1、第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 I 第 XXXX 届中国研究生电子设计竞赛技术论文 论文题目： 基于磁探测的海洋浮标报警系统 Ocean buoy alarm system based on magnetic detection 参赛单位： 队伍名称： 指导教师： 参赛队员： 完成时间： 年 月 日 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 II 摘 要 海洋浮标是世界各国海洋环境监测与海洋灾害预报的主要手段之一。 我国在近海布放了千余个大大小小不同业务的浮标，但每年这些浮标中的很大一部分会遭到自然天气、渔业活动以及人为主 观等因素的破
2、坏。当浮标遭破坏时，我们需要及时发出警报 ，并记录事发原因。因此，设计一种浮标安全自动监控系统是迫切和必要的。 本设计是一种基于磁探测的海上浮标报警系统，本系统分为两个部分：“监测”和“报警”。“监测”系统主要由磁传感器、红外传感器、图像传感器和数据采集处理系统 组成，其中磁传感器选择 一种 三轴磁分量传感器 MicroMag3，实现三分量磁探测；红外传感器选择 一种 被动式的热释电红外传感器 LHI778； 图像传感器选择 一种 CMOS 图像传感器 OV2640。 “报警”系统主要 由声光报警系统、步进电机驱动系统和限位检测系统组成。 为保障浮标保障的安全运 行，设计并实现了一种基于磁感测
3、技术的自动报警系统， 需要 具有很好的安全性和可靠性。 本 系统以 STM32F407 处理器为核心，结合磁传 感器，红外传感器、摄像头、无线通讯模块等单元，可以实现自动报警 、自动采集数据、发送数据等功能 。 同时系统采用电源管理单元以减低系统的功耗，使系统长时间的工作。经测试，系统能可靠的发现警情，满足设计要求。 关键词 ：海洋浮标、自动报警、磁感测技术、红外传感器、无线通讯 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 III Abstract Ocean buoy is one of the main means of Marine disasters in the
4、 world of Marine environment monitoring and forecast. In China offshore cloth thousands of a buoy of different large and small business, but a large part of the buoy will be damage by natural weather, fishing activities and artificial subjective factors every year. When the buoy is disrupted, we nee
5、d to make an alarm in time, and record the cause. Therefore, to design a buoy safety automatic monitoring system is urgent and necessary. This design is a kind of sea buoy alarm system based on magnetic detection, this system is divided into two parts: “monitor“ and “alarm“. Monitoring system is mai
6、nly composed of magnetic sensors, infrared sensors, image sensors and data acquisition processing system, the magnetic sensor select a three-axis magnetic MicroMag3 weight sensor, realize the three-component magnetic detection. Infrared sensor select a kind of passive pyroelectric infrared sensor LH
7、I778. Image sensor select a OV2640 of CMOS image sensors. Alarm system is mainly composed of sound and light alarm system, stepping motor drive system and limit of detection system. In order to guarantee the safe operation of the buoy safeguard, designs and realizes a kind of automatic alarm system
