毕业设计(论文)-基于STM32和UCOS-III智能防盗报警器的设计
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题目：基于STM32和UC/OS-III智能防盗报警器的设计
专业：电子信息工程（嵌入式系统及应用方向）
院系：信息工程学院
摘要 (3)
Abstract (4)
一．绪论 (5)
（一）前言 (5)
（二）文献综述 (5)
（三）论文设计任务与要求 (7)
二．系统开发平台及相关技术 (8)
（一）开发环境Keil- MDK简介 (8)
（二）硬件平台STM32介绍 (8)
（三）嵌入式实时操作系统UC/OS-III 介绍 (9)
三．系统总体方案设计 (11)
（一）系统功能实现及总体框图 (11)
（二）系统硬件设计 (11)
（三）系统软件设计 (11)
四．系统硬件电路详细设计 (13)
（一）MCU供电电路设计 (13)
（二）启动方式电路设计 (13)
（三）时钟源电路 (14)
（四）LCD显示接口模块 (14)
（五）HC-SR04超声测距模块 (15)
（六）声光报警电路 (16)
（七）SW-420震动传感器电路 (17)
（八）温湿度检测电路 (17)
五．系统软件结构设计 (18)
（一）软件总体设计框图 (18)
（二）主函数分析 (19)
（三）Sensor_using 函数分析 (20)
（四）LCD_PutChar函数分析 (21)
（五）create_table函数解析 (22)
（六）DS18B20传感器函数分析 (25)
（七）clock.c函数分析 (31)
六．系统测试及结果分析 (37)
（一）红外声光测距传感器测试 (37)
（二）震动传感器测试 (37)
（三）声光报警电路测试及实物图 (38)
（四）数据库实现结果图 (38)
（五）实时时钟测试 (39)
（六）温湿度传感器测试及实物图 (39)
（七）总体报警功能测试 (40)
七．总结 (41)
致谢 (42)
参考文献 (43)
摘要
随着信息技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，人们对住宅的需求已从追求简单的生存空间向着追求质量、功能、服务等多重需求过渡。而在近几年随着智能设备的普及和智能硬件的零成本化趋势，各种智能家居和智能系统相继进入普通人们的家庭，采用嵌入式技术的家庭智能防盗系统也应运而生。
本系统基于目前流行的嵌入式平台，以ARM cortex-M3为核心的STM32作为硬件平台，以嵌入式实时操作系统UC/OS-III作为系统软件平台。本系统主要包括红外声光震动探测电路、LCD控制电路、温湿度检测电路，声光报警电路及MCU控制电路等。红外声光震动探测电路作为MCU的输入，当距离和震动两个条件同时满足时，MCU会记录当前的时间并存入到数据库系统中，然后会通过声光报警电路给出相应的响应，最终也可以选择通过以太网和TCP/IP协议将获得的信号上传至电脑端从而实现联网的警报功能。以此达到报警的效果，满足人们日常生活对家庭环境的实时智能掌控和防盗报警功能的需要。
关键词：UC/OS-III;STM32;传感器;数据库;防盗报警
Abstract
With the rapid development of information technology and the increase of people's living standard people demand for housing from the pursuit of simple living space to the pursuit of quality, function, service transition, such as multiple demand.In recent years with the popularity of smart devices and intelligent trend of zero cost of hardware, all kinds of smart home and family intelligent system one after another into the ordinary people, home intelligent anti-theft system using the embedded technology also arises at the historic moment
Based on the current popular embedded platform, this system based on ARM architecture (M3 STM32 as hardware platform, the embedded real-time operating system UC/OS - III as system software platform.This system mainly includes the infrared light vibration detection circuit, LCD control circuit, temperature and humidity detection circuit, sound and light alarm circuit and MCU control circuit, etc.Infrared light vibration detection circuit as input of MCU, when the distance between two conditions and vibration to meet at the same time, MCU will record the current time and deposit to the database system, then by sound and light alarm circuit, the corresponding response is given, and finally can also choose to through the Ethernet and TCP/IP protocol will receive the signal will be uploaded to the computer so as to realize the alarm functions of networking.So as to achieve the effect of the alarm, satisfy the People's Daily life on the family environment of the need of real-time intelligent control and anti-theft alarm function.
