基于物联网络的安防系统设计

武汉理工大学毕业设计（论文）基于物联网络的安防系统设计

学院（系）：信息工程学院

专业班级：电信1206班

学生姓名：胡青

指导教师：苏杨

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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年月日

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作者签名：年月日

导师签名：年月日

摘要

物联网技术是国家当今大力发展的一项新技术,同时也是很多国家研究的重要内容。当前基于物联网的应用不断出现,人们也都急切的盼望物联网技术可以和计算机、互联网一样给我们带来一种新的体验。物联网应用于安防更是当前社会进步的一个闪光点。本文选取了目前技术比较前沿物联网技术在安防系统的应用作相关研究。

基于物联网的安防系统是一种克服现有布线局限，在不需要重新给相应安防区域走线的前提下，使用灵敏度高，通讯距离远，网络可靠性强，功耗低的LORA 无线通信，实现安防报警的安防系统。

目前本系统LORA通信模块采用的是升特公司提供的SX1278芯片。而控制模块则采用STM 8单片机完成，传感器模块则由一个烟雾传感器和一个温度传感器组成。报警模块为一个蜂鸣器和报警灯，当相应区域发生警情时，蜂鸣器响起报警灯闪烁。

作为一种安防系统，该系统相对于传统的系统来说，具有通信可靠，布置简单，对于学生宿舍的火灾预警有着很好的相适应性等特点。

关键词：物联网、LORA通信、安防、SX1278、STM 8

Abstract

Internet of Things technology is a new technology in today's developing countries, but also an important part of many national studies. Based on the current Internet of Things applications continue to emerge, and people are eagerly looking forward to networking technology and computer technology, Internet technologies has brought us a new experience. Internet of Things used in security is a bright spot of the current economic and social development. This paper selects the current indoor environment monitoring based networking technology people are more concerned about remote access to information, research and other aspects of security, to explore the application of networking technology in the security system

Internet of Things based security system that overcomes the limitations of existing wiring, without requiring a complete re-alignment to the corresponding area of security, the use of high sensitivity, communication distance, network reliability, low-power wireless communication LORA, achieve security alarm security system.

At present, the system LORA communication module uses a Semtech's SX1278 chip. The control module is used STM 8 MCU to complete the sensor module by a smoke sensor and a temperature sensor. The alarm module is a buzzer and warning lights when the corresponding area of police intelligence, the buzzer sounded and the alarm lamp flashes.

As a security system, which compared to conventional systems with reliable communications, simply furnished dormitories of the fire alarm has the characteristics of a good phase adaptability.

Keywords:Internet of Things, LORA communications, security, SX1278, STM 8

目录

第1章绪论 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3研究意义 (2)

1.4研究内容与预期目标 (2)

第2章相关技术概述 (4)

2.1传感器技术 (4)

2.2嵌入式技术 (4)

2.3 Altium Designer (4)

2.4组网技术 (4)

2.5本章小结 (5)

第3章系统总体设计方案 (7)

3.1系统需求分析 (7)

3.2安防监控系统的设计方案 (7)

3.3主控模块单片机的选择 (9)

3.4通信模块核心芯片的选择 (9)

3.5本章小结 (10)

第4章系统硬件设计 (12)

4.1系统硬件组成框图 (12)

4.2主控模块单片机电路原理图设计 (13)

4.3通信模块电路原理图设计 (14)

4.4传感模块电路原理图设计 (14)

4.5报警器模块电路原理图设计 (16)

4.6各模块通信接口电路原理图设计 (17)

4.7本章小结 (18)

第5章各模块内部程序的设计 (19)

5.1系统程序设计概述 (19)

5.2单片机控制系统程序设计 (19)

5.3 LORA通信模块程序设计 (20)

5.4本章小结 (22)

第6章系统测试 (23)

6.1测试环境 (23)

6.2测试准备 (23)

6.3测试结果及分析 (23)

6.4本章小结 (24)

总结 (26)

展望 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

附录 (32)

