許 青，劉 方

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210016)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)以其便捷、實(shí)用、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等場(chǎng)合，更走進(jìn)了人們的日常生活，給人們的生活帶來(lái)了便捷的信息化服務(wù)［1］。文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM9的室內(nèi)無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境信息監(jiān)控、智能家居控制、圖像信息采集存儲(chǔ)及與用戶實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程信息交互的功能，并可在緊急情況下報(bào)警。在智能樓宇、智能家居、農(nóng)業(yè)大棚、養(yǎng)殖等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)以ARM9為核心，主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境信息采集、智能家居控制、圖像信息采集、遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控報(bào)警等功能。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，由7個(gè)主要模塊構(gòu)成。其中室內(nèi)信息采集模塊實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境信息的采集，由不同的傳感器完成，溫濕度傳感器用于采集室內(nèi)溫濕度、紅外傳感器探測(cè)是否有人闖入、煙霧傳感器探測(cè)是否有火災(zāi)發(fā)生、氣敏傳感器探測(cè)是否有煤氣泄漏。室內(nèi)家居控制模塊根據(jù)用戶手機(jī)發(fā)回的指令或采集到的室內(nèi)信息來(lái)控制家電的開關(guān)。CMOS攝像頭用于拍攝室內(nèi)狀況，當(dāng)有盜賊闖入室內(nèi)時(shí)可抓拍其頭像發(fā)送給手機(jī)并存入SD卡。SD卡用于保存攝像頭拍攝的圖片及室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的歷史信息。蜂鳴器在室內(nèi)環(huán)境發(fā)生異常時(shí)響起，可用于喚醒用戶，在盜賊闖入時(shí)還可起到威懾作用。觸摸屏用于顯示人機(jī)交互界面，配置報(bào)警系統(tǒng)，觀測(cè)室內(nèi)狀態(tài)，查看歷史信息等。GPRS模塊可實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控，用戶通過(guò)發(fā)送短信給系統(tǒng)以查詢室內(nèi)狀態(tài)及控制室內(nèi)家居，在室內(nèi)出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)送遠(yuǎn)程告警信息及圖片給用戶。

圖1 室內(nèi)無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 ARM9核心控制模塊

系統(tǒng)核心控制由三星公司的ARM9處理器S3C2440完成，S3C2440是一款高性能32位RISC微處理器，采用ARM920T內(nèi)核，0.13μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，主頻可達(dá)400 MHz。設(shè)計(jì)中采用友善之臂的最小系統(tǒng)Micro2440，其包含基本電源電路、復(fù)位電路、標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試口、用戶調(diào)試指示燈、CPU和存儲(chǔ)單元等。其中存儲(chǔ)單元有64 MB的SDRAM、64 MB的NAND Flash及2 MB的NOR Flash，另外它的U型接口拓展了各種常用總線、LCD及CAMERA接口、GPIO等［2］。

1.3 室內(nèi)信息采集模塊

溫濕度傳感器采用Sensirion公司的數(shù)字傳感器SHT11，采用CMOSens技術(shù)將濕敏感元件、測(cè)溫元件、14位A/D和串行接口電路集成在一起，具有響應(yīng)速度快、抗干擾強(qiáng)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用GPIO口模擬其串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的讀寫。紅外探測(cè)器采用探測(cè)距離達(dá)10 m的ZT－7225，由12 V供電，繼電器輸出。氣敏傳感器采用對(duì)甲烷及天然氣敏感的MQ－4傳感器，隨著氣體濃度的升高，其內(nèi)阻變小。設(shè)計(jì)電路如圖2所示，其中可變電阻可設(shè)定不用的報(bào)警閾值，煙霧傳感器采用對(duì)煙霧敏感的MQ－2。設(shè)計(jì)中將紅外、氣敏及煙霧傳感器的輸出通過(guò)與門產(chǎn)生中斷信號(hào)送至處理器［3］。

圖2 紅外及氣體傳感器探測(cè)電路

1.4 室內(nèi)家居控制模塊

室內(nèi)家居控制模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)或用戶對(duì)家電的控制，設(shè)計(jì)采用交流固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，交流固態(tài)繼電器無(wú)觸點(diǎn)、可靠性好、壽命長(zhǎng)、使用方便，文中選用的繼電器負(fù)載電壓24～380 V、控制電壓3～24 V、控制電流3～25 mA，對(duì)家電的控制原理如圖3所示，ARM通過(guò)GPIO口輸出高電平開啟供電，輸出低電平關(guān)斷供電。

圖3 家電開關(guān)控制原理圖

1.5 CMOS攝像頭模塊

系統(tǒng)處理器采用S3C2440，自帶CMOS攝像頭接口，設(shè)計(jì)中將其通過(guò)接口引出，接口引腳分配如圖4所示。攝像頭選用友善之臂的CAM130攝像頭模塊，包含一個(gè)轉(zhuǎn)接板和ZT130G2攝像頭［4］。

圖4 CMOS攝像頭接口

1.6 GPRS模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種覆蓋范圍廣，性能完善的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通信速度快、抗干擾能力強(qiáng)、通信誤碼率低，并且完全利用現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)建設(shè)和運(yùn)行成本［5］。用GPRS實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性高、安全可靠、通信成本低。文中采用華為EM310模塊實(shí)現(xiàn)GPRS通信。EM310的工作頻段是EGSM900/GSM1800，兼容GSM/GPRS Phase2/2+協(xié)議，支持一個(gè)UART接口，設(shè)計(jì)中EM310模塊正是通過(guò)此接口與ARM9通信，其電路原理如圖5所示。系統(tǒng)可通過(guò)此模塊發(fā)送短信給用戶上報(bào)告警信息，或者接收用戶短信指令響應(yīng)用戶遠(yuǎn)程操作。

