本發(fā)明屬于環(huán)境檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于fpga的養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)的環(huán)境檢測(cè)裝置功能單一，用到的傳感器主要有溫度、濕度、二氧化碳濃度、pm2.5檢測(cè)傳感器等，大多數(shù)是由單片機(jī)控制的。其信號(hào)(溫度、濕度、二氧化碳濃度、pm2.5)通過(guò)相應(yīng)傳感器采集，在液晶顯示器(簡(jiǎn)稱(chēng)lcd)上顯示相應(yīng)數(shù)值。此類(lèi)檢測(cè)裝置只能檢測(cè)和顯示單一信號(hào)，缺乏綜合性，且人機(jī)智能交互能力較差。

首先，現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)雖然做到了針對(duì)個(gè)體環(huán)境因素的檢測(cè)，但缺乏綜合性，不能綜合測(cè)量特定環(huán)境的諸多相關(guān)因素，對(duì)于養(yǎng)老院等場(chǎng)所，養(yǎng)老院老人能夠得到的環(huán)境信息是不全面的。其次，單片機(jī)控制室內(nèi)外環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)精度不夠高，可靠性不夠強(qiáng)、可編程性較差、可用輸入輸出i/o口較少。此外，養(yǎng)老院老人獲取文字信息比較困難，僅依靠lcd文字顯示是不能滿(mǎn)足特殊老人需求的，需要附加語(yǔ)音提示功能。總之，國(guó)內(nèi)養(yǎng)老院現(xiàn)有的室內(nèi)外環(huán)境檢測(cè)相關(guān)技術(shù)還不夠先進(jìn)和實(shí)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境開(kāi)發(fā)一種基于fpga的智能檢測(cè)系統(tǒng)，綜合利用多種傳感器的特性，及時(shí)反映養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境信息，協(xié)助提高和改善老人的居住條件。

一種基于fpga的養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)，包括一片fpga芯片，同時(shí)連接室內(nèi)檢測(cè)模塊和室外檢測(cè)模塊，

室內(nèi)檢測(cè)模塊包括，室內(nèi)溫度傳感器、室內(nèi)濕度傳感器、室內(nèi)二氧化碳傳感器、室內(nèi)pm2.5傳感器、lcd顯示器和語(yǔ)音提示系統(tǒng)，

室外檢測(cè)模塊包括，室外溫度傳感器、室外濕度傳感器、室外二氧化碳傳感器和室外pm2.5傳感器，

室外檢測(cè)模塊還包括無(wú)線(xiàn)通信模塊，無(wú)線(xiàn)通信模塊將室外溫度傳感器、室外濕度傳感器和室外pm2.5傳感器的數(shù)據(jù)傳輸給fpga芯片，

fpga芯片和lcd顯示器以及語(yǔ)言提示系統(tǒng)由第一電源模塊供電，

所述各傳感器由第二電源模塊供電。

檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程包括：

當(dāng)養(yǎng)老院室內(nèi)外溫度、濕度、二氧化碳濃度以及pm2.5值發(fā)生變化時(shí)，傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為fpga芯片能夠識(shí)別的電信號(hào)，fpga芯片對(duì)室內(nèi)外這些信號(hào)進(jìn)行分析處理，將結(jié)果發(fā)送給lcd顯示器和語(yǔ)音提示器，lcd顯示器會(huì)顯示室內(nèi)外各物理量的值，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)器播報(bào)。

如果室內(nèi)外溫度差高過(guò)預(yù)設(shè)值，lcd上顯示“室內(nèi)(外)溫差較大，請(qǐng)注意增減衣物”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示；

如果室內(nèi)外濕度差高過(guò)預(yù)設(shè)值，lcd上顯示“室內(nèi)(外)濕度差異較大，請(qǐng)注意補(bǔ)充水分”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示；

如果室內(nèi)外二氧化碳濃度差高過(guò)預(yù)設(shè)值，lcd上顯示室內(nèi)(外)二氧化碳濃度較大，請(qǐng)注意通風(fēng)”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示；

如果室內(nèi)外pm2.5值差高過(guò)預(yù)設(shè)值，室內(nèi)(外)pm2.5值差異較大，出行請(qǐng)戴好口罩”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示。