第1章绪论

1.1研究背景

在科技的不断进步国民经济的不断提高背景下，社会中的各个阶层对于安防的需求也是与日俱增。特别是各种高新技术应用于安防，使得安防行业得以迅速发展起来，而物联网则是现今使用比较贴近生活、适用范围宽广的网络。将之与安防系统相结合，可以安防更加有效，更加方便。

对于物联网的定义，早在2005年国际电联就已经做出了解释。这个定义和先前对于其下的定义有很大的不同，先前认为，以无限传感技术为基础的网络架构就是物联网【1】。现在人们在这个基础上做了比较大的扩展：物联网是一种在时间、地点、物体之间没有限制;各种终端、传感器相互连接与应用的一门技术。它可以和相应的信息网络实现无缝连接。

大家都知道，08年奥运会在安防上面就做得十分好。除了相关规划、布置等主观上的工作做得好之外，在客观上对于物联网技术的应用所起的作用同样是不能忽略的。物联网在那次奥运会上对于交通的指挥、食品安全的追溯、安全防护等许多方面应用广泛，作用明显。

1.2国内外研究现状

目前，国外的无线传感网络的构建，主要集中在一些发达国家。这项技术发展迅速，应用也十分宽。就当前来说除了大家熟知的安防等领域外，已经扩展到环境监测、生物医学等多领域。

伴着通信技术和微电子技术的不断发展，安防技术这几年来已经慢慢地向网络化、数字化的方向发展。很多安全防护使用的是人力的巡查和防护检测相结合的方式来提高安防系统的反应速度和联动效率。不过，这类安防体系有很多缺点，主要表现在其功能比较单一，智能化不高等方面。新一代的安防系统应该做到能够对安全事故及时、准确、有效的传递出去。而物联网与安防的结合可以使这个目标得以实现，使安防设备间直接通信、交互、协作，为安防产业的进步和发展开辟了一片新的领域。

智能安防和物联网的结合使的安防系统的安防能力大幅提升。它们的结合可1《基于物联网技术的智能安防系统应用研究》武士涛，故宫博物院，2012

以使安全管理和防护更加全面。对于国民的人身和财物有了比较可靠的保障【2】。

1.3研究意义

在我国的高速发展过程中，安防的潜在市场十分大。不过现有的安全防护系统却有着许多的缺点。例如功能比较单一，联动性差，反应慢，很难满足目前市场的需求。其最主要的原因是智能化和通信技术在安防中应用不足引起的。虽然说目前很多地方都有比较简易的安防报警装置，但是其误报率特别高，导致达不到相应的需求；而且有些地方的通信比较不稳定，一个小小的故障可能会引起整个安防系统的崩溃；对于一些无线通信还存在信号串扰的问题，导致报警信息不能及时的送达指定的地方，延误救援处理，导致更加大的财产损失。所有的上述问题就目前来说可以使用一个基于物联网的智能安防系统得到有效的解决。在无线通信领域，其部署灵活，可以将很多装置连接起来，解决信息采集、传递和处理的难题。

而且，近些年，世界各地的安全事故时有发生，现今所存在的安全防护体系的智能化比较低，很大一部分依然需要依靠人员参与与处理，这势必导致大量的人力物力损耗。这些原因很大程度上限制了安防体系的推广，很难应对相应的事故。所有的这一切导致了目前市场上对于一款新的安防体系的急切需求【3】。

1.4研究内容与预期目标

研究的主要内容是基于芯片SX1278，来搭建相关物联网，使用相关传感器来监测环境的变化，如果有险情，能及时迅速地做出响应。

由于这些方面涉及硬件的生成，所以在进行毕设之前，我首先必须需要学会如何使用AD这款软件绘制相关原理图，生成相应的PCB将之完成布线，布局的设计，然后将之发给相关厂家进行烧蚀，得到相应的板子，买回相应的元件，将之焊上后进行测试。

