基于嵌入式的智能火災(zāi)監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計

劉 林， 楊 晨， 丁 召

（貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的加快，城鎮(zhèn)的火災(zāi)隱患越來越大，每年我國都因為火災(zāi)而造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。盡管目前我國大多數(shù)樓宇都安裝了火災(zāi)報警系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，但隨著火災(zāi)隱患復(fù)雜性的增加在諸如：火情的智能判斷，智能報警等方面提出了要求[2]。本課題基于ARM11平臺研究了一種智能火災(zāi)監(jiān)測報警系統(tǒng)，可以為用戶提供實時火災(zāi)現(xiàn)場情況以避免火情誤報，并為消防部門進行滅火工作提供現(xiàn)場環(huán)境參考。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示，系統(tǒng)以ARM 11核心處理器，采用了GPIO擴展口控制紅外火災(zāi)傳感器實時讀取現(xiàn)場信息，通過USB接口控制USB攝像頭獲取現(xiàn)場實時視頻和采集圖片，選用TTL串口控制GPRS模塊實現(xiàn)被采集圖片的發(fā)送。

1.1 基于S3C6410的系統(tǒng)主控部分

S3C6410處理器是由三星電子公司出產(chǎn)的ARM11系列16/32位RISC微處理器，工作頻率為533 MHz/667 MHz。具有成本低、性能高、功耗低等特點。它包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理、音頻處理等；集成多格式編碼器，支持NTSC和PAL模式的電視信號輸出。它包含JPEG解碼器，支持YCbCr 4:2:2格式編碼，支持YCbCr 4:4:4/4:2:2/4:2:0/4:1:1或灰色格式解碼。在硬件外設(shè)方面，S3C6410提供了USB主控制器，480Mbps高速USB OTG接口，187個可擴展GPIO接口，4通道 UART 等[3]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架Fig.1 The design framework of system

系統(tǒng)采用了基于S3C6410的OK6410開發(fā)平臺作為驗證平臺，OK6410平臺集成了多種接口，如：GPIO、UART、USB等，可以掛載多種不同接口的傳感器，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

對于嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計，操作系統(tǒng)的選擇至關(guān)重要。目前，在嵌入式平臺上有多種嵌入式操作系統(tǒng)，如：VxWorks、WindowsCE、μC/OS-Ⅱ、Linux等。根據(jù)操作系統(tǒng)選擇的幾條原則[4-5]，我們選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)，它具有如下優(yōu)點：

1）源代碼公開，可以按開發(fā)者意愿進行修改。

2）遵從GPL，無須為每例應(yīng)用交納許可證費。

3）有大量的開發(fā)工具，方便設(shè)計者進行開發(fā)。

4）具有很高的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率。

5）支持多種處理器和開發(fā)平臺。

我們將Linux3.0.1內(nèi)核移植到驗證平臺上，利用搭建好的平臺進行了如下工作：

1）提供GPIO接口，掛載火災(zāi)傳感器。

2）通過USB接口連接攝像頭采集視頻幀。

3）移植libjpeg庫到Linux內(nèi)核中，利用移植好的libjpeg庫將視頻幀轉(zhuǎn)成jpeg圖片。

4）提供TTL串口，控制GSM/GPRS模塊發(fā)送彩信。

1.2 火情信息的紅外采集

紅外火災(zāi)傳感器模塊是通過GPIO口與開發(fā)板進行通信的。為此我們開發(fā)了GPIO的驅(qū)動程序。在Linux3.0.1核中，提供 了 gpio_get_value（）、gpio_set_value（）、gpio_request（）等API對GPIO設(shè)備的寄存器進行讀取。我們利用這些API編寫了file_operations結(jié)構(gòu)體，提供了對GPIO設(shè)備文件進行打開、關(guān)閉和讀寫操作的 read（）、write（）、open（）、release（）函數(shù)。在進入Linux系統(tǒng)后，使用insmod命令將驅(qū)動加載到內(nèi)核中，并使用mknod命令創(chuàng)建供讀寫操作的設(shè)備節(jié)點。

系統(tǒng)采用紅外檢測探頭和LM393雙電壓比較器集成電路組成紅外火災(zāi)檢測模塊，具有檢測范圍廣，響應(yīng)速度快，靈敏度可調(diào)節(jié)，輸出量可以直接接入到I/O口中等特點。模塊的原理圖如圖2所示。 常態(tài)時，傳感器輸出高電平，當(dāng)傳感器感應(yīng)到熱源時，模塊輸出引腳輸出低電平，通過GPIO口輸入到S3C6410中。

