化工厂智能安防系统设计

[8]，该模块的引脚配置如表4-5所示。表4-5HL8032引脚配置序号引脚说明STC8H8K64U连接该模块引脚1INL输入线路火线2NL输入线路零线3OUTL输入线路火线4OUTN输入线路零线5VCC模块5V供电6GND模块GND接口7T模块数据发送IOP00电能HL8032模块与STC8H8K64U的接口电路如图4-12所示。图4-12HL8032与STC8K64U接口电路图MQ-4为甲烷传感器模块，该模块可检测空气中的甲烷浓度，并将浓度值以AD量形式输出，在本系统设计中将甲烷模块与STC8K64U的P10引脚相连接。甲烷传感器引脚配置如表4-6所示。表4-6MQ-4引脚配置表序号引脚说明STC8K64与该模块连接引脚1VCC模块电源接口2GND模块GND接口3DO气体浓度开关量信号4AO气体浓度模拟量输出P10甲烷模块与STC8K64U的接口电路图如下图4-13所示。图4-13甲烷模块与STC8K64U接口电路图MQ-2为甲烷传感器模块，该模块可检测空气中的一氧化碳浓度，并将浓度值以AD量形式输出，在本系统设计中将甲烷模块与STC8H8K64U的P11引脚相连接。MQ-2引脚配置如表4-7所示。表4-7MQ-2引脚配置序号引脚说明STC8K64U与该模块连接IO1VCC模块电源接口2GND模块GND接口3DO气体浓度开关量信号4AO气体浓度模拟量输出P11一氧化碳模块与STC8K64U连接的电路如图4-14所示。图4-14MQ-2与STC8K64U接口电路图MQ-S为烟雾传感器模块，该模块可检测空气中的烟雾颗粒浓度，并将浓度值以AD量形式输出，在本系统设计中将甲烷模块与STC8K64U的P13引脚相连接。MQ-S引脚配置如表4-8所示。表4-8MQ-S引脚配置序号引脚说明STC8K64U与该模块连接引脚1VCC模块电源接口2GND模块GND接口3DO气体浓度开关量信号4AO气体浓度模拟量输出P13烟雾传感器模块与STC8K64U的接口电路原理图如图4-15所示图4-15烟雾传感器与STC8K64U连接原理图本系统采用有源蜂鸣器作为声音警报信号，该模块只需在其控制引脚上施加5V电平即可蜂鸣，在本系统设计中采用STC8K64的P01引脚与蜂鸣器相连接，蜂鸣器模块的引脚配置如表4-9所示。表4-9蜂鸣器引脚配置编号引脚说明STC8K64U与该模块连接引脚1VCC3.3V电源供电IO2I/O蜂鸣器响应控制IOP013GND电源地蜂鸣器模块与STC8K64U的接口电路如图4-16所示图4-16蜂鸣器与STC8K64U接口电路图MCP2515模块为CAN通信模块，该模块包含CAN控制器和收发器，本系统设计中采用STC8K64U控制MCP2515从而与STM32103ZET6通过CAN总线进行通信，该模块与STC8K64U的P21、P22、P23、P20、P32引脚连接。MCP2515引脚配置如表4-10所示。表4-10MCP2515引脚配置编号引脚说明STC8K64U与该模块连接引脚1VCC模块供电接口2GND模块电源地3CSSPI通信片选P204SOSPI从机输出主机输入P215SISPI主机输出主机输入P226SCKSPI时钟线P237INTMO块触发信号P32该模块与STM8K64U的接口电路如图4-17所示图4-17MCP2515与STC8K64U接口电路图本章主要介绍了本系统中所使用到的硬件模块，以及对应硬件模块之间的接口电路原理图设计，各硬件之间的电路连接关系以原理图的形式展示出来。同时介绍了对应硬件模块的性能、引脚说明。系统软件功能分为图像处理、传感器采集、数据传输云平台、小程序设计四大模块，其中图像处理模由K210完成，传感器采集由STC8K64U完成，数据传输云平台由STM32103ZET6在接收K210、STC8K64U数据之后驱动ESP8266上传至Onenet云，小程序部分主要实现访问Onenet云，并将云平台数据显示，系统软件总体设计框架如图5-1所示。图5-1软件总体框架图K210图像处理功能总流程如图5-2所示图5-2图像处理流程图STC8K64U处理传感器总流程如图5-3所示图5-3STC8传感器处理总流程图STM32103ZET6系统采集K210、STC8K64U数据发送至云平台功能总流程如图5-4所示。图5-4STM32系统任务总流程图小程序任务总流程如图5-5所示。图5-5小程序任务总流程图本系统采用ONENET为本系统的云平台，该云平台的开发主要涉及三个步骤，为创建账号、创建物模型、创建数据流。Onenet账号注册登录官网ttps://注册即可，注册成功界面如图5-6所示图5-6云平台注册成功图创建物模型，物模型的创建为在设备开发中创建产品，选择对应的应用场景，并选择网络传输协议，创建好的物模型界面如图5-7所示图5-7创建物模型图创建数据流为在对应的物模型下选择需要用到的变量，并规定变量的步进长度、显示单位。创建好的数据流如图5-8所示。图5-8数据流展示图K210支持自主训练子的图片模型，以应对各种使用场景，下面介绍K210自主训练模型的方法步骤，下面以猫狗检测应用场景进行演示。