本次毕设我将之分为了四个模块完成，分别是：通信模块，主控模块，传感检测模块以及报警模块。其中最为主要的是通信模块，其次为主控模块。而由于传感器以及报警器目前相关领域都研究比较成熟，所以这两方面的研究在本次毕设中涉及比较少。而且本次毕设主要的创新点就在于通信模块的设计，使用的是基于SX1278芯片的LoRa网络的设计。所以着重关注的是通信模块，主控模块采

2《基于物联网技术的智能安防系统应用研究》武士涛，故宫博物院，2012

3《明察秋毫:基于物联网技术的智能安防》王鹏，中科院，2013

用的是STM8芯片，一款比较比较便宜但是特别适用的芯片，性价比高。

希望通过此次研究，可以使自己掌握AD的使用，以及相关单片机的知识。并且能够自主使用IAR将相关程序烧录进去，实现控制和通信，达到相关安防的目的。

第2章相关技术概述

2.1传感器技术

传感器是一种能够对环境中相应因素的变化做出感知的器件。在这方面上，它和人们的感知比较相似：人们通过眼睛看东西，耳朵听声音，手去感触。它就是一种检测设备，和人类世界的认识和改造世界的最基本的本能类似。目前传感器技术在生活的各个角落都有应用，我们可以在很多地方发现它们的身影【4】。

2.2嵌入式技术

嵌入式技术是计算机技术的一个分支，它和大家目前比较熟悉的计算机系统有所不同，计算机系统可以满足各类人员一些无明确目标的需求，但是嵌入式则是为相关人员量身定做而发展起来的一项性能高，针对性强的技术系统【5】。

嵌入式系统和通用计算机相比，在操作上要简便很多，通用计算机需要专用的各种接口，需要相应的操作系统，才能驱动客户需要运行的应用程序。但是嵌入式则可以不需要这些，不够为了达到多任务、系统可以实时执行、各库函数可以有效调用等功能，，用户需要自己配置开发平台【6】。

2.3 Altium Designer

AD是一款运行在Windows操作系统下的电子产品开发软件，它可以进行原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等相关操作，是一款目前来说比较受很多电子产品设计者欢迎的软件，可以大大提高相关爱好者的电路设计效率。

2.4组网技术

本次毕业设计主要采用的是SX1278组建的LoRa网络。在物联网无线技术中，除了局域网和短距离通信外，还有城域网。不过，所有的这些技术都智能在通信远近以及功率消耗高低上选择其一。就目前通信领域来说，器件工作的频带范围、数据传输的速率和构网结构是通信设施的几个重要参数。很多以往的无线通信技4《基于物联网技术校园智能安防系统的设计与实现》刘薇,电子科技大学，2013

5《基于GSM的物联网无线报警系统的设计与实现》龚宸，华中师范大学，2013

6《基于GSM的物联网无线报警系统的设计与实现》龚宸，华中师范大学，2013

术对于这几个重要参数都只能做出折衷处理而升特公司采取的最新的扩频通信技术彻底改变了折种折衷处理的考虑，这就是由SX1278组建的LoRa通信网络，其融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，拥有前所未有的性能。在通信距离上大大提高的同时其功率消耗也是大大降低。

LoRa通信使用的是星型网络结构，这导致它和网状网络结构有很大的区别和很明显的优势，其延迟低，结构简单易于组建。基于LoRa通信的SX1278芯片，可以直接组网；而对于其距离比较远的连接，则能够采用网关设施进行中继组网的相应连接。LoRa通信的网络供应商不但能够组建覆盖范围宽广的广域网通信设施，而且能够利用简单的网关设备来组建局域网，只要物联网设施中有LoRa 芯片或模块，就能够快速实现组网和配置。在广域网和局域网这两种不同的网络中实现简便快捷的组网，在和以自组网见长的ZigBee协议相比，其具有十分显著的优势。

