CN107023956A - 一种基于fpga的养老院室内外环境智能检测系统 - Google Patents

一种基于fpga的养老院室内外环境智能检测系统 Download PDF

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Abstract

一种基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统，包括一片FPGA芯片，同时连接室内检测模块和室外检测模块，室内检测模块包括，室内温度传感器、室内湿度传感器、室内二氧化碳传感器、室内PM2.5传感器、LCD显示器和语音提示系统，室外检测模块包括，室外温度传感器、室外湿度传感器、室外二氧化碳传感器和室外PM2.5传感器，室外检测模块还包括无线通信模块，无线通信模块将室外温度传感器、室外湿度传感器和室外PM2.5传感器的数据传输给FPGA芯片，FPGA芯片和LCD显示器以及语言提示系统由第一电源模块供电，所述各传感器由第二电源模块供电。

Description

一种基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统
技术领域
本发明属于环境检测技术领域，特别涉及一种基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统。
背景技术
目前，国内的环境检测装置功能单一，用到的传感器主要有温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5检测传感器等，大多数是由单片机控制的。其信号(温度、湿度、二氧化碳浓度、PM2.5)通过相应传感器采集，在液晶显示器(简称LCD)上显示相应数值。此类检测装置只能检测和显示单一信号，缺乏综合性，且人机智能交互能力较差。
首先，现有检测技术虽然做到了针对个体环境因素的检测，但缺乏综合性，不能综合测量特定环境的诸多相关因素，对于养老院等场所，养老院老人能够得到的环境信息是不全面的。其次，单片机控制室内外环境检测系统精度不够高，可靠性不够强、可编程性较差、可用输入输出I/O口较少。此外，养老院老人获取文字信息比较困难，仅依靠LCD文字显示是不能满足特殊老人需求的，需要附加语音提示功能。总之，国内养老院现有的室内外环境检测相关技术还不够先进和实用。
发明内容
本发明的目的是针对养老院室内外环境开发一种基于FPGA的智能检测系统，综合利用多种传感器的特性，及时反映养老院室内外环境信息，协助提高和改善老人的居住条件。
一种基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统，包括一片FPGA芯片，同时连接室内检测模块和室外检测模块，
室内检测模块包括，室内温度传感器、室内湿度传感器、室内二氧化碳传感器、室内PM2.5传感器、LCD显示器和语音提示系统，
室外检测模块包括，室外温度传感器、室外湿度传感器、室外二氧化碳传感器和室外PM2.5传感器，
室外检测模块还包括无线通信模块，无线通信模块将室外温度传感器、室外湿度传感器和室外PM2.5传感器的数据传输给FPGA芯片，
FPGA芯片和LCD显示器以及语言提示系统由第一电源模块供电，
所述各传感器由第二电源模块供电。
检测系统的工作过程包括：
当养老院室内外温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5值发生变化时，传感器将信号转换为FPGA芯片能够识别的电信号，FPGA芯片对室内外这些信号进行分析处理，将结果发送给LCD显示器和语音提示器，LCD显示器会显示室内外各物理量的值，同时语音播报器播报。
如果室内外温度差高过预设值，LCD上显示“室内(外)温差较大，请注意增减衣物”，同时语音提示器读出文字提示；
如果室内外湿度差高过预设值，LCD上显示“室内(外)湿度差异较大，请注意补充水分”，同时语音提示器读出文字提示；
如果室内外二氧化碳浓度差高过预设值，LCD上显示室内(外)二氧化碳浓度较大，请注意通风”，同时语音提示器读出文字提示；
如果室内外PM2.5值差高过预设值，室内(外)PM2.5值差异较大，出行请戴好口罩”，同时语音提示器读出文字提示。
本发明主要由信号采集模块(温度、湿度、二氧化碳以及PM2.5数字式传感器等)、CPU模块、LCD显示模块、语音提示模块，通信模块、以及供电模块构成。上述几类传感器采集的数字信号以电信号的形式传送给FPGA，FPGA使用HDL的程序语言开发，实现对多传感器信息的综合处理和人机智能交互。
本发明针对国内养老院室内外环境，综合利用多种传感器的特性，实现了对多个环境物理量的同时检测，克服了现有检测技术缺乏综合性的问题。第二、本方案采用FPGA控制取代单片机控制，在系统编程上有丰富的I/O口资源，突破了测量精度不够高，可靠性不够强、可编程性较差的局限性，能够使随时得到准确性高、综合性强的养老院室内外信息。第三、针对养老院老人获取文字信息比较困难，仅依靠LCD文字显示不能满足特殊病人需求的问题，本方案附加了语音提示功能，方便了老人获取养老院室内外信息。
本发明与传统的环境检测装置相比，综合了多种传感器的特性，能够同时对病房内外温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5值进行全面检测，并能在LCD液晶显示和语音提示，有利于协助提高和改善养老院老人的居住条件；第二、本发明采用FPGA控制，解决了传统单片机控制测量精度不够高，可靠性不够强、可编程性较差的问题，使老人能够使随时了解准确的、综合性的养老院室内外信息；第三、LCD文字显示不仅可以显示室内外实时的温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5值，通过室内外物理量对比分析，还可以显示智能温馨提示语句，提醒病人合理的穿着和室内外活动。第四、本发明附加了语音提示功能，方便了特殊老人获取养老院室内外信息，大大增强了产品的实用性。第五、本发明还可推广到其它领域，如病房室内外环境检测与显示，家庭室内外环境检测与显示等，大大加方便了病房病人获取室内外温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5值等环境信息，能够协助改善病房环境，具有很大的应用背景。
附图说明
图1本发明的系统结构框图。
图2本发明系统工作总流程图。