Keywords: UC/OS-III;STM32;sensor intelligent;control database;burglar alarm
一．绪论
（一）前言
随着第四次工业革命和信息化技术的高度发展，人们的生活节奏日益紧凑，在我们不断满足自己日益增长的物质文化需求的同时也更加注重自己的生活环境与生活质量，物联网和智能家居产业应运而生。
物联网是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化。
智能家居是基于现代的互联网和物联网技术实现家居智能控制的体现。智能家居通过使用现代主流的嵌入式平台技术，将普通家居产品通过蓝牙，ZigBee，WiFi或者以太网等方式将正在运行的家居状态通过互联网发送到数据端，给用户提供一个全方位掌控的操作平台，实现家庭环境的智能掌控的功能的配套化产品。智能家居不仅融合了普通家居产品的功能，更重要的是加入了物联网的云平台，不仅仅是用户，甚至是家居的厂家也可以随时了解产品的运行信息，从而对于产品的售后也有了保障。
（二）文献综述
为了完成本次毕业设计，我通过学校图书馆和网络资源查阅了大量的有关智能家居的安防控制系统设计方面的中外文献，这些文献为我本次毕业设计提供了很多帮助，以下这些文献就是我在本次毕业论文书写过程中所用到的参考文献，现将其列举如下：
文献[1]安全防范系统（SPS，security & protection system）具体是指以社会公共安全的维护为目的，主要运用安全防范产品以及其他相关的安防配套产品所构成的防爆安全的检查，视频监控、安防入侵报警、出入口检测控制系统等；或由这些系统所组合构成的平台子系统或总系统，是以保护人身财产安全、信息与通讯安全，达到损失预防与犯罪预防目的。
文献[2]智能家庭一般通过在房屋周界、重点部位与住户室内安装安全防范装置，并由小区物业管理中心统一管理，来提高小区的安全防范水平。家庭的智能化安全防范系统。
文献[3]针对单个用户的安防设计应注重用户的家庭习惯和实际环境要求。针对小型别墅等较低楼层而相对面积较大的安全防范应该注重安全边界的划定和探测设备的使用，如使用红外激光技术建立起一个边界的网络来，一旦有入侵者接触到安全网络便会触发安全报警，通过声光恐吓，逼退入侵者。并且通过网络将实时图像数据采集并传输到终端，安全人员和住户可以实时接收到第一手情报资料。而针对于普通家庭的安防而言，因普通家庭暴漏在外的相对空间面积较小，从而也可以使用低成本而更高效益的智能系统。对于一般普通家庭而言，安防的重点是门窗，阳台的可以进入室内的仅有的几个通道，这时我们便可以将距离传感器和震动传感器并用的方式来实现功能。这样既能满足家庭的安防要求，也能尽可能地降低成本，实现了利益的最大化。
而住户的家庭习惯也是一个必不可少的，不可忽视的实际因素。因为目前的安防所考虑的是一种相对理想的因素，针对于不同用户的不同习惯还没有完整的数据库来实体化，所以在单个家庭安防智能防盗系统设计之初，应该针对家庭每个成员的习惯来设计，尽可能考虑全面一些突发的因素。
文献[4]目前的安防市场现状，主要是针对于“安全城市”所建立的城市视频监控网络，通过在城市的主要繁华街道和人流密集的场所，以及由道路电子眼所组成的局部信息采集网络。目前这种半封闭的城市安全网络并不能实施主动防御的功能，只能在紧急安全情况发生以后给安全人员提供相关的视频信息，而针对于普通家庭住户的单个防盗系统更是产品匮乏。针对目前这种单个家庭的安防现状，市场急需低成本高性能的安全防范产品来满足中低端单个家庭的需求。
文献[5]目前国内两家安防巨头大华股份和海康威视主要涉及的产品都是城市安防，几乎没有针对于中低端市场的安防产品，而一些小型的电子企业虽然也相继推出了一些中低端的产品，但很大一部分都是基于8位机51单片机的简易型，如电子密码锁和一些搭配传感器的简单防范的系统，虽然能够满足基本的防范要求，但是因为8位机几乎都是基于无操作系统的裸机开发，不仅没有实时性，而且很难完成数据的实时上传，这样用户就不能实时了解和掌控自己家庭区域的安全现状。因此目前市场急需要既能够满足实时安全防范的要求，又能够实时上传数据让用户了解掌控安全状态