圖2 火災(zāi)傳感器原理圖Fig.2 The schematic diagram of fire sensor

1.3 圖像信息的采集與壓縮

系統(tǒng)采用符合PAL制式的USB攝像頭。該攝像頭支持YUV422視頻格輸出，成本低廉。Linux在內(nèi)核中提供了關(guān)于視頻設(shè)備的 API接口 Video 4Linux2（簡稱V4L2），它是 Linux下視頻驅(qū)動的標準框架，從Linux2.6版本后開始加入Linux內(nèi)核?？梢詫崿F(xiàn)對攝像頭的識別和支持，簡化設(shè)計開發(fā)的流程[6]。

系統(tǒng)判斷火災(zāi)發(fā)生后會啟動攝像頭，攝像頭采集圖像流程如圖3所示。系統(tǒng)通過使用V4L2編程框架中提供的函數(shù)獲取攝像頭輸出視頻格式后，調(diào)用控制函數(shù)設(shè)置視頻設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)格式，例如設(shè)置視頻圖像數(shù)據(jù)的長、寬，圖像格式等。設(shè)置視頻圖像格式成功后，系統(tǒng)需要為獲取的視頻數(shù)據(jù)申請分配視頻緩沖區(qū)[7]。當(dāng)采集視頻幀數(shù)達到要求數(shù)目后，程序會將緩沖區(qū)的一幀數(shù)據(jù)移至內(nèi)存中，并將YUV數(shù)據(jù)按照式（1）、式（2）和式（3）[8]轉(zhuǎn)換成 RGB 格式。

轉(zhuǎn)換完成后，我們利用libjpeg庫和得到的現(xiàn)場圖像的數(shù)據(jù)信息生出我們需要的jpeg格式的圖片。

圖3 攝像頭采集圖像流程圖Fig.3 The flow chart of image capture by camera

1.4 圖像信息的發(fā)送

GSM/GPRS模塊在系統(tǒng)中負責(zé)將采集到的現(xiàn)場圖像以彩信形式發(fā)送到監(jiān)測者的手機上。本設(shè)計選用了晨訊科技公司的SIM900GSM/GPRS模塊。模塊內(nèi)封裝了彩信協(xié)議，可以自動將傳入的圖片封裝成彩信。

當(dāng)攝像頭采集圖像完成后，系統(tǒng)會自動啟動發(fā)送彩信的程序，通過簡單的AT指令控制模塊進行發(fā)送。主要AT指令如下：

1）a+cmmsinit初始化GSM/GPRS模塊的彩信功能。

2）at+sapbr=3，1，"contype"，"gprs"設(shè)置網(wǎng)絡(luò)方式。

3）at+sapbr=3，1，"apn"，"cmwap"設(shè)置接入點為 cmwap。

4）at+cmmsedit=1打開GSM/GPRS模塊的彩信編輯功能。

5）at+mmsdown=img_type，img_size，time 下載圖片到 GSM/GPRS模塊中，img_type為下載類型，以字符串"pic"表示正在下載的為圖片。Img_size為圖片大小，time為圖片下載時間閾值。

6）at+mmssnd發(fā)送彩信。

2 實驗結(jié)果

系統(tǒng)實驗流程主要包括：加載GPIO驅(qū)動程序、啟動火災(zāi)檢測程序、啟動圖像采集處理程序和彩信發(fā)送程序。整個系統(tǒng)的流程圖如圖4所示。

當(dāng)開發(fā)板上的Linux操作系統(tǒng)啟動后，首先會加載編寫好的GPIO驅(qū)動模塊，創(chuàng)建設(shè)備文件節(jié)點。然后啟動火災(zāi)傳感器模塊，對周圍環(huán)境進行監(jiān)測。當(dāng)傳感器持續(xù)檢測到有火情發(fā)生時，會主動啟動攝像頭進行拍攝。當(dāng)系統(tǒng)完成圖像采集后，會自動運行GSM/GPRS模塊，向模塊中寫入AT指令和采集到的圖片。圖片寫入完成后，GSM/GPRS模塊會將封裝好的彩信發(fā)送到用戶手機上。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of system

在室內(nèi)環(huán)境下，我們做了模擬火災(zāi)仿真，現(xiàn)場采集到的圖片如圖5所示。從圖中可以清楚的看到可燃物正在燃燒。

圖5 采集的現(xiàn)場圖像Fig.5 Live image capture

系統(tǒng)采集到圖像后自動將其以彩信形式發(fā)送到手機上，手機接收到彩信的情況如圖6所示。

3 結(jié) 論

文中所設(shè)計的火災(zāi)檢測系統(tǒng)以監(jiān)測到火災(zāi)發(fā)生并將現(xiàn)場圖像發(fā)送到用戶的手機上為目的。同時利用GPIO驅(qū)動，V4L2編程，GSM/GPRS模塊封裝發(fā)送彩信等技術(shù)，進行了系統(tǒng)開發(fā)。經(jīng)過模擬實驗，結(jié)果表明系統(tǒng)可以實現(xiàn)火災(zāi)檢測，并達到向用戶傳回現(xiàn)場圖像的設(shè)計要求。

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