT单元和感应器数据搜集模块的监测器构成，这些监测器由功能各异的传感器构成，负责执行盗窃预警、环境监察以及火警侦测等任务。搜集设备会将搜集到的感应数据以及设备运作状态信息发送至NB-IoT模块。随后，这些信息通过NB-IoT信号塔传递至互联网上的云服务器，用户可以借助网络或是直接登录云服务器来访问并获取这些信息。根据以上内容，系统的整体框架设计如下：图1.系统总体框架2.2硬件模块选型在设计基于NB-IOT智能宿舍安防系统时,合理选择硬件模块对于系统的性能、成本和可靠性至关重要。我们需要对各个模块进行全面的对比分析,权衡利弊,最终选择最佳方案。在模块选型过程中,我们不仅要考虑单个模块的性能参数,还要结合整个系统的需求,从系统层面上进行综合评估,确保各个模块之间能够无缝集成,协同工作,发挥出最大的效能。2.2.1单片机模块的选型方案一:STM32F103是一款基于ARMCortex-M3内核的32位单片机,具有较高的运算能力、丰富的外设资源和较低的功耗。它采用了ARM公司先进的Cortex-M3内核,可以实现卓越的实时响应能力和中断处理性能,非常适合于实时控制类应用。此外,STM32F103还集成了丰富的外设,如UART、SPI、I2C、CAN、USB等,可以方便地与各种外围设备进行通信。同时,它还支持多种低功耗模式,在待机状态下功耗极低,有助于延长系统的电池寿命。然而,STM32F103的价格相对较高,开发环境和编程复杂度也较大,需要一定的学习成本。方案二:STC89C52是一款基于8051内核的传统8位单片机,价格低廉,编程相对简单,但处理能力和外设资源有限,无法满足本系统对计算能力的需求。STC89C52虽然成本低廉,但它仅支持8位数据处理,运算能力有限,无法胜任复杂的控制和运算任务。此外,它集成的外设也相对较少,无法满足与多种外设进行通信的需求。虽然编程相对简单,但由于硬件资源有限,未来的扩展性也较差。综合考虑性能、成本和开发难度等因素,我们最终选择STM32F103作为本系统的主控单片机。尽管价格较高,但其强大的处理能力和丰富的外设资源可以满足系统的各种需求,同时也为未来的功能扩展留有余地。虽然开发难度较大,但通过合理的硬件设计和软件架构,我们可以充分发挥STM32F103的性能优势,实现系统的高效运行和可靠控制。2.2.2温湿度检测模块的选型舒适的温湿度环境对于宿舍生活品质至关重要。过高或过低的温湿度不仅会影响人体健康,还可能导致霉菌滋生、家具受损等问题。因此,在智能宿舍安防系统中集成温湿度检测功能就显得尤为必要。通过实时监测室内温湿度数据,系统可以根据预设的舒适范围,自动调节空调、加湿器等设备,为宿舍创造一个舒适宜人的环境。方案一:SHT30是一款高精度数字温湿度传感器,采用CMOS工艺制造,具有优异的测量精度和响应速度。它可以直接输出已经经过数字校准的温度和相对湿度数据,无需进行复杂的数学运算,极大地简化了数据处理过程。此外,SHT30还支持多种通信接口,如I2C、单总线等,可以方便地与微控制器进行连接。然而,SHT30的价格较高,且需要使用I2C通信接口,增加了系统复杂度。方案二:DHT11是一款低成本的数字温湿度传感器,价格低廉、使用方便,满足本系统的基本需求。它采用专用的单线双向通信方式,只需要一根数据线即可与微控制器进行通信,无需占用多个I/O口,节省了硬件资源。DHT11内置了温湿度传感元件和A/D转换电路,可以直接输出校准后的数字信号,方便数据处理。尽管测量精度和响应速度略低于SHT30,但对于宿舍环境监测来说已经足够。考虑到成本和简单性,我们选择DHT11作为本系统的温湿度检测模块。