图3本发明系统工作过程中温度信号流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明一种基于FPGA的养老院室内外环境检测系统的结构框图。该系统是以FPGA为核心，由FPGA、多种类传感器(温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5传感器等)、LCD显示器、语音提示器、通信电路、电源电路等构成。
信号采集模块中，温度、湿度传感器采用的是AM230传感器，此传感器具有极高的稳定性和效率，其中温度、湿度检测模块的数据通信方式采用的是单总线方式，只需要采用一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。
二氧化碳传感器采用的是MG811传感器，此传感器模拟量输出(0～2V/0-4V)电压输出可选，对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，并且具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
PM2.5传感器采用的是SDS011传感器。该传感器具有以下特点：激光检测，数据稳定准确；场景变换响应时间小于10秒，响应快速；串口输出(或IO口输出可定制)，便于集成；分辨颗粒最小直径达0.3微米，分辨率高。
CPU模块采用ALTERA公司Cyclone IV系列的FPGA芯片。Cyclone IV是相对于前三代的Cyclone系列实现了低功耗，较低了系统成本。硬件功能的实现，需要在最小系统(包括Cyclone IV芯片、下载电路、外部时钟、复位电路)的基础上外扩，其中下载接口包括JTAG调试接口和AS下载接口，FPGA时钟是从晶振分出来的而复位电路可以直接采用IMp811复位芯片。软件功能的实现，本设计采用的是HDL语言进行模块化编程。
LCD显示模块采用JLX256160G-680-PC型号LCD显示器，其点阵数为256*160，可视区为106.305*62.0mm，可以满足显示范围和字数要求。
语音提示模块采用YS-TimeP型号通过FPGA的IO口控制，最少2个IO口可控制。此控制方式是采用了模拟串行的控制方式，需要播放第几个地址的内容就发送几个脉冲。例如，需要播放第二段的声音，则是：先发送一个复位脉冲到RST脚，接着发送2个脉冲到DATA脚。芯片即刻工作，播放第二段的声音。
本发明通信模块采用2.4G ZigBe无线模块CC2530开发套件，其电压的典型值3V。分别利用3对该通信模块，将室外温度传感器、湿度传感器以及PM2.5传感器所采集的数据传输给室内FPGA，达到无线传输的功能。CC2530用于传感器与FPGA的串行数据的传输，具有短距离、低功耗、低成本的特点。
本发明供电模块分两部分：各类传感器采用直流6V电供电；FPGA、LCD及语音提示供电采用电源适配器接室内电源。一般来说，FPGA用到的管脚和资源越多，所需要的电流也越大，当电路启动时FPGA的瞬间电流也比较大。采用TPS54350稳压器可提供3A电流，可以达到提供电流和稳定电压的效果。为了保证FPGA芯片正常工作，其每一个内核电压VCCINT(1.5V)和端口电压VCCIO(5V)都需要添加滤波电路，以消除外电路对FPGA主芯片的影响。
工作过程流程图见图2所示。当养老院室内外温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5值发生变化时，传感器将信号转换为FPGA能够识别的电信号，在编程语言的控制下，FPGA对室内外这些信号进行分析处理(在程序中写入对应的预设参考量，对比来评估养老院室内外环境的差异)，信号发送给LCD显示器和语音提示器，LCD显示器会显示室内外各物理量的值，同时语音播报器播报。如果室内外温度差高过预设值，LCD上显示“室内(外)温差较大，请注意增减衣物”(如图3所示，流程图以温度信号为例，其它信号相同)，同时语音提示器读出文字提示；如果室内外湿度差高过预设值，LCD上显示“室内(外)湿度差异较大，请注意补充水分”，同时语音提示器读出文字提示；如果室内外二氧化碳浓度差高过预设值，LCD上显示室内(外)二氧化碳浓度较大，请注意通风”，同时语音提示器读出文字提示；如果室内外PM2.5值差高过预设值，室内(外)PM2.5值差异较大，出行请戴好口罩”，同时语音提示器读出文字提示。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统，包括一片FPGA芯片，同时连接室内检测模块和室外检测模块，
室内检测模块包括，室内温度传感器、室内湿度传感器、室内二氧化碳传感器、室内PM2.5传感器、LCD显示器和语音提示系统，
室外检测模块包括，室外温度传感器、室外湿度传感器、室外二氧化碳传感器和室外PM2.5传感器，
室外检测模块还包括无线通信模块，无线通信模块将室外温度传感器、室外湿度传感器和室外PM2.5传感器的数据传输给FPGA芯片，
FPGA芯片和LCD显示器以及语言提示系统由第一电源模块供电，
所述各传感器由第二电源模块供电。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统，其特征在于，检测系统的工作过程包括：
当养老院室内外温度、湿度、二氧化碳浓度以及PM2.5值发生变化时，传感器将信号转换为FPGA芯片能够识别的电信号，FPGA芯片对室内外这些信号进行分析处理，将结果发送给LCD显示器和语音提示器，LCD显示器会显示室内外各物理量的值，同时语音播报器播报。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的养老院室内外环境智能检测系统，其特征在于，
如果室内外温度差高过预设值，LCD上显示“室内(外)温差较大，请注意增减衣物”，同时语音提示器读出文字提示；
如果室内外湿度差高过预设值，LCD上显示“室内(外)湿度差异较大，请注意补充水分”，同时语音提示器读出文字提示；
如果室内外二氧化碳浓度差高过预设值，LCD上显示室内(外)二氧化碳浓度较大，请注意通风”，同时语音提示器读出文字提示；
如果室内外PM2.5值差高过预设值，室内(外)PM2.5值差异较大，出行请戴好口罩”，同时语音提示器读出文字提示。
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