的多功能型产品。
文献[6]智能家庭防盗系统的主流设计参考方案为目前所使用的嵌入式系统平台。而针对单个住户而言，为了尽可能地降低固件成本，而又实现智能防盗和控制的功能，意法半导体 (STMicroelectronics)公司的STM32系列微控制器可以作为嵌入式系统的硬件平台，而基于ARM cortex-M 系列内核的Keil-MDK集成开发环境能够满足C语言强大的编译器要求，不仅能兼容C编译，也能同时兼容汇编，C++等基本的嵌入式语言，并且易于上手和学习，是一款高效率的软件集成开发环境。
针对目前家庭智能防盗系统设计的现状，人们更趋向于选择低成本，但能够满足基本防盗需求的中低端市场。所以为了尽可能使硬件成本的零趋势化，本系统采用意法半导体公司的STM32微控制器作为MCU，同时结合目前开源的UC/OS-III操作系统，大大降低系统的开发运维成本。而各种高集成度的传感器性能也可以达到目前的要求。因此本系统采用半集成的方式进行开发。
（三）论文设计任务与要求
本文主要任务是为普通家庭的安防提供一个可借鉴的参考性解决方案。由点及面，在解决智能防止入室盗窃的同时也为整个家庭的安防指明方向。本系统设置位置为门窗等可以进入室内的通道边。当室内主人离开时系统自动开启，震动传感器实时监测和记录当前的门窗震动情况，红外超声测距传感器实时监测和记录当前的安全距离。通过LCD显示器显示出当前的实时时间，根据当前的实际情况来判断是否有人通过非正常手段进入室内，若有特殊情况发生，MCU控制器给出相应的信号，产生声光报警，震慑非法人员，并提交当前的状态信息到数据库保存。
主要要求：
1）完成实时时钟功能并通过LCD显示器显示。
2）震动传感器可根据当前的震动情况来做出信号反应。
3）红外超声测距传感器可实时监测当前的安全距离。
4）每次提交到MCU的相关信息可以自动保存到系统数据库，并且可以查看和按条件查询。
5）系统要求使用嵌入式实时操作系统具有实时性。
二．系统开发平台及相关技术
（一）开发环境Keil- MDK简介
MDK-ARM软件为基于Cortex-M3、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的开发环境。 MDK-ARM专为微控制器应用而设计，不仅集成了51单片机的内核，而且简单易学，具有强大的功能，能够满足许多条件苛刻的嵌入式系统软件应用的开发。MDK-ARM有四个可用版本，分别是MDK-Lite、MDK-Basic、MDK-Standard、MDK-Professional。四个版本都提供一个功能完善和集成的C/C++编译开发环境，其中MDK-Professional还包含大量的中间库。
MDK功能特点:
?支持Cortex-M3、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。
?ARM C/C++编译链接和调试工具
?确定的Keil RTX ，提供具有源码的小型操作系统
?可供TCP/IP网络协议提供配件和堆栈
?为USB设备提供标准的驱动设备
?完整的图像化界面支持GUI
?ULINKpro可实时分析运行中的应用程序，且能记录Cortex-M指令的每一次执行
?提供许多项目历程供参考学习
?符合CMSIS 标准
（二）硬件平台STM32介绍
STM32系列产品基于超低功耗的 ARM Cortex-M3 处理器内核，采用专用优化的节能架构和低泄漏电流制造工艺。STM32采用的是32位微处理器的指令集，具有强大的外设，GPIO，TPC，IIC等，灵活的软件外设为程序编译提供优秀的开发环境。