它的性价比较高,且集成了数字信号输出接口,可以直接连接到单片机,无需额外的模数转换电路。虽然精度略低于SHT30,但对于舒适度评估而言,DHT11的测量精度已经足够。同时,DHT11的简单的通信方式也有利于降低系统复杂度,提高可靠性。2.2.3烟雾监测模块的选型火灾是威胁人身安全和财产安全的重大隐患,因此在智能宿舍安防系统中集成烟雾监测功能就显得尤为必要。通过实时检测室内烟雾浓度,一旦发现异常,系统可以立即发出警报,并采取相应的应急措施,如喷洒灭火剂、切断电源等。方案一:MQ-4是一款可燃气体传感器,主要用于检测天然气、丙烷等可燃气体,对于检测烟雾的性能不佳。MQ-4采用的是电化学原理,通过测量气体与传感器表面反应时产生的电流变化来检测气体浓度。由于其优先响应可燃气体,因此对于烟雾的检测灵敏度较低,存在一定的延迟和漏报风险。方案二:MQ-2是一款设计用于检测可燃气体和烟雾的传感器,对烟雾的响应灵敏度较高,更适合本系统的需求。与MQ-4类似,MQ-2也采用电化学原理,但它的传感材料经过了优化,对烟雾的响应更加迅速和灵敏。此外,MQ-2不仅可以检测到烟雾,还能够检测到一氧化碳、甲烷等有害气体,提高了系统的安全性能。综合考虑,我们选择MQ-2作为本系统的烟雾监测模块。相比MQ-4,MQ-2对于烟雾的检测更加准确及时,可以最大程度地降低漏报风险,确保火灾发生时能够及时发出警报。2.2.4通信模块的选型通信模块是智能宿舍安防系统与外界连接的纽带,它决定了系统的远程监控和控制能力。选择合适的通信模块,不仅关系到系统的实时性和可靠性,还影响到系统的部署和维护成本。方案一:ESP8266是一款低成本的WiFi模块,可以实现无线数据传输。它集成了完整的WiFi协议栈,支持标准的802.11b/g/n无线标准,可以与各种WiFi路由器和热点设备兼容。ESP8266拥有强大的处理能力,内置了32位低功耗处理器,可以独立运行应用程序。然而,WiFi通信功耗较高,且需要连接到现有的WiFi网络,在一些偏远或覆盖不佳的地区可能无法使用。方案二:NB-IOT是一种新兴的低功耗广域网(LPWAN)技术,具有低功耗、大覆盖范围、低成本等优点,非常适合于物联网应用场景。与传统的蜂窝通信网络相比,NB-IOT在硬件复杂度、功耗和成本方面都有显著优势。它可以实现深度覆盖,信号可以穿透地下室和厚重的建筑物。此外,NB-IOT模块的硬件成本也较低,有利于大规模部署。尽管目前NB-IOT网络覆盖范围尚有限制,但未来发展前景广阔。为了提高系统的可靠性和扩展性,我们选择NB-IOT作为本系统的通信模块。NB-IOT技术的低功耗特性可以延长系统的电池寿命,减少维护成本。同时,NB-IOT的广域覆盖能力也确保了系统可以在偏远地区稳定运行,满足未来的发展需求。虽然目前NB-IOT网络覆盖仍在不断扩大中,但我们相信随着技术的发展和商用推广,NB-IOT必将成为物联网领域的主流通信方式。第三章系统硬件设计本次研究中，以NB-IOT技术为基础开展学校智能宿舍安防系统设计，出于节约项目开发成本，避免系统设计中功能模块的重复建设。在系统的硬件设计环境，依托现有的学校安全管理网络，利用成熟的校园安全管理网络结构设置相同的硬件结构，设置系统中需要使用的智能传感器、微控制器以及通信模块等各种系统运行中需要应用的设备。3.1STM32F103单片机STM32F103作为系统的主控制器,扮演着至关重要的角色。它集成了强大的ARMCortex-M3内核,拥有高达72MHz的主频,可以高效处理各种复杂的控制算法和数据处理任务。