【基于ZigBee公共卫生间检测系统设计与实现9100字（论文）】

目录I引言随着近百年来人类科技的进步史可以看到，机器是人类改造世界的工具，而观察和认识世界则是改造世界的前提和基础。著名化学家门捷列夫曾指出，“科学是从测量开始的”。人类认识世界，探索自然规律，现代科学技术利用传感器对外界的各种信息进行采集，并且可以按照计算机指令进行操作。而传感器则是依据不同的物理、化学、生物的原理，有了多种不同形式和不同名称的测量传感器。例如位移、速度、压力、流量传感器以及化学、物理和生物特性测量用分析原件等。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、网络化、系统化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。[1-3,15]由此可见，传感技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。随着城市智慧化建设需求的快速增加，政府在大力倡导智慧城市的建设，智慧公厕也是应运而生，随着物联网技术与互联网+的不断发展成熟，智慧公厕在管理过程中，应遵循精细化、数字化、网络化管理，使得智慧公厕在使用过程中人物事的信息更直观、便捷、精准。在动车上使用的公共卫生间检测系统作为智慧城市建设的代表项目之一，它利用现代智能控制、传感传导等技术，将公厕内部情况、厕位现状、实时温度、湿度等数据显示在专用智能显示屏上，引导群众有序进入如厕。与普通公厕相比，智慧公厕能提供更舒适的如厕环境，也方便市民了解公厕的整体环境，也可以让管理方随时监控公厕的情况。设计内容1.1开发和设计的背景、目的随着城市智慧化建设需求的快速增加，政府在大力倡导智慧城市的建设，智慧公厕也是应运而生，随着物联网技术与互联网+的不断发展成熟，智慧公厕在管理过程中，应遵循精细化、数字化、网络化管理，使得智慧公厕在使用过程中人物事的信息更直观、便捷、精准。在动车上使用的公共卫生间检测系统作为智慧城市建设的代表项目之一，它利用现代智能控制、传感传导等技术，将公厕内部情况、厕位现状、实时温度、湿度等数据显示在专用智能显示屏上，引导群众有序进入如厕。与普通公厕相比，智慧公厕能提供更舒适的如厕环境，也方便市民了解公厕的整体环境，也可以让管理方随时监控公厕的情况。1.2设计的主要内容及功能本公共卫生间检测系统功能有：检测卫生间内可燃气体是否超标、检测卫生间内是否有火焰、统计使用卫生间的人流量、手动调节卫生间内亮度。本次毕业设计开发的卫生间检测系统的具体内容包括三大模块：报警模块，灯光模块、显示模块。其中在报警模块中可实现可燃气体报警、火焰报警；在灯光模块中可以通过手动调节灯光亮度；在显示模块中，可显示当前卫生间内是否有人正在使用、还可以显示当前卫生间内温湿度情况以及该卫生间本日内被使用次数。第2章相关技术与工具相关技术与工具2.1关键技术2.1.1ZigBee技术ZigBee是一种低功耗的个域网协议，是一种可以在短距离内使用的无线通信技术。ZigBee是距离非常短，复杂度很低，数据的传输速率低，成本也很低的一种无线通信技术。可以用在自动控制领域以及远程控制领域，可以使用zigbee技术嵌入到各种设备中，说的简单一点，zigbee就是一种便宜，功耗又低的一种近距离ianwu通讯技术。Zigbee协议可以分为物理层、控制层、传输层、网络层、应用层。Zigbee网络中的设备有协调器、汇聚节点、传感器节点。特点有低成本、快速、复杂度很低可靠、低功耗、支持很多节点、支持很多网络拓扑、低速率、安全。[4,11]2.1.2嵌入式嵌入式系统一共分为4层，分别为硬件层，驱动层，操作系统层以及应用层。硬件层是整个嵌入式系统的根本，硬件层也是驱动层的基础。硬件层需要掌握的知识有单片机原理及接口技术还有C语言。驱动层里面包括了电路原理，不仅要能看懂电路图，还要能对操作系统的内核有一定的了解。在所写的驱动程序在系统调用的时候，不会独占操作系统的时间片，而导致其他的任务不能正常的执行。对于操作系统层现在只能说是简单的移植。