登录迦南科技官方网站，注册并登录，网址为嘉楠开发者社区()，如图5-9所示图5-9开发者社区登录界面图训练之前先观看官方文档，对整体流程有一个初步了解和认识，如图5-10所示图5-10训练平台文档展示图创建项目，如图5-11所示图5-11创建项目图根据应用需要，填写项目名称（尽量为英文名字）选择图像检测或者图像分类如图5-12所示图5-12项目类型选择图选择数据集并创建数据集如图5-13所示图5-13创建数据集图进行数据集的绑定如图5-14所示图5-14数据集绑定图选择准备好的应用场景，并注意单个文件的大小应符合训练平台要求如图5-15所示图5-15训练文件选择图创建标签，并选择标签，然后开始上传图片如图5-16所示图5-16标签选择图点击训练任务，并创建训练任务如图5-17所示图5-17训练任务图填写任务名称、运行芯片、数据量大小等信息如图5-18所示图5-18任务选择图等待训练，训练结束后，平台自动将模型代码发送到邮箱，如图5-19所示图5-19模型训练完成图至此，模型训练方法已介绍完毕，关于得到的模型使用方法，请查阅平台提供的模型使用方法，链接为在线训练平台使用文档.pdf()工作人员图像识别的原理是，利用迦南科技平台的模型训练，训练能够正确识别人脸的模型，然后K210不断运算OV2640采集回来的图像，当识别到人脸时与本地已记录的人脸库进行对比，当时别到人脸为已记录在人脸库时，输出人脸编号信息到STM32103ZET6，当识别到未注册的人脸时，输出未注册人员信息到STM32103ZET6。同时支持在线注册人脸，将人脸记录进人脸库，当需要注册时，按下BOOT按键，同时输出注册成功与否信息到STM32103ZET6。化工厂工作人员图像识别程序流程图如图5-20所示图5-20人员图像识别流程图核心代码如下加载YOLO模型文件kpu=KPU()#创建KPU对象kpu.load_kmodel("/sd/KPU/yolo_face_detect/face_detect_320x240.kmodel")#从指定路径加载YOLO模型文件kpu.init_yolo2(anchor,anchor_num=9,img_w=320,img_h=240,net_w=320,net_h=240,layer_w=10,layer_h=8,threshold=0.7,nms_value=0.2,classes=1)#初始化YOLOV2检测器判断是否已注册人员信息iflen(scores)://获取长度max_score=max(scores)#获取结果index=scores.index(max_score)//获取索引ifmax_score>THRESHOLD://进行比值判断img.draw_string(0,195,"persion:%d,score:%2.1f"%(index,max_score),color=(0,255,0),scale=2)#进行显示框绘制recog_flag=True#返回正确值else:img.draw_string(0,195,"unregistered,score:%2.1f"%(max_score),color=(255,0,0),scale=2)#显示文字内容print("thief")#输出打印信息CAN总线自定义协议本课题设计中，涉及到CAN网络通信，对于STM32103ZET6其自带CAN控制器，因此初始化CAN控制器外设即可，对于STC8K64U，由于其没有集成CAN控制器，因此需要采用MCP2515CAN模块来进行。整个CAN通信的内容由主机STM32103ZET6发起，从机STC8K64U被动响应，通信内容设计从机节点所连接的各个传感器数据，如甲烷浓度、CO浓度、设备电能使用情况等。本系统中CAN网络中使用的协议为自定义协议，该协议如下从机传输协议如下0X55(数据帧起始字节)+从机编号（一字节）+传感器类型（一字节）+传感器数据长度（一字节）+传感器数据（根据先前的长度发送对应字节的数据）+该传感器监测目标状态（一字节）+检验和（该协议前面所有字节数据进行异或运算）+0XFF（数据帧结束字节）主机查询协议如下0X55(数据帧起始字节)+从机编号（一字节）+传感器类型（一字节）+校验和（该协议前面所有字节数据进行异或运算）+0XFF（数据帧结束字节）。主机应答协议如下。0X55（数据帧起始字节）+从机编号（一字节）+0X00+检验和（该协议前面所有字节数据进行异或运算）+0XFE.本系统中使用的从机数目为2，从机编号、从机实物编号如表5-1所示。表5-1从机主机实物与程序编号从机实物编号从机编号10x0120x02本协议中规定0X00禁止代表任何传感器类型，所以传感器协议编号必须从大于0X00，防止跟主机应答协议冲突。所使用的传感器类型、传感器类型协议编号如表5-2所示。表5-2传感器类型与在协议中的对应编号传感器类型传感器协议编号CO传感器0X01甲烷传感器0x02电能传感器0X03本协议中，传感器检测目标状态数值类型和说明如表5-3所示。