摘 要： 將嵌入式系統(tǒng)與3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套基于3G技術(shù)的無(wú)線遠(yuǎn)程控制安防報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警板塊、煤氣防險(xiǎn)短信發(fā)送裝置和3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置3個(gè)部分。布防時(shí)，一旦出現(xiàn)陌生人影，現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警板塊就會(huì)將探測(cè)到的警情信號(hào)傳輸至3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置，并同時(shí)向用戶發(fā)送短信，且提示通過(guò)瀏覽器觀察屋內(nèi)情況。如果屋內(nèi)煤氣等易燃易爆氣體泄漏，則觸發(fā)煤氣防險(xiǎn)短信發(fā)送裝置，該裝置向用戶發(fā)出內(nèi)容上不同于前者的短信進(jìn)行報(bào)警，提示在手機(jī)瀏覽器上查看監(jiān)控信息。整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)大小可以靈活配置，具有較好的發(fā)展前景與實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 3G技術(shù)；ARM嵌入式系統(tǒng)；無(wú)線遠(yuǎn)程報(bào)警；CCD傳感器
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們的生活需求也變得多樣化，對(duì)財(cái)產(chǎn)安全、人身安全等的需求應(yīng)運(yùn)而生，這使得智能安防報(bào)警系統(tǒng)與居民日常生活越來(lái)越緊密。目前，國(guó)內(nèi)絕大部分家庭都對(duì)家庭安防報(bào)警系統(tǒng)有所需求，大多數(shù)家庭需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控家庭情況并且可以達(dá)到安防目的的產(chǎn)品。以往的防盜窗不僅影響美觀而且?guī)?lái)許多問(wèn)題，如影響火災(zāi)救援通道、給犯罪分子提供便利的翻越條件等。而傳統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)產(chǎn)品多采用警鈴或短信等傳統(tǒng)報(bào)警方式，即當(dāng)警報(bào)發(fā)生時(shí)，通過(guò)聲光報(bào)警或發(fā)送報(bào)警短信進(jìn)行報(bào)警。雖然這類傳統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠的特點(diǎn)，但由于傳輸網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備所限，其保密性、實(shí)時(shí)性較差，并且多數(shù)產(chǎn)品只能以簡(jiǎn)單地通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信的形式進(jìn)行報(bào)警[1]。本設(shè)計(jì)通過(guò)嵌入式設(shè)備與3G網(wǎng)絡(luò)模塊相連，利用3G網(wǎng)絡(luò)將聲音、視頻等各種信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程用戶手機(jī)終端上，用來(lái)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，可以達(dá)到防盜防險(xiǎn)雙重作用。整個(gè)安防報(bào)警系統(tǒng)大小可以靈活配置，報(bào)警信息發(fā)送及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠，具有較好的發(fā)展前景與應(yīng)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本設(shè)計(jì)供單戶家庭使用，根據(jù)我國(guó)住宅建設(shè)的實(shí)際情況，為滿足新時(shí)期居民的居住要求，并充分考慮其經(jīng)濟(jì)性和可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的總體功能，將其劃分為探測(cè)傳感器模塊（利用單片機(jī)）、CCD攝像模塊、3G網(wǎng)絡(luò)無(wú)線收發(fā)模塊和ARM核心控制模塊等功能模塊。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)工作原理
本設(shè)計(jì)中的3G智能安防報(bào)警系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊、煤氣防險(xiǎn)短信發(fā)送裝置和3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置3部分組成。現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊一般安裝在需要進(jìn)行安防的地點(diǎn)，如門口、臥室內(nèi)等。現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊上的熱釋紅外傳感器經(jīng)過(guò)檢測(cè)可以確定人影的到來(lái)。當(dāng)檢測(cè)到人影時(shí)，其立即啟動(dòng)自身聲光報(bào)警，可以達(dá)到震懾入侵者的目的，同時(shí)觸發(fā)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置，向用戶發(fā)送短信，并提示用戶打開手機(jī)瀏覽器觀察屋內(nèi)情況。同樣，如果家中煤氣等易燃易爆氣體泄漏就會(huì)觸發(fā)設(shè)置于房間內(nèi)的煤氣短信發(fā)送裝置，與前者一樣，該裝置會(huì)自動(dòng)地往指定手機(jī)發(fā)送短信報(bào)警，并通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)對(duì)外發(fā)送視頻信號(hào)。用戶根據(jù)短信提示，打開手機(jī)瀏覽器就可以看到屋內(nèi)情況，進(jìn)行相關(guān)的處理。