同时,STM32F103还集成了丰富的外设资源,包括多个UART、SPI、I2C、CAN等通信接口,以及定时器、看门狗、RTC等多种功能外设,为系统的功能扩展提供了充足的硬件支持。在硬件设计中,我们将STM32F103的UART1接口连接到NB-IoT模块,实现与远程服务器的数据通信;UART2接口连接到OLED显示模块,用于显示系统状态和传感器数据;I2C接口连接到OLED和部分数字传感器,实现数据传输;而ADC接口则连接到模拟传感器,如MQ-2烟雾传感器和光敏电阻,完成模拟量的数字化。此外,我们还利用STM32F103的多个定时器资源,实现对各个传感器的定时扫描和数据采集,确保系统的实时性和可靠性。图2.STM32F103单片机3.2DHT11温湿度检测模块温湿度是评估室内舒适度的重要参数。DHT11温湿度传感器采用专利的数字传感技术,可以精准地测量环境温度和相对湿度。它通过专用的单总线接口与单片机相连,只需要一根数据线即可实现数据传输,节省了硬件资源。在硬件设计中,我们将DHT11模块直接连接到STM32F103的IO口,利用单总线通信协议与单片机进行数据交互。DHT11每隔一定时间就会对环境进行采样,并将温湿度数据以数字量的形式传输给单片机。单片机接收到数据后,可以直接解析处理,无需进行模数转换等复杂操作。如果检测到温湿度超出预设的舒适范围,单片机将触发相应的控制措施,如启动空调、加湿器等设备,为宿舍营造一个舒适宜人的环境。图3.DHT11温湿度检测模块3.3MQ-2烟雾监测模块火灾是威胁人身和财产安全的重大隐患,因此在智能宿舍系统中集成烟雾检测功能就显得尤为重要。MQ-2是一种低成本的气体传感器,它不仅能够检测到烟雾,还可以检测到一氧化碳、甲烷等有害气体,提高了系统的安全性能。MQ-2模块是一种模拟式传感器,它的输出是一个模拟电压信号,该电压值与被测气体的浓度存在特定的对应关系。在硬件设计中,我们将MQ-2模块与STM32F103的模拟输入通道相连。单片机通过AD转换器,周期性地对MQ-2进行采样,读取其输出的模拟电压值,并根据预先标定的曲线,将其转换为实际的气体浓度值。一旦检测到异常高的烟雾或有害气体浓度,单片机将立即触发报警,并执行相应的应急措施,如喷洒灭火剂、切断电源等,最大限度地减少火灾带来的损失。图4.MQ-2烟雾监测模块3.4光敏电阻模块光敏电阻是一种光电器件,它的电阻值会随着光照强度的变化而发生改变。通过检测光敏电阻的电阻值,我们可以对环境光线强度进行监测,并根据检测结果采取相应的措施。在硬件设计中,我们将光敏电阻模块与STM32F103的模拟输入通道相连。光敏电阻的两端会形成一个电压分压回路,单片机通过AD转换器,周期性地对这个电压值进行采样。根据预先标定的曲线,单片机可以将采样的电压值转换为对应的光强度值。在夜间或者黑暗环境下,系统可以自动启用红外监控功能,提高安全性。同时,光线强度数据也可以用于控制照明设备,实现自动调光等节能功能。图5.光敏电阻模块3.5人体红外检测模块人体红外检测模块利用被动红外线原理,可以检测到人体运动和存在。它通常由两个独立的红外传感器组成,当人体移动时,两个传感器接收到的红外线辐射量会发生变化,从而触发检测信号。在硬件设计中,我们将人体红外检测模块直接连接到STM32F103的数字输入端口。当模块检测到人体运动时,它会向单片机发送一个高电平的脉冲信号。单片机接收到这个信号后,可以根据预先设定的策略,执行相应的动作,如触发警报、开启监控摄像头等。人体红外检测模块可以用于入室检测、防盗报警等多种场合,提高了系统的安全性能。图6.人体红外检测模块3.6OLED显示模块OLED显示模块为系统提供了人机交互界面,用于显示系统的工作状态、传感器数据等信息,方便用户查看和操作。