操作系统是负责系统任务的调试，磁盘还有文件的管理，并且嵌入式系统的实时性很重要。从软件上来看，嵌入式就是在定制操作系统内核里将所有应用一并选入，编译后将内核下载到ROM当中。在定制操作系统内核时所选择到的应用程序组件，就是完成了软件的嵌入。把软件内核或者应用文件系统等东西烧入到嵌入式系统硬件平台中的ROM就是先了一个真正的嵌入。[5]2.2开发工具2.2.1LinuxLinux不仅系统性能稳定，而且是开源软件。其核心防火墙组件性能高效、配置简单，保证了系统的安全。在很多企业网络中，为了追求速度和安全，Linux不仅仅是被网络运维人员当作服务器使用，甚至当作网络防火墙，这是Linux的一大亮点。Linux具有开放源码、没有版权、技术社区用户多等特点，开放源码使得用户可以自由裁剪，灵活性高，功能强大，成本低。尤其系统中内嵌网络协议栈，经过适当的配置就可实现路由器的功能。这些特点使得Linux成为开发路由交换设备的理想开发平台。[6,13]2.2.2QTQtCreator是一个用于Qt开发的轻量级跨平台集成开发环境。QtCreator可带来两大关键益处：提供首个专为支持跨平台开发而设计的集成开发环境(IDE)，并确保首次接触Qt框架的开发人员能迅速上手和操作。即使不开发Qt应用程序，QtCreator也是一个简单易用且功能强大的IDE。[7,14]2.3开发环境 动车组公共卫生间检测系统是在VMwareWorkstation中使用Ubuntu12.03版本的Linux系统开发的。Linux是一个免费使用并且支持多线程以及多cpu的操作系统。Linux系统性能稳定，配置简单。系统的开发以ZigBee无线通讯技术的芯片作为节点，处理器喂Exynos4412的开发板作为终端。PC中装有Microsoftwindow7操作系统，借助VMwareworkstation使用Ubuntu10，安装Linux系统和交叉编译环境。在Linux系统中使用QT对系统界面进行开发，并移植到开发板中。第4章动车组公共卫生间检测系统设计可行性研究与需求分析3.1可行性研究3.1.1市场可行性2017年“厕所革命”以来，大部分城市已经加大了智慧公厕的投入建设。我们可以感受到公园、景区，还有乡间公厕建设的进步。比如深圳的马家龙智慧公厕、莲花山山顶公厕智能基础设施有免费WiFi，智能语音提示，自动洗手机，人脸识别，SOS紧急呼叫按钮，除臭机和自动风扇，空气质量和温湿度检测等40多种传感器助力公厕管理，设有无障碍卫生间等人性化设计，还有节水设备、雨水搜集器等。在智慧运营方面运用了BIM设计理念便于后期管网维护与管理，运用大数据，实现“智慧城市+智慧公厕”衔接。在北京部分城区的公厕，采用真空排导技术冲洗马桶，节水便器，废水再利用，水量和空气在线监测，增加第三卫生间，水量和空气在线监测，安全防爆系统，预警功能，人流量和厕位显示等。在智慧运营方面智能视频数据系统全地区实现自动化控制。智慧公厕在城市中已经开始充分发挥了作用，而动车组作为城市的一部分，更是作为现代人们出行的重要交通工具，更是可以渐渐引入智慧公厕。将动车组公厕智能化能更科学地进行管理、资源的统筹以及突发事件的预警，也真正的实现了城市公厕智能化。[8-10]3.1.2技术可行性Zigbee作为一个成熟的无线通信传输技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间。主要以智能网关、无线传输和收集设备为基础，使整个公厕的管理和使用形成一个闭环系统，通过无线连接、控制终端设备（终端设备包括温湿度传感器、火焰传感器、可燃气体传感器、人体红外传感器、一键报警等）将传感器监测的数据传至服务器或大数据云平台，使管理者得到准确反馈并及时处理，达到系统的可利用状态，实现对公厕的智能化控制管理。智慧公厕由信息感知、数据传输、决策处理、提供服务等多个方面构成，主要有以下四个相互作用的部分：(1)感知层：包括火焰传感器、人体红外传感器、可燃气体传感器、蜂鸣器传感器、风扇传感器、温湿度传感器等各种传感器设备。(2)传输层：包括zigbee无线连接设备。