较低的功率消耗毫无疑问是LoRa通信的一个最大优点，LoRa通信采用扩频调制技术，能够解调出低于20 dB的噪声，这使得网络更加准确和可靠，并且采用不同的扩频因子能够改变扩频系统的数据传输速率，同时能够变化的扩频因子使整个网络的系统容量扩大了许多，因为使用不一样扩频因子的数据能够在同一信道中共同存在。和传统的使用一定速率的FSK系统做比较，LoRa通信的星形拓扑结构消除了同步开销和跳数，所以降低了功率的消耗，按照正常情况来说其大致95%的节点只占用10%的总能耗。

综上所述，和其他的无线通信系统相比，由SX1278所组建的LoRa通信网络有以下几个主要的突出优点：1、采用扩频调制技术能在提高通信效率的同时减弱并消除一定的干扰噪声。2、其构网结构使用的是星型拓扑结构，在允许并发的前提下降低了消耗的功率，同时还消除了跳数和同步开销。3、LoRa在不需要中继的情况下就可以工作很大程度上降低了构网的成本。4、在通信距离上，它有很大的优势，它可以在普通环境中通信距离达到5Km以上，而同等条件下的其他无线通信几乎是不可能完成。5、和目前的3G、4G蜂窝网络相比，其扩展性更好，性价比更高，更适合各种场合的应用。

2.5本章小结

本章主要阐述了物联网技术在实际应用中的各大需求，以目前的社会生活环境为背景，在不需要开销太大的情况下，解决室内安防问题。由于研究者我是一名大学生，就以自己在学校的生活环境为背景，针对学生宿舍设计的一款安防系统。在设计此次系统中，涉及很多方面的技术问题。例如LoRa扩频技术，传感检测技术，IAR软件使用技术等。各种技术的学习都是为了后续方案的实现，以

满足目前的安防需求。在这里着重需要一提的是LoRa扩频通信技术的使用，本次课题研究也是根据这方面比较前沿的技术来构建物联网的，由于此项技术优点多因此估计今后在涉及相关方面的通信时，大部分人就会选择这项技术，而本节的组网技术则是这次毕业设计的核心和主要创新点。由于此次组网技术较目前这个时期来说是一门比较新的技术，其许多突出的优点导致它的应用会越来越广泛。

第3章系统总体设计方案

3.1系统需求分析

根据目前学生宿舍的状况，当夏天到来时，蚊子便多了起来，因此很多没有带蚊帐的学生就开始点蚊香了，而且有些粗心的同学在早上起床后并没有将之熄灭，就急匆匆的跑去上课，留下了巨大的安全隐患。就目前全国大学生火灾问题的发生，疏忽是主要的。那么当此次火灾无可避免的发生了的时候，如何才能更加及时的采取救援措施，减少损失才是后续的重点，由于学校学生宿舍多，管理员不可能在平时就挨个寝室每天去监视一段时间，这个时候，能够及时发送险情，报告位置的系统便被迫切需要着。基于这种情况，又考虑到安装目前市面上比较活跃的一套安防系统比较耗资，一款又能及时报告险情，又便于铺设安装和构建的安防系统便应运而生了。基于各种基本情况，对它的主要要求有以下几个方面：（1）能够基于现有的基本电路，不用外加铺设其他线路，实现稳定无线通信。

（2）对于现有的通信网络，能够做到互不干扰，例如有人在使用蓝牙通信，这个时候使用与其相近的频率通信会导致自己的通信效果不理想。

（3）技术比较前沿，能够跟上时代的步伐，目前我们已经步入4G时代，再使用2G网络会显得比较落后，而且通信质量也跟不上。

（4）有一套完整的传感监测器，能够实时监测被监测区域，保证发生险情的时候能够及时作出识别并处理。

（5）有一套功能强大，通信的距离远，通信稳定而且可靠，功率消耗低的通信系统，构建一个相应的通信网络，保持实时通信。

（6）对于信息的处理要能够及时准确，有一个与之相关的报警系统，随时提醒相关人员做好应急准备。

3.2安防监控系统的设计方案

本次毕业设计安防监控系统主要是针对当前学生宿舍来设计的，主要用于火灾的报警。因此，该安防系统主要的元器件可以分为两部分，一部分是用于信息采集和发送的，另一部分是用于信息接收和处理的。这两部分其有些模块是一样的，例如通信模块都是使用的SX1278芯片，用以组建LoRa通信网络。用相应的需求来作为我们设计方案的基础，火灾报警要求我们的系统能够在发生火灾的时候迅速反应，及时将报警信息发送出来，相应的接收设备接收到信息后要求马上