相比传统的LCD显示屏,OLED具有自发光、视角广、对比度高、响应速度快等优点。在硬件设计中,我们将OLED显示模块通过I2C接口与STM32F103相连。利用I2C总线的并行传输特性,单片机可以高效地向OLED传输显示数据。OLED模块内置了显示驱动芯片和控制器,可以根据接收到的数据自动生成图像,减轻了单片机的处理负担。在软件设计中,我们可以编写相应的图形库,实现文本、图形、图标等多种显示效果,为用户提供丰富的交互体验。图7.OLED显示模块3.7NB-IOT模块NB-IOT模块是系统与外界连接的关键环节,它负责与远程服务器进行数据通信,将警报信息和传感器数据上传到云端,同时也可以接收来自远程的控制命令。在硬件设计中,我们将NB-IOT模块通过UART接口与STM32F103相连。UART是一种广泛应用的异步通信接口,通信效率较高,资源占用少。NB-IOT模块集成了NB-IOT通信芯片和天线,支持与运营商的NB-IOT网络连接。它可以在超低功耗的情况下,实现远距离数据传输,非常适合于智能家居、远程监控等物联网应用场景。通过NB-IOT模块,系统可以实时将采集到的环境数据上传至云端服务器,由服务器进行数据分析和存储。一旦发生异常情况,如火灾、入室等,系统可以第一时间通过NB-IOT网络发送报警信息,让相关人员了解现场情况并作出及时响应。同时,云端服务器也可以向NB-IOT模块下发控制指令,实现对系统的远程监控和管理。图8.NB-IOT模块3.8按键模块按键模块提供了一些基本的控制按钮,如开关机、复位等,方便用户对系统进行操作。它与单片机的数字输入端口相连,通过检测按键的按下和释放,执行相应的功能。在硬件设计中,我们采用了硬件去抖动电路,有效消除了按键抖动导致的误操作。每个按键都与单片机的一个数字输入端口相连,端口状态的变化就代表着按键的动作。通过编程,我们可以对按键的动作进行识别和响应。例如,长按复位按钮可以将系统恢复出厂设置;短按菜单按钮可以切换OLED显示的界面等。按键模块为系统提供了简单直观的人机交互方式,提高了用户体验。图9.按键模块3.9蜂鸣器模块蜂鸣器模块用于发出声音警报,可以与单片机的数字输出端口相连。一旦系统检测到异常情况,如火情或者非法入室等,蜂鸣器将发出尖锐的声音,提醒用户采取相应措施。在硬件设计中,我们将蜂鸣器模块直接连接到STM32F103的IO口。通过控制IO口的电平状态,即可驱动蜂鸣器发声或静音。我们可以在软件中编写不同的声音模式,如持续鸣响、间歇鸣响等,用于表示不同的警报级别和事件类型。例如,当检测到轻微异常时,蜂鸣器可以每隔一段时间发出"嘀嘀"声响,提醒用户注意;而一旦发生严重事故,如火灾,蜂鸣器将持续发出刺耳的鸣叫声,让用户立即采取应急措施。图10.蜂鸣器模块3.10系统终端传感器设置在系统硬件设计中，系统的终端传感器是系统硬件中的最核心部分。依据NB-IOT技术规范，该系统由若干模块组建，包括微型微控制单元、非法闯入侦测组件、烟雾检测装置、温湿感应器、光线强度检测设备、NB-IOT通讯模块、系统运作状态指示器及电源硬件等。系统终端传感器的整体硬件设置如下图所示：图11.系统终端传感器硬件构成从上图中能够看到，在系统终端传感器的硬件结构中，微控制器是所有硬件设备运行的核心。在系统实际工作中，系统终端传感器中的微控制器需要将下属的各个节点的传感器实时运行数据内容整理打包向NB-IOT模块发送，数据发送过程由系统中的UART程序主导。