圖5 EM310模塊電路原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主程序

嵌入式Linux操作系統(tǒng)是一款性能優(yōu)良、源碼公開、可移植、可固化、可裁剪及占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于中小型控制系統(tǒng)，具有占用空間小、執(zhí)行效率高、實(shí)時(shí)性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)［3］。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分包括嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植與裁剪、系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)和使用Qt/Embedded設(shè)計(jì)圖形用戶界面3個(gè)主要部分。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植與裁剪主要分5步:分別是搭建Linux開發(fā)環(huán)境并建立交叉編譯環(huán)境;配置和編譯bootloader;配置和編譯Linux內(nèi)核;安裝Linux嵌入式操作系統(tǒng)。完成上述步驟后，開始嵌入式操作系統(tǒng)上應(yīng)用程序的開發(fā)，即本系統(tǒng)的核心控制程序，其流程如圖6所示。程序開始運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)ARM9內(nèi)部的緩沖區(qū)及一些變量進(jìn)行初始化，然后對(duì)串口、定時(shí)器、中斷及外圍設(shè)備設(shè)備初始化，接著讀取SIM卡中是否有客戶發(fā)來(lái)的指令信息，若有指令則執(zhí)行用戶指令;否則程序開始采集室內(nèi)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制相應(yīng)家電。若有煙霧或煤氣濃度過(guò)高等異常信息，則通過(guò)GPRS模塊向用戶發(fā)送短信告警;若是紅外傳感器檢測(cè)到室內(nèi)有人，則控制攝像頭拍攝一幀圖像并通過(guò)彩信發(fā)送給客戶。為防止用戶沒(méi)能及時(shí)看到信息，在發(fā)送信息后30 s后撥打用戶手機(jī)進(jìn)行提醒。

圖6 室內(nèi)無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)主程序流程

程序設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)交叉編譯，下載到ARM9中運(yùn)行;另外本系統(tǒng)還使用Qt/Embedded設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互界面，可用于設(shè)置家電的控制模式及報(bào)警模式，還可手動(dòng)設(shè)置家電的開啟與關(guān)閉。

2.2 GPRS模塊子程序

GPRS模塊子程序涉及GPRS模塊初始化，短信服務(wù)中心地址設(shè)置，短消息格式設(shè)置，報(bào)警幀/控制幀/應(yīng)答幀信息的裝配與解析，短彩信收發(fā)和撥打電話等，基本流程如圖7所示。若需發(fā)送彩信，則通過(guò)GPRS Modem撥號(hào)上網(wǎng)，和彩信網(wǎng)關(guān)建立鏈接，然后將圖片、文字封裝到彩信數(shù)據(jù)包，再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將彩信數(shù)據(jù)包提交到彩信網(wǎng)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)彩信的發(fā)送。發(fā)送短信及撥號(hào)則用一套專門對(duì)GPRS模塊控制的AT指令實(shí)現(xiàn)，這些指令通常以“AT”開頭，以回車符結(jié)尾［6］。系統(tǒng)主要使用的AT指令如下:模塊喚醒:“AT ”;短消息信息格式設(shè)置:“AT+CMGF=1 ”;短信服務(wù)中心地址設(shè)置:“AT+CSCA=“+8613800250500” ”;—南京短信中心號(hào)碼;短消息讀取:“AT+CMGL=“ALL” ”;—讀取所有短消息;短消息發(fā)送:“AT+CMGS=“15105187703” ”;—用戶號(hào)碼;撥打電話:“ATD15105187703; ”。

圖7 GPRS模塊子流程

3 結(jié)束語(yǔ)

文中以ARM9為核心控制器，通過(guò)攝像頭、觸摸屏、外圍傳感器、GPIO管腳及GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能家居式的無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。它不僅能監(jiān)控室內(nèi)溫濕度、煙霧、有害氣體，還能控制家電及監(jiān)控室內(nèi)安全，在有人闖入時(shí)可通過(guò)攝像頭拍下闖入者的頭像信息;另外還可以通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線報(bào)警和用戶遠(yuǎn)程控制的功能，并從硬件和軟件兩方面描述了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面，整個(gè)系統(tǒng)成本低、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快且適用范圍廣，不僅適用于家庭和樓宇，通過(guò)一定的改造在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域也有廣泛的發(fā)展前景［5］。

［1］ 孟曉寧，王永斌，孫建榮.基于GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用前景［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(19):3l－33.

［2］ 周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［3］ 宋文，王兵，周應(yīng)賓，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［4］ 謝建國(guó).視頻存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展綜述［M］.北京:計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002(9):17－21.

［5］ 李華，李學(xué)云，區(qū)細(xì)成，等.現(xiàn)代移動(dòng)通信新技術(shù)GPRS系統(tǒng)［M］.廣州:華南理工大學(xué)出版社，2001.

［6］HAUNG Yiehran，LIN Yibing.A software architecture for GPRS session management［J］.Wireless Communication and Mobile Computing，2002，2(2):151－167.