做出处理。因此本次设计使用了两个传感探测器，一个是烟雾报警器，一个是温度报警器，我们事先预设一个标准值，以免误报。例如温度标注值设为60摄氏度，当温度达到或者超过该值的时候，其作出响应，无论另一个传感探测器监测系数是否超过标准值，即这两个传感探测器采用的是或门的连接方式。其中信息采集和发送模块的流程图如图3.1，信息接收和处理模块的流程图如图3.2。

图3.1 信息的采集和发送模块流程图

图3.2 信息接收和处理模块流程图

3.3主控模块单片机的选择

主控模块的元器件刚开始在方案刚刚形成的时候采用的是DA14580，就如同我在开题报告中的设计一样，正准备以此为基础开始相关设计的时候，就有同学向我推荐STM32单片机，他说此款单片机操作简单，功能强大。当我准备上手此款单片机的时候，一次网上的无意搜索，我发现了一款比较便宜的芯片，它就是STM8。其性价比很高，而且对于我的此次毕业设计的要求完全可以满足，因此，后面的设计也就应用了此款性价比高的单片机——STM8。当然，我主要是利用它来控制通信，和SX1278进行配合，达到基于物联网的互联。

3.4通信模块核心芯片的选择

通信模块是本次毕业设计最重点的部分，也是本次毕业设计地突出创新点。

以前的物联网主要采用的是现在技术比较成熟，而且应用比较广泛的通信方式，例如2G通信网络GSM，以及现在的无线通信网络蓝牙通信和ZigBee通信等等。但是大家考虑一下，现在的我们早已步入4G时代，对于以前2G、3G的使用一定会随着人类的进步，越来越少，旧的技术肯定是无法适应新的时代需求的，因此他们才会被时代所淘汰。而本次毕业设计则是采用的是目前比较前沿的4G、5G 网络来搭建通信系统，选取的芯片是SX1278，构建的是LoRa网络。与其他通信方式相比，选择SX1278的其他原因主要有：

由于在灵敏度方面SX1278其灵敏度高，通讯距离在相同的发射功率和其他条件下，SX1278显著增加。并且FSK和蓝牙都是短距离通讯的一种方式，并不一定适合安防系统远距离传输的设计和应用; 而且SX1278与目前应用较多地ZIGBEE通信控制方法相较而言，在通信距离，网络的可靠性，功率的消耗和载波的频率等方面是有十分大的优势。

（1）通信的距离: SX1278在可视化条件下可以达到15km; ZIGBEE在同等条件下的最远距离仅仅只是2km。

（2）通信可靠性: ZIGBEE组合网络的方式一般采样对等无线网，组合网络的算法比较复杂，在网络通信中，其出现问题的概率十分大，而且如果网络中的哪个节点发生了故障，整个通信网络就会毫无例外的瘫痪。SX1278一方面在通讯距离上其距离远；另一方面使用的星型结构网络，组网方式简单，实现点对点的方式进行通信，在通信中某个通信节点发生通信问题，并不会影响通信中的其它各个通信支路的通信传输。

(3)功率消耗低: 在接收电流方面SX1278的接收电流比 10mA还小，但是ZigBee的接收电流却比30mA还高。

(4)载波频率: 目前国内ZIGBEE 频率都是2.4GHz，由于 2.4GHz 频率设备众多，比如Wifi，蓝牙等，ZIGBEE 通讯易于受到干扰；SX1278是434MHz 或868MHz，在室外环境设备较少，不易受到干扰，同时集成了跳频技术，抗干扰能力强。