在各个传感器模块的运行数据上传至校园安全管理网络的云平台上之后，云平台向系统发布对应的指令，并通过系统的微控制器将运行指令下达到指定的功能模块，由此完成对平台指令的完整响应过程。系统终端传感器硬件设置中的非法入侵检测模块硬件设计中，以低能耗的热释电红外传感器作为硬件基础。当系统运行进入布防模式时，该模块会自动对区域内的非法入侵情况进行全面检测。检测发现区域内无非法入侵行为的情况下，该模块自动进入休眠状态，以节约系统运行的能耗。当区域内出现非法入侵行为时，系统中的单片机装置会在第一时间唤醒系统终端传感器中的NB-IOT模块，将区域内的异常数据信息通过NB网络向校园安全管理云平台发送，云平台根据系统反馈信息向系统终端传感器硬件系统发出非法入侵模块响应的指令。接到指令后，非法入侵模块重启对区域非法入侵情况进行检测，并通过微控制器向云平台发送检测结果，供平台作下一步的处置决策。系统终端传感器中其他的功能模块在运行机制设计上与非常入侵功能模块相同。在具体功能方面，烟雾传感器与温湿度传感器模块主要负责对区域内的火灾风险预警。当宿舍内出现火灾险情时，室内烟雾浓度会出现明显提升，而烟雾传感器会立即对宿舍室内的烟雾浓度变化做出响应，提示宿舍内部的火灾险情。烟雾传感器在实际运行中，会根据区域内烟雾的实际浓度做出不同的响应。烟雾探测器与温度探测器被运用以侦察火警是否爆发。一旦发作火灾，浓烟密布时烟雾探测器将率先察觉到危机；而当烟雾稀薄，从现场气温的骤变或异常升高可以辨认火势紧急。整合使用烟雾与温度探测器，有助于迅速且有效地识别火灾的出现。此外，终端传感器中设置的温湿度传感器实时监测宿舍空间内的温湿度变化情况，通过将这一模块反馈数据与烟雾传感器模块的预警数据结合能够更精确判断宿舍空间内的火灾险情。最后，光照度传感器的反馈数据作为上述模块中反馈数据的辅助判定参考，用于对宿舍室内实际情况的判定分析。在系统整体的终端传感器硬件设置中作为辅助设置使用。3.11系统终端传感器各部分器件选用与电路设计在硬件设计部分中，针对系统终端传感器整体运行的电路设计，在系统主控制器部分应用STM32L051C6T6单片机装备，该型号的单片机装置设置有48个引脚，Fiaash容量可达到64kb，能够充分满足系统运行中的宿舍空间安防管理的需求。该型号单片机装备共设有3个UART接口，能够有效降低设备运行中的能耗。终端传感器中的热释电外外线传感器运行电路设置采用SB312模块，该模块供电范围可以在3-12V之间自主调节，待机状态下能耗在20μA以下，能够满足系统硬件使用电池供电的需求。终端传感器硬件构成中的温湿度传感器应用SHT30-DIS型号的传感器，该型号传感器实际应用中对空间湿度监测的误差能够控制在±2%之间，温度监测的误差能够控制在±0.3℃上下，设备运行精度表现符合系统实际应用要求。在传感器供电电压设置上，该型号传感器供电电压可以在2.4-5.5V之间自由切换。此外，系统硬件中的烟雾传感器同样使用低能耗的红外传感器，光照度传感器在整体的系统硬件设置中属于相对次要的部分，这一部分的具体选用造假更低的光敏电阻。为提高系统硬件对使用场景的适应性，系统运行总体电源采用电池供电的形式，电池使用3.6V的一次性锂电池。系统中各个功能模块以3.3VLDO作为电源。根据系统终端传感器硬件选型与使用要求，将各个传感器器件连接起来的电路系统具体如下：图12.系统终端传感器硬件电路另外，在进行NB-IOT模块的电子线路构建时，必须注意确保模块与学校安保系统的联接性。NB-IoT无线通讯模块的核心作用是实现数据节点与云服务平台之间的信息互动。鉴于此项基本需求，设计NB-IOT模块硬件时，应该采用包括NB-IoT模块、SIM卡插槽、供电电路、串行通讯电平转换线路和重置线路在内的相关组件。