8、based on magnetic sensor technology, need to have good safety and reliability. The system with STM32F407 processor as the core, combined with magnetic sensors, infrared sensors, cameras, wireless communication module, such as unit, can realize automatic alarm, automatic acquisition data, sending dat
9、a, etc. At the same time system using power management unit to reduce system power consumption, make the system work long time. After the test, the system can find early-warning, meet the design requirements. Keywords: ocean buoy, automatic alarm, magnetic sensor technology, infrared sensor, wireles
10、s communication 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 I 目 录 第 1 章 作品难点与创新 . - 1 - 第 2 章 方案论证与设计 . - 2 - 2.1 系统概述 . - 2 - 2.2 本设计方案思路 . - 3 - 2.3 研发方向和技术方案 . - 3 - 2.4 主要技术指标 . - 3 - 第 3 章 原理分析和硬件电路图 . - 5 - 3.1 原理分析 . - 5 - 3.2 微控制器 . - 5 - 3.3 三轴磁传感器 . - 6 - 3.3.1 特点 . - 7 - 3.3.2 工作原理 . - 7 - 3.4 红外传感器
11、 . - 7 - 3.4.1 特点 . - 7 - 3.4.2 工作原理 . - 8 - 3.5 摄像传感器 . - 8 - 3.5.1 工作原理 . - 9 - 3.6 电源管理单元 . - 9 - 第 4 章 软件 设计与流程 . - 11 - 4.1 总体方案 . - 11 - 4.2 系统流程图 . - 11 - 4.2.1 系统初始化 . - 11 - 4.2.2 SIM900A 初始化设置 . - 11 - 4.2.3 指令接收程序设计 . - 11 - 4.3 模块说明 . - 12 - 4.3.1 时钟模块 . - 12 - 4.3.2 数据采集处理模块 . - 15 - 第
12、5 章 系统测试与误差分析 . - 19 - 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 II 5.1 系统测试 . - 19 - 5.2 实验数据 . - 19 - 第 6 章 总结 . - 23 - 第十一届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 - 1 - 第 1 章 作品难点与创新 本系统 是一种基于磁检测的自动报警浮标系统 。本系统主要“监测系统”和“报警系统”两部分构成，模块采用组合方式，从而适应不同的使用环境、满足用户的不同使用需求。 “监测系统”主要包括磁传感器、红外传感器、摄像头 、数据采集控制系统和电源管理系统组成，其中 磁传感器采用美国 P
13、NI 公司 MicroMag3,是一款 3 分量磁力仪， 本系统根据磁传感器探测到浮标周围磁场值变化情况判断是否有大型船只等磁性物体接近 ，进而判断是否发出异常警报信息以及采集现场图片。磁探测技术的应用是系 统的一大创新点。由于海上环境复杂且恶劣，所以对本系统的抗干扰性、稳定性和结构防水性、 安全 性有很一定的要求 ，是该模块系统的一大难点 。 海上浮标平台需要长期监测，且一般采用蓄电池或太阳能电磁供电的方式，所以对整个系统的功耗有很高的要求，也是该模块系统的一大难点。 “报警系统” 主要包括步进电机驱动模块、声光报警模块、电流检测模块和电源转换模块组成， 其中电流检测模块作用是检测步进电机工
14、作电流和声光报警器工作电流，进而达到实时检测该模块系统整体功耗，为 控制整个浮标报警系统的功耗提供了有力的数据支撑 ，这个该模块的一大创新 点 。由于对电流检测需要将电流信号转换成电压信号，再经 ADC 转换成数字信号提供给微控制器，所以选择高精度的 ADC 和高精度的采样电阻显得很有必要的。对数字信号进行数字滤波算法处理对于 精准的检测电流信号是必要的，选择合理的数字滤波算法是该模块系统的一个难点。 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 - 2 - 第 2 章 方案论证与设计 2.1 系统概述 “监测”模块的工作原理以 STM32 位控制单元，对传感器采集的数据进