所以，综合上述多种优势，以及作为本次毕业设计的突出亮点，我选取了SX1278芯片所组建的LoRa网络来承担此次毕业设计的通信模块。

3.5本章小结

在形成总体方案的时候，我查阅了许多资料，无论是网上的文档，还是图书馆所藏的图书，都进行了参照，选择了这一套最优的方案。之前有一个也很不错的方案被我用目前的方案给替代了。以前的那套方案是这样的，它是以一个GSM 系统为核心部件，在被监测室内安装其传感检测模块，当其检测到险情的时候，

将信号发送给GSM模块，由它向对应的手机发送短信，以提醒相关人员及时采取措施。对比目前的方案，其主要不同点在于通信模块，以前被舍弃的方案的通信模块采用的是GSM的2/3G网络设计，对比之下采用LoRa通信（4/5G网络）原因一方面在于目前早已步入4G时代，运营商早已经进军新领域，以前的2G、3G 网络正在慢慢被淘汰。另一方面现在所选的方案实现起来比较容易，而且比较实用，开销也比GSM小。单从成本上考虑，GSM至少还得再办一张电话卡，每月交其月租，才能实现通信。而LoRa网络通信成本低，功耗小，一次投入，持久使用。

在选择通信模块的时候，为什么没有选择目前使用比较广的蓝牙协议通信或者是ZigBee通信的原因也都是性能的差距。选择目前较为新的技术，虽然实现起来有很多难关需要攻克，但是其性能的优势往往是占主要的。

第4章系统硬件设计

4.1系统硬件组成框图

此系统主要由四部分组成，包括通信模块，主控模块，传感检测模块以及报警模块。主要实现的功能有检测环境温度，检测环境中的烟雾浓度，当温度或者烟雾浓度达到一定的设定值之后，主控模块的单片机发送相关指令给通信模块，通信模块接收到指令通过组建的LoRa网络将信息及时传输出来，发送给相应的接收模块，接收模块再将收集到的信息传递给处理器（主控模块），由处理器对相应的信息作出处理，将处理结果交给对应的报警器，实现安防监控。因此，其系统框图如下图的图4.1、图4.2。

图4.1 报警数据采集及发送模块

图4.2 报警数据接收及报警模块

4.2主控模块单片机电路原理图设计

该模块主要分为两个部分，一个是发送模块的处理器，一个是接收模块的处理器，其主要的功能是实现信息的及时处理。将其相关电路设计完毕后，采用不同的程序使之完成不同的功能。在本模块中采用的芯片主要是STM8，其电路设计原理图如下：

图4.3 主控模块STM8电路设计原理图

4.3通信模块电路原理图设计

该模块分为两个部分，一个为发送模块，一个为接收模块，使用的是同一种芯片以及相同的原理图，其芯片选型为SX1278，是本次研究课题的核心部分，使用升特公司生产的芯片来组建超远距离无线通信。为了通信的可靠性，给其每个都配发了相关的天线组件。其电路设计原理图如下：

图4.4 SX1278通信模块电路设计原理图

4.4传感模块电路原理图设计

该模块主要由两个传感器电路组成，分别是：温度传感器和烟雾传感器，这两个电路在整体设计中主要承担对外部环境的监测，当外部环境中其监测的值超出相关设定值时，其将相关异常信号发送给发送给主控模块，由其交由通信模块将信息发送出去进行后续的处理，其电路设计原理图如下：

图4.5 基于DS18B20的温度传感探测器的原理图

图4.6 基于AD590的温度传感探测器的原理图

上面给出了两种温度传感探测器的原理图，其中第一个DS18B20为一个元器件，电路连接方便，但是相应的程序驱动较为复杂。而第二个基于AD590的温度传感探测器则是电路较为复杂，但是相应的程序则较为简单。因为这两种方案各

有优缺点，所以我在这里把他们都列举出来了。