在NB-IOT模块的硬件配置方面，BC26模块作为核心硬件组成部分，该模块具备在实际使用场景下支持运行TCP、UDP及COAP等通讯协议的能力。此外，BC26模块的电源电压可以在2.1至3.6伏特范围内进行自适应调整。模块与中央处理单元（MCU）的交互可经由UART或SPI接口实现，并借助AT命令进行模块工作状况的检测及与物联网平台间的数据互动等多项操作。在设计该硬件模块的连接电路时，选用了3.6V的锂电池作为主要电源，供电给BC26模块，该模块亦采纳相同型号电池提供能量。为实现MCU对模块电源开关的简便操控，电池经由PMOS管的转接供电至BC26模块。由于BC26模块内部需要1.8V电压，而主控MCU工作于3.3V电压之下，因而系统间的通讯要借助TI公司生产的TXS0102型号的低消耗双向电平转换器以实现电压匹配。此外，BC26模块的重置端子RESET和电源时序控制端子PWRKEY与MCU的连接是通过构建成OC门电路的NPN型三极管来实现的。该模块电路设计具体如下：图4.系统NB-IOT模块硬件电路第四章系统软件设计基于NB-IOT的智能宿舍安防系统软件设计具体以包括系统中夺冠与云平台数据通信协议，节点数据采集、NB模块初始化以及平台数据通信4部分内容。4.1系统终端与云平台对接流程设计系统终端和云平台对接流程具体如下图所示。根据图中内容，平台对接需要先在电信平台注册账户，接着.登录到平台进行设备对接协议Profile的设计,然后在平台添加设备并绑定IMEI码,从而建立起设备与云平台之间的连接。图5.系统终端与云平台对接流程设置在系统终端与云平台的数据对接体系设计中，具体根据下图中所示的编解码插件结果将系统运行数据在二进制格式与Json格式之间进行切换，通过这一方式实现系统终端与云平台的即时数据通信。图6.系统终端与云平台对接的编解码插件结构4.2系统数据通信协议设计系统硬件设计中，针对系统中的NB-IOT模块搭建以BC26模块为基础，该模块为系统运行提供LWM2M协议对应的专项指令，系统中的主控单片机装备可以借助这些固定的制定将系统终端与云平台进行高速连接，而系统终端与云平台之间的通信协议可以直接进入平台门户网站，获取系统硬件与平台硬件设备编解码插件的线上编辑与上传功能。系统终端与云平台通信协议设计包含系统各模块检测数据定时上传、平台对系统数据的响应机制、平台指令分布与系统终端对平台指令响应等系统功能运行关联的协议。其中，系统终端各模块检测数据定时上传的通信协议内容具体如下：表1.系统终端各模块检测数据定时上传通信协议通信协议中使用的各项序号具体用于对平台接收数据信息完整性的识别，数据上传设置有明确的时间格式，不同时间单位均设置对应的字节。根据表格截图中所示的通信协议信息，云平台在接收到系统终端各个模块发送的定时检测数据之后，云平台会向系统终端发送数据接收无误的对应序号信息。云平台对系统终端上传数据的应答协议具体如下：表2.云平台应答系统终端数据上传通信协议云平台下发设置指令协议如下所示。协议中设置使能为7字节，不同的字节具体对应系统电源电池的最低门限、非法入侵预警、火灾险情预警、室内空间温度上限预警、湿度上限预警、光照度低门限以及系统终端模块数据反馈设置等各项功能模块运行的使能，对应字段为1时为设置使能，字段为0时部队系统终端设置做出修改。表3.云平台指令下发设置通信协议系统终端运行中接收到平台发出的对应设置指令，终端传感器中的对应功能模块需要根据指令做出具体的响应动作，并同时将当前字段设置值向云平台回传，由平台判定系统终端动作是否与指令要求一致。