表5-3传感器状态数值类型表传感器目标状态数值状态说明0X00正常0X01警告0X02异常CAN总线主机STM32103ZET6通信流程与核心代码STM32103ZET6（主机）和STC8K64U（从机）之间的CAN通信功能流程图如下图5-21所示图5-21CAN网络通信流程图主机STM32103ZET6配置CAN外设核心代码如下u8CAN_Mode_Init(u8tsjw,u8tbs2,u8tbs1,u16brp,u8mode){u16i=0;if(tsjw==0||tbs2==0||tbs1==0||brp==0)return1;tsjw-=1;//先减去1.再用于设置tbs2-=1;tbs1-=1;brp-=1;RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA时钟//过滤器初始化CAN1->FMR|=1<<0; //过滤器组工作在初始化模式CAN1->FA1R&=~(1<<0); //过滤器0不激活CAN1->FS1R|=1<<0; //过滤器位宽为32位.CAN1->FM1R|=0<<0; //过滤器0工作在标识符屏蔽位模式CAN1->FFA1R|=0<<0; //过滤器0关联到FIFO0CAN1->sFilterRegister[0].FR1=0X00000000;//32位IDCAN1->sFilterRegister[0].FR2=0X00000000;//32位MASKCAN1->FA1R|=1<<0; //激活过滤器0CAN1->FMR&=0<<0; //过滤器组进入正常模式}STM32103ZET6通过CAN总线查询从机各传感器数据核心代码如下。voidPollReceiveSlaverSensorData(){CAN_Send_Msg(Ch4Sensor,8);//主机发送查询甲烷传感器数据信息CAN_Receive_Msg(Ch4SensorBuf);//获取从机STC8K64U回应甲烷传感器数据信息CAN_Send_Msg(CoSensor,8);//主机发送查询发送一氧化碳传感器数据信息CAN_Receive_Msg(CoSensorBuf);//获取主机回应信息CAN_Send_Msg(Sensor,8);//发送烟雾传感器数据信息CAN_Receive_Msg(SensorBuf);//获取主机回应信息}CAN总线从机STC8K64U通信流程与核心代码STC8K64UCAN总线通信任务流程如图5-22图5-22从机STC8K64CAN总线通信流程CAN总线从机STC8K64U核心代码如下。voidMCP2515_Init(void){unsignedchartemp=0;MCP2515_Reset(); //发送复位指令软件复位MCP2515Delay_Nms(1); //通过软件延时约nms(不准确)MCP2515_WriteByte(CNF3,PHSEG2_3TQ);MCP2515_WriteByte(TXB0SIDH,0xFF);//发送缓冲器0标准标识符高位MCP2515_WriteByte(TXB0SIDL,0xE0);//发送缓冲器0标准标识符低位MCP2515_WriteByte(RXB0SIDH,0x00);//清空接收缓冲器0的标准标识符高位MCP2515_WriteByte(RXB0SIDL,0x00);//清空接收缓冲器0的标准标识符低位MCP2515_WriteByte(RXB0CTRL,0x20);//仅仅接收标准标识符的有效信息MCP2515_WriteByte(RXB0DLC,DLC_8);//设置接收数据的长度为8个字节MCP2515_WriteByte(RXF0SIDH,0xFF);//配置验收滤波寄存器n标准标识符高位MCP2515_WriteByte(RXF0SIDL,0xE0);//配置验收滤波寄存器n标准标识符低位MCP2515_WriteByte(RXM0SIDH,0xFF);//配置验收屏蔽寄存器n标准标识符}}本课题设计中，需要实时采集设备电能使用情况，本系统中使用的电能采集模块是HLW8032模块，使用该模块可采集电流、电压、功率信息。HLW8032模块内部规定自己的通信协议，STC8K64U只需要接收到数据之后按照协议解析即可得到用电设别电压、电流、功率信息。该协议为发送HLW8032芯片内部编号1-11的寄存器内容，一共24字节数据。