1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊
本模塊使用的是AT89C2051單片機(jī)，接收到外部信息時(shí)，進(jìn)行處理，并且進(jìn)行相關(guān)的操作[2]，該模塊與3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置中主機(jī)相連。其系統(tǒng)主要由鍵盤、運(yùn)行指示燈、熱釋紅外傳感器、電源、蜂鳴器和單片機(jī)構(gòu)成，如圖2所示。圖中鍵盤1為設(shè)防鍵盤，鍵盤2為撤防鍵盤，鍵盤3為緊急報(bào)警鍵盤。
1.2.2 煤氣防險(xiǎn)短信發(fā)送裝置
本裝置由電源、傳感器、中央處理器STM32F101C8T6、GPRS裝置和聲光報(bào)警等子模塊組成，用來(lái)完成對(duì)室內(nèi)可燃性氣體的監(jiān)測(cè)與報(bào)警。通過(guò)氣體傳感器MQ-4來(lái)獲取室內(nèi)環(huán)境中的可燃性氣體濃度及其他相關(guān)環(huán)境參數(shù)，中央處理模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的相關(guān)參數(shù)閾值判別氣體是否泄漏，若室內(nèi)天然氣發(fā)生泄漏，則通過(guò)GPRS模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，并與3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置中主機(jī)通信，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警的功能。圖3為STM32F101C8T6芯片的周邊電路。
1.2.3 3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置
為了節(jié)省開發(fā)時(shí)間，本設(shè)計(jì)中的3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置使用ARM11開發(fā)板實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，經(jīng)過(guò)分析系統(tǒng)信號(hào)數(shù)量與類型，采用的開發(fā)板是基于德州儀器（TI）OMAP3530處理器的DevKit8000。OMAP3530處理器集成了600 MHz的ARM Cortex-A8內(nèi)核及430 MHz的具有高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理算法的DSP核，并提供了豐富的外設(shè)接口。DevKit8000提供了完善的軟件開發(fā)平臺(tái)，支持Linux-2.6.28及WinCE 6.0操作系統(tǒng)，并包含完善的底層驅(qū)動(dòng)程序[3-4]。
ARM 11開發(fā)板系統(tǒng)分析現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置及煤氣傳感器短信發(fā)送裝置所傳送信號(hào)的邏輯關(guān)系。如果同時(shí)具有信號(hào)的時(shí)候則通過(guò)ARM 11開發(fā)板對(duì)CCD傳感器的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，然后利用與之相連的無(wú)線路由器與服務(wù)器對(duì)接。同時(shí)，將壓縮后的視頻信號(hào)傳送至服務(wù)器上，再通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)模塊將整個(gè)系統(tǒng)與3G網(wǎng)絡(luò)相連，最后可以利用3G手機(jī)訪問(wèn)瀏覽器的方式看到整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)情況。為了便于調(diào)試，在開發(fā)板上設(shè)計(jì)了一個(gè)觸摸屏，可以看到現(xiàn)場(chǎng)情況。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警模塊使用的是AT89C2051單片機(jī)，使用的編程調(diào)試軟件是Keil。軟件流程圖如圖4所示。程序首先將AT89C2051初始化，開啟每個(gè)需要使用的引腳并使之處于正確的功能狀態(tài)下，此時(shí)讀取按鍵1、2的鍵值。如果按鍵2被按下，則直接循環(huán)回初始化步驟；如果按鍵1按下，則繼續(xù)讀取鍵3端口數(shù)據(jù)；若鍵3按下，則直接聲光報(bào)警，否則就從熱釋紅外傳感器接口處讀取數(shù)據(jù)。如果有人影信號(hào)，則進(jìn)行聲光報(bào)警，并通過(guò)端口P1.4向ARM開發(fā)板傳輸開關(guān)量信號(hào)；沒(méi)有人影信號(hào)則直接返回初始化。
2.2 煤氣防險(xiǎn)短信發(fā)送裝置中央處理軟件設(shè)計(jì)
煤氣傳感器短信發(fā)送裝置中主控芯片采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F101C8T6微處理器，使用的編程調(diào)試軟件是IAR。程序流程如圖5所示。
程序首先對(duì)STM32F101C8T6進(jìn)行初始化，開啟每個(gè)需要使用的引腳并使之處于正確的功能狀態(tài)下。然后，從STM32F101C8T6的A/D口讀入此時(shí)的數(shù)據(jù)，即此時(shí)空氣中甲烷濃度的量測(cè)值，將該值與程序中的原設(shè)定值進(jìn)行比較。若甲烷的濃度超限，則STM32F101C8T6控制蜂鳴器與一個(gè)報(bào)警用的LED燈發(fā)出報(bào)警信號(hào)，接著通過(guò)串口向GPRS模塊發(fā)送信號(hào)，使之向用戶發(fā)送報(bào)警短信，提醒用戶，同時(shí)通過(guò)I/O口與3G發(fā)送與顯示裝置中的ARM 11控制器相連，達(dá)到通信的目的。
2.3 3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射與顯示裝置軟件設(shè)計(jì)
2.3.1 CCD傳感器視頻采集壓縮方案
由于安防報(bào)警系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，則需要視頻流暢地傳輸，但由于CCD傳感器所采集的視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量較大，因此必須進(jìn)行相應(yīng)的壓縮處理。通過(guò)分析，可以利用DSP、FPGA一系列硬件裝置予以壓縮處理，也可以通過(guò)編寫算法處理視頻信號(hào)，達(dá)到與硬件壓縮相媲美的處理效果。