系统终端指令应答的通信协议设置具体如下：表4.系统终端指令应答设置通信协议4.3系统数据收集流程设计本次智能宿舍安防系统的软件设计部分，根据系统实际应用需求，系统终端需要具备系统运行数据的初始化，系统运行主程序、串口接收中断运行服务、系统各模块实时运行数据采集等各项功能。在系统硬件设计环节中，为提高系统硬件应用便捷性与对宿舍复杂环境的适应能力，系统终端传感器硬件采用电池供电的形式，为节约能耗，系统硬件在日常会处于休眠待机状态。针对这一情况，针对宿舍安防信息采集，需要设置紧急中断与定时收集两种形式。针对宿舍内非法入侵预警、火灾险情预警等紧急情况，系统软件设计中以紧急中断作为数据收集的形式，以此方式确保系统对这些数据内容收集与响应的即时性，便于宿舍安防管理第一时间开展险情的处置。而针对系统终端供电电池电压变化、宿舍空间内温湿度和光照度变化等实时性要求比较低的数据，系统在这些信息收集与反馈中采用定时收集的形式，并根据传感器数据的正常与否，再确定是否需要向平台发送数据。系统终端软件设计中，数据收集流程设计具体如下所示：图7.系统终端数据收集流程设计4.4系统NB-IOT模块初始化设计在本次系统设计中，出于系统整体运行低能耗的考虑，系统中的NB-IOT在非必要的情况下处于休眠的状态，只有当系统终端模块需要与云平台互联，进行系统终端传感器模块监测数据定时上传并接受平台指令时，系统中的NB-IOT模块作为系统终端与平台的连接组件才会开启运行模式。因此，在系统投入实际应用的过程中，每一次进行系统终端数据上传或平台指令接收之前都需要对系统终端的NB模块进行初始化，将上一次的运行数据覆盖，避免影响到系统终端与平台之间的通信连接。根据系统终端软件设计中应用的LWM2M基础流程设计，NB模块初始化流程具体如下所示：图8.系统NB模块初始化流程设计根据上图中内容显示，系统中NB模块初始化第一项流程为模块的供电，对模块进行供电时，在恢复NB模块供电指令发出之后，需要等待系统终端供电的响应，而后借助AT指令获取系统终端SIM卡的IMEI信息，查看当前系统终端的实时入网状态，同时检查系统终端的NB模块当前获取的IP地址是否能够进行长正常的数据访问。如果显示IP地址有效，能够正常进行数据访问，系统终端做出响应，配置IOT平台地址与Port，保持系统终端与云平台数据对接上行通道与下行通道的开启状态，之后就可以通过NB模块进行系统终端与云平台的即时通信，做出下一步系统运行动作。系统终端中使用的NB模块与云平台的通信机制设置与以往的智能化安防系统中的通信模块在通信原理与结构等方面都有一定的差异。NB模块支持的PSM模式能够确保NB硬件设备在长时间的休眠状态下仍然能够正常开启与使用。NB模块运行的机制设置，模块首先将系统终端各个传感器模块的监测数据发送至云平台中，而系统终端各项功能传感器下一步的动作由平台分析上传数据后具体发出，NB模块在其中具体承担数据信息格式转换与向对应传感器模块发出动作指令的智能。该模块完成初始化之后可以与云平台进行互联通信，整体的流程设计如下：图9.系统NB模块与云平台通信流程设计根据上图内容所示，系统终端的NB-IoT模块在初始化程序结束之后,与云平台进行通信，首先需要先配置NB-IoT模块的发送和接收数据流格式，借助指令“AT+QLWUPDATE"将数据发送中使用的格式信息同步到平台中，之后就可以以这一格式将系统终端中各个传感器模块的监测数据发送至云平台(非应答模式下不需要物联网平台的ACK,应答模式下需要等待物联网平台的ACK),之后该模块根据平台对发送内容的应答读取相关数据，并将数据信息转换成系统终端可接受的格式传回到系统终端的各个功能传感器模块中，而后引发对应的传感器模块动作；通信完成后NB模块向平台发送通信注销请求,删除LwM2M连接等；NB模块结束上述动作，根据系统运行要求重新进入休眠状态。