無線網(wǎng)絡(luò)與移動計算課程論文

1、南宣黑壟*無線網(wǎng)絡(luò)與移動計算課程論文口基于MEMS熱電堆紅外探測器的題目：m力»家庭防盜系統(tǒng)姓名：竺學(xué)院：信息科技學(xué)院專業(yè)：二班級：二*學(xué)號：*指導(dǎo)教師：*職稱:*2017年6月15日*大學(xué)教務(wù)處制摘要1,1111111111111111111111111111111111關(guān)鍵詞1111111111111111111111111111111111Abstract11111111111111111111111111111111Keywords1111111111111111111111111111111111概述11111111111111111111111111111111Y2設(shè)計思

2、路111111111111111111111111111111Y3硬件實現(xiàn)111111111111111111111111111111Y3.1 基于MEMS熱電堆紅外探測器1111111111111111111Y3.1.1 紅外探測器11111111111111111111111111Y3.1.2 微機械電子系統(tǒng)MEMS1111111111111111111111Y3.1.3 MEMS熱電堆紅外探測器111111111111111111111Y3.2 梯析透鏡111111111111111111111111111111Y3.3 STM32F103開發(fā)板111111111111111111111

3、111Y3.4 NRF24L01無線模塊1111111111111111111111111Y4結(jié)論11111111111111111111111111111111Y參考文獻(xiàn)Y11111111111111111111111111111111基于MEM熱電堆紅外探測器的家庭防盜系統(tǒng)*專業(yè)學(xué)生*指導(dǎo)教師*摘要：為了克服傳統(tǒng)熱釋電入侵檢測系統(tǒng)探測范圍較小且僅能識別運動特征的局限性，設(shè)計了一種基于MEM激電堆紅外探測器的家庭防盜系統(tǒng)。系統(tǒng)基于MEM皴術(shù)，采用熱電堆紅外探測器檢測入侵，利用梯析透鏡擴大探測范圍，通過STM32F103開發(fā)板進(jìn)行信號處理和控制，采用NRF24L01無線模塊實現(xiàn)一對多的星型拓?fù)?/p>

4、無線通信。本文首先闡述了系統(tǒng)的整體設(shè)計思路，然后進(jìn)行了相應(yīng)的硬件設(shè)計。該系統(tǒng)具有較高的靈敏度和實時性，性能穩(wěn)定，成本低，功耗小，實用性強。關(guān)鍵詞：MEMS熱電堆紅外探測器；STM32F103NRF24L01HouseAnti-theftSystemBasedonMEMSThermopileInfraredDetectorStudentmajoringinNetworkengineering*Tutor*Abstract:Inordertoovercomethelimitationofthetraditionaldetectionsystemofdetectingsystemwithlowdet

5、ectionrangeandonlyrecognizethemovementcharacteristics,ahouseanti-theftsystembasedonMEMSthermopileinfrareddetectorisdesigned.ThesystemisbasedonMEMStechnology,theuseofthermalinfrareddetectorstackintrusiondetection,expandthedetectionrangeoftheladderoflens,signalprocessingandcontrolthroughtheSTM32F103de

6、velopmentboard,usingNRF24L01wirelessmoduletorealizewirelesscommunicationonastartopologymuch.Thispaperfirstdescribestheoveralldesignofthesystem,andthenthecorrespondinghardwaredesign.Thesystemhashighsensitivityandreal-timeperformance,stableperformance,lowcost,lowpowerconsumption,andstrongpracticabilit

7、y.Keywords:MEMS;ThermopileInfraredDetector;STM32F103;NRF24L011概述隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們的居住安防意識逐漸提高，防盜報警行業(yè)也得到了一定的發(fā)展1。紅外探測技術(shù)憑借其較好的隱蔽性和環(huán)境適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于紅外偵查、防盜報警等領(lǐng)域。現(xiàn)有的基于紅外探測器的入侵檢測系統(tǒng)大多基于熱釋電紅外探測器，探測范圍較小且僅適用于動態(tài)目標(biāo)識別，應(yīng)用領(lǐng)域受到很大的局限20本文設(shè)計了一種基于MEMS電堆紅外探測器的家庭防盜系統(tǒng)，系統(tǒng)基于MEM戰(zhàn)術(shù)，采用熱電堆紅外探測器檢測入侵,利用梯析透鏡擴大探測范圍，通過STM32F103F發(fā)板進(jìn)行信號處理和控制，