本設(shè)計(jì)通過(guò)編寫算法完成信號(hào)的處理過(guò)程，采用的是JPEG壓縮算法。JPEG是根據(jù)每幀圖像內(nèi)容進(jìn)行壓縮，即幀內(nèi)壓縮，這樣會(huì)造成大量冗余信息被重復(fù)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)占用空間在8 KB～15 KB之間，如果采用高壓縮比，視頻質(zhì)量就會(huì)嚴(yán)重降低。系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是壓縮率低、占用帶寬多。但由于JPEG是目前較為通用的標(biāo)準(zhǔn)，可以得到高質(zhì)量的圖像畫面，并且擁有較好的實(shí)時(shí)性，因此該算法可以較好地完成視頻的壓縮工作。
2.3.2 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸方案
針對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，本設(shè)計(jì)選擇CDMA8000模塊，它是天漠公司推出的3G無(wú)線通信模塊，是基于高通最新的MSM6290平臺(tái)開發(fā)的UMTS 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，該模塊適用于EDGE、GPRS、GSM及WCDMA（HSPA）網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)全球漫游。通用的 USB 接口和強(qiáng)大的軟件支撐平臺(tái)，使模塊具備友好的二次開發(fā)軟硬件平臺(tái)，可以支持多種外圍設(shè)備，滿足3G用戶豐富的業(yè)務(wù)功能需求產(chǎn)品特征[5-6]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的3G網(wǎng)絡(luò)傳輸基本流程圖如圖6所示。
3 3G網(wǎng)絡(luò)智能安防報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試
3G網(wǎng)絡(luò)智能安防報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試圖如圖7所示。本安防報(bào)警系統(tǒng)硬件主要包括2塊單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板、無(wú)線路由器、Nokia 3G手機(jī)和ARM 11開發(fā)板，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)防、撤防及立即報(bào)警3個(gè)基本功能。
3.1 設(shè)防功能
按下現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警按鍵1后，系統(tǒng)在1 min后進(jìn)入警戒狀態(tài)，并且觸發(fā)煤氣檢測(cè)短信發(fā)送板。在警戒狀態(tài)下，如果有人闖入禁區(qū)，觸發(fā)熱釋紅外傳感器，則CPU收到信息后馬上進(jìn)行聲光報(bào)警，從而達(dá)到威懾壞人的目的，同時(shí)向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，提示用戶打開手機(jī)瀏覽器觀察屋內(nèi)情況。同樣，若屋中有煤氣等易燃?xì)怏w泄漏，則觸發(fā)煤氣防險(xiǎn)短信發(fā)送裝置，其會(huì)向用戶手機(jī)發(fā)送與前者內(nèi)容不同的短信。ARM板依靠3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊向3G手機(jī)傳輸視頻信號(hào)，同樣，此時(shí)打開瀏覽器也可以觀察到現(xiàn)場(chǎng)狀況，如圖8所示。在本設(shè)計(jì)中，使用了LED二極管及蜂鳴器作為聲光報(bào)警設(shè)備。系統(tǒng)報(bào)警后，連續(xù)響3 min，嚇跑壞人，3 min后，再次檢測(cè)，看是否還有人，如果還有人，則繼續(xù)報(bào)警3 min，當(dāng)人走后，報(bào)警停止，重新進(jìn)入警戒狀態(tài)。圖8為手機(jī)收到視頻信號(hào)。
3.2 立即報(bào)警功能
立即報(bào)警功能在情況非常危及的時(shí)候，或者需要通知他人情況下的功能。按下立即報(bào)警按鍵3，系統(tǒng)會(huì)立即進(jìn)行報(bào)警操作，一直不停報(bào)警，直到按下撤防鍵為止，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)壞人后嚇走壞人的目的。
3.3 撤防功能
屋主離開后，會(huì)按下設(shè)防鍵，但是當(dāng)屋主回來(lái)后，必須進(jìn)行撤防操作，不然系統(tǒng)仍然會(huì)進(jìn)行報(bào)警。因此，必須按下撤防按鍵2，清除警戒功能。在實(shí)際應(yīng)用中，撤防鍵可以安裝在比較隱蔽的地方，屋主容易操作，且壞人無(wú)法找到的地方。
本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)安防產(chǎn)品的特點(diǎn)，提出了基于3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線遠(yuǎn)程控制安防報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻采集和壓縮模塊的軟件代碼編寫，保證視頻信號(hào)可以按要求進(jìn)行發(fā)送。針對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程報(bào)警的任務(wù)，搭建了傳感器、控制板、發(fā)送和接收的硬件平臺(tái)，編寫了紅外傳感器觸發(fā)、攝像頭驅(qū)動(dòng)和信號(hào)的處理及發(fā)送的相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了視頻信息的無(wú)線遠(yuǎn)程報(bào)警，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。
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