本發(fā)明主要由信號(hào)采集模塊(溫度、濕度、二氧化碳以及pm2.5數(shù)字式傳感器等)、cpu模塊、lcd顯示模塊、語(yǔ)音提示模塊，通信模塊、以及供電模塊構(gòu)成。上述幾類(lèi)傳感器采集的數(shù)字信號(hào)以電信號(hào)的形式傳送給fpga，fpga使用hdl的程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多傳感器信息的綜合處理和人機(jī)智能交互。

本發(fā)明針對(duì)國(guó)內(nèi)養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境，綜合利用多種傳感器的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)環(huán)境物理量的同時(shí)檢測(cè)，克服了現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)缺乏綜合性的問(wèn)題。第二、本方案采用fpga控制取代單片機(jī)控制，在系統(tǒng)編程上有豐富的i/o口資源，突破了測(cè)量精度不夠高，可靠性不夠強(qiáng)、可編程性較差的局限性，能夠使隨時(shí)得到準(zhǔn)確性高、綜合性強(qiáng)的養(yǎng)老院室內(nèi)外信息。第三、針對(duì)養(yǎng)老院老人獲取文字信息比較困難，僅依靠lcd文字顯示不能滿(mǎn)足特殊病人需求的問(wèn)題，本方案附加了語(yǔ)音提示功能，方便了老人獲取養(yǎng)老院室內(nèi)外信息。

本發(fā)明與傳統(tǒng)的環(huán)境檢測(cè)裝置相比，綜合了多種傳感器的特性，能夠同時(shí)對(duì)病房?jī)?nèi)外溫度、濕度、二氧化碳濃度以及pm2.5值進(jìn)行全面檢測(cè)，并能在lcd液晶顯示和語(yǔ)音提示，有利于協(xié)助提高和改善養(yǎng)老院老人的居住條件；第二、本發(fā)明采用fpga控制，解決了傳統(tǒng)單片機(jī)控制測(cè)量精度不夠高，可靠性不夠強(qiáng)、可編程性較差的問(wèn)題，使老人能夠使隨時(shí)了解準(zhǔn)確的、綜合性的養(yǎng)老院室內(nèi)外信息；第三、lcd文字顯示不僅可以顯示室內(nèi)外實(shí)時(shí)的溫度、濕度、二氧化碳濃度以及pm2.5值，通過(guò)室內(nèi)外物理量對(duì)比分析，還可以顯示智能溫馨提示語(yǔ)句，提醒病人合理的穿著和室內(nèi)外活動(dòng)。第四、本發(fā)明附加了語(yǔ)音提示功能，方便了特殊老人獲取養(yǎng)老院室內(nèi)外信息，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的實(shí)用性。第五、本發(fā)明還可推廣到其它領(lǐng)域，如病房室內(nèi)外環(huán)境檢測(cè)與顯示，家庭室內(nèi)外環(huán)境檢測(cè)與顯示等，大大加方便了病房病人獲取室內(nèi)外溫度、濕度、二氧化碳濃度以及pm2.5值等環(huán)境信息，能夠協(xié)助改善病房環(huán)境，具有很大的應(yīng)用背景。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2本發(fā)明系統(tǒng)工作總流程圖。

圖3本發(fā)明系統(tǒng)工作過(guò)程中溫度信號(hào)流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，為本發(fā)明一種基于fpga的養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)是以fpga為核心，由fpga、多種類(lèi)傳感器(溫度、濕度、二氧化碳濃度以及pm2.5傳感器等)、lcd顯示器、語(yǔ)音提示器、通信電路、電源電路等構(gòu)成。

信號(hào)采集模塊中，溫度、濕度傳感器采用的是am230傳感器，此傳感器具有極高的穩(wěn)定性和效率，其中溫度、濕度檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)通信方式采用的是單總線(xiàn)方式，只需要采用一根數(shù)據(jù)線(xiàn)，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制均由數(shù)據(jù)線(xiàn)完成。