第五章系统运行测试环节设计完成系统整体的硬件与软件设计之后，为验证系统实际运行效果需要对系统进行实际运行测试。针对系统测试环节设计，测试中第一步将系统与校园安全管理的云平台连接到一起，之后对系统终端与云平台的实时连接状态、数据上传完整性以及数据上传速率，云平台向系统终端下达指令的响应速率与响应准确性等分别进行模拟测试。5.1测试环境搭建本系统的部署环境为宿舍，监控摄像头被放置于通道末端，其监控范围覆盖门和窗户以便侦测任何非法闯入者；烟感探测器和可燃气检测仪主要安装在了楼道，按照10米左右的间距进行安装，用于检测区域内的火灾和烟雾的情况，进行迅速的相应和报警。在宿舍房间内布置了环境检测传感器，可以用于检测宿舍内环境情况。这样实现了对于环境的检测和对于火灾的检测。5.2系统测试系统构建完毕，需要对系统开展验证，涉及环境检测模块、火灾预防、目标识别环节以及系统全面检验。感知装置分布于室内外，搭载在系统之上，通电启动后，预设每隔两分钟就让末端接入点报告数据一次，连续作业六十分钟，总计传送数据三十次。随后，通过云端平台对接收到的数据执行汇总分析，以便监测数据遗漏或不正常波动的状况。而后，依据云服务平台所汇总的数据显示，提交的资料被完全接收，通过查询历史记录，可以看到系统每隔2秒钟进行一次数据的接收，并且未检测到遗漏或异常数据，完全达到了系统的运作要求。为检验系统内的烟感是否运作正常，需对它们分别进行烟雾及易燃气体的实验。这种探测器都安装于室内，具体来说，香炷的燃烧烟被吹入烟雾探测器的感应部件以激活警报机制，通过香炷的燃烧烟来进行相应测试；同时也可以采用替代的方式，因为烟雾传感器对于丁烷也体现出敏感性，所以测试过程中，烟雾部分可以通过打火机内的丁烷气体代替，通过启动打火机并熄灭其火苗，使其持续释放气体，以考核气感报警器的响应能力。每个传感器分别测试了10次，记录数据，计算相应时间后进行平均，计算结果表明传感器相应速度良好，满足检测和报警的需求。本系统的目标检测功能检测环境中的入侵主体，并将其转换为本文信息进行上报。通过对人员进行实际测试，测试时启动传感器和摄像头，人员在室内来回走动，摄像头拍摄到人员后进行检测，把输出的文信息发送至云平台。5.3综合测试第一部分，系统调试。在设计系统时，一般需要进行整体调试，以确定其功能是否满足设计要求。通过系统调试，可以完善系统，达到设计目的。根据系统硬件设计内容进行硬件组装。组装完毕后进行系统整体电路策略，排查潜在的电路短路与连接异常等问题。在软件部分，通过设置断点和一步执行来确认程序的正确执行速度，确定软件和硬件在执行过程中没有问题，可以直接用Keil软件烧录程序，也可以通过串口控制和显示界面验证系统是否达到了预先设计的功能，直至最终整体调试完毕。第二部分，系统演示测试。接通系统电源，系统进入运行状态。根据系统外接屏幕内容显示：当前室内温度21℃，湿度60%。系统运行中温度阈值下限为24℃，上限为39℃；湿度阈值下限为40%，上限为82%。将当前使用标准温度计与湿度计测得的室内温湿度与系统数据对比显示结果一致，证明系统中温湿度监控精度有充分保证，系统中设定温湿度的阈值上下限测量精度也能够得到有力保障。针对系统对室内火灾、非法入侵等突出情况数据反馈效率，系统测试环节中在完成设备与云平台之间的对接后，分别对设备连接状态、上传数据和下发指令等进行了模拟测试。具体测试结构如下图所示：图10.系统数据接收与命令