(3)应用层：主要是智慧公厕管理数据云平台，负责监测、分析并管理感知层获取的所有物联网实时数据。(4)终端层：主要指智能手机、平板、电脑等，可及时获取设备分析出的数据和信息。3.1.3经济可行性基于现阶段动车组公共卫生间建设情况，将卫生间改造成智慧公厕所需成本不会过高，但是可以大幅度提升用户体验，并且也方便了列车管理人员的管理。在人流量较少时，原来公厕仍会一直通电和开灯，增加了电能的直接或间接的损耗，不利于环境保护。卫生间内应充分利用自然光，通过用户的需要选择需要的光源。采取经济可行的节电措施，提高能源效率，减少电力资源的浪费。3.2需求分析动车组公共卫生间检测系统所需要功能分为五个模块。其中包括灯光控制模块、卫生间显示模块、报警模块、温湿度检测模块。其中灯光模块所需要具有开关灯功能，与用户进入卫生间之后，可以根据卫生间内的亮度选择是否将灯打开，卫生间内需要有一个按键来控制灯光的开关，并且要有开关冷光灯以及暖光灯的按键，用户可以根据自己的需求选择对应光源；卫生间显示模块包括了男卫生间及女卫生间。卫生间中需要统计本日客流量，当有用户进入卫生间时，本日人流量需要显示增加‘1’，当用户离开卫生间时，本日人流量数值维持不变。卫生间内还需要显示当前卫生间内是否有人正在使用，当有人进入卫生间时，卫生间外指示灯牌需要显示卫生间内有人，当卫生间内没人时，卫生间外指示灯牌需要显示卫生间内无人。卫生间内应该具有一键报警功能，在卫生间内设置一个一键报警按键，当卫生间内用户按下报警按键时，会产生报警信号，提示动车组工作人员；报警模块包含了火焰报警模块以及可燃气体报警模块。火焰报警模块中，当卫生间内火焰值超标时，会产生报警信号，提醒动车组工作人员，可燃气体报警模块需要具有当室内可燃气体超标时报警并且打开风扇进行气体疏散的功能；温湿度检测模块需要显示实时温湿度。并且当当前温度高于预设温度时，风扇打开吹冷风；当当前温度低于预设温度时，风扇打开吹热风。动车组公共卫生间检测系统设计4.1系统架构的设计本程序设计了包含灯光控制、火焰报警、可燃气体报警、温度控制、男厕所、女厕所六个页面，分别使用了火焰传感器、可燃气体传感器、蜂鸣器传感器、风扇传感器、温湿度传感器、人体红外传感器来实现每个页面所需要完成的功能。其中灯光控制设置了手动按键，可手动控制开关灯，男厕所、女厕所也设置了手动案件，可实现手动报警。每个控制系统都是独立的，各自完成自己的功能控制。4.2灯光控制模块的设计灯光控制模块可实现用户的自由开关灯、冷光灯、暖光灯的开启与关闭。4.3火焰报警模块的设计火焰报警模块会在屏幕上显示实时火焰指数，并且在火焰指数超过预设值时，引发蜂鸣器报警提醒用户，并且出现火焰以及报警标识。流程如图4.3所示：图4.3火焰报警流程图4.4温湿度检测模块的设计温湿度检测模块会在屏幕上显示当前厕所内温湿度具体数值。若当前厕所内温度高于预设温度，厕所内空调吹冷风；若当前厕所内温度低于预设温度，厕所内空调吹热风。流程如图4.4所示：图4.4温湿度检测流程图4.5可燃气体报警模块的设计可燃气体报警模块会在屏幕上显示实时可燃气体值，并且在可燃气体值超过预设值时，引发蜂鸣器报警提醒用户，打开风扇排气，并且出现可燃气体报警标识。流程如图4.5所示：图4.5可燃气体报警流程图4.6男女厕所模块的设计本模块要求当厕所内有人时，厕所外屏幕会显示厕所内有人；当厕所内没人时，厕所外屏幕会显示厕所内无人。每当有人进入时，厕所外屏幕上的客流量会增加1。厕所内有一键报警功能，当厕所内乘客按下按键时，会引发蜂鸣器报警，按下关闭时，蜂鸣器报警结束。流程如图4.6所示：图4.6卫生间工作流程图第5章动车组公共卫生间检测系统的实现动车组公共卫生间检测系统的实现5.1灯光控制模块的实现在灯光控制模块主页面添加一个pushbutton作为一个操控台，命名为开关，可以控制开关灯，如图5.1.1所示。图5.1.1关灯状态设置两个隐藏按键在操控台的旁边，作为冷光灯以及暖光灯的开关。当开关按下时，两个隐藏按键显示出来，并且打开灯光，如图5.1.2所示。图5.1.2开灯状态当按下冷光灯按键时，灯光变暗；当按下暖光灯按键时，灯光变亮。