8、采用NRF24L0優(yōu)線模塊實現(xiàn)一對多的星型拓?fù)錈o線通信。系統(tǒng)通過MEM熱電堆紅外探測器與STM32F103T發(fā)板相連，感知紅外輻射，實現(xiàn)住宅入侵情況實時檢測。相比熱釋電紅外探測器，熱電堆型除了實現(xiàn)紅外目標(biāo)運動入侵識別，還可以檢測恒定輻射量，對靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行探測3,可靠性更高。利用梯析透鏡會聚目標(biāo)輻射提高有效探測距離，采用NRF24L0優(yōu)線模塊構(gòu)建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個服務(wù)器端對多個客戶端的無線通信，搭建分布式紅外探測器系統(tǒng)實現(xiàn)多方位、多角度收集測量信號。2設(shè)計思路為了克服傳統(tǒng)入侵檢測系統(tǒng)的局限性，本文設(shè)計了一種具有較高的靈敏度和實時性，性能穩(wěn)定，成本低，功耗小，實用性強的家庭防盜系統(tǒng)。該防盜系統(tǒng)

9、由一個服務(wù)器端和多個客戶端構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇橐粚Χ嗟男切徒Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多方位、多角度收集測量信號。服務(wù)器端由STM32F10開發(fā)板（包括按鍵系統(tǒng)、LED燈、蜂鳴器、TFTLCDW膜晶體管液晶顯示器）、NRF24L01無線模塊接收裝置組成；客戶端由STM32F103開發(fā)板、NRF24L01無線模塊發(fā)射裝置、MEM激電堆紅外探測器、梯析透鏡組成。用戶按下布防按鍵系統(tǒng)將進(jìn)入布防狀態(tài)，當(dāng)有人闖入任何一個客戶端的檢測范圍，無論他是運動或是靜止?fàn)顟B(tài)，梯析透鏡都會將紅外熱量投射到熱電堆敏感單元，MEMS電堆紅外探測器將探測到的人體紅外信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過STM32F103T發(fā)板進(jìn)行信號處理和控制，經(jīng)由NRF2

10、4L0優(yōu)線模塊發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器端NRF24L0優(yōu)線模塊接收裝置。服務(wù)器端STM32F103f發(fā)板讀取信號，并獲得該客戶端地址信息，將其顯示在液晶顯示LED燈的狀態(tài)切換實現(xiàn)LED器以說明入侵位置。同時對收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行響應(yīng)，通過燈閃爍，啟動蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。介客戶端服務(wù)器端MEMS電堆紅外探測器梯析透鏡MEMS電堆紅外探測器NRF24L0比線模塊發(fā)射裝置NRF24L0比線模塊發(fā)射裝置STM32F103ZET6客戶端梯析透鏡STM32F103ZET6客戶端圖2-1家庭防盜系統(tǒng)整體框架圖3硬件實現(xiàn)3.1基于MEM熱電堆紅外探測器3.1.1紅外探測器紅外線是指電磁波中波長為0.78-10

11、00um的波段，也稱為“紅外輻射”。黑體輻射理論證明，任何溫度高于絕對零度的物體都會不斷地向外發(fā)出紅外輻射40物體各部位的輻射率因溫度的差異而不同，顯示出不同的輻射特征。紅外探測設(shè)備捕捉到這些輻射特征，將其轉(zhuǎn)換成可測量的物理信號，并對該物理信號進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，得到可供人類觀察識別的圖像。紅外探測器具有較好的隱蔽性和環(huán)境適應(yīng)性，抗干擾能力強。根據(jù)紅外焦平面陣列探測機理的不同，可將紅外探測器分為光子型紅外探測器和熱型紅外探測器。光子型紅外探測器利用半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換5,響應(yīng)速度快、探測靈敏度高，但是體積大、功耗高、價格昂貴，目前主要在軍事上用于高性能、遠(yuǎn)距離的探測。熱型紅外探測

12、器基于紅外輻射的熱效應(yīng)。通過吸收紅外輻射導(dǎo)致探測器元件溫度上升，然后測定被吸收的紅外輻射功率完成紅外探測。相較光子型紅外探測器，熱型紅外探測器體積小、功耗低、易于維護(hù)，價格相對低廉。3.1.2微機械電子系統(tǒng)MEMS微機械電子系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)興起于20世紀(jì)80年代后期，是一個融合機、電、光、磁及其他技術(shù)為一體的可以活動和控制的微工程系統(tǒng)，主要由微傳感器、微執(zhí)行器、微能源三大部分組成，是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成。微機械電子系統(tǒng)的器件以硅為主要材料，強度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似于鋁，熱傳導(dǎo)率接近銅和鴇，具有優(yōu)良的