15、行处理、分析，并通过无线通讯模块将采集的数据发送到岸上基站的数据处理系统。该模块由 磁传感器、红外传感器、数据采集系统、摄像头、电 源管理模块、无线通讯模块和远程数据接收模块组成。 系统首先采集放在浮标东西南北四个方向上的磁场传感器的数据，并根据数据的变化来判断是否有船只靠近以及船只靠近的方向，然后打开船只靠近方向上的红外传感器，判断是否有人靠近。如果有人靠近，则系统控制云台，将摄像头转到船只和人员靠近的方向，然后打开摄像头将图像通过无线数据系统发送到岸基接收站，同时向岸基监控站发送报警短信和启动声光报警器警告船只和人员离开。岸基接收站收到警情后，可以将数据存储，并向浮标上的系统发送指令。浮标
16、上的控制系统在收到指令后，解析指令，进行下一 步动作。 “监测”系统 结构 框图如图 2-1所示 浮标体和锚系电源管理系统数据采集控制红外报警 ， 磁报警 ， 摄像头 ， 云台无线通讯系统数据接收处理系统电池G P R S岸上基站图 2-1 “监测”系统结构框图 “ 报警”模块工作原理 是通过 STM32 微控制系统输出控制信号给声光报警模块驱动电路，通过驱动电路控制 继电器工作给声光报警模块提供电压 。该模块由第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 - 3 - 步进电机 驱动电路、电源控制模块和声光报警模块组成。 “报警”模块系统框图如图 2-2所示。 图 2-2
17、“报警”模块系统框图 2.2 本设计方案思路 本系统以实现海洋浮标安全自动监测、报警为主要目的，以传感器数据采集、信号处理、 数据检测算法、无线通讯发送和接收和声光报警为主要设计内容。 在声光报警、无线通讯发送接收方面降低系统功耗，提高传输距离；在数据采集、信号处理方面设计小信号方法电路和信号调理电路；数据监测算法考虑动态阀值和时间节点相结合方法，算法 设计方面要解决采样、滤波和避开脉冲波等问题。 2.3 研发方向和技术方案 （ 1）合理利用无线数据传输模块 SIM900A,提高传输距离。 （ 2）合理使用传感器，提高系统测量精度。 （ 3）数据检测算法的研究和设计。 （ 4）结构系统的防水性
18、、防腐蚀性、防冲撞性和防暴晒性。 （ 5） 控制系统的 综合设计 。 2.4 主要技术指标 （ 1） 船体靠近距离：不小于 10m （ 2） 人体靠近距离：不小于 3 米 （ 3） 人体靠近距离：不小于 3 米 （ 4） 系统反应时间：不大于 2 秒 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 - 4 - 系统整体框图如图 2-3 所示： 主控电路电源管理单元红外传感器摄像头声光报警器云台无线数据传输模块磁传感器电池组图 2-3 系统整体框图 整个系统需要完成对观测参数的测量，传感器测量数据的读取，数据处理、存储、发送，并需要从远程客户端接收指令等功能，需要主控单元来完成
19、。为了防止因通讯中断或上位机故障而导致数据丢失，硬件系统需要配备存储系统，为数据做备份，此外，还需要 有外设接口，便于外接传感器和无线通讯模块。 第 XXXX 届研究生电子设计大赛 基于磁探测的海洋浮标报警系统 - 5 - 第 3 章 原理分析和硬件电路图 3.1 原理分析 “监测”模块是一种根据监测浮标平台周围磁场发生异常波动变化情况，并添加红外检测和采集图像等功能。三分量磁传感器将三个坐标方向的磁场值转换为电压值，传感器内部将模拟电压值转换为数字量，因此通过三分量磁传感器与相应的 磁 检测算法得到监测浮标周围是否有船只靠近等情况发生。 红外传感器 LHI778 通过接收 人体 发出的 特定
20、波长的红外波 ，将红外信号转换为电信号，在经信号放大、调理电路， 转换成高低电平脉冲波形后 ，再发生给单片机 I/O 端口产生相应的外部中断，因此通过红外传感器可检测到浮标平台周围是否有人员靠近。 CMOS 图像传感器 OV2640 将采集的图像信息转换成模拟量，在传感器内部将模拟电压值转换为数字量后，直接与 STM32 单片机的 DCMI 接口相连接。 单片机将传感器采集的数据存储到内部存储区 ，对磁传感器采集到的数据应用磁检测算法，通过动态阀值和时间节点，实现磁异常检测。红外传感器转换的脉冲电平信号通过单片机 I/O 口，实现检测人员异常靠近。 “报警”模块是一种根据浮标平台周围异常发生时
21、 触发的声 光报警装置。该装置通过为控制器输出控制信号给驱动电路触发报警装置工作。 3.2 微控制器 “ 监测 ” 模块控制芯片选择的是意法半导体研发的基于 Cortex-M4 内核的STM32F407 系列的 MCU,其工作频率 168MHZ，具有 192KB SRAM、 1024KB Flash,是一款功能强大的单片机，其拥有丰富的外设接口，具有 SPI 接口、 USART、 SDIO接口、 DCMI 接口、 IIC 接口、 USB 控制器和以太网控制器，以及 JTAG 接口还可以与 JLINK 连接进行在线调试，极大的方便了调试过程。其还有 3 个 12 位的 ADC，自带多个定时器功能，可以输出多路 PWM 用于电机驱动。 STM32 微控制器系统电路如图 3-1 所示。图中，当 BOOT0 =1 时用户闪存存储器被选为启动区域，此时可通过串口烧录程序；当 BOOT0 = 0 时系统内存作为启动区域。电路中众多的电容是 STM32 微控制器的电源旁路电容，起到滤除中高
