室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人類進(jìn)入了信息時(shí)代，緊接著產(chǎn)生了智能化監(jiān)控系統(tǒng)。安全報(bào)警系統(tǒng)已成為室內(nèi)環(huán)境中安全管理的基礎(chǔ)，主要包括防盜報(bào)警、氣體泄漏報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警、室內(nèi)環(huán)境智能報(bào)警 [1]。本文建立一個(gè)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)報(bào)警，利用手機(jī)控制室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)、攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)， 可隨時(shí)查看檢測(cè)畫(huà)面，C/S 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，使用電腦負(fù)責(zé)連接控制并與手機(jī)通信，手機(jī)智能終端負(fù)責(zé)顯示器屏幕顯示， 提供用戶界面控制檢測(cè)設(shè)備 [2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式 Web 服務(wù)器提供了互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線通信連接方式， 具備豐富的功能擴(kuò)展接口。用戶通過(guò)瀏覽器或 Android 智能APP 登錄控制系統(tǒng) [3]，客戶端在身份安全驗(yàn)證通過(guò)后，可訪問(wèn)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控終端并修改系統(tǒng)參數(shù)來(lái)下達(dá)任務(wù) [4]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖 1 總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主控板包括 Samsung 公司的S3C2410 集成芯片、1 024 MB DDRII 存儲(chǔ)器、256 MB SLC型閃存、電源管理單元、LCD 顯示、網(wǎng)絡(luò)控制器 DM9000、華為 3G EM770W 無(wú)線通信模塊 [5]。室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)硬件框圖如圖 2 所示。

華為 3G EM770W 無(wú)線通信模塊 [5]。室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)硬件框圖如圖 2 所示。

圖 2 室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)硬件框圖

2.1 微處理器 S3C2410

芯片 S3C2410 是 16/32 位 RISC 微處理器，擁有豐富的資源，主要頻率最大可達(dá) 203 MHz，具有成本低、功耗小、性能高的特點(diǎn) [6]。S3C2410 采用 272-FBGA 封裝，分為總線控制信號(hào)、各種各樣的元器件接口信號(hào)、電源時(shí)鐘控制信號(hào)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制器 DM9000

網(wǎng)絡(luò)控制器 DM9000 有一個(gè)一般的處理接口，具有損耗低、成本低廉、性能高、功率低、驅(qū)動(dòng)源代碼比較齊全、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便、能自動(dòng)協(xié)調(diào)等特點(diǎn)，支持 3.3 V 或 5 V 的 I/O 電壓、介質(zhì)無(wú)關(guān)接口， 可用介質(zhì)無(wú)關(guān)接口連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。DM9000 引腳如圖 3 所示。

微處理器 S3C2410 與網(wǎng)絡(luò)控制器 DM9000 連接電路如圖 4 所示。

2.3 3G模塊 EM770W

3G EM770W 模塊外形較小，通過(guò) Mini PCI Express 接口連接主控制板，使用 SIM 卡時(shí)必須安裝到位。

在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)或用戶不方便上網(wǎng)時(shí)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的報(bào)警信息（如防盜報(bào)警、防火報(bào)警）不能送達(dá)，用戶不能及時(shí)監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境 [7]。為了使報(bào)警信息實(shí)時(shí)可靠地送達(dá)用戶，用戶可通過(guò)相應(yīng)的短信對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，且當(dāng)室內(nèi)環(huán)境異常時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信 [8]。

EM770W 引腳如圖 5 所示。

一般情況下， 為防止信號(hào)干擾， 在 USIM_VCC 上加0.1 μF 電容，在 USIM_CD 上加 10 nF 電容，在 USIM_CLK，USIM_IO，USIM_RST 上加 33 pF 電容。

2.4 RS 232串口

MAX232 芯片是 RS 232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232 的主要特點(diǎn)是 ：符合 RS 232C 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ；具有電荷泵升壓、電壓極性變換能力，可產(chǎn)生 ±10 V電壓 ；供電電流為 5 mA，功率損耗小 ；有兩個(gè)內(nèi)部集成的RS 232C 驅(qū)動(dòng)器。

2.5 傳感器模塊

2.5.1 溫度傳感器

DS18B20 是常用的數(shù)字溫度傳感器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，體積小，成本低廉，經(jīng)濟(jì)靈活，具有 8 引腳 SIOC 小體積封裝形式。

2.5.2 燃?xì)鈧鞲衅?