寄存器编号、寄存器内容、寄存器字节数如表5-4所示表5-4HLW8032协议发送寄存器说明表序号数据类型数据长度描述1状态寄存器1数据状态指示2检测寄存器1默认值3电压参数寄存器3默认值4电压寄存器3续上表5-45电流参数寄存器3默认值6电流寄存器37功率参数寄存器3默认值8功率寄存器39数据更新寄存器1功率、电压、电流状态指示10PF寄存器2PF脉冲个数11校验和寄存器1数据校验和状态寄存器内容说明，HLW8032规定，状态寄存器的值只能为0XAA、0X55、0XFx这三种情况，三种值对应的情况说明如下表5-5所示表5-5状态寄存器对应值说明数值状态说明0XAA芯片处于不稳定，电压电流功率寄存器数值不可用0X55芯片稳定，电压电流功率寄存器数值可用且未溢出0XFX芯片稳定，对应X为溢出位，电流电压功率那个参数溢出对应位就为1STC8K64U才做HLW8032主要流程图如图5-23所示图5-23电能模块处理流程图核心代码如下voidData_Processing(){u32VP_REG=0,V_REG=0,CP_REG=0,C_REG=0,PP_REG=0,P_REG=0,PF_COUNT=0,PF=0;doubleV=0,C=0,P=0,E_con=0;if(USART2_RX_BUF[0]!=0xaa)//芯片误差修正功能正常，参数正常{VP_REG=USART2_RX_BUF[2]*65536+USART2_RX_BUF[3]*256+USART2_RX_BUF[4];//计算电压参数寄存器V_REG=USART2_RX_BUF[5]*65536+USART2_RX_BUF[6]*256+USART2_RX_BUF[7];//计算电压寄存器V=(VP_REG/V_REG)*1.88;//计算电压值，1.88为电压系数，根据所采用的分压电阻大小来确定CP_REG=USART2_RX_BUF[8]*65536+USART2_RX_BUF[9]*256+USART2_RX_BUF[10];//计算电流参数寄存器C_REG=USART2_RX_BUF[11]*65536+USART2_RX_BUF[12]*256+USART2_RX_BUF[13];//计算电流寄存器C=((CP_REG*100)/C_REG)/100.0;//计算电流值else{PP_REG=USART2_RX_BUF[14]*65536+USART2_RX_BUF[15]*256+USART2_RX_BUF[16];//计算功率参数寄存P_REG=USART2_RX_BUF[17]*65536+USART2_RX_BUF[18]*256+USART2_RX_BUF[19];//计算功率寄存器P=(PP_REG/P_REG)*1.88*1;//计算有效功率}if((USART2_RX_BUF[20]&0x80)!=old_reg)//判断数据更新寄存器最高位有没有翻转{k++;old_reg=USART2_RX_BUF[20]&0x80;}PF=(k*65536)+(USART2_RX_BUF[21]*256)+USART2_RX_BUF[22];//计算已用电量脉冲数PF_COUNT=((100000*3600)/(PP_REG*1.88))*10000;//计算1度电对应的脉冲数量E_con=((PF*10000)/PF_COUNT)/10000.0;//计算已用电量}}本课题设计中需要检测车间甲烷、CO的气体浓度，本课题使用的甲烷、CO模块均为AD量，因此需要MCU进行AD数据采集。气体浓度检测流程图如图5-24所示图5-24气体浓度处理流程图主要代码如下voidADC_Init(){RCC_PeriphCLKInitTypeDefADC_CLKInit;__HAL_RCC_ADC3_CLK_ENABLE();ADC_CLKInit.PeriphClockSelection=RCC_PERIPHCLK_ADC; //ADC外设时钟ADC_CLKInit.AdcClockSelection=RCC_ADCPCLK2_DIV6; //分频因子6时钟为72M/6=12MHzHAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&ADC_CLKInit); //设置ADC时钟hadc3.Instance=ADC3;hadc3.Init.ScanConvMode=ADC_SCAN_DISABLE;//关闭扫描模式hadc3.Init.ContinuousConvMode=DISABLE;//关闭连续扫描模式hadc3.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE;hadc3.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START;//ADC3_EXTERNALTRIG_T8_CC1;//;C_SOFTWARE_START;//软件启动hadc3.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT;//转换结果右对齐hadc3.Init.NbrOfConversion=1;//配置位hadc3.Init.NbrOfDiscConversion=0;//不连续采样通道数为0if(HAL_ADC_Init(&hadc3)!