STM主要性能特点：集成嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex-M3内核，嵌入式Flash存储器和RAM存储器，可变静态存储器（FSMC）,嵌套矢量中断控制器（NVIC），外部中断/事件控制器（EXTI）,时钟和启动，Boot模式,电源供电方案，电源管理，电
压调节，低功耗模式。
STM32的主要架构优势：除新增的功能强化型外设接口外，STM32还提供了微控制器的标准接口，统一的标准接口使开发者在使用不同型号的STM32芯片开发时不必过多熟悉软件驱动和硬件架构，从而提高了开发的效率。新STM32的标准外设包括两个12位数模转换器、五个USART接口，两个12位1-Msample/s 模数转换器 (交错模式下2-Msample/s)、两个I2C接口，三个SPI端口和10个定时器。STM32还具有低电压和节能的优点，以72MHz时钟频率从闪存中取出并执行代码为例，最低仅仅消耗27mA 的电流。
（三）嵌入式实时操作系统UC/OS-III 介绍
UC/OS-III由Micrium公司提供，UC/OS-III系统不仅是一个可裁剪的、可固化的内核，还是一个可移植，占先式多任务实时内核。UC/OS-III不仅也适用于多种微处理器，微控制器，同时也适用于DSP芯片。同时，该嵌入式实时操作系统源代码开放、并且具有整洁性和一致性，代码的注释清楚详尽，非常适合应用于小型的嵌入式系统开发。
严格地说UC/OS-III只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含了任务管理，时间管理，任务调度，内存管理和任务间的异步通信和任务间的同步等基本功能。没有提供网络服务，输入输出，显示功能，文件系统等额外的服务。然而因为UC/OS-III提供了开源的条件，这些服务都可以由用户根据不同的硬件平台自主设计来完成和实现。
UC/OS-III的设计是基于优先级的抢占性内核，并且具有实时性。不同的任务分别以不同的优先级存在于系统中，系统内核根据不同优先级来在各个任务之间切换，从而完成嵌入式实时性的要求。
UC/OS系统的主要组成：
UC/OS-III可以大致分成核心部分、任务处理部分、时间处理部分、任务同步与通信部分，CPU的移植部分等5个部分。
1) 核心部分(OSCore.c)
OSCore.c函数是操作系统的核心处理函数，主要功能包括操作系统的初始化、操作系统的运行、所有中断进出的前导控制、时钟节拍的控制、任务调度算法和调度控制、事件的处理等多个部分。能够参与维持系统的基本工作功能的部分都在这里。
2) 任务处理部分(OSTask.c)
该部分中的内容均与与任务的各种操作密切相关的。包括任务的建立、任务的删除、任务的挂起、任务的恢复等等。因为UC/OS-III是以任务的形式为基本单位调度的，每个任务就是一个并行的线程，所以这部分内容也非常重要。
3) 时钟部分(OSTime.c)
在UC/OS-III系统中timetick（时钟节拍）是最小的时钟单位。任务的延时和计数器的工作时钟等操作是在这里完成的。
4) 任务同步和通信部分
该为事件处理部分，包括信号量、互斥信号量，消息邮箱、邮箱队列、事件标志等许多部分；该部分主要用于临界资源的访问和任务间的互相通信联系。
5) 与CPU的接口部分
通常使用汇编来编写，也有的是汇编和C语言的嵌套实现，因为涉及到CPU的移植部分。CPU接口部分通常包括各种优先级级别任务，任务级别任务的底层实现，中断的处理和异常响应等等。
UC/OS 系列从1992年出现发展至今，已经发布过多种功能和性能各不相同的版本，而最新的UC/OS-III是以往版本的经验的总结，相对于UC/OS-II，UC/OS-III系统删除了许多冗余的功能，优化了系统资源，同时也添加了时间片轮询算法，提高了系统资源的利用率。UC/OS-III提供了更加高效和的功能和服务来满足不同处理器平台的硬件要求，从而能够不断适应陆续发布的不同处理器平台。特别的，UC/OS-III系统是为32位机设计应用的，但也能够在8位机和16位机上运行。