再次按下开关时两个隐藏按键消失，并且无论当前处于什么光，都会将灯光关闭。5.2火焰报警模块的实现在UI界面内放置一个label1，用来显示厕所内实时火焰值；放置一个label2，用来显示中文提示“当前火焰值”；放置一个label3，用来显示实时火焰值超过预设火焰值时所弹出的火焰报警标识。火焰报警模块使用了火焰传感器、协调器以及蜂鸣器传感器。火焰传感器接收到实时数据后，将数据通过无线通信技术传送到协调器，协调器通过串口将数据传送到开发板，显示在系统界面，如图5.2.1所示。图5.2.1当前火焰值未超标时界面状态系统内部将接收到的数据与预设火焰报警值进行比较（本系统预设火焰报警值为500），当实时接收到的数值大于预设火焰报警值时，蜂鸣器报警提醒乘客以及乘务员，并会在系统界面中显示火焰报警标识，如图5.2.2所示。图5.2.2当前火焰值超标时界面以及传感器状态灭火过程中，火焰传感器会持续接收数据并传送到开发板，系统会持续将接收到的数据与预设火焰报警值进行比对，直到接收到的实时火焰值重新下降到小于预设火焰报警值时，蜂鸣器报警解除，并且屏幕中的火焰标识以及报警标识消失。5.3温湿度检测模块的实现在UI界面放置三个label（label1、label2、label3），这三个label中分别用来显示中文提醒“预设温度”、“当前温度”、“当前湿度”。在这三个label后面再放置三个与之对应的label（label4、label5、label6），分别显示与之对应的数值。在预设温度下设置两个pushbutton，可以控制预设温度的大小。温湿度检测模块使用了温湿度传感器、协调器以及风扇。风扇模拟厕所内空调。温湿度传感器接收实时数据使用无线通信技术传送给协调器，协调器通过串口将数据传送到开发板，显示在系统界面。系统内部将接收到的数据与预设温度进行比较，当接收到的实时温度大于预设温度时，空调（风扇）启动，启用制冷功能吹冷风，并且在系统界面显示冷风标识，如图5.3.1所示；图5.3.1空调吹冷风当接收到的实时温度小于预设温度时，空调（风扇）启动，启用制热功能吹热风，并且在系统界面显示热风标识，如图5.3.2所示；图5.3.2空调吹暖风当接收到的实时温度跟预设温度相同时，空调（风扇）关闭，如图5.3.3所示。图5.3.3空调关闭系统会持续将接收到的数据与预设温度进行比对并显示在系统界面。预设温度也可根据天气温度自行进行调整。5.4可燃气体报警模块的实现在UI界面内放置一个label1，用来显示厕所内实时可燃气体值；放置一个label2，用来显示中文提示“当前可燃气体值”；放置一个label3，用来显示实时可燃气体值超过预设可燃气体值时所弹出的可燃气体标识以及报警标识。可燃气体报警模块使用了可燃气体传感器、协调器、蜂鸣器传感器以及风扇传感器。可燃气体传感器接收到实时数据之后，将数据通过无线通信技术传送到协调器，协调器通过串口将数据传送到开发板，显示在系统界面，如图5.4.1所示。图5.4.1当前可燃气体值未超标时界面状态系统内部将接收到的数据与预设可燃气体报警值进行比较（本系统预设可燃气体报警值为500），当实时接收到的数值大于预设可燃气体报警值时，蜂鸣器报警提醒乘客以及乘务员、风扇打开开始进行排气并且会在系统界面中显示可燃气体报警标识，如图5.4.2所示。图5.4.2当前可燃气体值超标时界面状态可燃气体排放过程中，可燃气体传感器会持续接收数据并传送到开发板，系统会持续将接收到的数据与预设可燃气体报警值进行比对，直到接收到的实时可燃气体值低于可燃气体报警值时，蜂鸣器报警解除、风扇停止转动并且系统界面中显示的可燃气体标识以及报警标识消失。5.5男女厕所模块的实现在UI界面内放置三个label（label1、label2、label3）分别来显示中文提醒“本日客流量”、厕所内“是否有人”、“一键报警”功能。在本日客流量后面放置一个label4，用来显示本日客流量的数据。在是否有人后面放置一个label5，label5中含有两个图片，分别为‘有人’和‘无人’，根据人体红外传感器接收到的数据进行变换。一键报警后面放置了两个pushbutton，分别控制蜂鸣器传感器的开启与关闭。