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1  系统内容要求

（1）测量实验室内的温湿度、烟雾浓度、丙烷浓度；
（2）检测地面漏水情况，若漏水则开启水泵排水；
（3）检测门窗入侵情况；
（4）具有多种报警方式；
（5）手机APP远程操控。


2  元器件选择






3  系统硬件设计
3.1 硬件部分组成框图
3.1.1主控硬件部分组成

主控电路如图3.1所示，由以下几部分组成：以STM32作为处理中心，烟雾传感器测量烟雾浓度，丙烷传感器测量丙烷浓度，温湿度传感器测量空气中的温度、湿度，蓝牙主机接收副控发送的数据，风扇1电路、风扇2电路、声光报警电路在满足条件下触发，4G模块则将测量到的数据传输至云服务器，同时接收手机APP的下行指令。




图3.1 主控硬件组成


3.1.2副控硬件部分组成

副控电路如图3.2所示，由以下几部分组成：以STM32作为处理中心，水浸传感器检测地面是否存在漏水情况，人体感应传感器感应是否有人经过，蓝牙从机将副控收集到的信息发送给主控，声光报警电路、水泵电路在满足条件下触发。






图3.2 副控硬件组成


3.2 人体感应传感器

选用人体感应传感器HCSR505来感应是否有人经过，从而判断门窗入侵情况[2]。该传感器基于红外线，当有人在感应角度内移动，就会输出高电平，延时时间为8秒，否则为低电平。如表3.1可以对于人体感应传感器的一些参数有所了解，其工作状态也可以选择，适用于不同的场合。
表3.1 HCSR505产品参数表






如表3.2所示，可以知道应该给VCC接5V电压供电，然后GND接地共地，OUT引脚接到单片机引脚上，接线电路如图3.3所示。当有人在感应范围内移动，就会改变红外光谱的检测距离，信号引脚就输出高电平，反之低电平。通过读取所连接的单片机引脚状态，就可以了解有没有人经过，从而得知实验室的门窗入侵情况。

图3.3 HCSR505接线图


3.3 电极式水浸探头

选取水浸探头来探测重点地面是否漏水，使用的是电极式水浸探头，该探头是接触式的，意味着它要与水接触才可以感应到。如表3.3所示，对于电极式水浸探头的工作状态以及材质可以有所了解。


表3.3 水浸传感器产品参数






图3.4 水浸传感器接线图


由图3.4可以看出，水浸传感器的工作原理，当水浸传感器的探头探测到水时，信号经过转换电路，三极管的集电极的电压为低电平，如果没有水则输出高电平。将该输出端连接到单片机的引脚上，通过读取该引脚的状态，则可以知道地面有没有漏水，如果漏水了就开启水泵，没有则不开启。


3.4 蓝牙无线模块

选取蓝牙模块HC05来给主控和副控通信，通过蓝牙的连接，可以彼此互发数据，进行数据的传输[12]。通过参数的设置可以发现蓝牙模块的工作状态以及工作原理，其基本参数如表3.4所示。
表3.4 蓝牙模块HC05的参数说明








图3.5 HC05接线图


由表3.5可以知道蓝牙模块HC05的接线方法。从目前来说，蓝牙与单片机的连接只需要连接4线，VCC连接5V，GND接地，蓝牙的接收端连接单片机的串口1的发送端，发送端连接单片机的串口1的接收端，如图3.5所示。

3.5 声光报警电路

利用NPN型晶体三极管S9012作为控制核心，当单片机给予指令为低电平0V时，三极管的****极E为5V，基极B为0V，而三极管导通的条件则是基极B和****极E之间的电压差超过0.7V即可，因此给予0V低电平满足了该条件，三极管导通，发光二极管满足导通条件亮起。三极管导通之后，蜂鸣器正负极的电压差约足够，满足运行所需要的电压差3V，发出报警声。如果单片机给的是高电平，就不满足三极管导通的条件，发光二极管不亮，蜂鸣正负极之间因为没有电压差而哑巴。其声光报警电路如图3.6所示。





3.6 继电器电路

继电器使用的型号是SRD-05V-DC-SL-C，它有5个引脚：输入引脚1、输入引脚2、公共端3、常开端4、常闭端5。1、2引脚连接控制电压5V，当单片机给高电平3.3V的时候，三极管基极B和****极E之间满足导通电压0.7V，发光二极管满足导通条件发光。常开端4和公共端3导通，而风扇的正极连接继电器的常开端4，负极接地，在常开端4和公共端3导通之后，有足够的电压驱动风扇工作，否则常闭端5和公共端3导通，风扇没有足够的电压驱动。二极管IN4148的作用就是在单片机给高电平指令的那一瞬间，避免因电压突然变高而烧坏三极管。其继电器电路如图3.7所示。




图3.7 继电器电路


3.7 指示灯电路

对于实验室安全监控系统来说，指示灯电路是不可缺少的，如图3.8所示。当单片机给高电平的时候，发光二极管导通亮起；给低电平的时候，发光二极管不导通[5]。单片机给定的高低电平由测量到的数据决定。而发光二极管没有办法直接承受3.3V的电压，所以需要电阻进行分压。






3.8 气敏传感器

很多人都知道大部分金属都有导电率，而气敏传感器就是利用该原理对气体浓度进行测量的，不同的传感器对不同的气体产生变化的电导率不同[7]。比如MQ2烟雾传感器对空气中的烟雾浓度就比较敏感，因此适合用来测量烟雾浓度。




图3.9  MQ2接线图


由表3.7可知，需要读取实验室的气体浓度，所以需要连接的是模拟信号输出引脚AO，再通过单片机内部的AD转换成数字显示出来[9]，GND接地，VCC连接5V给它供电[1]，如图3.9所示，使它工作。而另一个气敏传感器MQ6的工作原理、接线图也是如此。
3.9 温湿度传感器


其引脚说明如表3.8所示，因此只需要连接好正负极，然后连接好模拟量输出的引脚即可。接线电路如图3.10所示。



图3.10 DHT11电路图


3.10 电源接入电路

对于所有产品来说，供电是必不可少的。因此我们需要接入稳定电压的电源，如图3.11所示，可以看见接入的电源底座是P2，可以通过USB电源转DC直流数据线直接连接到平时所用的家庭电源，给系统供到5V电。当6脚自锁开关SW1按下时，引脚2、3导通，接入的电源就可以驱动实验室安全监控系统工作。




图3.11 电源接入电路


3.11 4G模块接入电路

对于4G模块来说，它以Cat模组ML302为核心，支持的频段有LTE-TDD B34/B38/BB39/B40/B41、LTE-FDD B1/B3/B5/B8，其平均功耗为1W。它定期向监控平台发送数据，实时监视[11]。引脚说明如表3.9所示。






因此，将4G模块连接到STM32最小系统板时，将TXD、RXD连接到串口3的接收、发送引脚，GND连接的单片机的GND。同时要将锂电池的正极接入4G模块的VCC，给其供电，负极接入单片机的GND，其接线如图3.12所示。




图3.12 4G模块接入电路

下篇含以下内容：
4  系统软件设计
4.1 单片机程序设计
4.1.1单片机程序开发环境
4.2 手机APP程序设计
4.2.1定时器定时程序

5  手机APP的设计
5.1 机智云AIoT的接入流程