=HAL_OK)//讲结构体配置参数初始化并判断初始化是否成功{while(1);}HAL_ADC_Start(&hadc3);//开启AD转换}本课题设计中，需要与云平台进行数据交互，所选用的网络模块为ESP8266，程序设计流程图如下图5-25所示图5-25ESP8266处理流程图主要代码如下STM3213ZET6控制ESP8266发送数据 uint8_tESP8266_SendCmd(char*cmd,char*res){ uint16_ttimeOut=1000;//设置超时时间 IWDG_REST();//喂狗 Usart_SendString(&huart3,(unsignedchar*)cmd,strlen((constchar*)cmd));//发送字符串 while(timeOut--) { IWDG_REST(); if(ESP8266_WaitRecive()==REV_OK) //如果收到数据 { if(strstr((constchar*)esp8266_buf,res)!=NULL) //如果检索到关键词 { ESP8266_Clear(); //清空缓存 return0; } } DelayMs(2); } return0;}ESP8266初始化代码如下voidESP8266_Init(void){ESP8266_Clear();while(ESP8266_SendCmd("AT\r\n","OK"))");//发送测试AT制零while(ESP8266_SendCmd("AT+RST\r\n",""))//发送复位命令while(ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=1\r\n","OK"))//发送透传模式设置");while(ESP8266_SendCmd("AT+CWDHCP=1,1\r\n","OK"))//发送DHCPwhile(ESP8266_SendCmd(ESP8266_WIFI_INFO,"GOTIP"))//发送wifi信息while(ESP8266_SendCmd(ESP8266_USERCFG_INFO,"OK"))//发送用户信息while(ESP8266_SendCmd(ESP8266_ONENET_INFO,"OK"))}//发送云平台连接本课题的人机交互采用微信小程序来作为交互终端，小程序设计流程图如图5-26所示图5-26小程序处理流程图主要代码如下

wx.request({url:'/devices/1080272400/datapoints',header:

{'content-type':

'application/json','api-key':'3WnUKKcnK02K5z6jGPOKuvk0djs='},method:

'POST',data:

JSON.stringify(data),//data数据转换成JSON格式success(res){系统图像处理模块流程图如下console.log("成功",res.data)},fail(res){console.log("失败",res)}})}本章主要介绍了各部分功能的程序实现的思维流程并以流程图的形式展现，同时介绍了各部分功能的主要代码实现。同时介绍了详细的自定义协议以及协议实现和格式。本课题设计的化工厂智能安防系统设计中需要实时监测有无陌生人闯入厂区，该部分由K210进行运算，安全人员可通过小程序实时查看监测结果。演示结果如下当时别到已注册人员时，屏幕用粉红色框框住人脸，如图6-1所示。图6-1检测已注册人员图小程序端查看结果如图6-2所示图6-2检测已注册人员小程序展现图LCD显示界面如图6-3所示图6-3已注册人员进入LCD显示界面当有未注册人员闯入时，K210端LCD不显示红色框，同时显示未识别人员，如图6-4所示图6-4检测未注册人员图当未注册人员闯入厂区时，小程序端显示如图6-5所示图6-5检测未注册人员小程序展现图当未注册人员闯入厂区时，LCD显示界面如图6-6所示图6-6未注册人员进入LCD显示界面本系统中需要实时监测车间设备电能使用情况，本课题演示将通过风扇的使用情况来模拟车间设备的电能使用情况。监测风扇电能使用情况如图6-7所示。图6-7风扇使用时电能检测展现图监测风扇电能使用情况LCD显示界面如图6-8所示图6-8LCD展现电能使用情况图小程序显示如图6-9所示图6-9小程序展示电能使用情况图甲烷浓度监测演示本系统中需要实时监测车间有害气体甲烷气体的浓度情况，本课题演示将通过打火机泄露气体模拟甲烷传感器监测浓度功能的情况。测试演示如图6-10所示图6-10甲烷浓度检测图甲烷浓度监测小程序效果图如图6-11所示。图6-11小程序展现甲烷浓度图甲烷浓度监测LCD显示界面如图6-12所示。图6-12甲烷浓度监测LCD显示界面CO浓度监测演示本系统中需要实时监测车间有害气体CO气体的浓度情况，本课题演示将通过打火机泄露气体模拟CO传感器监测浓度功能的情况。测试演示如图6-13所示图6-13CO检测验证图小程序效果图如图6-14所示：图6-14小程序展示CO浓度图CO监测LCD显示界面如图6-15所示。图6-15CO监测LCD显示界面本系统中的硬件总体效果如图