男女厕所模块使用了人体红外传感器、协调器以及蜂鸣器传感器。当厕所内无人时，人体红外传感器并没接收到数据，系统界面显示厕所内无人，如图5.5.1所示图5.5.1厕所内无人时界面状态。当有人进入厕所时，人体红外传感器接收到数据通过无线通信技术上传给协调器，协调器通过串口发送给开发板，开发板系统界面显示人流量增加1，并且显示当前厕所内有人，如图5.5.2所示；图5.5.2厕所内无人时界面状态当厕所内的乘客从厕所离开时，人体红外传感器将接收到的数据再次发送，开发板系统界面显示人流量维持不变，并且显示当前厕所内无人。厕所内设置有一一键报警功能，当乘客处于厕所内时如果遇到特殊情况，可按下‘打开’按键，会打开蜂鸣器进行报警，提醒乘务员。当特殊情况解除或者乘务员已经赶到，可以按下关闭键，将关闭正在报警的蜂鸣器。 参考文献 第6章系统测试6.1测试方法动车组公共卫生间检测系统的测试方法。本系统的每个页面都是独立工作的，所以要分别进入每一个页面进行测试。6.1.1灯光模块测试进入灯光控制模块，点击开关，厕所内的灯光打开，并且会出现冷光灯、暖光灯两个按键。当点击冷光灯时厕所内灯光变暗；当点下暖光灯时，厕所内灯光变亮。当再次点击开关时，厕所内所有灯光均关闭。6.1.2男女厕所模块测试进入男（女）厕所界面时，将人体红外传感器前面所有东西清空，尽量保证不会不小心触发人体红外传感器。刚进入页面时，人体红外传感器显示‘off’，初始客流量显示为0，并且系统界面显示厕所内无人。将手放在人体红外传感器前，人体红外传感器接收数据后会显示‘on’、客流量增加1，并且系统界面显示厕所内有人。当把手拿开时，人体红外传感器接收数据后会显示‘off’、客流量维持原数值不变，系统界面重新显示无人。男厕所界面内有一键报警功能，界面中存在两个pushbutton，一个为报警打开键，另一个为报警关闭键。当打开键按下时，蜂鸣器显示‘on’发出声音；当关闭键按下时，蜂鸣器显示‘off’声音关闭。6.1.3温度检测模块测试进入温度检测模块时，预设温度后有两个pushbutton分别为‘+’、‘-’，用来控制预设温度，初始预设温度为23℃，根据当前室内温度，先调整成与当前室内温度相同。此时风扇并没有打开。根据当前室内温度上调2至3摄氏度，此时预设温度高于当前室内温度，风扇打开、吹冷风并且系统界面显示冷风标识。再次调整成与当前室内温度相同，风扇关闭，系统界面冷风标识消失。根据当前室内温度下调2至3摄氏度，此时预设温度低于当前室内温度，风扇打开、吹热风并且系统界面显示热风标识。再次调整成与当前室内温度相同，风扇关闭，系统界面热风标识消失。6.1.4火焰检测模块测试进入火焰检测模块时，火焰传感器接收到数据在界面中显示当前火焰值。准备一个打火机，将打火机打开，并把火源靠近火焰传感器，此时火焰传感器接收到数据，数值大幅度上升并且超过预设火焰报警值，蜂鸣器显示‘on’并且报警，系统界面中显示火焰报警标识。将火源远离火焰传感器，火焰传感器接收数据，数值逐渐下降，直到下降为预设火焰报警值以下的时候，蜂鸣器显示‘off’报警解除，并且系统界面中火焰报警标识消失。6.1.5可燃气体模块测试进入可燃气体检测模块时，可燃气体传感器接收到数据在界面中显示当前可燃气体值。准备一个打火机，将打火机按下一半，使打火机开始释放丁烷（可燃气体）但并未引燃，并把打火机出气口放置在可燃气体传感器接收口下方，此时可燃气体传感器接收到数据，数值大幅度上升并且超过预设可燃气体报警值，蜂鸣器显示‘on’并且报警、风扇显示‘on’开始转动、系统界面中显示可燃气体报警标识。将打火机远离可燃气体传感器，可燃气体传感器接收到数据，数值逐渐下降，直到下降为预设可燃气体报警值之下的时候，蜂鸣器显示‘off’报警解除，风扇显示‘off’停止转动，并且系统界面中可燃气体报警标识消失。6.2测试结果6.2.1灯光模块测试结果开关可以正常开关灯，冷光灯暖光灯工作正常。6.2.2男（女）厕所模块测试结果人体红外传感器过于灵敏，有物体在人体红外传感器前面经过时，人体红外传感器就变为‘on’，并短时间内不会变为‘off’，导致测试时间过长。蜂鸣器报警功能工作