二氧化碳傳感器采用的是mg811傳感器，此傳感器模擬量輸出(0～2v/0-4v)電壓輸出可選，對(duì)二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，并且具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。

pm2.5傳感器采用的是sds011傳感器。該傳感器具有以下特點(diǎn)：激光檢測(cè)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確；場(chǎng)景變換響應(yīng)時(shí)間小于10秒，響應(yīng)快速；串口輸出(或io口輸出可定制)，便于集成；分辨顆粒最小直徑達(dá)0.3微米，分辨率高。

cpu模塊采用altera公司cycloneiv系列的fpga芯片。cycloneiv是相對(duì)于前三代的cyclone系列實(shí)現(xiàn)了低功耗，較低了系統(tǒng)成本。硬件功能的實(shí)現(xiàn)，需要在最小系統(tǒng)(包括cycloneiv芯片、下載電路、外部時(shí)鐘、復(fù)位電路)的基礎(chǔ)上外擴(kuò)，其中下載接口包括jtag調(diào)試接口和as下載接口，fpga時(shí)鐘是從晶振分出來(lái)的而復(fù)位電路可以直接采用imp811復(fù)位芯片。軟件功能的實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用的是hdl語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程。

lcd顯示模塊采用jlx256160g-680-pc型號(hào)lcd顯示器，其點(diǎn)陣數(shù)為256*160，可視區(qū)為106.305*62.0mm，可以滿(mǎn)足顯示范圍和字?jǐn)?shù)要求。

語(yǔ)音提示模塊采用ys-timep型號(hào)通過(guò)fpga的io口控制，最少2個(gè)io口可控制。此控制方式是采用了模擬串行的控制方式，需要播放第幾個(gè)地址的內(nèi)容就發(fā)送幾個(gè)脈沖。例如，需要播放第二段的聲音，則是：先發(fā)送一個(gè)復(fù)位脈沖到rst腳，接著發(fā)送2個(gè)脈沖到data腳。芯片即刻工作，播放第二段的聲音。

本發(fā)明通信模塊采用2.4gzigbe無(wú)線(xiàn)模塊cc2530開(kāi)發(fā)套件，其電壓的典型值3v。分別利用3對(duì)該通信模塊，將室外溫度傳感器、濕度傳感器以及pm2.5傳感器所采集的數(shù)據(jù)傳輸給室內(nèi)fpga，達(dá)到無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓δ?。cc2530用于傳感器與fpga的串行數(shù)據(jù)的傳輸，具有短距離、低功耗、低成本的特點(diǎn)。

本發(fā)明供電模塊分兩部分：各類(lèi)傳感器采用直流6v電供電；fpga、lcd及語(yǔ)音提示供電采用電源適配器接室內(nèi)電源。一般來(lái)說(shuō)，fpga用到的管腳和資源越多，所需要的電流也越大，當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)fpga的瞬間電流也比較大。采用tps54350穩(wěn)壓器可提供3a電流，可以達(dá)到提供電流和穩(wěn)定電壓的效果。為了保證fpga芯片正常工作，其每一個(gè)內(nèi)核電壓vccint(1.5v)和端口電壓vccio(5v)都需要添加濾波電路，以消除外電路對(duì)fpga主芯片的影響。

工作過(guò)程流程圖見(jiàn)圖2所示。當(dāng)養(yǎng)老院室內(nèi)外溫度、濕度、二氧化碳濃度以及pm2.5值發(fā)生變化時(shí)，傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為fpga能夠識(shí)別的電信號(hào)，在編程語(yǔ)言的控制下，fpga對(duì)室內(nèi)外這些信號(hào)進(jìn)行分析處理(在程序中寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)參考量，對(duì)比來(lái)評(píng)估養(yǎng)老院室內(nèi)外環(huán)境的差異)，信號(hào)發(fā)送給lcd顯示器和語(yǔ)音提示器，lcd顯示器會(huì)顯示室內(nèi)外各物理量的值，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)器播報(bào)。如果室內(nèi)外溫度差高過(guò)預(yù)設(shè)值，lcd上顯示“室內(nèi)(外)溫差較大，請(qǐng)注意增減衣物”(如圖3所示，流程圖以溫度信號(hào)為例，其它信號(hào)相同)，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示；如果室內(nèi)外濕度差高過(guò)預(yù)設(shè)值，lcd上顯示“室內(nèi)(外)濕度差異較大，請(qǐng)注意補(bǔ)充水分”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示；如果室內(nèi)外二氧化碳濃度差高過(guò)預(yù)設(shè)值，lcd上顯示室內(nèi)(外)二氧化碳濃度較大，請(qǐng)注意通風(fēng)”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示；如果室內(nèi)外pm2.5值差高過(guò)預(yù)設(shè)值，室內(nèi)(外)pm2.5值差異較大，出行請(qǐng)戴好口罩”，同時(shí)語(yǔ)音提示器讀出文字提示。