通過嵌入式Linux和S3C2440處理器實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，無線監(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)等場合，更走進(jìn)了人們的日常生活，給人們的生活帶來了便捷的信息化服務(wù)。文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM9的室內(nèi)無線監(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、圖像信息采集存儲及與用戶實(shí)時遠(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、紅外傳感器探測是否有人闖入、煙霧傳感器探測是否有火災(zāi)發(fā)生、氣敏傳感器探測是否有煤氣泄漏。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)生異常時響起，可用于喚醒用戶，在盜賊闖入時還可起到威懾作用。觸摸屏用于顯示人機(jī)交互界面，配置報(bào)警系統(tǒng)，觀測室內(nèi)狀態(tài)，查看歷史信息等。GPRS模塊可實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控，用戶通過發(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，監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)送遠(yuǎn)程告警信息及圖片給用戶。

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和存儲單元等。其中存儲單元有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。

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。紅外探測器采用探測距離達(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與門產(chǎn)生中斷信號送至處理器。

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)弱電對強(qiáng)電的控制，交流固態(tài)繼電器無觸點(diǎn)、可靠性好、壽命長、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，對家電的控制原理如圖3所示，ARM通過GPIO口輸出高電平開啟供電，輸出低電平關(guān)斷供電。

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，包含一個轉(zhuǎn)接板和ZT130G2攝像頭。

1．6 GPRS模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)是一種覆蓋范圍廣，性能完善的無線網(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)有移動通信網(wǎng)絡(luò)，無建設(shè)和運(yùn)行成本。用GPRS實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時性高、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UART接口，設(shè)計(jì)中EM310模塊正是通過此接口與ARM9通信，其電路原理如圖5所示。系統(tǒng)可通過此模塊發(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。

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)時性能好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。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Lin ux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，首先對ARM9內(nèi)部的緩沖區(qū)及一些變量進(jìn)行初始化，然后對串口、定時器、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高等異常信息，則通過GPRS模塊向用戶發(fā)送短信告警；若是紅外傳感器檢測到室內(nèi)有人，則控制攝像頭拍攝一幀圖像并通過彩信發(fā)送給客戶。為防止用戶沒能及時看到信息，在發(fā)送信息后30 s后撥打用戶手機(jī)進(jìn)行提醒。

程序設(shè)計(jì)完成后，通過交叉編譯，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GPRSModem撥號上網(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)送短信及撥號則用一套專門對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。系統(tǒng)主要使用的AT指令如下：模塊喚醒：“AT＼r”；短消息信息格式設(shè)置：“AT+CMGF=1＼r”；短信服務(wù)中心地址設(shè)置：“AT+CSCA=＼“+8613800250500＼”＼r”；-南京短信中心號碼；短消息讀?。骸癆T+CMGL=＼“ALL＼”＼r”；-讀取所有短消息；短消息發(fā)送：“AT+CMGS=＼“15105187703＼”＼r”；-用戶號碼；撥打電話：“ATD15105187703；＼r”。

3、 結(jié)束語

文中以ARM9為核心控制器，通過攝像頭、觸摸屏、外圍傳感器、GPIO管腳及GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了一個智能家居式的無線監(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，在有人闖入時可通過攝像頭拍下闖入者的頭像信息；另外還可以通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無線報(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)過程，系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面，整個系統(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。