MQ5 氣體傳感器采用的材料是二氧化錫（SnO2），空氣中有可燃?xì)怏w時(shí)，二氧化錫的電導(dǎo)率隨著可燃?xì)怏w濃度的增大而變大，用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路就可將電導(dǎo)率的變化變換為該氣體濃度對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

2.5.3 濕度傳感器

SHT15 型智能濕度 / 溫度傳感器相對(duì)濕度的測(cè)量范圍為0 ～ 100%，分辨力為 0.03%RH，最大精度為 ±2%RH ；溫度測(cè)量范圍為 -40 ～ 123.8 ℃，分辨力為 0.01 ℃。測(cè)量濕度、溫度時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換的位數(shù)最多為 12 位、14 位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行系統(tǒng)移植，包括 Linux 內(nèi)核移植、驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、BOA 應(yīng)用開(kāi)發(fā) ；然后進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，包括Android 智能手機(jī)終端遠(yuǎn)程控制軟件開(kāi)發(fā)等。

3.1 系統(tǒng)移植

3.1.1 系統(tǒng)移植環(huán)境

（1）安裝主機(jī)環(huán)境，采用 Windows+VMware+Ubuntu 的方式 ；

（2）安裝必要的軟件包，安裝命令在 Ubuntu 下輸入 [9] ；

（3）安裝 JDK 開(kāi)發(fā)環(huán)境，并設(shè)置好環(huán)境變量的路徑。

3.1.2 移植 Linux 內(nèi)核

（1） 將 Linux 主機(jī)下 android.tar.bz2 文件解壓產(chǎn)生Android 源碼目錄 ；

（2）驅(qū)動(dòng)移植 ；

（3）文件系統(tǒng)和內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)的正確掛載 ；

（4）調(diào)試控制臺(tái) ；

（5）打開(kāi)并調(diào)試相關(guān)驅(qū)動(dòng)（binder，logger 等）。

3.1.3 BOA移植

BOA 能夠像普通服務(wù)器一樣完成協(xié)議解析，實(shí)現(xiàn)客戶端的各種請(qǐng)求，具有高性能、輕量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 手機(jī) APP應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

Android 開(kāi)發(fā)環(huán)境的安裝步驟如下 ：

（1）安裝 JDK

直接從網(wǎng)上下載 JDK，由于所用電腦是 32 位操作系統(tǒng)，選擇下載 Windows x86 188.43M jdk-8u92-windows-i586.exe。

（2）配置 JDK 變量環(huán)境

配置 JDK 系統(tǒng)變量環(huán)境時(shí)， 需要設(shè)置 3 個(gè)系統(tǒng)變量：

Java-home，Path 及 Classpath。

Java-home ：設(shè)置系統(tǒng)變量名稱，JDK 在 C ：\Program Files\Java\jdk1.8.0_92 目錄下，創(chuàng)建后用 %JAVA_HOME% 作為 JDK 安裝目錄的同一引用路徑。

Path ：直接對(duì) Path 屬性進(jìn)行編 輯， 在原變量名后加 ：；%JAVA_HOME%\bin ；%JAVA_HOME%\jre\bin 。

Classpath ：. ；%JAVA_HOME%\lib\dt.jar ；%JAVA_ HOME%\lib\tools.jar。

（3）下載安裝 Eclipse

Eclipse 是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），主要為 Android 和 Java應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) [10]。直接運(yùn)行 Eclipse 應(yīng)用程序，打開(kāi)時(shí)需要設(shè)置工作目錄。

（4）下載安裝 AndroidSDK

前面步驟僅僅是普通 Java應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)， 開(kāi)發(fā)Android應(yīng)用還需安裝 AndroidSDK， 并安裝配置 Android Eclipse插件 ADT。

（5）給 Eclipse安裝 ADT 插件

使用 Eclipse 需要安裝 ADT 插件，可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程， 節(jié)約時(shí)間，ADT 插件中有創(chuàng)建和調(diào)試 Android 工程向?qū)А?

（6）開(kāi)發(fā) APP

開(kāi)發(fā)手機(jī) APP 需要了解市場(chǎng)對(duì)手機(jī) APP 的應(yīng)用需求， 現(xiàn)在較為豐富的應(yīng)用生態(tài)是 APP Store 與 Google Play。開(kāi)發(fā)APP 應(yīng)用需明確產(chǎn)品方向，設(shè)計(jì)手機(jī) APP 應(yīng)用要突出其主要功能點(diǎn)，這樣才可滿足用戶對(duì)手機(jī) APP 的需求，同時(shí)還可給手機(jī) APP 匹配一些相關(guān)功能。

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)環(huán)境手機(jī) APP 操作界面如圖6、圖7 所示。

圖6 室內(nèi)環(huán)境操作界面一圖7 室內(nèi)環(huán)境操作界面二

3.3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1 所列。

由表 1 可知，本文系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控效果如圖 8 所示。

圖 8 遠(yuǎn)程監(jiān)控效果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文使用 ARM 處理器、網(wǎng)絡(luò)控制器以及各類傳感器開(kāi)發(fā)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端硬件平臺(tái)，搭建了 Linux 服務(wù)器平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了 Android 系統(tǒng) APP 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了各類參數(shù)的采集顯示與報(bào)警，同時(shí)可在手機(jī)上視頻監(jiān)控室內(nèi)場(chǎng)景。該系統(tǒng)功能完善，實(shí)現(xiàn)了客戶的需求目標(biāo)。