13、機械電氣性能。由于其質(zhì)量和尺寸都比較小，使得高速動作成為可能，受到熱膨脹的影響也比較小。止匕外，它還具有能耗低、靈敏度高、耐用性好、價格低廉、響應(yīng)時間短等優(yōu)點。3.1.3MEMS熱電堆紅外探測器微機械電子系統(tǒng)技術(shù)是以實現(xiàn)機電一體化為目標(biāo)的一項新興技術(shù)，它在紅外器件制作中的引入為熱型紅外探測器的實用化開辟了新的途徑6。熱型紅外探測的關(guān)鍵是如何制作具有良好熱絕緣特性的結(jié)構(gòu)。一般而言，懸空結(jié)構(gòu)具有良好的熱絕緣性能，而制作這種懸空結(jié)構(gòu)正是微機械電子系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢。隨著微機械電子系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，熱型紅外探測技術(shù)也取得了較大的突破。熱電堆紅外探測器的工作原理是基于賽貝克效應(yīng)的紅外輻射探測。將兩種材料不

14、同或者材料相同而逸出功不同的物體一端相連，另一端不相連。當(dāng)相連端溫度增加，那么兩端就會因形成溫差而產(chǎn)生溫差電動勢。MEMS熱電堆紅外探測器主要由紅外吸收體、絕緣結(jié)構(gòu)和熱電堆組成，相連端與紅外吸收體相鄰，其溫度隨紅外吸收體的變化而變化，兩端通過絕緣結(jié)構(gòu)隔離，使得不相連端與環(huán)境溫度保持一致。當(dāng)紅外吸收體吸收外界輻射時，相連端溫度升高，不相連端溫度不變，兩端溫差增大，產(chǎn)生溫差電動勢，通過輸出溫差電動勢來測量外界紅外輻射的大小7。相比傳統(tǒng)紅外探測器，MEMS熱電堆紅外探測器具有靈敏度高、能耗低、響應(yīng)時間短、可批量生產(chǎn)等特點。3.2梯析透鏡紅外輻射能量在大氣中傳輸會存在衰減，梯析透鏡是一種非均勻介質(zhì)透鏡

15、，用來配合熱電堆探測器以提高接收靈敏度及擴大探測距離和范圍網(wǎng)。梯析透鏡將紅外輻射能量投射到熱電堆敏感單元，投射范圍可以擴大為一個錐形空間，即熱電堆探測器能夠探測到這個錐形空間內(nèi)的紅外輻射能量，將這個錐形敏感空間稱為熱電堆探測器的視場。圖3-1梯析透鏡視場仿真3.3STM32F103開發(fā)板STM32F103開發(fā)板，采用的是一款比較熱門的微控制器芯片STM32F103ZET6,其內(nèi)核為ARMCortex-M3,程序存儲器大小為512KB,RAM為64KB,片內(nèi)FLASH支持在線編程。它的數(shù)據(jù)總線寬度為32bit,最大時鐘頻率為72MHz,數(shù)據(jù)和指令分別走不同的流水線，以確保CPU運行速度達(dá)到最大化

16、。3.4NRF24L01無線模塊NRF24L01無線模塊，采用的芯片是NRF24L01,通過SPI與外部MCU通信，最大的SPI速度可以達(dá)到10Mhz。該芯片的主要特點如下：(1)(3)(4)(5)(6)2.4G全球開放的ISM頻段，免許可證使用。最高工作速率2Mbps,高校的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強。125個可選的頻道，滿足多點通信和調(diào)頻通信的需要。內(nèi)置CRC檢錯和點對多點的通信地址控制。低工作電壓（1.93.6V）?？稍O(shè)置自動應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。該模塊電路原理圖如下所示：4結(jié)論目前國內(nèi)外與入侵檢測系統(tǒng)相關(guān)的文獻(xiàn)都只單獨研究了紅外探測技術(shù)入侵檢測系統(tǒng)9和無線通信技術(shù)在入侵檢測上的應(yīng)用1

17、0,本文設(shè)計了一種基于MEM熱電堆紅外探測器與無線通信的家庭防盜系統(tǒng)，并采用梯析透鏡擴大探測范圍，克服傳統(tǒng)入侵檢測系統(tǒng)探測范圍較小且僅能識別運動特征的局限性。止匕外，該系統(tǒng)通過構(gòu)建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個服務(wù)器端對多個客戶端的無線通信，搭建分布式紅外探測器系統(tǒng)實現(xiàn)多方位、多角度收集測量信號，具有較高的靈敏度和實時性，性能穩(wěn)定，成本低，功耗小，實用性強。參考文獻(xiàn):1鄭展棒.紅外、無線、智能一入侵探測器的三大主題J.中國公共安全：學(xué)術(shù)版，2014(10):72-75.2衛(wèi)東，董永貴.利用熱釋電紅外傳感器探測人體運動特征J.儀器儀表學(xué)報，2008(5):10201023.3夏燕.MEMS熱電堆紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造研究D.中北大學(xué)，2012.4蔡遠(yuǎn)，陳玉霞.紅外傳感器技術(shù)的應(yīng)用研究J.電子制作，2017(8):14-14.5袁綬章，王曉璇，韓福忠，等.光子型紅外探測器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.云光技術(shù)，2016(2):1-10.6胡明，呂宇強，顏海洋